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准南低质煤层气原位提质增量研究
1
作者 苏现波 丁锐 +8 位作者 赵伟仲 严德天 李瑞明 王一兵 王海超 黄胜海 周艺璇 王小明 伏海蛟 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期532-545,共14页
煤层气作为一种非常规天然气,其开发利用契合国家能源安全目标,更是对碳中和的一种助力。准南是我国重要的煤层气资源富集区之一,也是目前中国煤层气开发的热点地区,但高产井数量不多,稳产困难,迫切需要一种能够增加单井控制范围内煤层... 煤层气作为一种非常规天然气,其开发利用契合国家能源安全目标,更是对碳中和的一种助力。准南是我国重要的煤层气资源富集区之一,也是目前中国煤层气开发的热点地区,但高产井数量不多,稳产困难,迫切需要一种能够增加单井控制范围内煤层气资源量的技术;同时高CO_(2)和高H_(2)S体积分数已经成为该区煤层气的普遍现象,迫切需要一种原位处置这2种有害气体的技术,煤层气生物工程为此类煤层气的“提质增量”提供一种潜在可行技术。现场的跟踪监测以及实验室物理模拟试验表明,CO_(2)的体积分数与储层温度密切相关,产酸发酵细菌和产氢产乙酸菌能够在较为宽广的储层温度下保持活性而产生CO_(2);而相对较低的储层温度下氢营养型产甲烷菌代谢较弱、CO_(2)很难被还原,这是该区CO_(2)的主要成因。此外发现地下水中携带的有机质、SO_(4)^(2-)和原始菌群在运移过程中进行着代谢活动,随着排采的长期进行,当地下水补给速率、排采速率和产甲烷菌的代谢周期相匹配时,就会生成的H_(2)S,被称为后生生物H_(2)S。这2种酸性气体的存在,不仅影响安全生产,也大幅降低了煤层气的“质”。以准南低质煤层气为研究对象,提出了一种微生物介导的煤层气原位提质增量关键技术,并从必要性和可行性两方面阐述了该技术在煤层气增产、CO_(2)原位微生物转化、H_(2)S原位抑制方面的广阔前景。该技术的基本思路是将煤储层作为一个“车间”,微生物作为“劳动力”,将煤和原始储层中CO_(2)作为“生产资料”,制造的“产品”为甲烷,对于CO_(2)实现了生物甲烷化,对于H_(2)S实现了原位抑制,对于煤层气实现了提质增量。该技术涉及的关键挑战包括高效菌群的培养(培育温度范围宽广的氢营养型产甲烷菌)、H_(2)S原位抑制的生物压裂液研制以及提质增量的评价技术。物理模拟CO_(2)微生物甲烷化实验表明随着储层温度的增加,CO_(2)微生物累计甲烷化量逐渐增加,在55℃下达到最大值8.5 m^(3)/t,参与该过程的糖酵解、丙酮酸代谢和TCA循环的关键酶的丰度在55℃下明显高于其他原位厌氧发酵系统,提高了CO_(2)的转化效率与转化量;添加生物抑制剂的非CO_(2)气氛厌氧发酵系统生物甲烷产量为4.5 m^(3)/t,略高于对照组的4.38 m^(3)/t;而气态H_(2)S的体积分数比对照组减少了88.8%,且从第9天开始到产气结束一直为0,实现了H_(2)S的原位抑制。 展开更多
关键词 准噶尔盆地南缘(准南) 低质煤层气 CO_(2)生物甲烷化 H_(2)S原位抑制 提质增量
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石墨烯对高硫煤厌氧发酵产H_(2)S的影响机制
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作者 赵文杰 苏现波 +1 位作者 赵伟仲 周艺璇 《煤炭学报》 北大核心 2025年第4期2208-2218,共11页
煤层气生物工程为煤层气的增产提供了一条行之有效的路径,如何提升煤储层生物甲烷产量,是制约该技术发展与应用的关键。随着对微生物之间电子传递机制的深入研究,导电材料成为了增强有机物降解的外源添加剂。采用石墨烯促进厌氧发酵系... 煤层气生物工程为煤层气的增产提供了一条行之有效的路径,如何提升煤储层生物甲烷产量,是制约该技术发展与应用的关键。随着对微生物之间电子传递机制的深入研究,导电材料成为了增强有机物降解的外源添加剂。采用石墨烯促进厌氧发酵系统中的电子传递速率以提高甲烷(CH_(4))生成率是一种可以现场实施的、有效的强化措施。对高硫煤而言,石墨烯强化了甲烷产出,但其添加除了影响产甲烷能力外,是否会影响硫化氢(H_(2)S)的生成尚不明确。以晋城15号高硫煤为碳源和硫源、石墨烯作为导电材料进行实验室厌氧发酵试验,通过对生物甲烷和硫化氢的产气特征、煤中形态硫含量变化、煤表面元素赋存状态、关键液相物质变化以及微生物群落结构等检测和分析,系统探讨H_(2)S的成因及影响机制。结果表明:在以煤为底物的厌氧发酵系统中添加石墨烯强化生物CH_(4) 产出的同时,也强化了H_(2)S的生成,添加石墨烯的发酵系统中累计CH_(4)产量为4.86 mL/g、H2S产量为5.52 mL/g,比不添加石墨烯的厌氧发酵系统的2.74、4.94 mL/g高出77.37%和11.74%。石墨烯的添加更是加速了有机硫的降解,残煤中硫醇和硫醚也被微生物完全转化。针对关键液相小分子有机物,添加石墨烯的厌氧发酵系统中各类物质的降解速率明显高于不添加石墨烯的厌氧发酵系统。细菌群落中Desulfovibrio和Geovibrio以及古菌群落中Methanosarcina的丰度在添加石墨烯后显著上升,其中Geovibrio可为产甲烷古菌提供额外电子,Desulfovibrio与Methanosarcina之间潜在的直接种间电子传递(Direct Interspecific Electron Transfer,DIET)是影响CH_(4 )和H_(2)S生成的原因,这种电子传递方式提高了菌群的活性和降解效率,加速了产甲烷和硫酸盐异化还原过程中关键酶的合成。H_(2)S具有2种形成机制:一是甲基营养型产甲烷菌直接利用有机硫化物的甲基基团生成CH_(4)的同时产生H_(2)S;二是水解菌表达的硫酸酯酶与硫酸盐还原菌协同作用,主要归功于细菌Macellibacteroides的作用,且是H_(2)S的主要成因。这一认识给煤层气生物工程的现场实施提出了要求,即针对高硫煤储层进行微生物增产时需要添加H_(2)S的生物抑制剂抑制其生成。 展开更多
关键词 高有机硫煤 石墨烯 生物H_(2)S生成机制 硫酸盐还原 厌氧发酵
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煤矿采动影响体微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同充填关键技术 被引量：1
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作者 苏现波 赵伟仲 +2 位作者 王乾 周艺璇 汪露飞 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期400-414,共15页
煤矿采空区是我国实现“双碳”目标的重要突破口,煤炭开采形成的、能够富集煤层气、为后期微生物活动和矿化充填提供底物和空间的地质体定义为采动影响体。以采动影响体为研究对象,提出了采动影响体微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同矿... 煤矿采空区是我国实现“双碳”目标的重要突破口,煤炭开采形成的、能够富集煤层气、为后期微生物活动和矿化充填提供底物和空间的地质体定义为采动影响体。以采动影响体为研究对象,提出了采动影响体微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同矿化充填关键技术,并从必要性和可行性2个方面阐述了该技术在采动影响体资源二次开发、CO_(2)安全封存以及燃煤电厂粉煤灰固废高效处置等的广阔前景。其总体思路是将采动影响体作为一个厌氧发酵“工厂”,高产高效产甲烷菌群作为“劳动者”对“工厂”已有的原材料——残煤、薄煤层和分散有机质以及注入的CO_(2)进行加工,其“产品”是甲烷,进而实现微生物采残煤和CO_(2)资源化。同时,CO_(2)与碱性的粉煤灰结合,在实现了CO_(2)矿化封存的同时,也实现了采动影响体的充填。该技术涉及的关键科学问题包括采动影响体类型划分与有机质特征、采动影响体原位条件下厌氧发酵产甲烷机制、微生物-CO_(2)-粉煤灰协同矿化/固化机制以及微生物采残煤与充填关键技术示范工程建设。实验室物理模拟采动影响体原位条件实验表明其中残煤和富含有机质的泥页岩能够在微生物作用下生成生物甲烷,且添加少量的粉煤灰能够进一步强化甲烷的产出。物理模拟地下水补给的动态实验表明营养物质的补给对厌氧发酵系统的影响尤为重要,补给循环周期为14 d的厌氧发酵系统恰与产甲烷菌群繁殖的周期一致,能够保证厌氧发酵系统的持续高效运行。高钙粉煤灰-CO_(2)-矿井水协同胶结的试件经过28 d的养护后抗压强度为12.31 MPa,其矿化封存潜力约为21.99 m3 CO_(2)/t(粉煤灰),说明粉煤灰在实现采空区固化的同时能够实现CO_(2)减排。此外,基于微生物采残煤与粉煤灰充填目的对工程试验靶区进行优选,地下水滞留区是CO_(2)矿化和粉煤灰充填的最佳场所,因采掘活动自然形成的自然圈闭和人工充填形成的圈闭是较有利的工程试验靶区之一。针对这些靶区提出了微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同充填关键技术,旨在为中国碳减排和采空区生态环境治理提供一条新的技术路径。 展开更多
关键词 煤矿采动影响体 微生物采残煤 CO_(2)封存 粉煤灰胶结充填 动静态特征 有机质特征
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煤系页岩总有机碳含量与成熟度对厌氧发酵产甲烷性能的影响
4
作者 阮倩雯 王乾 +2 位作者 苏现波 赵伟仲 高富博 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2024年第12期4883-4896,共14页
煤系页岩气是煤系气的重要组成部分,且煤系页岩具有丰富的本源微生物和微生物代谢所需的分散有机质,这使得其具有厌氧发酵产甲烷的可能性,并为煤系气开发阶段的可采资源提供补充。然而,针对煤系页岩厌氧发酵产甲烷机制的研究仍缺乏,生... 煤系页岩气是煤系气的重要组成部分,且煤系页岩具有丰富的本源微生物和微生物代谢所需的分散有机质,这使得其具有厌氧发酵产甲烷的可能性,并为煤系气开发阶段的可采资源提供补充。然而,针对煤系页岩厌氧发酵产甲烷机制的研究仍缺乏,生物甲烷产出特征及其控制因素仍未清楚,限制了该方法的发展与应用。以不同地区的煤系页岩为研究对象,以煤系页岩本源菌群为试验菌群,通过厌氧发酵试验探讨其产甲烷潜力,评价总有机碳(TOC)含量、成熟度(R_(o))对产甲烷效果的影响。结果表明:在本源微生物作用下煤系页岩普遍具有产甲烷能力,累计产量最高可达1.97 mL/g。煤系页岩厌氧发酵产甲烷周期一般为15 d,产量变化规律与煤相似,但周期明显缩短。根据微生物降解复杂有机质的代谢模型,可将煤系页岩厌氧发酵产甲烷过程划分为水解产酸、产氢产乙酸和产甲烷3个阶段。生物甲烷产量与煤系页岩TOC含量具有明显的正相关性,尤其当TOC含量大于10%,甲烷产量显著提升。另外,生物甲烷产量与R_(o)呈负相关性,当R_(o)增大至3.78%,几乎不再产生。煤系页岩TOC含量与R_(o)主要在水解产酸阶段发挥作用,随TOC含量降低、R_(o)增大,微生物降解页岩有机质产生的氨基酸等代谢产物减少,使得产氢产乙酸和产甲烷阶段微生物代谢所需的底物的物质的量浓度降低,最终生物甲烷产量减少。 展开更多
关键词 煤系页岩 厌氧发酵 生物甲烷 有机碳含量 成熟度
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煤层气生物工程研究进展 被引量：47
5
作者 苏现波 夏大平 +6 位作者 赵伟仲 伏海蛟 郭红光 何环 鲍园 李丹 魏国琴 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1-30,共30页
煤层气生物工程是将营养液或经过驯化、改良的菌种注入地下煤层或通过地面发酵产气的方式,把煤的部分有机组分转化为甲烷,实现微生物强化煤层气产出的一种特殊发酵工程。该工程作为多学科交叉的新兴边缘学科,涉及到能源、环境和新材料... 煤层气生物工程是将营养液或经过驯化、改良的菌种注入地下煤层或通过地面发酵产气的方式,把煤的部分有机组分转化为甲烷,实现微生物强化煤层气产出的一种特殊发酵工程。该工程作为多学科交叉的新兴边缘学科,涉及到能源、环境和新材料三大领域,具有多重效益,越来越受到关注,详细总结了国内外煤层气生物工程10余年的发展历程,首先从煤层(水)的生物多样性、厌氧发酵系统产气机制和控制因素等方面系统分析了煤层气生物工程的微生物学基础;以研究厌氧发酵系统中气固液菌为核心,整合其他学科的研究方法,初步形成了煤层气生物工程自身的研究方法,最后提出了煤层气生物工程的实施方案及发展趋势。生物多样性为煤层生物甲烷的生成提供了菌种来源,根据发酵系统中气固液菌的变化规律将发酵过程区分为4个阶段,系统中的底物和环境因子控制了微生物群落结构,影响了生物甲烷的产量,甲烷的成因区分为乙酸营养型、氢营养型、甲基营养型3种,这一认识初步构成了煤层气生物工程的理论基础。分子生物学、地球化学与煤化学等的结合为该学科的发展提供了方法支撑。地面发酵池产气工程除了获取生物甲烷这一洁净能源外,还可以与褐煤提质、高硫煤微生物脱硫和新材料合成相结合,使得经济效益最大化;地下煤层气生物工程以其增气、增解、增透作用可大幅度提升煤层气井的产量,并获取液相有机物,同时可以实现二氧化碳的甲烷化,二氧化碳矿化对采空区可起到固化作用,减排效果显著。煤层气生物工程以其理论性、方法性和实用性正在成为一个全新的领域,将有力推进中国煤层气大规模商业化开发进程。 展开更多
关键词 煤层气生物工程 煤层生物甲烷 厌氧发酵 微生物强化煤层气产出 二氧化碳减排 新材料
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煤层气井地联合抽采全过程低负碳减排关键技术研究进展 被引量：19
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作者 苏现波 赵伟仲 +12 位作者 王乾 于世耀 汪露飞 宋金星 王小明 夏大平 伏海蛟 郭红玉 孙长彦 郭红光 鲍园 何环 黄津 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期335-356,共22页
“双碳”目标的实现与煤层气大规模商业化开发迫切需要新技术。在对煤层气开发与CCUS技术系统分析的基础上,以煤层气生物工程为依托,探讨和展望了地面煤层气开发、煤矿瓦斯抽采以及采空区煤层气开发过程中的低负碳减排关键技术。地面煤... “双碳”目标的实现与煤层气大规模商业化开发迫切需要新技术。在对煤层气开发与CCUS技术系统分析的基础上,以煤层气生物工程为依托,探讨和展望了地面煤层气开发、煤矿瓦斯抽采以及采空区煤层气开发过程中的低负碳减排关键技术。地面煤层气开发阶段,将煤层气开发转化为煤系气开发、将常规水力压裂转化为大规模缝网改造是实现煤层气商业化开发的有效途径;将液相CO_(2)和微生物发酵液作为储层改造的工作液,在实现煤系三气储层一体化缝网改造的同时又实现了微生物与CO_(2)联作下的增气增压、储层改性、CO_(2)驱替甲烷等多重增产效应,为煤层气增产提供了一条新途径,达到低碳减排目的;此外,通过CO_(2)的生物甲烷化和同步地质封存实现了负碳减排。可见,对于煤层气开发而言,CO_(2)可以促使其增产;对于CO_(2)封存而言,煤储层是其最佳归宿。由此,地面煤层气开发实现了“一低两负”的碳减排。在井下瓦斯抽采阶段,根据硬煤的造缝增透增产、软煤的增容增透增产机制以及相关理论,提出了第1代水力强化技术——水力压裂和第2代水力强化技术——钻冲压一体化增透增产技术、三堵两注固液两相封孔技术、老孔修复增透和下向孔智能排水排粉气驱增产技术。这一技术体系实现了瓦斯由“抽得出”向“抽得快、抽得省、抽得净、抽得纯”转变,大幅提升瓦斯抽采的质和量,获取低碳能源,达到减少甲烷排空与碳减排的目的。同时,研发了能够准确测定瓦斯含量的钻取一体化密闭取心装置,建立了基于低速非线性渗流的煤层渗透性评价技术。在采空区煤层气开发阶段,粉煤灰将成为强化煤层生物气产出、充填采空区减沉和实现CO_(2)矿化封存的首选材料。在具备圈闭条件的采空区首先注入菌液、少量粉煤灰和CO_(2)实现煤和CO_(2)的微生物甲烷化,以此获取低碳能源;抽采结束后进一步注入CO_(2)和粉煤灰,粉煤灰和采空区积水中的钙镁等离子与溶解的CO_(2)结合生成碳酸盐对粉煤灰胶结,实现了CO_(2)矿化封存和采空区固化减沉,具有显著的低负碳减排和生态环境治理意义。煤层气井地联合抽采全过程低负碳减排技术体系始终立足煤层气这一低碳能源的增产和CCUS,为我国碳中和目标的实现提供新的发展思路。 展开更多
关键词 煤层气生物工程 地面煤层气开发 煤矿瓦斯抽采 采空区煤层气开发 低负碳减排 CCUS
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煤微生物甲烷化的石墨烯强化机制 被引量：3
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作者 周艺璇 苏现波 +3 位作者 赵伟仲 王乾 于世耀 汪露飞 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期4145-4156,共12页
强化煤制微生物甲烷的研究备受重视,是煤层气的一项有效增产措施。向发酵系统中添加导电材料可以有效促进直接种间电子传递提高甲烷产率,在强化有机物厌氧降解方面潜力巨大。以长焰煤作为底物构建厌氧发酵系统,通过对生物甲烷产气量、... 强化煤制微生物甲烷的研究备受重视,是煤层气的一项有效增产措施。向发酵系统中添加导电材料可以有效促进直接种间电子传递提高甲烷产率,在强化有机物厌氧降解方面潜力巨大。以长焰煤作为底物构建厌氧发酵系统,通过对生物甲烷产气量、中间关键液相产物、微生物群落结构、产甲烷代谢路径以及发酵前后残煤表面官能团等的测试和分析,探讨了石墨烯对厌氧发酵产生物甲烷的促进效应。结果表明,在以煤为底物的厌氧发酵系统中添加0.4 g/L的石墨烯有效增强了整个厌氧发酵的进行,不仅提高了甲烷产气量,同时也提前了甲烷的产出高峰期。在发酵初期,水解菌群(Paraclostridium)和产氢产乙酸菌群(Alcaligenes、Sphaerochaeta)的活性增强,前期积累了充足的营养物质。在产甲烷高峰期,添加石墨烯后Methanoculleus丰度降低而Methanosarcina丰度显著提高,乙酰辅酶A脱羰基酶/合成酶β亚基和γδ亚基作为乙酸合成途径中的关键酶,分别增加了233.54%和3.32%,这使得Methanosarcina丰度明显上升且主要进行乙酸营养型产甲烷,细菌群落中能够利用乙酸乙醇类物质的Geobacter和Anaerovorax丰度增高,其中丰度升高较明显的Geobacter可能通过与石墨烯辅助的生物电连接与Methanosarcina进行DIET,这种电子传递方式在一定程度上加速了生物甲烷的生成。产气残煤表面的羰基碳(C=O)、羧基碳(COO—)在添加石墨烯后分别下降了42.8%和49.5%,说明石墨烯有效促进了微生物对煤的降解。石墨烯的添加提高了菌群的活性和降解效率,加快了厌氧发酵进程,为产甲烷菌群提供了丰富的底物,提高了甲烷产气量。 展开更多
关键词 煤 生物甲烷 石墨烯 厌氧发酵 直接种间电子传递
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不同煤阶煤的发酵制氢研究 被引量：6
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作者 张怀文 夏大平 赵伟仲 《可再生能源》 CAS 北大核心 2019年第5期639-644,共6页
文章以不同煤阶煤发酵产氢实验为基础,对比分析了不同煤阶煤的产氢能力和降解率,记录了不同煤阶煤发酵过程中产气量和气体组分的变化情况,并对发酵过程中发酵液的pH值和挥发性脂肪酸浓度进行了分析。分析结果表明:随着煤阶的升高,煤样... 文章以不同煤阶煤发酵产氢实验为基础,对比分析了不同煤阶煤的产氢能力和降解率,记录了不同煤阶煤发酵过程中产气量和气体组分的变化情况,并对发酵过程中发酵液的pH值和挥发性脂肪酸浓度进行了分析。分析结果表明:随着煤阶的升高,煤样的产氢能力逐渐下降,长焰煤的产气量和降解率均最高,而无烟煤基本不产气;煤阶越高,发酵系统进入产气高峰期的时间越晚,产气持续时间也越短;随着发酵的进行,各煤样发酵液的pH值均有所下降,且煤阶越低,发酵结束时发酵液的pH值越小,且pH值的变化较产气量变化有所提前;发酵产氢结束后,煤样的挥发分和固定碳含量均出现了不同程度的减少,长焰煤中两者的减少程度均高达20%;在发酵产气过程中,长焰煤生成的挥发性脂肪酸浓度最高,对应的发酵时间也较高阶煤有所提前。 展开更多
关键词 煤阶 生物制氢 降解率 煤品质 挥发性脂肪酸
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