煤层产甲烷菌对胍胶的生物降解实验_李云嵩.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo 454000, China Abstract 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, CH4 concentration, guanidine gum molecular functional groups and C and H elements content changes. The experimen- tal 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 charac- teristic 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 in- creased. Keywords coalbed methane; guanidine gum; methanogens; biodegradation; functional groups; liquid products 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 ChaoXing 第 3 期 李云嵩等 煤层产甲烷菌对胍胶的生物降解实验 57 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 Table 1 Analysis of coal samples 工业分析/ 煤样来源 层位 时代 Mad Aad Vdaf 煤种 煤的镜质体反射率 Rmax/ 内蒙古某矿 3-1 J3y 7.46 10.71 44.58 褐煤 0.46 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100150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 Table 2 Test results of biogas production from coal under different concentrations of guanidine gum 样品 编号 样品配比 煤样 质量/g 胍胶 质量/g 累计 产气量/mL CH4体积 分数/ CO2及其他气体 体积分数/ CH4生成量/ mLg-1 CO2及其他气体 生成量/mLg-1 HM-1 煤 20 0 232 33.62 66.8 3.90 7.70 HM-2 煤0.1胍胶 20 0.2 243 37.52 62.48 4.55 7.58 HM-3 煤0.5胍胶 20 1.0 573 55.50 44.50 15.90 12.75 HM-4 煤1.0胍胶 20 2.0 918 61.22 33.78 28.10 15.51 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 mPas，HM-4为547 mPas；生物代 谢后 HM-3为4.4 mPas，HM-4为4.8 mPas，同比反 应前两个样品的黏度分别降低了98.38和99.12。 表 3 煤制生物气前后反应体系黏度的变化 Table 3 Changes of reaction system viscosity before and after biogas production 编号 样品配比 代谢前黏 度/mPas 代谢后黏 度/mPas HM-3 煤0.5胍胶 272 4.4 HM-4 煤1.0胍胶 547 4.8 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 47 卷 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。 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 Table 4 Elemental analysis of guar gum before and after biodegradation 元素质量分数/ 样品编号 C H GJ-Y 43.08 6.80 HM-2 9.45 2.07 HM-3 11.90 2.69 HM-4 15.07 2.43 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 Fig.1 Change characteristics of surface structure of guanidine gum before and after degradation 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 Fig.2 Comparison of infrared spectra of guanidine gum before and after degradation 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 5003 300 cm-1处形成氢键缔和–OH 伸缩振 动吸收峰，在 1 2501 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， ChaoXing 第 3 期 李云嵩等 煤层产甲烷菌对胍胶的生物降解实验 59 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 Table 5 Analysis results of degradation products of guanidine gum 单位mg/L 样品编号 甘露糖 Man 核糖 Rib 葡萄糖醛酸 GlcUA 氨基半乳糖 GalN 葡萄糖 Glc HM-1 4.17 4.77 0 0 12.85 HM-2 17.58 0 18.06 14.06 14.30 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。 参考文献 [1] 张群， 冯三利， 杨锡禄. 试论我国煤层气的基本储层特点及开 发策略[J]. 煤炭学报，2001，263230–235. ZHANG Qun，FENG Sanli，YANG Xilu. Basic reservoir characteristics and development strategy of coalbed methane re- source in China[J]. Journal of China Coal Society，2001，263 230–235. [2] 韩保山. 低渗煤层压裂机理及应用[J]. 煤田地质与勘探， 2016，44325–29. HAN Baoshan. Research on fracturing mechanism of low per- meability coal seam and application of surface CBM drainage[J]. Coal Geology Exploration. 2016，44325–29. [3] WANG Peng，MAO Xianbiao，LIN Jinbin，et al. Study of the borehole hydraulic fracturing and the principle of gas seepage in the coal seam[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2009， 111561–1573. [4] 许露露，崔金榜，黄赛鹏，等. 煤层气储层水力压裂裂缝扩展 模型分析及应用[J]. 煤炭学报，2014，39102068–2074. XU Lulu，CUI Jinbang，HUANG Saipeng，et al. Analysis and application of fracture propagated model by hydraulic fracturing in coalbed methane reservoir[J]. Journal of China Coal Society， 2014，39102068－2074. [5] 管保山， 刘玉婷， 刘萍， 等. 煤层气压裂液研究现状与发展[J]. 煤炭科学技术，2016，44511–17. GUAN Baoshan，LIU Yuting，LIU Ping，et al. Present situation and development of coalbed methane fracturing fluid[J]. Coal Science and Technology，2016，44511–17. [6] 陈海汇，范洪富，郭建平，等. 煤层气井水力压裂液分析与展 望[J]. 煤田地质与勘探，2017，45533–40. CHEN Haihui， FAN Hongfu， GUO Jianping， et al. Analysis and prospect on hydraulic fracturing fluid used in coalbed methane well[J]. Coal Geology Exploration，2017，45533–40. [7] 张高群，肖兵，胡娅娅，等. 新型活性水压裂液在煤层气井的 应用[J]. 钻井液与完井液，2013，30166–68. ZHANG Gaoqun，XIAO Bing，HU Yaya，et al. Application on novel active water fracturing fluid in coal-bed methane wells[J]. Drilling Fluid Completion Fluid，2013，30166–68. [8] 张义，鲜保安，孙粉锦，等. 煤层气低产井低产原因及增产改 造技术[J]. 天然气工业，2010，30655–59. ZHANG Yi，XIAN Bao’an，SUN Fenjin，et al. Reason analysis and stimulation measures of low coalbed methane gas production wells[J]. Natural Gas Industry，2010，30655–59. [9] 熊颖，刘友权，石晓松，等. 可回收再利用的低分子胍胶压裂 液技术研究[J]. 石油与天然气化工，2014，433279–283. ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 47 卷 XIONG Ying，LIU Youquan，SHI Xiaosong，et al. Fechnology research of the recycled low molecular guar gum fracturing fluid[J]. Chemical Engineering of Oil Gas，2014，433 279–283. [10] COHEN M S， GABRIELE P D. Degradation of coal by the fungi polyporus versicolor and poriamonticola[J]. Applied Envi- ronmental Microbiology，1982，44123–27. [11] AHMED M，SMITH J W. Biogenic methane generation in the degradation of eastern Australian Permian coals[J]. Organic Geochemistry，2001，326809–816. [12] PARK S Y， LIANG Y. Biogenic methane production from coal A review on recent research and development on microbially en- hanced coalbed methane MECBM[J]. Fuel， 2016， 166 258–267. [13] GREEN M S，FLANEGAN K C，GILCREASE P C. Charac- terization of amethanogenic consortium enriched from a coalbed methane well in the Powder River basin USA[J]. International Journal of Coal Geology，2008，761/234–45. [14] MUHAMMAD A B，ABBOTT G D. The thermal evolution of asphaltene-bound biomarkers from coals of different rankA potential ination resource during coal biodegradation[J]. In- ternational Journal of Coal Geology，2013，107590–95. [15] PENNER T J， FOGHT J M， BUDWILL K. Microbial diversity of western Canadian subsurface coal beds and methanogenic coal enrichment cultures[J]. International Journal of Coal Geology， 2010，82181–93. [16] 胡斌，叶艳敏，刘建民，等. 煤微生物降解研究进展[J]. 基因 组学与应用生物学，2017，36114733–4738. HU Bin，YE Yanmin，LIU Jianmin，et al. The research progress of coal microbial degradation[J]. Genomics and Applied Biol- ogy，2017，36114733–4738. [17] 珺周，贾文峰，蒋廷学，等. 耐高温超低浓度纳米胍胶压裂液 性能评价研究[J]. 现代化工，2017，37559–61. ZHOU Jun，JIA Wenfeng，JIANG Tingxue，et al. Perance uation of high temperature ultra-low concentration nanome- ter HPC fracturing fluid[J]. Modern Chemical Industry，2017， 37559–61. [18] MUDGIL D，BARAK S，KHATKAR B S. Effect of enzymatic depolymerization on physicochemical and rheological properties of guar gum[J]. Carbohydrate Polymers，2012，901224–228. [19] 赵意平. 瓜尔胶降解菌的筛选及其产酶研究[D]. 大庆东北 石油大学，2011. [20] 郭红玉，罗源，马俊强，等. 不同煤阶煤的微生物增透效果和 机理分析[J]. 煤炭学报，2014，3991886–1891. GUO Hongyu，LUO Yuan，MA Junqiang，et al. Analysis of mechanism and permeability enhancing effect via microbial treatment on different rank coals[J]. Journal of China Coal Soci- ety，2014，3991886–1891. 责任编辑 范章群 ChaoXing