微生物提高煤层气井单井产量技术研究与实践

任付平韩长胜王玲欣郑雅郭素贞刘斌

1.华北油田公司采油工程研究院； 2.华北油田公司二连分公司；3.渤海钻探工程有限公司第二录井分公司；4.华北油田公司煤层气勘探开发指挥部

微生物提高煤层气井单井产量技术研究与实践

任付平1韩长胜2王玲欣3郑雅1郭素贞1刘斌4

1.华北油田公司采油工程研究院； 2.华北油田公司二连分公司；3.渤海钻探工程有限公司第二录井分公司；4.华北油田公司煤层气勘探开发指挥部

为评价微生物提高煤层气井产量技术，向厌氧瓶中添加一定量的煤和利用煤层产出液配置的营养液，开展了煤层微生物降解煤产气实验研究。与煤层产出液相比较有益菌群浓度增加3～6个数量级，每毫升营养液产气量为2.84 mL，煤层微生物经过营养剂激活后，反应早期产生气体主要为N2、H2和CO2，CH4含量较低，随着反应时间延长CH4气体含量逐渐增加，X射线衍射表明煤微晶结构发生变化。说明通过微生物与煤相互作用产生生物气体、降解煤组分，能增加煤层通透率促进甲烷气体的解吸，从而提高煤层气单井产量。在室内研究的基础上开展现场先导试验1井次，现场共注入微生物工作液230 m3，措施前该井平均日产气量16.81 m3，平均套压为0.09 MPa，措施后该井日产气75.13 m3，平均套压0.35 MPa，截至2015年底累计产气14 100 m3，目前正在持续稳产，达到了注微生物提高煤层气井单井产量的目的。

煤层气；单井产量；微生物；生物气；矿场试验

中国的煤层气储量约为36.8万亿m3，占全球总量的15%，位居世界第3位，其中的高煤阶煤层气资源占总资源的27.6%以上，但高煤阶气具有低渗和难脱附的特点，限制了常规开采技术的应用［1-2］。1999年，Scott提出了微生物增产煤层气的概念［3］，但是向煤层中注入外源菌群应用成本相对较高，同时外源菌群还存在与煤层环境适应的问题，利用煤层内源菌群可以解决这一问题［4］。

利用微生物在煤层产生生物气体提高煤层气井产量与煤层气注气增产技术机理相似。国内外已经将注气增产技术应用到了矿场，并取得了较好的实施效果。注气增产法常用的注入气体为N2和CO2，其主要机理是利用不同气体在煤层中的吸附能力不同，N2、CO2可与甲烷竞争吸附，从而破坏煤层中甲烷的吸附平衡状态，使甲烷解吸出来［5-6］。注气增加储层能量，提高储层压力传导系数并产生竞争吸附置换效应，从而提高煤层气开采时的单产量及采收率［7］。1995年，美国西南部的圣胡安（Sun Juan）盆地进行了世界上首次CO2驱替煤层气的现场试验，该技术的应用使得煤层气产气量增加了150%，采收率达95%［8］。2008年，潞安矿业集团在常村煤矿N1-2尾巷进行了空气驱替煤层气试验，可以将钻孔煤层气浓度提高58%，流量提高80%，证实了混合气体驱替煤层气技术的可行性。应用注气增产技术需要探索和发展制气和注气等技术，在施工过程中对注入设备要求高，施工费用高，并且增加了不安全因素。通过向煤层补充营养物质将其激活，利用煤层内源微生物在煤层气内部的生长繁殖产生N2、CO2、CH4等生物气体促进CH4从煤层解吸，提高煤层气单井产量可以解决注气方式的缺点［9］。为提高高阶煤煤层气井产气量，笔者对高阶煤煤层中的内源微生物与煤相互作用的性能进行了评价，确定了微生物的产气规律及其对煤的降解作用，并开展现场先导试验1井次。由于微生物能够在煤层内部产生N2、H2和CO2、CH4，能够更加有效地促进煤层气的解吸。同时，微生物降解煤中的小分子有机组分，还可以增加煤层通透性。利用煤层内源菌提高煤层气产量是提高煤层气采收率的一项新技术，为煤层气开发提供新的开发手段。

1　实验材料和方法

Experimental materials and methods

1.1实验材料

Experimental materials

（1）实验材料：细菌测试瓶（江汉石油学院生产）、螺纹瓶口厌氧瓶（海克拉斯实验器材有限公司），YQX-II型厌氧培养箱（上海茸研仪器有限公司）、GC-7820气相色谱仪（安捷伦），DHZ-CA恒温摇床（江苏太仓仪器厂），气体收集袋（日本MITSUBISHI C-1）、50 mL注射器（医用）等。

（2）山西晋城郑1区块煤层水及煤样：煤层产出水矿化度为3 204.85 mg/L，水型为碳酸氢钠型，离子组成为：K++Na+浓度1 008.6 mg/L、Mg2+浓度2.30 mg/L、Ca2+浓度9.60 mg/L、Cl-浓度686.1 mg/L、HCO3-浓度1 455.90 mg/L、CO32-浓度34.20 mg/L。

1.2实验方法

Experimental methods

（1）菌群检测：参照中国石油天然气行业标准SY/T 0532—935油田注人水细菌分析方法中的三管平行法测定样品中的菌群种类和含量。

（2）产气试验：样品1先添加100 g煤于250 mL厌氧瓶中，再向其中添加煤层产出液，瓶口处留少量空间用来收集气体；样品2先将煤层产出液配制的营养液250 mL置于厌氧瓶中，不添加煤样品；样品3先将100 g煤样品置于250 mL厌氧瓶中，再加入煤层产出水配置的营养液，瓶口处留少量空间用来收集气体。实验操作均在厌氧培养箱中进行，将3组配置好的样品置于煤层温度32 ℃恒温培养箱中，静置培养，每天测定气体产生量和气体组分。

（3）气体组分分析：在不同时间对实验样品气体组分进行取样，用HP6890Plus 四阀五柱气相色谱仪对产出气进行分析。测定条件为：柱温50 ℃，进样口温度100 ℃，载气为氮气。

2　实验结果及讨论

Experimental results and discussions

2.1煤层内源菌分析

Analysis on coalbed endogenous bacteria

要利用煤层内源菌群增产煤层气，首先需要对煤层中的菌群种类及浓度进行测定，在国内外均已开展了煤层菌群的研究。其中，中国的王艳婷等［10］从山东省兖煤菏泽能化公司某煤矿地下深度936 m处坑道顶板处煤层水样品分离出煤层微生物，通过对微生物和煤相互作用评价，验证了煤层微生物具有将褐煤中有机组分转化为甲烷的能力。经过驯化后可以增加褐煤生物产气量及缩短产气周期。

首先对煤层产出液中的菌群种类及浓度进行了分析，利用细菌测试瓶对郑1区块郑1-312、郑1-41、郑1-42、郑1-165井产出液中的菌群种类进行测定，测定结果见表1。

表1　煤层内源菌检测结果　个/mLTable 1 Testing results of coalbed endogenous bacteria（CFU）

反硝化菌群、硫酸盐还原菌为甲烷菌群（Eh＜-300 mV）生长繁殖提供厌氧环境；发酵菌、腐生菌为产甲烷菌群生长繁殖提供营养底物（甲酸、乙酸、琥珀酸、CO2和H2）；产甲烷菌在厌氧环境下将细菌代谢产生乙酸、二氧化碳、氢气还原为甲烷。由以上实验结果可以得出，煤层中含有内源菌群，能够利用营养剂激活煤层内源菌，降解煤组分和产生生物气体。但是煤层内的微生物在自然状态下生物活性比较低，煤的微生物转化速率非常慢，通常需要几个月甚至几年的时间才能得到一定量的甲烷。有研究人员提出添加包括氨、磷酸盐、酵母提取物、胰蛋白胨、微量金属元素及维生素等营养物质强化产气［5-6］，因此，要想提高煤层菌群活性需要向煤层补充合适的营养剂。

2.2内源菌激活实验

Endogenous bacteria activation experiment 2.2.1 产气量及产气规律 对配置好的样品记录产气情况，根据产气情况及时开展气体组分检测，3组试验样品产气曲线见图1～图3，其中煤层产出液中添加煤的样品1在放置1 d后只产生少量气体，气体量为12 mL，后期不再产气，对产生的气体组分检测其中含有2.215%的甲烷气体，说明煤样品中吸附有甲烷气体，在实验过程中气体解吸。通过向煤层产出液中添加营养剂并激活内源菌，样品产生了生物气体，只添加营养剂不添加煤的试验样品，产气时间较短，产气量少仅为61.5 mL。添加营养剂和煤的实验样品产气量随时间的延长而增加，出现3个产气高峰期，第1个高峰期为培养后7 d内，第2个产气高峰为培养15～20 d，第3个产气高峰为24～38 d。46 d后反应基本稳定，产生的气体总量为567 mL，每毫升营养液产气2.84 mL。由以上实验可以得出煤样品和煤层产出液中菌群对微生物产气同样重要。

图1　煤和产出液样品产期曲线Fig. 1 Production curve of coal and produced fluid samples

图2　只添加营养剂样品产气曲线Fig. 2 Gas production of samples only with nutrient fluid

图3　添加营养剂和煤样品产气曲线Fig. 3 Gas production of samples with nutrient fluid and coal

2.2.2气体组分分析 对不同时间收集的气体样品组分进行分析，只添加营养剂的样品2由于产气量少，只开展了1次气体组分分析，气体组分中二氧化碳含量为5.667%、氮气含量为94.333。既添加营养剂又添加煤的实验样品3气体组分检测结果见图4。

图4　气体组分含量变化曲线Fig. 4 Variation of gas composition content

只添加营养剂不添加煤的样品，产生的气体组分只有N2和CO2。而添加营养剂和煤的实验样品，气体组分有N2、H2、CO2和CH4，且在3个产气高峰气体组分发生变化，CH4含量逐渐升高，N2、H2和CO2含量逐渐降低。第1个产气高峰（培养7 d）气体组分主要为N2、H2、CO2，第2个产气高峰（15～20 d）3种气体含量开始降低、CH4气体含量逐渐升高，第3个产气高峰（24～38 d）CH4含量升高到90%以上。分析原因，在培养早期添加有机碳源和无机氮源营养物质将煤层内源菌激活，激活后的发酵菌和腐生菌群首先进行生长繁殖消耗样品中的氧气产生CO2，然后反硝化菌、硫酸盐还原菌等厌氧细菌开始生长产生N2、H2，进一步降低样品氧化还原电位，最后产甲烷古菌开始利用早期微生物代谢产生的H2和CO2为营养底物生长并产生甲烷气体。将营养剂注入煤层激活其中微生物，通过微生物产生N2和CO2可以促进煤层甲烷的解吸，产生的CH4能够增加煤层气产量。

2.2.3激活后菌群检测 利用细菌测试瓶对激活后菌群种类及数量进行检测，以郑1-312井为例，检测结果见表2。

表2　激活后菌群检测结果　个/mLTable2 Testing results of bacteria community after being activated

添加煤样的实验样品菌浓增幅比不添加煤的样品高，特别是产甲烷菌群在有煤组分存在的条件下增加3个数量级，说明煤样品中含有重要的微生物菌群。通过添加营养物质激活了内源菌群，使其浓度增加3～6个数量级。同时激活的反消化菌群能够抑制硫酸盐的生长，其菌浓仅增加1个数量级，避免了硫酸盐还原菌生长繁殖过程中的负面影响。

2.2.4微生物作用前后煤结构分析 利用X射线衍射的方法对微生物作用前后煤样品微晶结构进行分析，分析结果见表3，微生物代谢后，芳香碳层面间距d002增大，堆砌度Lc和延展度La减小。因为微生物对煤具有降解作用，加剧了煤大分子结构在空间排列的不规则趋势，随着大分子物质的降解，芳香层片直径也随之减小。由于煤分子结构比较复杂，还需要进一步开展微生物作用前后煤结构分析。

表3　微生物作用前后煤样品微晶结构分析结果Table 3 Micro-crystal structure of coal samples before and after microbial action

2.3矿场先导试验

Field pilot test

选择山西晋城郑1区块煤层气井郑1-312开展现场先导试验。该井煤层埋深780 m，煤层温度32℃，适合微生物生长繁殖。注入配液用水煤层气井排采水液，2015年1月26日开始现场施工，总注入量230 m3，营养剂质量分数1.4%，注入压力由4 MPa升高到9 MPa，注入排量9.6 m3/h，措施后关井反应60 d。措施前后菌群分析结果见表4，郑1-312井生产曲线见图5。关井反应60 d后煤层产出液菌群浓度与措施前相比较增加了2～5个数量级，随着郑1-312井排采时间延长，由于煤层营养物质的消耗，菌群浓度开始下降。目前菌群浓度与措施前相比较高1个数量级。措施前生产前平均套压0.09 MPa，措施后平均套压0.35 MPa，措施前平均日产气16.81 m3，措施后平均日产气75.13 m3，截至2015年12月31日累计产气14 100 m3，微生物措施起到了稳产增气的目的。该井还在继续跟踪监测，同时，正在准备开展下一轮次的矿场试验。

表4　郑1-312井措施前后菌群检测结果　个/mLTable 4 Testing results of bacteria community in Well Zheng 1-312 before and after the treatment

图5　郑1-312井措施前后生产曲线Fig. 5 Production curve of Well Zheng 1-312 before and after the treatment

3　结论及认识

Conclusions and cognitions

（1）煤层内源菌群在营养剂激活后，需要以煤组分作为营养底物或者需要在有煤存在的环境下才能进行持续的生长繁殖，产气过程中首先产生N2、CO2H2，随着反应时间延长甲烷气体含量逐渐升高，符合产甲烷菌群的产气规律，能够利用煤层内源菌群增产煤层气。

（2）利用注气增产煤层气的技术机理，通过向煤层补充营养剂，使微生物生产繁殖产生的N2、H2、CO2和CH4生物气体，促进煤层甲烷的解吸。同时，微生物作用还可降解煤组分，增加煤层的通透率，利用微生物在煤层的综合反应提高煤层气单井产量。

（3）通过矿场先导试验，验证了微生物具有增产煤层气单井产量的潜力，目前正在准备开展下一轮次的矿场试验。

References:

［1］ 杨陆武，孙茂远.中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求［J］.天然气工业，2001，21（6）：17-19. Yang Luwu， Sun Maoyuan. Peculiarities of China CBM reservoirs and their dictation on CBM production technology［J］.Natural Gas Industry， 2001， 21（6）: 17-19.

［2］ 杨勇，崔树清，郎淑敏，王风锐，张艳玲 .我国煤层气藏特征及提高地面抽采效果的方法［J］.石油钻采工艺，2013，35（6）：66-69. YANG Yong， CUI Shuqing， LANG Shumin， WANG Fengrui， ZHANG Yanling. Research on coalbed methane reservoir characteristics and the methods of improving surface extraction effect［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2013， 35（6）: 66-69.

［3］ SCOTT A R. Improving coal gas recovery with microbially enhanced coalbed methane［M］// MASTALERZ M， GLIKSON M， GOLDING S. Coalbed methane: scientific，environmental and economic evaluation. Kluwer，Academic Publishers， 1999: 89-111.

［4］ 武春彬，俞理，黄立信.本源微生物采油研究现状［J］.西安石油大学学报：自然科学版， 2007： 22（51）：97-99. WU Chunbin， YU Li， HUANG Lixin. Study on present status of indigenous bacterial enhance oil recovery［J］. Journal of Xi’an Shiyou University: Natural Science Edition， 2007: 22（51）: 97-99.

［5］ 唐书恒，杨起，汤达祯， 邵先杰，王江.注气提高煤层甲烷采收率机理及实验研究［J］.石油实验地质，2002，24（6）：545-548. TANG Shuheng， YANG Qi， TANG Dazhen， SHAO Xianjie， WANG Jiang. Study on the Experiment and Mechanism of Raising the Recovery Ratio of Coalbed Methane By Gas Injection［J］. Petroleum Geology & Experiment， 2002， 24（6）: 545-548.

［6］ 杨宏民，张铁岗，王兆丰，赵长春. 煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究［J］. 煤炭学报，2010，35（5）：792-796. YANG Hongmin， ZHANG Tiegang， WANG Zhaofeng，ZHAO Changchun. Experimental study on technology of accelerating methane release by nitrogen injection in coalbed［J］. Journal of China Coal Society， 2010， 35（5）: 792-796.

［7］ 吴世跃，郭勇义.注气开采煤层气增产机制的研究［J］.煤炭学报，2001，26（2）：109-203. WU Shiyue， GUO Yongyi. Study of the mechanism of increasing production ofexploitation coal-bed methane by gas injection［J］. Journal OURNAL of China Coal Society， 2001， 26（2）: 109-203.

［8］ Shumkov S， Terekhova S， Laurinavichius K. Effect of enclosing rocks and aeration on methanogenesis from coals ［J］. Applied Microbiology Biotechnol， 1999， 52（1）: 99-103.

［9］ 郭红光，王飞，李治刚.微生物增产煤层气技术研究进展［J］.微生物学通报，2015，42（30）：584-590. GUO Hongguang， WANG Fei， LI Zhigang. Research progress of microbially enhanced coalbed methane［J］. Microbiology China， 2015， 42（3）: 584-590.

［10］ 王艳婷，韩娅新，何环，王珊珊，冷云伟. 褐煤生物产气影响因素研究［J］. 煤炭科学技术，2013，41（11）：120-123. WANG Yanting， HAN Yaxin， HE Huan， WANG Shanshan， LENG Yunwei. Study on influencing factors for biogenic gas production in lignite［J］. Coal Science and Technology， 2013， 41（11）: 120-123.

（修改稿收到日期 2016-04-07）

〔编辑 付丽霞〕

Microbially enhanced CBM well production rate technology and its application

REN Fuping1， HAN Changsheng2， WANG Lingxin3， ZHENG Ya1， GUO Suzhen1， LIU Bin4
1. Oil Production Engineering Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company， Renqiu， Hebei 062552， China；2. Erlian Oilfield Company of PetroChina Huabei Oilfield Company， Xilingol League， Inner Mongolia 026000， China；3. No.2 Logging Company of PetroChina Bohai Drilling Engineering Company Limited， Renqiu， Hebei 062552， China；4. CBM Exploration and Deνelopment Headquarter of PetroChina Huabei Oilfield Company， Renqiu， Hebei 062552， China

In order to evaluate the microbially enhanced coalbed methane （CBM） well production rate technology， an experimental study was performed on the gas generation through microbial coalbed degradation by adding a certain amount of coal and the nutrient solution prepared with produced coalbed fluid into the anaerobic bottle. The effective microbial community density of nutrient solution was 3-6 orders of magnitude higher than that of the produced coalbed liquid. Gas production per milliliter of nutrient liquid was 2.84 mL. After the coalbed microbes were activated by the nutrient solution， N2， H2and CO2were the dominant products with lower CH4content at the early stage of reaction. With the proceeding of reaction， CH4content increased gradually. The X-ray diffraction suggests the structural changes of coal micro-crystal. It is indicated that the interaction between microbes and coal allows for the generation of biogas and the degradation of coal composition， thereby improving the coalbed permeability. And consequently， methane desorption is promoted and CBM well production is increased. After the laboratory experiment， field pilot test was conducted in one well time by injecting 230 m3microbial fluid. Before the treatment was made， average daily gas production rate of this well was 16.81 m3and average casing pressure

coalbed methane （CBM）； well production rate； microbe； biogas； field test

任付平（1980-），2007年获西北大学微生物学专业硕士学位，主要从事微生物采油技术研究，高级工程师。通讯地址：（062552）河北省任丘市华北油田采油工程研究院。电话：0317-2756425。E-mail：cyy_renfp@petrochina.com.cnwas 0.09 MPa. After the treatment was made， its average daily gas production rate was 75.13 m3， average casing pressure was 0.35 MPa and cumulative gas production was 14 100 m3. At present， this well is at stable production stage. Obviously， the purpose of enhancing CBM well production rate by microbe injection is reached.

TE377

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0395- 06

10.13639/j.odpt.2016.03.023

REN Fuping， HAN Changsheng，WANG Lingxin， ZHENG Ya， GUO Suzhen， LIU Bin. Microbially enhanced CBM well production rate technology and its application［J］. Oil Drilling & Production Technology，2016，38（3）: 395-399.

国家科技重大专项“山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程”（编号：2011ZX05061）；中国石油天然气股份有限公司重大专项“泌水煤层气田勘探开发示范工程”（编号：2010E-2208）。

引用格式：任付平，韩长胜，王玲欣，郑雅，郭素贞，刘斌. 微生物提高煤层气井单井产量技术研究与实践［J］.石油钻采工艺，2016，38（3）：395-399.