煤层产甲烷菌对胍胶的生物降解实验

李云嵩，郭红玉,2，符超勇，赵国俊，夏大平,2



煤层产甲烷菌对胍胶的生物降解实验

李云嵩1，郭红玉1,2，符超勇1，赵国俊1，夏大平1,2

(1. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2. 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)

胍胶压裂液的低温破胶问题事关煤层的增透效果，为探讨产甲烷菌群对胍胶生物降解的影响，以内蒙古某矿褐煤样品为研究对象，以富集的新鲜矿井水为菌源，配比不同浓度的胍胶与煤的混合液，开展生物甲烷代谢实验。以产气总量、CH4含量、胍胶分子官能团和C、H元素含量变化以及液相产物等指标表征煤层产甲烷菌群对胍胶的生物降解特性。实验结果表明：加入胍胶能提高煤制生物气产量，代谢后体系溶液黏度明显降低；降解后胍胶大分子中C、H元素的含量明显下降，胍胶的表面粗糙度增加；胍胶降解后主要特征峰表现为–OH基团及C–O基团的含量减少，甲基官能团振动吸收峰消失；生物降解溶液中葡萄糖醛酸含量增加。实验验证了煤层产甲烷菌对胍胶的降解作用及效果，为胍胶压裂液的低温破胶技术提供了有力依据。

煤层气；胍胶；产甲烷菌群；生物降解；官能团；液相产物

我国煤储层整体具有“三低”特点[1]，煤层增透是煤层气商业化开发的关键环节，水力压裂是目前煤储层增透的主要方法[2-4]。我国绝大部分煤层气井采用低携砂能力的活性水压裂液[5]，但此种方法经现场施工证明存在不少问题：支撑剂主要分布在近井地带，排采造成远端裂缝闭合，供气范围有限，高产难以持续[6-7]。胍胶压裂液因携砂能力强，在石油和天然气行业已普遍被采用，但应用于煤储层压裂时，由于其化学破胶时所添加的氧化剂严重依赖高温环境，而煤层温度较低，导致无法有效降低黏度，破胶困难，储层污染严重[8-9]，甚至抵消了水力压裂的增透效果，因此，研究胍胶压裂液的低温破胶技术已成为压裂液行业的热点。

20世纪80年代便有学者证明煤中存在微生物[10-12]，M. S. Green等[13]证明了煤层可在微生物作用下生成甲烷气体。煤层生物菌的发现及研究也证明了煤层本源菌能够降解煤并产生甲烷[14]。目前，人们对微生物降解煤已达成共识[15-16]。煤层气生物工程领域发现产甲烷菌群在代谢过程中会产生纤维素酶等多种酶类。另一方面，常作为压裂液稠化剂的胍胶，主要成分为半乳甘露聚糖，其破胶方法主要包括高温氧化剂破胶和低温酶类破胶[17-18]，而纤维素酶在低温下能把胍胶降解为非还原的单糖和二糖等小分子有机物，有效降低其黏度实现破胶[19]。因此，笔者通过实验研究煤层产甲烷菌群以胍胶作为营养物质，实现胍胶生物降解的效果。

1 样品采集与制备

实验样品采自内蒙古某矿，选取回采工作面新鲜煤样，并对煤样进行工业分析和镜质体反射率测试(表1)。胍胶来自山东鲁源石油化工有限公司东营分公司。

表1 煤样基本特征

2 产甲烷菌对胍胶生物降解实验

2.1 胍胶浓度对煤制生物气影响

按照文献[20]，将煤样粉碎至100~150目(0.100~ 0.150 mm)，胍胶过200目(0.075 mm)标准筛，样品配比见表2。采集新鲜矿井水并富集培养4 d后，进行不同浓度胍胶下煤制生物气模拟实验，每4 d记录一次产气量，68 d结束产气后，对气体总量、气体组分及浓度进行测试(表2)。

由表2可知，不同浓度的胍胶与煤配比液均有气体产生，添加胍胶的样品产气总量明显增多；且加入的胍胶浓度越高，气体的生成总量越大。样品HM-1的累计产气量为232 mL，样品HM-2的累计产气量比HM-1的累计产气量增加了4.74%，样品HM-3的累计产气量比HM-1的累计产气量增加了146.98%，样品HM-4的产气量增幅最高，同比HM-1的累计产气量增加了295.69%。同时，随着配入的胍胶浓度的升高，CH4浓度也在不断增大。此实验表明：添加胍胶有助于增加生物甲烷的产气总量，对煤层产甲烷菌群的产气有一定的影响。

表2 样品配比及不同浓度胍胶条件下的煤制生物气测试结果

2.2 反应体系的黏度变化

采用NDJ-8S旋转黏度计对生物甲烷代谢前后反应体系的表观黏度进行测定(表3)。反应前样品HM-3黏度为272 mPa·s，HM-4为547 mPa·s；生物代谢后HM-3为4.4 mPa·s，HM-4为4.8 mPa·s，同比反应前两个样品的黏度分别降低了98.38%和99.12%。HM-3、HM-4中生物代谢反应前后溶液体系的黏度急剧降低，表明煤层本源菌群在生长代谢过程中，对胍胶具有一定的降解作用。

表3 煤制生物气前后反应体系黏度的变化

3 胍胶生物降解的机理分析

3.1 元素变化特征

将原始胍胶(GJ-Y)及微生物降解后的反应液进行离心处理，离心后用中速滤纸进行过滤取下层溶液，进行干燥、研磨至200目(0.075 mm)，采用FLASH2000 CHNS/O有机元素分析仪测试碳、氢元素含量(表4)。

表4 生物降解前后胍胶的元素分析结果

由表4可知，和原始胍胶样品GJ-Y相比，加入胍胶反应后的煤样，其C、H元素含量明显下降。样品HM-2的碳元素质量分数为9.45%，HM-3的碳元素质量分数为11.90%，HM-4的碳元素质量分数为15.07%，比GJ-Y的碳元素质量分数43.08%显著降低；生物降解后的煤样氢元素质量分数同比反应前也有所降低。在不同浓度的胍胶和煤配比液中，生物甲烷代谢过程中，煤层本源菌将胍胶作为营养物质促进其自身的生长代谢，造成胍胶大分子中碳和氢元素含量不同程度的降低。

3.2 降解前后胍胶表观结构的变化

将原始胍胶及微生物代谢后分离得到的胍胶样品进行镀金处理，采用JSEM-6390/LV扫描电镜观测降解前后胍胶的表面形貌(图1)。

由图1可以看出，原始胍胶表面光滑，呈致密的块状结构，棱角明显；而反应后胍胶表面变得粗糙，孔隙增多。胍胶表面形貌的变化也佐证了产甲烷菌群对其存在一定的生物降解作用。

图1 胍胶降解前后表面结构的变化特征

3.3 官能团变化

将原始胍胶及微生物代谢后的反应液进行处理，离心、过滤、干燥、研磨至200目(0.075 mm)，得到胍胶样品，分别取1.5 mg按1︰100的比例加入KBr，研磨混合物成粉末状，将混合物样品倒入模具中。利用Tensor 27型傅里叶红外光谱仪对样品进行测试，测试结果如图2所示。

图2 胍胶降解前后红外光谱对比

从图2可以看出，与原始胍胶样品GJ-Y相比，胍胶样品降解后，HM-2、HM-3和HM-4反应体系中在3 500~3 300 cm-1处形成氢键缔和–OH伸缩振动吸收峰，在1 250~1 000 cm-1为C–O伸缩振动吸收峰，两处均出现峰面积减小的现象，说明胍胶分子中–OH基团和C–O基团的含量减少；同时，原始胍胶GJ-Y样品在1 400 cm-1附近有2个峰，降解后该位置的吸收振动峰消失，说明胍胶大分子结构中–OH基团和C–O基团参与产甲烷菌群的新陈代谢，而样品HM-3在2 465 cm-1处附近有较明显峰出现，应属于二氧化碳的特征干扰峰。2 850 cm-1和1 480 cm-1代表–CH2–的吸收振动峰，HM-2、HM-3和HM-4尤其在1 480 cm-1处显示–CH2–的吸收振动峰明显加强，反映了胍胶分子结构中的羟基氧被消耗。胍胶的羟基氧被消耗，造成作用于胍胶分子上的氢键减少，氢键作用降低，减弱吸附力，导致溶液黏度降低。

3.4 胍胶降解产物分析

为验证胍胶的生物降解作用，将样品HM-2(煤+0.1%胍胶)和HM-1(煤)降解产物从煤制生物气反应体系中离心，各取降解溶液5 mL，利用安捷伦Agilent1100高效液相色谱对溶液进行测试(表5)。从表5中可以看出：HM-1中葡萄糖醛酸GlcUA为0，而添加0.1%胍胶的HM-2中葡萄糖醛酸GlcUA为18.06 mg/L；同时HM-2中葡萄糖Glc的含量比HM-1多8.95%，佐证了产甲烷菌群代谢过程中利用胍胶作为自身新陈代谢的营养物质，从而促进胍胶的生物降解。

表5 不同反应体系的降解产物分析

4 结论

a. 随着胍胶质量分数从0.1%增加至1%，生物甲烷的生成量比原煤分别增加了16.67%、307.69%、620.51%，表明胍胶对生物产气具有明显的促进效应；且产甲烷菌在低温环境下能大幅降低胍胶黏度90%以上，表明了利用产甲烷菌对胍胶进行生物降解的可行性。

b. 元素分析结果显示，生物降解后胍胶大分子中C、H元素的含量明显下降，证明了胍胶的生物降解作用；相比原始胍胶，电镜下降解后的胍胶更加粗糙多孔；通过红外光谱对生物降解前后胍胶样品进行测试，胍胶的主要特征峰表现为–OH基团及C–O基团含量的减少，反应后甲基官能团振动吸收峰消失，说明侧链官能团发生了脱落；对反应体系降解后的糖类进行测试，证实生物降解溶液中葡萄糖醛酸含量增加，间接证明煤层产甲烷对胍胶的生物降解效果。

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Study on the biodegradation of guanidine gum by methanogens in coal seam

LI Yunsong1, GUO Hongyu1,2, FU Chaoyong1, ZHAO Guojun1, XIA Daping1,2

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo 454000, China)

The problem of low temperature breaking of guanidine gum fracturing fluid is related to the effect of coal seam penetration. In order to explore the effect of methanogenson the biodegradation of guanidine gum, Inner Mongolia some coal mine lignite were collected to prepare samples of coal samples, and the enriched fresh mine water was used as the bacteria source. The biological methane metabolism experiments of guanidine gum + coal were used to characterize the biodegradability of methanogens to guanidine gum, with the total gas production, CH4concentration, guanidine gum molecular functional groups and C and H elements content changes. The experimental results showed that: Adding guanidine gum can increase the production of biogas from coal, and the viscosity of the system solution is obviously reduced after metabolism; After degradation, the contents of C and H in guanidin macromolecules decreased significantly, and the surface roughness of guanidine gum increased; The main characteristic peak of guanidine gum degradation was the decrease of -OH group and C-O group, the vibration absorption peak of methyl functional group disappeared, and the content of glucuronic acid in biodegradable solution increased.

coalbed methane; guanidine gum; methanogens; biodegradation; functional groups; liquid products

National Natural Science Foundation of China(41472129)；Science and Technology Key Project of Henan Province (172102310717，182102310845，192102310196)

李云嵩，1993年生，男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为煤层气开发地质学. E-mail：1715680260@qq.com

郭红玉，1978年生，男，河南遂平人，博士，教授，博士生导师，从事煤层气地质与勘探开发研究工作. E-mail：guohy@hpu.edu.cn

李云嵩，郭红玉，符超勇，等. 煤层产甲烷菌对胍胶的生物降解实验[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：56–60.

LI Yunsong，GUO Hongyu，FU Chaoyong，et al. Study on the biodegradation of guanidine gum by methanogens in coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：56–60.

1001-1986(2019)03-0056-05

TE155

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.010

2018-07-28

国家自然科学基金项目(41472129)；河南省科技攻关项目(172102310717，182102310845，192102310196)

(责任编辑 范章群)