一種提高煤層氣采收率的方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高煤層氣采收率的方法，包括：（1）采集目標煤層氣田資料，培養微生物菌群；（2）超臨界CO2預處理；（3）微生物降解增產煤層氣。本發明利用煤層原位微生物菌群，能夠很好的適應目標煤層環境；采用混合菌群富集和單菌種分離相結合的方法，以提高微生物對煤的降解能力；采用超臨界CO2預處理方法有效增加煤與微生物的相互作用，促進煤的生物降解，提高生物甲烷的生成量；采用的超臨界CO2預處理成本低，且具有實現能源循環利用的潛能。
【專利說明】一種提高煤層氣采收率的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提高煤層氣采收率的方法，包括超臨界CO2驅替技術、微生物降解增產煤層氣技術，具體地說是一種利用超臨界CO2改變煤體結構來促進生物降解煤以提高煤層氣采收率的方法。

【背景技術】
[0002]煤層氣抽采率和利用率低的現狀嚴重制約了煤層氣產業的發展。如何實現煤層氣的增產成為當今煤層氣開發的重要研究內容。在眾多煤層氣增產技術中，微生物增產煤層氣(Microbially Enhanced Coal Bed Methane)技術以其綠色、無污染、能夠產生新的煤層氣等特點，已成為當前研究熱點。
[0003]微生物增產煤層氣是將厭氧微生物種群及其所需營養物質注入到煤層中，利用微生物能夠降解煤產生甲烷的特性來實現煤層氣的增產。由此，微生物增產煤層氣技術不但存在產出新煤層氣的資源潛力，同時微生物的降解作用可以增加煤層的滲透性，有利于煤層氣的開采。微生物增產煤層氣技術具有重大能源和經濟價值，具有廣闊的應用前景。多項研究顯示，微生物增產煤層氣技術在理論上、實驗中和實踐中都是可行的。然而，該技術在現場的實際應用還非常有限，煤層氣增產效果欠佳，產甲烷速率較低。該技術的核心是煤的生物降解產生甲烷，限速步驟是前期煤分子的斷裂以及煤組分的激活和降解過程。與一般的大分子有機物相比，煤分子的基本結構中包含大量的苯環、脂環和雜環，結構更加緊密。而且，煤層原位環境中主要以煤為主，微生物菌群只能通過煤中有限的裂隙、孔隙進入煤層深處，與煤基質中的可降解成分接觸。因而，微生物與煤中可降解成分的接觸面積較小，導致煤分子中的有效生物底物濃度較低，嚴重制約了煤的生物降解。
[0004]超臨界CO2是工業上常用的超臨界萃取流體，其臨界點容易達到，一般不與被萃取物發生反應，在輕工、食品、醫藥等領域得到了廣泛應用。超臨界CO2的擴散系數為液體的100倍，具有驚人的溶解能力，能夠有效萃取復雜化合物中的有機物。姜仁霞在論文“超臨界CO2萃取煤中有機質試驗裝置的建立及萃取實驗研究”中公開了一種超臨界萃取煤的試驗裝置，能夠把煤中部分有機小分子萃取出來，包括烴類、含氧化合物和含氮化合物。孫詩煒在論文“超臨界CO2與DMF混合溶劑萃取煤的研究”中公開了超臨界CO2與DMF混合溶劑萃取獲得煤中一些有價值物質，如芳烴化合物和正構烷烴等。這些研究證實了超臨界0)2對煤的有效萃取能力。


【發明內容】

[0005]本發明旨在提供一種利用超臨界CO2的高效溶解能力改善煤層結構，增強生物降解煤產甲烷的效率，以提高微生物對煤層氣增產的方法。
[0006]本發明是通過以下技術方案實現的:
一種提高煤層氣采收率的方法，包括以下步驟:
I培養微生物菌群:收集目標煤層氣田地質資料，采集煤樣和產出水樣，培養產甲烷混合菌群；
II超臨界CO2預處理:在實驗室，利用煤樣試件模擬煤層原位結構，分析超臨界CO2預處理的最適條件；在煤層氣田現場，對目標煤層進行超臨界CO2預處理；
III微生物降解煤:將I中獲得的菌液緩慢注入超臨界CO2預處理后的目標煤層中，監測氣體成分和濃度變化，利用煤層氣抽采方式將產生的甲烷采出利用。
[0007]所述提高煤層氣采收率的方法，具體包括以下步驟:
(1)收集目標煤層氣田地質資料，采集煤樣和產出水樣，利用分子生態學方法對所取煤樣和產出水樣進行厭氧菌群檢測；
(2)以煤為唯一碳源，同時提供營養成分，在實驗室內富集、培養降解煤產甲烷的厭氧微生物菌群；以單位質量煤產出的甲烷量和產甲烷速率為指標，通過反復轉接、培養、馴化獲得產甲烷菌群；
(3)針對步驟(I)中獲得的厭氧微生物菌種資源，分離、篩選芳香族、脂肪族和纖維素類化合物的降解菌株，分離、篩選產甲烷菌菌株；
(4)同樣以單位質量煤產出的甲烷量和甲烷生成速率為指標，確定步驟(3)獲得的純菌株與步驟(2)獲得的產甲烷菌群的最佳配伍比例和微生物菌群組成，獲得改進后的產甲烷混合菌群；
(5)在實驗室，利用目標煤樣制備標準試件，進行超臨界CO2預處理，以煤體重量變化、萃取物成分變化以及萃取前后單位質量煤被生物降解產出的甲烷量為指標，確定超臨界CO2預處理目標煤的最佳處理條件，包括處理的溫度、壓力、時間；
(6)對于溫度低于35°C的目標區，以注蒸汽技術提高煤層溫度；
(7)在注入井口將超臨界CO2注入目標區，按照步驟(5)中確定的處理溫度、壓力、時間進行超臨界CO2預處理，萃取、溶解煤中部分有機物，改善煤層孔隙、裂隙結構；
(8)在生產井口收集超臨界CO2驅替產出的煤層氣，以降低煤層壓力；
(9)將步驟(4)中獲得的菌液緩慢注入超臨界CO2預處理后的目標煤層中；
(10)檢測生產井口的氣體成分和濃度變化，適時添加菌液或培養液；
(11)待甲烷濃度滿足利用條件時，通過煤層氣抽采技術將地下生成的甲烷氣體采出利用。
[0008]所述的分子生態學方法包括克隆文庫、qPCR方法；對煤及產出水樣進行厭氧菌群檢測為利用克隆文庫技術分析樣品中的微生物群落結構，通過qPCR技術進行菌種定量分析。
[0009]所述產甲烷混合菌群為參與煤的生物降解的厭氧發酵細菌和產甲烷古菌構成的微生物菌群。
[0010]所述確定純菌株與產甲烷菌群的最佳配伍比例為:純菌株在對數生長期與產甲烷菌群的體積比，或純菌株與產甲烷菌群之間的16S rRNA基因的拷貝數之比。
[0011]所述超臨界CO2預處理條件為:溫度為35飛(TC，壓強不低于7.4 MPa,處理時間不少于12h。
[0012]本發明將超臨界CO2萃取煤體與微生物增產煤層氣技術有機結合:
首先利用超臨界CO2處理煤，溶解煤中部分有機物，能夠增強煤的孔隙、裂隙發育水平。
[0013]然后將微生物注入超臨界CO2處理后的煤體，微生物能夠通過這些孔隙和裂隙與煤充分接觸，增加微生物與煤的接觸面積，從而促進微生物降解煤產甲烷；而萃取出來的有機物從結合態轉變為游離態，活性得到加強，更容易被微生物所降解。
[0014]該方法將有效促進煤的厭氧生物降解產甲烷，提高微生物增產煤層氣技術的采收率，推動微生物增產煤層氣技術的應用，對緩解石化能源緊張，實現煤炭的高效、綠色開發和能源的循環利用等具有重大理論和實際意義。超臨界CO2溶解煤中部分有機物，能夠增大煤中可降解有機物與微生物的接觸面積，解決生物降解煤的限速步驟，提高生物降解煤產甲烷的速率，從而提高微生物增產煤層氣的采收率。
[0015]本發明的有益效果:
I)所用菌種資源來源于煤層，沒有外源菌群的介入，不存在菌種入侵威脅，不存在煤層本源菌對注入菌液的負面影響。
[0016]2)最佳菌群的獲得整合了混合菌群富集和單一菌種分離的優點，既保證了煤降解菌群的完整性，同時也增強了部分關鍵微生物的作用。
[0017]3)超臨界CO2預處理不僅會提高微生物對煤的降解能力，而且能夠驅替煤層賦存的甲烷，煤層氣增產效果更佳。
[0018]4)超臨界CO2預處理煤層不僅不會污染生態環境，而且，在條件適宜的情況下，注入煤層的CO2還會被產甲烷菌轉化為甲烷而被再次利用，實現資源的循環利用。

【具體實施方式】
[0019]下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。
[0020]實施例1:提高煤層氣采收率的方法該方法具體步驟如下:
第一步，選定目標煤層氣田沁水煤層氣田某區域，收集相關地質資料，采集煤層氣賦存煤層煤樣和產出水樣，利用16S rRNA基因克隆文庫、qPCR對所取煤和產出水樣進行厭氧菌群檢測；
結果顯示，該煤層氣田的目標煤層為3#煤，煤層原位溫度為37°C，儲層壓力為5.6MPa。產甲烷菌主要為氫營養型的甲烷葉菌屬，細菌主要為變形菌門和厚壁菌門，細菌中檢測到芳香族化合物降解菌、脂肪族化合物降解菌和纖維素降解菌等功能細菌。
[0021]第二步，以煤為唯一碳源，從煤樣和產出水樣中富集產甲烷菌群。根據產出水的pH和礦化度，富集培養的溫度選擇35°C，pH為7.5，礦化度為1000mg/L。通過反復轉接、培養、馴化獲得產甲烷菌群；
其中，產甲烷菌群的富集培養基組分為:
IL 富集培養基包含 K2HPO4 0.4 g，MgCl2 2.0 g，KH2PO4 0.4g，酵母提取物 1.0 g，NH4Cl1.0 g，刃天青(λ 001 g，半胱氨酸(λ 5 g，Na2S 0.2 g，NaHCO3 0.2 g，乙酸鈉 2.0 g，KCl 0.2g, NaCl 2.0 g，微量元素溶液10.0 ml，維生素溶液10.0 ml, pH 7.0o
[0022]IL 微量元素溶液包括=FeCl2.4H20 1.5mg，AlK(SO4)2 1mg, ZnCl2 70mg, NiCl2.6H20 24mg，MnCl2.4H20 lOOmg，NaMoO4 6mg，CuCl2 2mg，H3BO3 36mg，CoCl2.6H20 190 mg,25% HCl 10 ml/L
IL維生素溶液包括:生物素2mg，葉酸2mg，B6 10mg，B2 5mg，BI 5mg，煙酸5mg，B120.lmg，硫辛酸5mg，對氨基苯甲酸5mg。
[0023]第三步，針對步驟I中檢測到的產甲烷菌、芳香族化合物降解菌、脂肪族化合物降解菌和纖維素降解菌，配制選擇性培養基分離、篩選相關功能菌株，選取其中降解效率較高者以備后續研究；
其中:
①產甲烷菌的選擇性培養基組分為:1L富集培養基包含10mL基礎培養基，1mL微量元素，1mL 維生素，以及 0.001% 刃天青，Iml 0.2% Fe (NH4) 2 (SO4) 2 以及 40ml 1.25%cysteine-1.25% Na2S0 各配方如下:
基礎營養成分:KC1 3.35g, CaCl2.2H20 1.4g, MgCl2.2H20 27.5g, K2HPO4L 4g,MgSO4.7H20 34.5g, NaCl IlOg, NH4Cl 2.5g，酵母提取物 1go
[0024]微量元素與維生素溶液的配方同第二步。
[0025]②芳香族化合物降解菌、脂肪族化合物降解菌和纖維素類化合物降解菌的選擇性培養基組分均為在無機鹽培養基的基礎上添加芳香族化合物或脂肪族化合物或纖維素類化合物為唯一碳源；
IL 無機鹽培養基包含=KH2PO4 lg, Na2HPO4L 3g，(NH4)2SO4 lg, MgSO40.2g，FeSO4.7H200.05g, CaCl2 0.02g, ZnSO4.7H20 5mg, MnCl2.4H20 5mg, NaMoO4.2H20 lmg, CuCl2 0.5mg,40ml 1.25% cysteine-1.25% Na2S,以及 0.001% 刃天青。
[0026]芳香族化合物碳源包括:多環芳烴、苯二甲酸、酚類、聯苯等。
[0027]脂肪族化合物碳源包括=C22-C36烷烴類、十六烷酸、單甲基烷烴和烷基環乙烷等。
[0028]纖維素類化合物碳源包括:濾紙片、纖維素粉、羥甲基纖維素鈉等。
[0029]菌群的富集和篩選都是常規技術，在此就不一一贅述。
[0030]第四步，通過正交實驗，對產甲烷菌群與芳香族、脂肪族和纖維素降解菌株的不同配伍比例下的單位質量煤產出的甲烷生成量進行檢測，確定最佳的配伍比例為，產甲烷菌群與芳香族、脂肪族和纖維素降解菌株的對數期體積比為6:1:1: 2，獲得改進后的產甲烷菌群。
[0031]第五步，在溫度為35°C條件下，壓力調整范圍為7.Γ10 MPa，處理時間為12h?120h，檢測煤的超臨界CO2預處理對生物降解煤產甲烷的影響，確定在溫度為35°C條件下，最佳處理壓力為lOMPa，最佳處理時間為72h ；
第六步，在目標區的注入井口注入超臨界CO2，維持壓力在lOMPa，進行超臨界CO2預處理 72h ；
第七步，在生產井口收集由于超臨界CO2預處理而驅替產生的煤層氣(甲烷)，分析氣體成分；
第八步，在注入井口將第四步中獲得的產甲烷菌群緩慢注入煤層，密封井口。
[0032]第九步，檢測生產井口的氣體成分和濃度變化，根據檢測結果(甲烷、二氧化碳的濃度變化)，決定是否添加菌群及培養液；
一般來說，在檢測到甲烷濃度和產量不升高，而二氧化碳濃度和產量仍然有上升趨勢時，則補加菌液。
[0033]第十步，利用公知的煤層氣抽采方式將產生的甲烷采出利用。
[0034]我國的煤層氣開采技術主要以水力壓裂為主，或是煤礦瓦斯地面抽采技術，都是公知的技術。
【權利要求】
1.一種提高煤層氣采收率的方法，其特征在于:包括以下步驟: I培養微生物菌群:收集目標煤層氣田地質資料，采集煤樣和產出水樣，培養產甲烷混合菌群； II超臨界CO2預處理:在實驗室，利用煤樣試件模擬煤層原位結構，分析超臨界CO2預處理的最適條件；在煤層氣田現場，對目標煤層進行超臨界CO2預處理； III微生物降解煤:將I中獲得的菌液緩慢注入超臨界CO2預處理后的目標煤層中，監測氣體成分和濃度變化，利用煤層氣抽采方式將產生的甲烷采出利用。
2.根據權利要求1所述的提高煤層氣采收率的方法，其特征在于:具體包括以下步驟: (1)收集目標煤層氣田地質資料，采集煤樣和產出水樣，利用分子生態學方法對所取煤樣和產出水樣進行厭氧菌群檢測； (2)以煤為唯一碳源，同時提供營養成分，在實驗室內富集、培養降解煤產甲烷的厭氧微生物菌群；以單位質量煤產出的甲烷量和產甲烷速率為指標，通過反復轉接、培養、馴化獲得產甲烷菌群； (3)針對步驟(I)中獲得的厭氧微生物菌種資源，分離、篩選芳香族、脂肪族和纖維素類化合物的降解菌株，分離、篩選產甲烷菌菌株； (4)同樣以單位質量煤產出的甲烷量和甲烷生成速率為指標，確定步驟(3)獲得的純菌株與步驟(2)獲得的產甲烷菌群的最佳配伍比例和微生物菌群組成，獲得改進后的產甲烷混合菌群； (5)在實驗室，利用目標煤樣制備標準試件，進行超臨界CO2預處理，以煤體重量變化、萃取物成分變化以及萃取前后單位質量煤被生物降解產出的甲烷量為指標，確定超臨界CO2預處理目標煤的最佳處理條件，包括處理的溫度、壓力、時間； (6)對于溫度低于35°C的目標區，以注蒸汽技術提高煤層溫度； (7)在注入井口將超臨界CO2注入目標區，按照步驟(5)中確定的處理溫度、壓力、時間進行超臨界CO2預處理，萃取、溶解煤中部分有機物，改善煤層孔隙、裂隙結構； (8)在生產井口收集超臨界CO2驅替產出的煤層氣，以降低煤層壓力； (9)將步驟(4)中獲得的菌液緩慢注入超臨界CO2預處理后的目標煤層中； (10)檢測生產井口的氣體成分和濃度變化，適時添加菌液或培養液； (11)待甲烷濃度滿足利用條件時，通過煤層氣抽采技術將地下生成的甲烷氣體采出利用。
3.根據權利要求2所述的提高煤層氣采收率的方法，其特征在于:所述的分子生態學方法包括克隆文庫、QPCR方法；對煤及產出水樣進行厭氧菌群檢測為利用克隆文庫技術分析樣品中的微生物群落結構，通過qPCR技術進行菌種定量分析。
4.根據權利要求2所述的提高煤層氣采收率的方法，其特征在于:所述產甲烷混合菌群為參與煤的生物降解的厭氧發酵細菌和產甲烷古菌構成的微生物菌群。
5.根據權利要求2所述的提高煤層氣采收率的方法，其特征在于:所述確定純菌株與產甲烷菌群的最佳配伍比例為:純菌株在對數生長期與產甲烷菌群的體積比，或純菌株與產甲烷菌群之間的16S rRNA基因的拷貝數之比。
6.根據權利要求2所述的提高煤層氣采收率的方法，其特征在于:所述超臨界CO2預處 理條件為:溫度為35?50°C，壓強不低于7.4 MPa，處理時間不少于12h。
【文檔編號】E21B43/22GK104295276SQ201410363562
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】郭紅光, 李治剛, 王飛 申請人:太原理工大學