韓城地區煤層氣成因類型及微生物開發潛力

郭智棟，王玉斌，鮑 園，胡宜亮，袁 洋

（1.西南石油大學 石油工程學院，四川 成都 610500；2.中石油煤層氣有限責任公司工程技術研究院，陜西 西安 710082；3.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著世界各國對全球氣候變化、生態環境保護和能源低碳發展等領域重大科學問題的重視，煤層氣作為一種綠色、清潔、環境友好型的非常規天然氣資源在全球能源結構中的地位將進一步提升［1－3］。中國煤層氣建成了沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣兩大煤層氣產業化基地，在煤層氣開發關鍵技術方面也取得了重大進展，如多分支水平井鉆井技術［4］、氮氣泡沫壓裂技術［5］、二氧化碳驅替增產技術［6］等。針對低產井的儲層改造與增產技術方面仍然存在改造效果差、開發難度大、增產效果不顯著等重大問題。探索低產井的儲層改造方法與增產措施研究是目前煤層氣開發理論研究的重中之重［7－11］。

煤層氣按其形成演化階段可分為生物成因氣和熱成因氣或混合成因氣［12－14］，前者可分為原生生物成因氣和次生生物成因氣。關于天然氣或煤層氣成因類型的判別方法，提出多種判識指標，例如，CH4碳、氫同位素組成［12－14］，CO2碳同位素組成［12，15－16］、氣體干燥系數［17－18］、CDMI（［CO2／（CO2＋CH4）］×100）［11，16］、C2H6碳同位 素［19］、CO2和CH4的碳同位素分餾系數［20］、CH4和H2O的氫同位素分餾系數［21］等參數指標。前人利用CH4碳、氫同位素組成、氣體干燥系數、CO2碳同位素組成、CDMI、CO2和CH4的碳同位素分餾系數等指標參數對鄂爾多斯盆地南部彬長礦區大佛寺井田和沁水盆地南部鄭莊－胡底區塊的煤層氣成因進行了研究，認為前者煤層氣成因主要為CO2還原型生物成因氣和熱成因氣的混合氣體，后者主要為經次生改造的熱成因煤層氣［22－23］。在煤層氣成因類型定量計算方面，前人提出了基于鏡質體最大反射率、甲烷碳同位素組成和二元混合識別模型，認為淮北煤田蘆嶺礦區中二疊統煤層賦存生物與熱混合成因氣，生物成因氣占比為47.65%～51 21%［14］。煤層氣的成因類型對揭示富集過程、指導勘探開發及井位部署均具有重要作用。

鄂爾多斯盆地東緣蘊藏豐富的煤層氣資源，1 500 m以淺煤層氣地質資源量約9×1012m3，韓城地區作為盆地中較早開發的煤層氣區塊之一，煤層氣氣體成因類型及其來源識別仍存在不確定性，且接近70%的煤層氣井日產氣量低于1 000 m3／d，低產井比重較多。韓城地區系統采集14口地面煤層氣井的氣樣和水樣，基于氣體組分和穩定同位素組成測試分析了煤層氣氣體成因類型和不同成因類型煤層氣相對含量，基于煤層產出水的酸堿度、礦化度含量和16S rRNA測試，討論煤層原位產甲烷菌群落結構及低產井適合開展微生物增產煤層氣工程試驗的潛力區塊。

1 地質背景

韓城地區位于鄂爾多斯盆地東南部渭北隆起的東部，構造相對簡單，為NE-SW 走向、NW 向傾斜的單斜構造，傾角為5°～20°（圖1（a））以正斷層為主，逆斷層零星分布，斷層走向以NNE-SSW，NE-SW，NW-NE，NWW-SEE向為主。根據構造發育情況，分為前高斷裂帶、東澤村斷裂帶、薛峰北斷裂帶、龍亭斷裂帶和韓城大斷裂（圖1（b））。韓城地區發育二疊系的太原組及山西組煤層，其中太原組為海陸交互相沉積，含煤3～9層，主采煤層為5號和11號煤層；山西組為陸相沉積地層，含煤1～4層，主采煤層為3號煤層［24］。2號煤層為局部可采煤層，其余煤層均為不穩定的薄煤層，無開采價值（圖2）。

圖1 鄂爾多斯區域及韓城地區構造Fig.1 Structure of Ordos Basin and Hancheng Area

圖2 韓城地區二疊系巖性特征［27］Fig.2 Lithologic characteristics of Permian in Hancheng Area［27］

2 樣品采集與試驗方法

2.1 樣品采集

樣品為采自韓城地區地面煤層氣排采井的煤層氣和煤層產出水樣品，其中5號煤層采樣5個，11號煤層采樣9個，樣品編號分別命名為H5－X和H11－X。煤層氣樣品采樣方法為先打開集輸管道上的取氣閥門排放氣體3～5 min，以排放管道中滯留煤層氣，然后把橡膠導管一端和取氣口連接，另一端和鋁箔集氣袋連接，用采樣井煤層氣置換集氣袋3次后，充滿集氣袋后密封并低溫保存，且需盡快送至試驗室進行氣體組分和同位素組成測試。水樣的采樣方法為先在試驗室對500 mL聚乙烯采樣瓶進行清洗及紫外燈下照射30 min的滅菌處理，然后在現場排采水下打開瓶蓋，用煤層產出水潤洗取樣瓶3次后，將水裝滿至溢出，密封后置于低溫冷藏箱中保存并盡快送至試驗室于4°C冷藏。煤層水中微生物樣本提取方法為先用5μm膜過濾器（Whatman，日本）對500 mL取樣瓶中水進行無菌過濾，以去除水中雜質，然后用0.22μm膜過濾器（Millipore，USA）對水樣進行二次過濾，收集0.22μm濾膜及菌群然后置于低溫冰箱－80℃儲存，用于后續DNA提取和高通量測序分析。過濾后的水樣還進行酸堿度和礦化度檢測，測試儀器分別為PP－50－p11計和DDSJ－308A電導率計。韓城地區煤層氣井生產數據及煤層產出水化學特征見表1。

表1 韓城地區太原組煤層氣井生產數據及煤層產出水化學特征Table 1 Production data and hydrochemistry characteristics of coalbed-produced water samples Taiyuan Formation in Hancheng Area

2.2 煤層氣組分測試方法

煤層氣組分測試在陜西省煤炭綠色開發地質保障重點試驗室完成，檢測儀器為安捷倫7890B型氣相色譜儀，該儀器配有氫火焰離子化檢測器（FID）和熱傳導檢測器（TCD），包含HP-AL／S型毛細柱（50 m×0.320 mm，8.00 um）、HayeSep Q型填充柱（80／100 SS，3 Ft×2 mm與6 Ft×2 mm）及MolSleve 5A型填充柱（60／80 SS，6 Ft×2 mm）。載氣為氦氣，毛細柱流速為3 mL／min，填充柱流速為25 mL／min，分流比為3∶1。進樣口溫度為200℃，加熱爐內溫度為105℃，FID檢測器工作溫度為300℃，TCD檢測器工作溫度為250℃。

2.3 煤層氣同位素測試方法

煤層氣氣體穩定同位素組成測試在中國科學院西北生態環境資源研究院油氣資源研究中心完成，測試儀器為Delta V氣體穩定同位素質譜計，測試方法依據國家相關行業標準GB／T 37847—2019執行，測量值絕對偏差分別小于等于±0.2‰（δ13C）和±1‰（δD）。碳、氫同位素數據分別用V-PDB和V-SMOW 標準表示。

2.4 煤層水中古菌高通量測序方法

煤層水中古菌高通量測序在上海派森諾生物科技股份有限公司完成（上海，中國）。①DNA提?。菏褂肍ast DNA SPIN試劑盒從0.22μm膜過濾器中分離出DNA；對提取DNA用Nanodrop紫外定量設備和電泳儀進行檢測，以確定DNA樣品提取成功。②PCR擴增：選擇古菌16SrRNA基因的V8－V9區的功能基因作為擴增子對煤層采出水中古菌微生物進行PCR擴增；擴增引物組的前引物序列為TTWAGTCAGGCAACGAGC，后引物序列為TGTGCAAGGAGCAGGGAC；PCR擴增物用Vazyme VAHTSTM DNA Clean Beads純化（諾唯贊，南京，中國）。③高通量測序：進行個體量化步驟，將擴增物按等量匯總，基于Illumina MiSeq平臺對16S rRNA基因進行測序分析。

3 結果與討論

3.1 煤層氣氣體組分和同位素特征

3.1.1 煤層氣氣體組分

韓城地區煤層氣氣體組成以甲烷為主，含量占91.72%～97.68%，平均含量94.78%，其次為氫氣，平均含量1.99%，氮氣平均含量1 86%，二氧化碳平均含量1.21%，氧氣平均含量0.09%，重烴平均含量0.07%（表2）。CDMI值介于0.2～2 6。韓城地區煤層氣氣體干度指數（C1／∑C1－5）分布范圍99.3%～100%（近似），具備典型的干氣特征（干度指數＞95%）［28］。

表2 韓城地區煤層氣氣體組分測試結果Table 2 Test results of CBM composition in Hancheng Area

3.1.2 氣體同位素組成特征

韓城地區煤層氣樣品甲烷碳同位素值介于－45.4‰～－36.8‰，甲烷氫同位素值介于－229‰～－178‰，二氧化碳同位素值介于－13.3‰～14 6‰。碳同位素分餾因子εC介于24.8～55.0（表3）。一般來說，εC介于0～60或更大［20－29］，數值越大代表δ13C－CH4與δ13C－CO2之間發生同位素分餾程度越高。韓城地區煤層氣在生成過程中發生過強烈的碳同位素分餾現象。

表3 煤層氣樣品同位素組成測試結果Table 3 Test results of isotope composition in CBM samples

3.2 煤層產出水中古菌群落分布特征

韓城地區煤層產出水中原位古菌按門類劃分主要為Euryarchaeota和Proteobacteria 2類，其中Euryarchaeota在樣品中占比最高，占31.48%～97 90%，平均含量為87.55%（圖3（a））。Eur-yarchaeota門類產甲烷菌具有很強的底物特異性，只能使用不超過2個碳原子的簡單有機物。在屬的生物分類水平上（圖3（b）），煤層產出水中原位古菌的優勢菌屬為 Methanobacterium，占比為12 32%～59.31%，平均含量為32.37%。該菌屬于氫營養型產甲烷菌，可以利用H2，CO2小分子為底物生成甲烷，通過種間氫轉移降低系統中的氫分壓，以促進乙酸生成；其次為Methanothrix，占比為0.25%～45.30%，平均含量為13.08%。該菌主要以乙酸為代謝底物，分解乙酸產甲烷；同時也含有實現CO2還原代謝途徑的基因代碼［30］。這2類與產甲烷作用有關的古菌（Methanobacterium和Meth-anothrix）平均含量占全部古菌數量的45.45%。此外還有Methanoregula，Methanococcus，Methanosarci-na，Methanospirllum等與產甲烷作用有關的古菌種屬在煤層產出水中被檢測出來。

圖3 煤層產出水中古菌群落結構分布Fig.3 Distribution of archaeal community structure in coalbed-produced water samples

3.3 煤層氣氣體成因類型

3.3.1 煤層氣成分指數

CDMI是基于甲烷和二氧化碳氣體組分的指標，通常用于識別煤層氣中CO2的來源。如果CD-MI值小于8%，則CO2為生物成因［22］。將研究區煤層氣CDMI數據投影到如δ13C－CO2與CDMI關系圖上，發現韓城地區煤層氣中的CO2具有微生物產甲烷作用的來源（圖4（a））。GOLDING等還提出以δ13C－CO2＝－10‰作為CO2有機來源和無機來源的分界線，由圖4（b）可知韓城地區煤層氣CO2數據點主要分布在生物成因的區域內，印證了生物作用對現存煤層氣的貢獻［31］。

圖4 煤層氣成分指數成因判識Fig.4 Genetic identification of CBM composition index

3.3.2 煤層氣同位素指數

國內外多數學者都將δ13C－CH4＝－55‰作為熱成因和生物成因甲烷的分界線，并得出δ13CCH4＜－55‰指向生物成因的結論［28］，而SMITH和PALLASSER認為生物成因甲烷的δ13C－CH4值可以達到－50‰［15］。韓城礦區煤層氣δ13C－CH4值的分布范圍為－69.9‰～－36.8‰，根據δ13CCH4值分布特征，推斷韓城礦區煤層氣屬于部分生物成因氣。結合δ13C－CH4與C1／（C2＋C3）關系圖［21］，發現多數數據點落在次生作用后的熱成因氣體區域，少部分韓城數據點位于產熱氣范圍內，且屬于Ⅱ型干酪根（圖5（a）），表明研究區煤層氣以熱成因氣體為主。

圖5 煤層氣同位素指數成因判識Fig.5 Genetic identification of CBM isotope index

煤層氣成因類型還可以通過碳同位素分餾系數（αCO2－CH4）進行區分［32－34］。FLORES等揭示了甲基型發酵途徑生成的煤層氣碳同位素分餾系數（αCO2－CH4）范圍為1.03至1.06，而CO2還原途徑生成的氣體αCO2－CH4值為1.06至1.09［33］。為了更準確地定義煤層氣的起源，李清光等基于大量數據對αCO2－CH4進行了改進，認為αCO2－CH4值介于1.02～1.04和1.06～1.08分別為熱成因氣體和二氧化碳還原途徑生物氣，而αCO2－CH4值在1.04和1.06之間則指示煤層氣的混合來源［35］。從圖5（b）可以看出韓城地區煤層氣樣品多數分散在αCO2－CH4＝1.04～1.06區間，其他2個區間范圍也有部分樣品分布，說明韓城礦區煤層氣不僅包含熱成因氣體，還包含CO2還原作用和乙酸發酵作用的生物成因氣（圖5（b）），這點與煤層產出水中原位古菌群落特征中優勢菌（Metha-nobacterium和Methanothrix）的代謝途徑相吻合。韓城地區煤層氣總體屬于以熱成因氣為主的混合成因氣，并含有少量的次生生物氣。

3.4 生物成因與熱成因煤層氣相對含量

煤層氣按其生成演化階段可分為生物成因氣、熱成因氣和混合成因氣［37］。不同成因類型煤層氣具有顯著差異的甲烷碳同位素組成，一般認為生物成因氣的δ13C－CH4值小于－55‰或－60‰［32］。陶明信等統計了576個煤層氣中CH4碳同位素數據，認為生物成因CH4碳同位素組成以－70‰居多，提出了－70‰作為生物成因氣的端元值［38］。鮑園等通過對成煤原始物質－木本泥炭進行熱解生烴試驗建立了熱成因甲烷碳同位素與鏡質組反射率之間的關系式［14，19］?；诙旌吓凶R模型式計算韓城地區煤層氣中生物成因和熱成因煤層氣的混合比例（表4）。

韓城地區煤層氣中熱成因氣含量占比71 72%～95.21%，生物成因氣含量占比4.79%～28 28%，其中5號煤層生物成因氣平均含量為15 46%，11號煤層生物成因氣平均含量為14 55%，說明太原組5號煤層的生物成因氣含量略高于11號煤層。

3.5 低產井次生生物氣增產煤層氣潛力

次生生物成因氣作為一種十分重要的煤層氣資源類型之一，因其生成條件的可重復與再現性，有學者基于其生成理論提出了微生物強化煤層氣產出的觀點［39］，主要是通過生物馴化、生物刺激和生物強化等來達到強化生物甲烷的產出，繼而實現增產煤層氣，使煤的部分有機組分轉化為甲烷等氣體，從而提高煤層氣井的產氣能力，并取得了良好的產氣效果［40］。次生生物成因氣的生成需要滿足構造抬升作用［41］、合適的微生物生長水介質環境（缺氧、礦化度＜25 000 mg、近中性：pH＝7～8）［41］、合適的微生物生長溫度（0～80℃，最適35℃左右）［41］、合適的地層埋深（800～1 300 m）［42］等。

針對煤層氣關鍵參數開展低產井是否適合微生物增產煤層氣潛力區評價。韓10－11向3井、韓3－3－034井、韓8－15向1井；滿足構造抬升條件的井位為位于逆斷層附近的韓10－11向3井和韓3－3－034井，以及位于背斜核部的韓8－15向1井，均為容易形成厭氧環境和氣藏有利保存區域；這三口井也滿足水環境條件和地層溫度條件。3個井區的礦化度介于1710.41～2880.64 mg／L之間，均小于25 000 mg／L，pH均在7～8；現場實測地層原位溫度范圍為30～35℃。結合研究區煤層產出水中古菌群落結構分析，產甲烷古菌的占比較高，為31.48%～97.90%?；谏鲜鲫P鍵參數分析，滿足原位地質條件并可進一步開展煤層氣生物工程試驗的有利區塊為韓城地區中部（韓10－11向3井和韓3－3－034井附近）和南部（韓8－15向1井附近），根據構造條件對比，韓城地區南部地區距離正斷層較近，存在氣體逸散和地下含氧量升高的風險性，因此其優選性位于韓城地區中部之后，故韓城地區中部為Ⅰ級潛力區，南部為Ⅱ級潛力區（圖6）。通過培養基注入促進煤層次生生物氣的生成，以提高低產井位煤層氣的產氣量，實現煤層氣資源的增產，從而更大程度上實現清潔能源的開采和利用。

圖6 韓城地區低產井生物增產煤層氣潛力區預測Fig.6 Prediction of biostimulation coalbed methane potential region of low-yield wells in Hancheng Area

4 結論

1）韓城地區煤層氣以熱成因氣為主含少量生物成因氣。次生生物成因氣的生成途徑包含二氧化碳還原型和乙酸發酵型，煤層氣中熱成因氣含量占比高于生物成因氣。

2）韓城地區煤層產出水多呈中性或弱堿性，煤層原位古菌群落結構在門水平以Euryarchaeota占比最高，在屬水平以Methanobacterium和Metha-nothrix為優勢產甲烷菌，這為次生生物氣的產生提供了微生物基礎。

3）韓城地區井位產氣量、埋深條件、構造條件、水環境條件、原位地層溫度和微生物群落結構參數的結果，揭示韓城地區中部和南部是適合低產井儲層改造與增產試驗的潛力區。