CN108359594A - 一种用于模拟天然气微渗漏的装置及其应用 - Google Patents

一种用于模拟天然气微渗漏的装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟天然气微渗漏的装置，其包括柱体和设置在柱体两端用于封闭柱体的两个可拆卸封盖；柱体自上游端到下游端依次设置有储气室、填充室和进气缓冲室；填充室内装有土壤，并且填充室侧壁上设置有至少一个取样口；储气室侧壁设置有气压表；进气缓冲室通过第Ⅰ隔层与填充室相隔，进气缓冲室侧壁设置有进气口，该进气口与模拟气源相连。该装置用于模拟天然气微渗漏，检测过程中，气压密闭性良好，土壤pH和土壤湿度基本维持不变，可以较好地模拟天然气微渗漏，达到预期效果。该装置可用于开展人工模拟条件下模拟天然气微渗漏条件，定期开展地表土壤油气指示微生物的数量变化和种群发育情况监测，为实际野外勘探提供基础理论支撑。

Description

一种用于模拟天然气微渗漏的装置及其应用
技术领域
本发明属于油气微生物勘探应用领域技术领域，涉及一种用于模拟天然气微渗漏的装置及其应用。
背景技术
油气微生物勘探是近些年发展较迅速、并得到公认的行之有效的油气勘探手段，该项技术以研究地表土壤中油气指示微生物数量和群落异常来预测地下油气藏的分布。油气微生物勘探需要建立在正演的研究基础上，正演过程即采集确定油气区和非油气区地表土壤样品，在微生物实验室分析两者之间油气指示微生物数量和群落的差异。但在正演研究过程中，勘探人员并不能百分之百的确定野外土壤样品的油气背景信息(是否为油气区或者非油气区土壤样品)，进而不能准确研究油气指示微生物的数量和群落变化规律。因此在确定油气背景信息的模拟环境下研究微生物数量和群落变化是非常必要的。
发明内容
本发明针对油气微生物勘探技术中存在的理论性问题，提供一种人工模拟天然气微渗漏模型，在确定油气背景信息条件下对土壤样品中油气指示微生物进行驯化培养，对其数量和群落变化进行研究，为油气微生物勘探提供更为直接的实验依据，进一步完善油气微生物勘探理论。
为此，本发明提供了一种用于模拟天然气微渗漏的装置，其包括柱体和设置在柱体两端的封闭柱体的两个可拆卸的封盖；柱体自上游端到下游端依次设置有储气室、填充室和进气缓冲室；填充室内装有土壤，并且填充室侧壁上设置有至少一个取样口；储气室侧壁设置有气压表；进气缓冲室通过第Ⅰ隔层与填充室相隔，进气缓冲室侧壁设置有进气口，该进气口与模拟气源相连。
根据本发明的一些实施方式，所述柱体的长度为1-4m；优选为2-3m。
根据本发明的另一些实施方式，所述柱体的内径为5-20cm；优选为8-12cm。
本发明中所述土壤为环境土壤，优选土壤性质为亚砂土和/或亚粘土。
在本发明的一些实施例中，当填充室侧壁上设置有至少二个以上的取样口时，取样口之间以及取样口与第Ⅰ隔层之间的距离为30-50cm；优选为40-50cm。
根据本发明的一些实施方式，所述进气缓冲室的长度为5-15cm，优选为8-12cm，进一步优选为10-12cm。
根据本发明的一些实施方式，所述储气室的长度为5-15cm，优选为10-15cm。
根据本发明的一些实施方式，所述取样口的直径为1-2cm，优选为1.5-2cm。
在本发明的一些优选的实施例中，所述储气室通过第Ⅱ隔层与填充室相隔。
根据本发明，所述隔层包括隔板和/或筛网；所述隔板上设置有气孔；所述筛网的筛孔为200-400目；优选为300-400目。
本发明中，所述隔层的厚度为0.2-1.5cm，优选为0.8-1cm。
根据本发明，所述柱体上游端的封盖上设置有排气口。
在本发明的一些优选的实施例中，所述柱体上游端的封盖上还设置有进水口；所述柱体下游端的封盖下端设置有排水口。
本发明还提供了一种利用本发明上述装置模拟天然气微渗漏的检测方法，其包括：
步骤A，打开排气口，由模拟气源经过进气口向所述装置内供入模拟气体，对土壤中微生物进行驯化；
步骤B，通过取样口采取样品；
步骤C，检测所述样品的微生物的数量变化和种群发育状态；
步骤D，建立关于取样位置与样品的微生物的数量变化和/或种群发育状态的对应关系的数据库。
根据本发明的一些实施方式，在步骤A和B中，进气口的气体压力控制在0.03-0.05Mpa之间。
根据本发明的一些实施方式，在步骤A和B中，进气口的气体流速控制在0.02-0.04ml/min之间，优选在0.0285-0.04ml/min之间。
在本发明的一些实施例中，在步骤B中，采取样品的间隔周期为一个月；通气之前采取一次，之后每过一个月采取一次。
本发明所提供的模拟天然气微渗漏土壤柱能够用于土壤中油气指示微生物数量和群落变化的研究，在实验过程中，柱体气密性良好，土壤pH值和湿度基本维持不变，柱体土壤温度与外界气温变化趋于一致，该装置可以提供天然气微渗漏条件，开展相关微生物研究，为实际野外勘探提供理论依据。
附图说明
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明：
图1为用于模拟天然气微渗漏的装置原理图；图中附图标记的含义如下：100用于模拟天然气微渗漏的装置；101柱体；102上游端端盖；103下游端端盖；11储气室；12填充室；13进气缓冲室；14第Ⅰ隔层；15第Ⅱ隔层；21气压表；22进气口；23进气管路；24模拟气源；25气阀；26气体流量计；27排气口；28进水口；29排水口；33土壤；1土壤取样口；2土壤取样口；3土壤取样口。
图2为图1中装置在模拟天然气微渗漏检测中的应用流程图。
图3为实施例1中土壤柱温度变化曲线图。
图4为实施例1中土壤柱中土壤pH变化曲线图；图中附图标记的含义如下：1取样口1的样品；2取样口2的样品；3取样口3的样品；a本发明土壤柱；b对照土壤柱。
图5为实施例1中土壤柱中土壤含水率变化曲线图；图中附图标记的含义如下：1取样口1的样品；2取样口2的样品；3取样口3的样品；a本发明土壤柱；b对照土壤柱。
图6为实施例1中甲烷微渗漏条件下油气指示菌数量变化曲线；图中NTC(NoTemplate Control，无模板对照)即阴性对照。
图7示出实施例1中土壤柱中微生物群落变化情况。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例和附图仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
图1为用于模拟天然气微渗漏的装置原理图。如图1所示，本发明的用于模拟天然气微渗漏的装置包括柱体101和设置在柱体两端用于封闭柱体的可拆卸的上游端封盖102和可拆卸的下游端封盖103；柱体101自上游端到下游端依次设置有储气室11、填充室12和进气缓冲室13；填充室12内装有土壤33，并且填充室12侧壁上设置有取样口1-3，各取样口均采用螺旋式密闭螺塞(图中未示出)，既可以实现密封又方便取样(螺塞拧上，取样口密封；螺塞拧下来，取样口打开)；储气室11侧壁设置有气压表21；进气缓冲室13通过第Ⅰ隔层14与填充室12隔开，进气缓冲室13侧壁设置有进气口22，该进气口22通过进气管路23与模拟气源24相连，在进气管路23上沿从进气口22到模拟气源24的方向依次设置有气阀25和气体流量计26。柱体101上游端封盖102上设置有排气口27。
在一个优选实施方式中，储气室11通过第Ⅱ隔层15与填充室12隔开。
在另一个优选实施方式中，柱体101上游端封盖102上还设置有进水口28，用于在土壤柱含水率下降幅度较大时向土壤柱补充水分。柱体101下游端封盖103底部设置有排水口29。
在一些实施例中，例如，所述柱体的长度为1-4m；优选为2-3m；进一步优选为2m。
在一些实施例中，例如，所述柱体的内径为5-20cm；优选为8-12cm；进一步优选为8cm。
在一些实施例中，当填充室侧壁上设置有至少二个以上的取样口时，取样口之间以及取样口与第Ⅰ隔层之间的距离为30-50cm；优选为40-50cm；进一步优选为50cm。
在一些实施例中，例如，所述进气缓冲室的长度为5-15cm，优选为8-12cm，进一步优选为10-12cm，更进一步优选为10cm。
在一些实施例中，例如，所述储气室的长度为5-15cm，优选为10-15cm；进一步优选为15cm。
在一些实施例中，例如，所述取样口的直径为1-2cm，优选为1.5-2cm，进一步优选为1.5cm。
在本发明的一些实施方式中，所述隔层包括隔板和/或筛网(图中未示出)，其在模拟天然气微渗漏的装置中起到隔离和/或支撑土壤的作用；所述隔板上设置有气孔；所述筛网的筛孔为200-400目，优选为300-400目，进一步优选为300目。所述隔层的厚度为0.2-1.5cm，优选为0.8-1cm，进一步优选为1.0cm。
在一些优选实施方式中，柱体101的材料为亚克力玻璃，所述亚克力玻璃的厚度为0.5-3cm，优选为1-2cm，进一步优选为2cm。
本发明中用于模拟天然气微渗漏的装置亦称为模拟土壤柱或模拟土壤柱装置。模拟土壤柱沿垂直方向从上游端到下游端代表油气区深度，取样口1-3代表油气区不同深度的三个取样口，其中取样口1的深度＜取样口2的深度＜取样口3的深度。
本发明所提供的利用本发明上述装置模拟天然气微渗漏的检测方法，也可以理解为本发明的用于模拟天然气微渗漏的装置在模拟天然气微渗漏检测中的应用，其包括以下步骤：
(1)实验开始前，检查管路连接，阀门是否关闭。
(2)打开排气口27，由模拟气源24通过进气口22向所述装置内供入模拟气体，常温条件下对土壤中微生物进行驯化；在驯化过程中，嗜烃微生物经过轻烃气体刺激，数量和群落会发生变化。
(3)通过取样口1-3定期采取土壤样品，每次采取土壤样品的量为20g，同时，检测装置的气密性和土壤样品的理化性状，其中，所述土壤样品的理化性状包括土壤温度、湿度和pH。
(4)检测所述土壤样品的微生物的数量变化和种群发育状态。
(ⅰ)采用平板涂布法或通过定量PCR检测所述土壤样品的微生物的数量变化。
(ⅱ)通过T-RFLP(Terminal-restriction fragment length polymorphism，末端限制性片段长度多态性)分析或克隆文库分析来分析所述土壤样品的微生物种群发育状态。
(5)建立关于取样位置(深度)与样品的微生物的数量变化和/或种群发育状态的对应关系的数据库。
在步骤(2)和(3)中，进气口22的气体压力控制在0.03-0.05Mpa之间；进气口22的气体流速控制在0.02-0.04ml/min，优选在0.0285-0.04ml/min之间。
上述步骤(3)中，采取样品的间隔周期为一个月(30天)；通气之前采取一次，之后每过一个月采取一次。
本发明中所述模拟气体为甲烷和/或丁烷，优选为甲烷。所述甲烷和丁烷的纯度均在99％以上，优选在99.9％以上，进一步优选大于99.9％。
在本发明的一些优选实施例中，在上述驯化过程中，定期检测土壤样品的含水率(即湿度)，当土壤样品的含水率下降幅度在0.8％-2.0％以上，优选在1.0％-1.5％以上时，采用喷雾的方式通过进水口28向土壤柱补入水分。
本发明中对于T-RFLP分析没有特别的限制，可以采用常规T-RFLP分析法进行分析。
本发明中对于克隆文库分析没有特别的限制，可以采用常规克隆文库分析法进行分析。
本发明中所述NTC(No Template Control，无模板对照)即阴性对照。
实施例
实例1：
采用柱体长度为2m的模拟天然气微渗漏的装置来模拟天然气微渗漏条件，定期开展地表土壤油气指示微生物的数量变化和种群发育情况监测；同时，采用结构相同的模拟天然气微渗漏的装置但是不设置气源，不通气用作对照组土壤柱进行比较。
1.实验开始前，检查管路连接，阀门是否关闭。
2.打开排气口27，由模拟气源24通过进气口22向所述装置内供入模拟气体。
3.通过取样口1-3定期采取土壤样品，每次采取土壤样品的量为20g，同时，检测装置的气密性和土壤样品的理化性状，其中，所述土壤样品的理化性状包括土壤温度、湿度和pH。
(1)整个实验期间，定期读取土壤柱进气口22和出气口27处的压力数值，表征模拟天然气微渗漏土壤柱的气密性，测得的数据见表1。
表1模拟甲烷微渗漏土壤柱的气密性
从表1可以看出，模拟天然气微渗漏土壤柱进气口气体流量和压力表21保持稳定，其流量稳定在0.0285ml/min，而压力读数保持在0.05Mpa附近，土壤柱上游端的出气口27处气压稍有变化，比土壤柱下游端进气口22气压低，下降的压力差主要是由于微生物的代谢作用和土壤对气体的截留作用导致的。
(2)土壤柱温度的测定
实验期间，定期测量土壤柱各取样点处土壤的温度。用水银温度计依次插入取样口中间位置，让玻璃泡与土壤充分接触，且玻璃泡不能碰到土壤柱侧壁，待示数稳定后开始读数。读数时，温度计不要离开所测位置的土壤，且眼睛的视线应与温度计内的凹面相平。结果如图3所示。
从图3可以看出，模拟天然气微渗漏土壤柱中各个取样点处的温度基本和外界室温一致，整个实验期间，土壤中温度一直呈下降趋势。
(3)土壤柱的土壤pH测定
称取通过30目径筛的风干土壤10.0g于50mL高型烧杯中，加25mL去离子水，用玻璃棒搅拌1min，使土粒充分分散，放置30min后进行测定。将土壤上清液倒在20ml的小烧杯里，把电极插入待测液中，轻轻摇动烧杯以除去电极上的水膜，促使其快速平衡，静置片刻，按下读数开关，待读数稳定(在5s内pH变化不超过0.02)时记下pH。放开读数开关取出电极，以水洗涤，用滤纸条吸干水分后即可进行第二个样品的测定。每测5-6个样品后需用标准缓冲溶液检查定位，模拟土壤柱的土壤pH的变化如图4(a)所示，对照土壤柱的土壤pH的变化如图4(b)所示。
从图4可以看出，随着时间的推移，各取样点处的土壤pH有微小浮动，但都处于6.8-7.2之间，处于其最适生长pH范围内。pH的变化可能与土壤柱环境中微生物代谢活动以及其他理化性质的改变有关。
(4)土壤柱的土壤含水率测定
采用重量法测定土壤样品的含水率：称取一定量的土壤放在105℃烘箱烘3h，再称量烘干后的土壤重量，两次称量的重量之差，除以烘干之前的土壤重量，所得的结果即为土壤的含水率，用来表征土壤湿度。定期取土壤柱中不同取样点处的土样进行分析，测得的结果如图5所示。
图5中的结果表示，随着时间的推移，充甲烷气土壤柱和对照组土壤柱的湿度有微小的浮动。可能与土壤柱环境中微生物的代谢活动有关，也有可能与外界环境的变化有关。
4.检测所述土壤样品的微生物的数量变化和种群发育状态。
(1)采用平板涂布法或通过定量PCR检测所述土壤样品的微生物的数量变化。
采用平板涂布法检测土壤样品的微生物的数量变化，结果见图6。从图6可以看出，在甲烷培养条件下，甲烷氧化菌数量增幅较快，说明甲烷氧化菌对气体的响应明显；在45天(d)左右开始进入快速增长期，在100天左右趋于稳定或进入缓慢增长期，数量从68cfu增至120cfu，增幅达52cfu；同样，丁烷氧化菌在气藏条件下也有一定的增加，数量从25cfu增至44cfu，增幅为19cfu，这说明了丁烷氧化菌中的某些类群在驯化培养条件逐渐适应了微宇宙环境，在某种程度上对甲烷气体产生一定的降解现象，因此出现了其数量上的增加。
对照土壤柱中油气指示微生物在3个多月的培养周期内其数量呈现出线性的下降趋势，说明在无碳源供给的培养环境下，油气指示菌的从生命特征上出现消亡的状态。
(2)通过T-RFLP分析所述土壤样品的微生物种群发育状态。
T-RFLP检测结果表明(见图7)，天然气微渗漏时间越长微生物群落多样性越为丰富。随着烃类渗漏周期的加长，甲烷氧化菌类群丰度逐渐增加，其中甲烷氧化菌优势种群Methylosinus(甲基弯曲菌属)或Methylocystis(甲基孢囊菌属)越来越占主导地位，表明这两种种属能够应用于微生物勘探中。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (11)

1.一种用于模拟天然气微渗漏的装置，其包括柱体和设置在柱体两端的封闭柱体的两个可拆卸的封盖；柱体自上游端到下游端依次设置有储气室、填充室和进气缓冲室；填充室内装有土壤，并且填充室侧壁上设置有至少一个取样口；储气室侧壁设置有气压表；进气缓冲室通过第Ⅰ隔层与填充室隔开，进气缓冲室侧壁设置有进气口，该进气口与模拟气源相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱体的长度为1-4m，优选为2-3m；和/或所述柱体的内径为5-20cm，优选为8-12cm；和/或所述土壤为环境土壤，优选土壤性质为亚砂土和/或亚粘土。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当填充室侧壁上设置有至少二个以上的取样口时，取样口之间以及取样口与第Ⅰ隔层之间的距离为30-50cm；优选为40-50cm；和/或所述隔层的厚度为0.2-1.5cm，优选为0.8-1cm。
4.根据权利要求1到3中任意一项所述的装置，其特征在于，所述进气缓冲室的长度为5-15cm，优选为8-12cm，进一步优选为10-12cm；和/或所述储气室的长度为5-15cm，优选为10-15cm；和/或所述取样口的直径为1-2cm，优选为1.5-2cm。
5.根据权利要求1到3中任意一项所述的装置，其特征在于，所述储气室通过第Ⅱ隔层与填充室隔开。
6.根据权利要求1到5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述隔层包括隔板和/或筛网；所述隔板上设置有气孔；所述筛网的筛孔为200-400目，优选为300-400目；和/或所述隔层的厚度为0.2-1.5cm，优选为0.8-1cm。
7.根据权利要求1到6中任意一项所述的装置，其特征在于，所述柱体上游端的封盖上设置有排气口。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述柱体上游端的封盖上还设置有进水口；所述柱体下游端的封盖下端设置有排水口。
9.一种利用权利要求1到8中任意一项所述的装置模拟天然气微渗漏的检测方法，其包括：
步骤A，打开排气口，由模拟气源经过进气口向所述装置内供入模拟气体，对土壤中微生物进行驯化；
步骤B，通过取样口采取样品；
步骤C，检测所述样品的微生物的数量变化和种群发育状态；
步骤D，建立关于取样位置与样品的微生物的数量变化和/或种群发育状态的对应关系的数据库。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤A和B中，进气口的气体压力控制在0.03-0.05Mpa之间；和/或进气口的气体流速控制在0.02-0.04ml/min之间，优选在0.0285-0.04ml/min之间。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在步骤B中，采取样品的间隔周期为一个月；通气之前采取一次，之后每过一个月采取一次。
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