基于微生物烃检测技术的陕北煤层火烧区绿色探测

段中会，马 丽，郝 纯，王崚尧，梅 海

(1.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；2.陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安 710021；3.盎亿泰地质微生物技术(北京)有限公司，北京 102200)

据统计，我国130 余个大中型矿区均存在煤层自燃现象，煤层自燃总体呈现北多南少的趋势，主要分布在新疆、甘肃、陕西、山西和内蒙古等7 个省份，造成大量煤炭资源损失，给资源勘查、开发和评价带来诸多困难，因此，在煤炭资源开发过程中查明煤层自燃区(火烧区)边界及分布情况十分必要[1-2]。近年来，国内外大量学者对煤层火烧区边界的圈定方法进行了广泛研究，主要研究方法有：钻探、磁法、测温法、自然电位法、测氡法、遥感探测法等[3-8]。上述方法大多数都能够有效探测煤层自燃边界，但或多或少存在受地形影响、勘探成本高、解释成果多解性强等方面的问题；且技术的实施对类似于陕北这样的生态环境脆弱区存在环境的负面影响，导致各类技术的实施限制较多。为解决这一问题，亟需寻找新的技术手段和检测指标，为煤层火烧区勘查提供准确、实用又绿色环保的新技术。

微生物烃检测技术是在油气勘探中发展起来的一项烃类微渗漏研究新方法，该方法可以通过对活跃油气藏正在发生的轻烃微渗漏检测而判定油气藏的存在及范围。该技术方法适用性广泛，在陆域各种地貌环境和海域都得到了应用[9-12]。由于该技术是对烃类聚集体的直接研究，其多解性较小，取得效果很好。微生物烃检测技术的野外实施简单环保，仅需采集浅地表20～60 cm 深度的150～200 g 土壤[12]，其余检测和研究工作均在室内完成，而其他探测技术需较大规模的野外工作，且影响生态环境；同时，微生物烃检测技术的成本也较低，该技术更适合于类似陕北生态脆弱区的煤层火烧区探测，有显著的实际意义和经济价值。

1 技术原理

微生物烃检测技术是基于油气藏的轻烃微渗漏原理发展起来的烃检测技术，油气藏(包括非常规油气藏)中的轻烃气体在油气藏压力和浮力等作用力的驱动下以微泡上浮形式[13-16]或连续气相流形式[17]沿复杂的微裂隙垂直地向上运移；轻烃运移进入近地表沉积物的过程中，一部分轻烃成为土壤中专属烃氧化菌的食物而使得烃氧化菌异常生长发育(图 1)，另一部分被黏土矿物以及次生碳酸盐包裹或以游离状态存在而形成地球化学异常。因此，油气藏上方近地表可形成与下伏油气藏相关的微生物异常和地球化学异常[9]。

图1 微渗漏原理[9]Fig.1 Schematic diagram of microseepage principle[9]

对于煤田而言，含煤地层中的有机质在煤化过程中经过生物化学、热解等物理化学作用可以生成烃类气体，前人研究认为煤层瓦斯成分以甲烷为主，此外还有少量的重烃和非烃组分。煤层气主要以3 种形态赋存在煤层中，即吸附在煤孔隙表面呈吸附状态、分布在煤的孔隙及裂隙内呈游离状态和溶解在煤层水中呈溶解状态。而煤层气主要(可达90%以上)是以吸附状态附着于煤的内表面上，只有少量以游离态储存在煤岩的割理、裂隙和孔隙中，或者溶解在煤层的水中。由于煤层气赋存深度较浅，连续性较好，煤层气中的游离态烃和溶解态烃气体组分更易通过地层中的断裂、裂隙、微裂缝和孔隙等通道垂直运移到地表，特别是经过火烧之后，大量烃类得到释放，且由于热解作用也会生成一些游离的烃类，在近地表可以形成烃类指标的异常。在近地表，由于微生物的强烈作用和各种环境理化因素的影响，会导致烃类浓度发生变化，并使得地表烃类的测量困难重重。因此，地表微生物指标和地球化学浓度指标有时会缺乏对应关系，其中微生物指标的多解性更小，可靠性更高[18]。

微生物烃检测技术主要采用甲烷氧化菌和丁烷氧化菌等不同的微生物指标，由于地表存在生物成因甲烷，对甲烷氧化菌指标的干扰较大；而丁烷氧化菌指标的地表干扰小，且实践证明，极其微量的丁烷渗漏就可以产生明显的微生物异常，而煤层瓦斯成分中也含有微量的丁烷等重烃组分，因而，本次针对煤层火烧区的研究主要采用丁烷氧化菌指标。

2 工程实践

2.1 研究区概况

研究区位于陕北侏罗纪煤田郝家梁煤矿，该区地表均被第四系松散沉积物覆盖，钻孔揭露的地层有新近系上新统静乐组，侏罗系中统直罗组、延安组及下统富县组等。含煤地层为延安组，主要含煤9 层，其中，主要可采煤层为3 号和3–1号煤层，其余4 号—9 号煤层为不可采的薄煤层。3 号煤层埋深101～230 m，一般130～170 m，煤层厚度1.60～9.98 m，平均厚度7.01 m。研究区总体构造形态为向北西微倾的平缓单斜层(倾角小于 1°)，局部发育宽缓的波状起伏；有煤层自燃现象，部分燃烧完全，部分正在燃烧，燃烧过渡带宽约190～530 m。煤层自燃速度极其缓慢，岩石烘烤现象不明显，大部分地段煤层顶板岩石烧变后为褐黄色，其工程力学性质与正常岩石差异不大，局部地段岩石烧变后呈暗紫色，垮塌较严重，形成大量裂隙和空洞。

按照微生物烃检测技术野外采样布置原则，在郝家梁煤矿已知火烧区边界附近，沿基本垂直于火烧区边界布设2 条微生物测线HJL1 和HJL2 测线，2 条测线近似平行，测点间距20～80 m 不等，火烧区边界附近布设密度加大，以提高微生物检测对边界刻画的精度，具体采集点分布如图2 所示。

图2 郝家梁煤矿地表微生物采集点位与火烧区叠合Fig.2 The superposition diagram of surface microbial sampling site and burning area in Haojialiang Coal Mine

2.2 样品采集与实验检测

研究区土壤类型以砂土为主，在设计的测点处采集地表约 20 cm 深度土壤样品，质量不少于200 g，共采集样品124 个。样品在到达检测实验室之后随机重新编制检测编号以降低检测的系统误差影响。丁烷氧化菌的实验室检测在盎亿泰地质微生物技术(北京)有限公司分析测试中心完成，丁烷氧化菌计数采用平板培养法，检测方法以及选择性培养基的配方等细节参照美国专利3880142[19]。平板培养法是细菌定量计数领域公认的经典标准方法，至今仍被中国多项国家标准和美国食品药品监督管理局编制的《细菌学分析手册》所推荐[9]。检测实验的主要步骤为：将25 g 土壤加入到无菌稀释液中进行充分混匀，其后进行连续的梯度稀释，选择合适的稀释度吸取1 mL 稀释液到无菌培养皿中，在培养皿中倾注15 mL 丁烷氧化菌选择性培养基并充分混匀，待培养基凝固后倒置放置于34℃氧培养箱中培养7 d 后进行菌落计数，记录培养皿上的菌落数并简称为微生物值(Microbial Value，MV)，其单位为菌落形成单位CFU(Clone Forming Unit)。每个样品设置3 个培养皿作为平行样，最终取值为3 个平行样的算术平均值并四舍五入取整。培养皿经过培养之后的菌落形态如图3 所示，培养皿上数字为重新编制的检测编号，A/B/C 字母代表同一个样品的3 个平行样。如图3 所示，3 号检测样品的菌落数少于43 号检测样品的菌落数，其MV 值也低于43 号检测样品。该检测方法可以检测土壤样品中专属烃氧化菌的相对含量，用来判别丁烷氧化菌在火烧区、火烧过渡区及正常煤层区上方土壤中的差异。

图3 微生物检测培养皿菌落Fig.3 Picture of the microbial analysis plates and colonies

此外，对HJL1、HJL2 线还采用磁法进行了火烧区边界的探测，并将磁法和微生物法检测的成果进行对比研究。磁法是研究煤层火烧区的一种常用方法，其原理为煤层在燃烧中会对其上覆基岩进行不同程度烧变和烘烤，岩石中的褐铁矿变成磁铁矿，使地层出现明显的磁异常[20-22]。本次采用便携式PMG1质子磁力仪沿HJL1、HJL2 线进行磁法观测，测点间距10 m，并绘制磁变化值ΔT的磁异常剖面图。

2.3 数据分析

本研究最终获得124 个样品的微生物值，其最小值为4，最大值201，平均值57，标准偏差33。在数据分析过程中，关键环节是对MV 异常值与背景值之间进行门槛值的划分。在不同地质和地表条件下，不同地区的门槛值通常是不同的，所以，需要通过一定的方法来进行门槛值划分。通常来讲，门槛值划分需分析以下内容：①基于数据本身特征，利用数理统计、分形、频率分布等数学方法，划分出异常值与背景值可能的界限值；② 分析已知区MV 值的特征，本研究则是基于已知煤层火烧区的验证。在综合上述方法进行分析后，将本研究区MV 异常门槛值定为50，即MV 在51 以上认定为异常值，指示较高微渗漏强度；而MV 在50 以下则为低异常和背景值，指示较弱或无微渗漏强度(表1)。

表1 微生物值异常分级Table 1 Microbial value characteristics and abnormal classification

2.4 微生物平面异常分布特征

依据微生物的异常分级，用表1 所述的不同颜色代表不同的微生物值分级，并将测线上分级结果与郝家梁煤矿识别的火烧区平面图进行叠合研究，其中，超高异常使用红色，高异常使用橙色，中异常使用黄色，低异常使用绿色，无异常使用蓝色。从叠合研究的平面分布图特征来看，沿着微生物测线存在明显的异常背景起伏变化，且微生物值的异常和背景分布较为连续、稳定，指示轻烃的微渗漏强度存在强弱变化。HJL1 测线与HJL2 测线对比发现，微生物异常分布特征相似，从西到东可划分为西部微生物中低值区、中部微生物中高值区和东部微生物背景值区3 种不同的微渗漏微生物响应类型。其中，西部微生物中低值区在靠近中部微生物中高值区边界时有下降的趋势。

将微生物测线的检测结果与已知主要含煤层系的火烧区边界进行对比发现：中部微生物中高值区和西部微生物中低值区之间的边界与延安组3 号煤层开始燃烧边界具有较好的对应关系；东部微生物背景区和中部微生物中高值区之间的边界与3 号煤层完全燃烧边界具有一定的对应关系；中部微生物中高值区大致对应于火烧区过渡带。经过与已知火烧区边界进行对比研究后可以发现，西部煤区之上以微生物中低值为主，火烧过渡区之上以微生物高值异常为主，而东部完全火烧区以低值背景值为主(图4)。

图4 郝家梁煤矿地表微生物异常值与火烧区叠合Fig.4 Superposition diagram of surface abnormal microbial values and burning area in Haojialiang Coal Mine

对2 条测线的微生物值以及上述3 种不同微生物特征区域内微生物的异常和背景数据进行数学统计。西部微生物中低值区微生物值平均为29，异常点位的比例为59%，且有一定比例的高异常点存在；中部微生物中高值区微生物值平均为58，异常点位比例高达76%，且有大量高异常点分布；而东部微生物背景值区微生物值平均为37，异常点位比例仅有14%，没有高异常点分布(表2)；可见3 个区域微生物丰度差异明显，异常背景位点的分布也各具特点，可能代表了3 种不同的微渗漏微生物响应类型。

表2 郝家梁煤矿地表微生物数据统计Table 2 Statistical table of Haojialiang Coal Mine’s surface microbial data

2.5 微生物剖面异常分布特征

将微生物测线上微生物值折线图与磁法异常剖面及钻孔确认的火烧区分布地质剖面进行叠合研究，其结果如图5 所示。图中所述丁烷氧化菌平滑值为该站点和最近两点的算术平均值，端点不做处理，保持原始值。

图5 微生物剖面与地质剖面和磁法剖面对比Fig.5 Comparison of microbial sections with geological section and magnetic section

磁法是一种常用的研究煤层火烧区的方法，区内ΔT磁异常剖面特征如图5 所示。在磁法剖面上HJL1 线1 100 m 往东、HJL2 线1 200 m 往东为煤层火烧区，烧变岩具有较强磁性，ΔT呈正异常，该部分对应了微生物烃检测中的东部微生物背景区和钻孔验证的煤层火烧区；在磁法剖面上 HJL1 线800～1 100 m、HJL2 线800～1 200 m 为火烧过渡区，此区域煤层顶板受烘烤作用磁化强度大，形成较强负异常，ΔT负异常幅值较大，该部分对应了微生物烃检测中的中部微生物中高值区和钻孔验证的火烧过渡区；在磁法剖面上HJL1 线、HJL2 线800 m 以西为正常煤层区，砂岩、泥岩磁性微弱，ΔT负异常幅值较小且平稳，该部分对应了微生物烃检测中的西部微生物中低值区和钻孔验证的正常煤层区。从上述3 种方法识别的火烧区对应关系分析可以发现，3种方法的结果对应关系较好。综合而言，地质钻孔和磁法检测结果都验证了微生物烃检测技术的有效性，3 种技术方法最终解释的结果吻合度较高。

3 火烧区微生物响应模式

理论上看，表层土壤中丁烷氧化菌的丰度和微渗漏的丁烷浓度存在直接关系，而依据轻烃微渗漏原理，影响微渗漏强度的主要因素是地下烃类富集程度，压力和运移通道中微裂隙的发育程度等。在火烧煤研究中，由于煤层气主要以吸附(正常煤层区)和游离(火烧过渡区)状态存在，压力的因素可以不考虑，故微渗漏强度主要考虑煤层气的富集状态和顶板运移通道的微裂隙发育程度2 个因素。此外，煤中有机组成、燃煤时间、燃煤层上方微裂隙不同的结构等因素也会影响微渗漏强度，但一般情况下这些因素都是次要因素，在本研究中暂不考虑。

从已知火烧区分布来看，本区的火烧是从东向西逐渐发展，东部为完全燃烧区，主要含煤层系被燃烧殆尽，煤层虚空造成顶板一定程度的变形，加之顶板遭受火烧烘烤变质，使裂缝相对其他区域更发育，能够形成轻烃向地表渗漏的通道，但由于煤层燃烧伴随轻烃消失，且周围没有可以侧向供应的烃气来源，因此，其上方表现为微生物背景值为主，微生物均值为37，异常值比例极低(14%)，没有高异常值出现。

在中部火烧过渡区，煤层因火烧程度不充分，残余部分煤层或周边煤层受热使吸附的煤层气大量解析，就近聚集，使火烧过渡区瓦斯含量相对其他区域更高。同时，火烧造成顶板的微裂缝形成良好的微渗漏通道，因此，在火烧过渡区内呈现微生物高值异常的特点，微生物均值为58，异常点位比例高达76%，且具有大量高异常点分布。

对于西部未燃烧煤层，在邻近火烧过渡区地段，由于火烧破坏了煤层，使邻近火烧过渡区的未燃烧煤层中瓦斯气体就近侧向运移进入火烧过渡区内，形成邻近火烧区煤层上的微生物值有降低的趋势；而远离过渡区深入稳定煤层内部微生物值有逐渐升高的趋势，也就是说稳定连续的煤层之上应至少表现为中–高异常为主。由于侧向运移区的存在，未燃烧煤层微生物均值降低为29，但异常点位的比例较高，为59%，在连续稳定煤层上有一定的高异常点存在。

由上文分析可知，微生物指标对煤层火烧区具有较好的响应。根据地质解释，本研究建立了郝家梁煤矿火烧区微生物响应模式，如下：①已燃烧的火烧区，由于火烧造成顶板裂缝发育，有利于气体渗漏，但由于完全燃烧区烃类气体含量低，呈现微生物低值背景。② 火烧过渡区，由于火烧造成顶板裂缝发育，且邻近未燃烧煤层，造成火烧过渡区附近烃类气体含量增大，轻烃微渗漏通量增加，呈现微生物高值异常。③未燃烧的正常煤层区，邻近火烧过渡区煤层中的烃类气体优先向火烧过渡区运移，表现为低异常–背景值；远离火烧过渡区煤层以微生物中值异常为主(图6)。

图6 郝家梁煤矿火烧区微生物响应模式Fig.6 Microbial response pattern diagram in the burning area of Haojialiang Coal Mine

4 结论

a.在陕北侏罗纪煤田郝家梁煤矿火烧区探测中引入轻烃微渗漏的微生物烃检测技术，采用勘查测点间距10～80 m 不等间距的设计进行了2 条测线的试验，并优选丁烷氧化菌作为检测指标。

b.郝家梁煤矿煤层火烧区的不同区域，轻烃微渗漏的微生物响应特征不同。在火烧区，微生物为低值背景分布为主；在火烧过渡区以微生物连续高值异常为主；在正常煤层区，微生物以中值异常为主，且邻近火烧区的含煤地层有微生物值降低的现象。根据上述微生物数据特征建立了研究区煤层火烧区微生物响应模型。

c.按照煤田火烧区微生物响应模型，解释划定郝家梁煤矿煤层火烧区的范围，该研究成果与磁法解释的火烧区边界吻合，且有钻孔验证，证实了微生物烃检测技术可用于煤层火烧区的探测。

d.微生物烃检测技术的野外实施简单环保，只需采取近地表少量土壤，是一种绿色环保高效的技术手段，契合国家提倡的绿色勘探理念，且成本低廉，在煤层火烧区边界识别中具有很好的应用前景。