準南阜康區塊煤層后生生物成因H2S 的發現與成因機制

閆佩佩，蘇現波,2,,4，鄒成龍，趙偉仲，汪露飛，伏海蛟

(1.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學 非常規天然氣研究院，河南 焦作 454003；3.中國地質大學(武漢) 資源學院，湖北 武漢 430074；4.中原經濟區煤層(頁巖)氣協同創新中心，河南 焦作 454003；5.新疆科林斯德新能源有限公司，新疆 阜康 831500)

關于天然氣(煤層氣)中的H2S，目前普遍認為有生物成因和熱成因兩種。生物成因包括由含硫有機質腐敗分解主導的生物降解[1]和微生物硫酸鹽還原兩種成因。微生物硫酸鹽還原(Bacterial Sulfate Reduction，BSR)是指煤中硫酸鹽在硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing bacteria，SRB)作用下被還原為H2S[2-3]。BSR 作用發生需要SRB、有機質和硫酸鹽3 種物質同時存在。SRB 適宜在20～80℃的厭氧還原條件下繁殖[4-6]。根據生物氣產生的階段，可劃分為原生和次生生物成因H2S 兩類。原生生物成因的H2S 發生在成煤作用早期的成巖作用階段，是生物成因H2S 的主要來源。隨著煤化作用開始，微生物的活動逐漸停止，生物氣的生成中斷，當煤層后期被構造抬升、溫度降低到適宜微生物生存時，有機物經細菌降解后生成次生生物氣H2S[7]。熱成因H2S 分為熱化學分解和硫酸鹽熱化學還原兩種，熱化學分解作用是含硫有機化合物在熱力作用下，含硫雜環斷裂分解產生大量的H2S[1]；硫酸鹽熱化學還原是指硫酸鹽在熱化學的作用下被還原形成H2S[2-3]，較高的溫度、充足的烴類有機質和豐富的溶解態硫酸鹽是形成此類H2S 所需的3 個必要條件[8-9]。

新疆準噶爾盆地南緣東段的阜康地區，近期煤層氣排采發現部分煤層氣井產出氣體中H2S的含量有逐漸增高的趨勢，最高達到700×10-6以上，對安全生產造成巨大威脅。但阜康煤中硫含量微乎其微，原始和排采初期煤層氣中也很難檢測到H2S。有研究認為，阜康地區BSR 的次生硫酸鹽還原作用是H2S 形成的主要原因[10]。由于H2S 極易溶于水，含量較低時往往在煤層氣排采水中以溶解態產出，使得煤層氣中難以檢測出H2S，當溶解達到飽和后才以氣態形式產出，但排采過程中H2S 濃度越來越高的現象是以往的認識無法解釋的，迫切需要對其成因進行探討，為下一步的預測和治理提供依據。為此，筆者以阜康的煤為碳源、以煤層氣井排采水為菌種來源和發酵液基液，并加入實驗室長期馴化的混合菌群，通過厭氧發酵實驗查明H2S 的產出過程，并結合排采過程中H2S 濃度的變化和煤層水中硫酸鹽含量分析，對H2S 的形成機制進行系統探討，為煤層氣安全生產提供實驗支撐。

1 勘探開發階段煤層H2S 的賦存與產出特征

阜康地區賦存有豐富的侏羅系煤層氣資源，預測資源量可達4.5×1010m3，具有廣闊的開發潛力。該區自2008 年正式開始煤層氣開發，目前已步入商業化開發階段，2022 年產氣量4.3×107m3。

1.1 煤層氣原始氣體成分

以CS 井區的10 口煤層氣井為例，煤層氣勘探階段的測試表明煤層含氣量為6.46～17.00 m3/t(平均13.64 m3/t)，煤層氣中H2S 含量介于(1.702～36.584)×10-6m3/t(平均13.570×10-6m3/t)，其質量濃度在20℃、101.325 kPa 的條件下為0.147～3.042 mg/m3(平均1.540 mg/m3)，可見原始狀態下煤層H2S 含量較低(表1)。

表1 CS井區煤層氣井含氣量和H2S含量Table 1 Gas content and H2S content of CBM wells in the CS well block

1.2 排采階段H2S 含量的變化特征

區內部分煤層氣井在排采一段時間后，產出氣體中H2S 的含量有逐漸增高趨勢。如13 號井(表2)排采初期H2S濃度低，當排采到第7 年時產出氣體中H2S濃度出現異常。排采第2660-第2708天，該井井底流壓穩定在0.05 MPa，產氣量由1 800 m3/d 降低至1 600 m3/d；排采第2 708-第2 730 天，井底流壓緩慢增大至0.10 MPa 左右，產氣量則在波動中降低至690 m3/d。排采第2 660-第2 730 天，該井產水量始終在3～9m3/d內波動，而產出氣體中H2S 濃度則基本保持在220×10-6左右。

表2 13 號煤層氣井排采數據Table 2 CBM production data of the No.13 CBM well

該井排采第2 730 天時停泵，井底流壓增大至0.37 MPa，氣水產出終止。排采第2 736 天時復抽，井底流壓在14 d 內逐漸降低并再次穩定在0.05 MPa，期間該井產氣量快速增加并穩定在1 550 m3/d 左右，產水量快速增大至15.5 m3/d 后開始波動，而隨產水量變化一起變化的還有產出氣體中H2S 的濃度。在排采2750d之前，產水量始終保持在9.5m3/d以上，H2S濃度較低，基本保持在20×10-6以下；排采2750d后，隨著產水量降低至9.5 m3/d 以內并在4.5～9.5 m3/d 間波動，H2S濃度快速增加并穩定在300×10-6左右，且在排采第2775-第2785天發生3 次強烈增長波動，最高可達700×10-6(圖1)。

圖1 13 號井排采曲線Fig.1 CBM production curves of the No.13 CBM well

1.3 新疆阜康地區煤層H2S 濃度變化的影響因素

新疆阜康地區共采集H2S 異常的煤層水樣品5 個，樣品編號為11-15 號，均來自于CS 井區，通過對11、13、14 和15 號井的水質分析[11](表3)、產水量以及H2S濃度進行了灰色關聯分析(圖2)，評估了阜康區塊不同煤層氣井H2S 濃度與多種影響因素的關系。由表4 可知，各影響因素的灰色關聯系數均值由大到小依次為：日產水量(本文用離子符號表示其質量濃度)。

圖2 H2S 濃度與各影響因素間的灰色關聯雷達Fig.2 Radar diagram of grey relation between H2S concentration and various influencing factors

表3 H2S濃度異常井位的煤層水水質分析Table 3 Coal seam water quality analysis of wells with abnormal H2S concentrations

表4 H2S濃度與各影響因素間的灰色關聯系數Table 4 Grey relatio n coefficients between H2S concentration and various influencing factors

灰色關聯分析結果表明，日產水量作為菌群所需營養物質的運輸者，在H2S 的生成過程中影響最大；水中的S2-、HS-是生成的H2S 的溶解形態，不作為影響因素；水中與H2S 的關聯度最高；作為硫酸鹽代謝的中間產物與H2S 的關聯度較高；與H2S 的關聯度次之；TDS、Cl-、COD、K++Na+與H2S 的關聯度較低，不作為影響因素考慮。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

實驗用煤為區塊內的煤樣，編號為FK。煤質特征見表5。實驗所用菌源來源于區塊內煤層氣井排采水富集的本源菌群和實驗室馴化后的混合菌群。

表5 煤質分析Table 5 Coal quality analysis

2.2 實驗流程

為查明該區煤層H2S 的成因，進行了實驗室厭氧發酵產H2S 的實驗研究，分別設計FK 煤+煤層水發酵組、煤層水發酵組和FK 煤+蒸餾水發酵組3 組實驗(圖3)。選用5 L 錐形瓶作為發酵容器，FK 煤+煤層水發酵組添加煤層氣井水4 L 作為發酵基液，再分別加入800 mL 本源菌群和200 mL 混合菌液，然后按照1∶10 的固液比向發酵瓶中加入500 g FK 煤進行厭氧發酵；煤層水發酵組則直接加入煤層水4 L 和800 mL本源菌群和200 mL 混合菌液進行厭氧發酵；FK 煤+蒸餾水發酵組則按照培養基配方用蒸餾水配制4 L 培養基作為發酵基液，加入800 mL 本源菌群和200 mL混合菌液，然后按照1∶10 的固液比向菌液中加入500 g FK 煤。3 組實驗在35℃恒溫條件下厭氧培養，每隔2 d 記錄產氣數據。發酵產生的氣體由200 mL的氣袋收集，用氣相色譜儀分析氣體成分含量，并記錄氣體體積。同時每隔2 d 取一次FK 煤+煤層水發酵組中發酵液進行pH 值、濃度測試；分別對厭氧發酵系統中產氣初期、高峰期和結束時的液相有機物和菌群進行檢測分析。氣液分析方法見文獻[12]；微生物多樣性測試交付生工生物工程(上海)股份有限公司完成，詳見文獻[13]；水質分析方法詳見文獻[14]；采用過量碘滴定法測定滴定法測定雙指示劑滴定法測定

圖3 不同厭氧發酵系統中CH4 和H2S 的階段產氣量與累計產氣量Fig.3 Stage-based and cumulative production of CH4 and H2S in different anaerobic fermentation systems

3 實驗結果

3.1 厭氧發酵系統中產氣特征

在厭氧發酵產氣過程中，FK 煤+煤層水發酵組的CH4產量在6～16 d 最為強盛，并且在第12 天達到頂峰，為0.62 mL/g，從18 d 后產氣能力逐步下降，累計產氣量達3.01 mL/g。H2S 的階段產氣量在2～10 d 持續上升，在第10 天達到頂峰，為1.08 mL/g，隨后在10～20 d 逐漸降低，20 d 后產氣逐漸停滯，最終累計產氣量達8.56 mL/g。另外，H2S 產氣峰值早于CH4產氣峰值(圖3a)。煤層水發酵組以產H2S 為主，H2S 的產氣高峰期在4～6 d 出現，平均產出量為0.71 mL/g，累計產氣量為4.47 mL/g，而CH4累計產量僅為0.85 mL/g(圖3b)。FK 煤+蒸餾水發酵組主要以產CH4為主，CH4的產氣高峰期在第10 天出現，為1.11 mL/g，累計產氣量為3.53 mL/g。H2S 的產氣高峰期在6 d 出現，僅為0.038 mL/g，累計產氣量為0.22 mL/g(圖3c)。

3.2 厭氧發酵系統中液相物質變化特征

3.2.1無機離子的變化特征

圖4 厭氧發酵過程中關鍵離子含量與pH 的變化Fig.4 Changes in key ion contents and pH in the anaerobic fermentation process

圖5 厭氧發酵過程中H2S 總量與、離子含量的線性關系Fig.5 Linear relationships between the total H2S production and the andcontents in the anaerobic fermentation process

3.2.2有機酸的變化特征

FK 煤+煤層水發酵組中，乙酸和丙酸含量在厭氧發酵過程中持續降低，乙酸含量在6～18 d 內降幅最大，丙酸含量持續降至24 d 后保持不變。甲酸和丁酸含量整體上先降后升，二者含量分別從第6 天的53.01 mg/L和71.88 mg/L 降至幾乎為0，隨后又小幅增加(圖6)。

圖6 厭氧發酵過程中小分子有機酸的變化Fig.6 Changes in low-molecular-weight organic acids in the anaerobic fermentation process

3.3 厭氧發酵系統微生物群落結構特征

在厭氧發酵初期，細菌群落的優勢菌屬及占比為Paraclostridium(65.51%)、Synergistaceae(3.36%)、Syner-01(2.96%)，產氣高峰期時細菌群落的優勢菌屬及占比為Pseudomonas(17.3%)、Syner-01(7.35%)、Synergistaceae(6.92%)、Desulfovibrio(4.04%)、Desulfobotulus(3.54%)，經過30 d 后細菌群落主要以Pseudomonas(29.33%)和Desulfovibrio(4.58%)為主(圖7a)。

圖7 厭氧發酵系統中細菌群落和古菌群落的微生物組成Fig.7 Microbial compositions of the bacterial community and the archaeal community in an anaerobic fermentation system

厭氧發酵初期，古菌群落優勢菌種為Methanosaeta(47.7%)、Methanobacterium(51.67%)、Methanosarcina(0.03%)、Methanoculleus(0.07%)，產氣高峰期時，古菌群落的優勢菌屬為Methanosaeta(43.11%)、Methanobacterium(49.9%)、Methanosarcina(2.76%)、Methanoculleus(2.6%)，厭氧發酵末期，古菌群落中Meth-anobacterium的相對豐度從產氣高峰期的49.9%增加到第31 天的56.76%，成為優勢菌屬，Methanosaeta的相對豐度從第13 天的43.11%下降到第31 天的35.44%，Methanosarcina的相對豐度從第13 天的2.6%增加到第31 天的6.78%(圖7b)。

4 分析與討論

4.1 厭氧發酵系統中CH4 與H2S 的生成機制

發酵系統中生物氣(CH4、H2S)的生成表明阜康煤與煤層水的營養成分被菌群有效利用，在該過程中CH4和H2S 的生成各包括兩種途徑(圖8)。

圖8 厭氧發酵系統中CH4 與H2S 成因機制Fig.8 Generation mechanisms of CH4 and H2S in different anaerobic fermentation systems

4.1.1CH4的生成機制

在厭氧發酵的前期逐漸有生物甲烷生成時，發酵系統中的優勢菌屬有Paraclostridium、Syner-01和Synergistaceae。Paraclostridium主要存在于厭氧發酵的水解和產氫產乙酸階段[15]。Syner-01和Synergistaceae菌屬能夠代謝氨基酸產生乙醇、乙酸、乳酸、氫氣和二氧化碳，屬于產氫產乙酸菌[16]。此時水解菌群作用后積累的烷烴、揮發性脂肪酸和醇類物質均快速被微生物消耗，這也是發酵體系中pH 先降后升的原因之一。與此同時，古菌群落中的優勢菌屬為Methanosaeta、Methanobacterium，Methanobacterium通 過胞外電子傳遞過程將CO2還原成甲烷[17]，說明此時發酵系統中的生物甲烷的生成主要以乙酸分解和二氧化碳還原為主。在厭氧發酵的8～12 d，正處于產甲烷的高峰期，此時細菌群落中仍以具有水解能力和產氫產乙酸能力的細菌為主，如Pseudomonas 和Bacillus[18-19]。此時的古菌群落中以乙酸營養型和氫營養型產甲烷菌為主，此時甲烷的來源以乙酸分解和CO2還原為主，的生成速率大于消耗速率，濃度在此時間段呈升高的趨勢。厭氧發酵后期，系統中可被微生物利用的物質被消耗殆盡，微生物活性受到抑制，產甲烷活動隨之停止。

4.1.2H2S 的生成機制

厭氧發酵系統中水解、產酸階段可同時參與H2S生成的菌群也異常活躍。首先，細菌群落中Pseudomonas主要存在于厭氧發酵的水解階段，屬于假單胞菌屬，具有很強的降解能力，通過代謝長鏈、短鏈烷烴生成乙酸等物質[18]，而乙酸可以作為硫酸鹽還原菌的電子供體。細菌群落中Desulfovibrio和Desulfobotulus是典型的硫酸鹽還原菌，硫酸鹽還原菌進行硫酸鹽異化還原的代謝方式通常為：將短鏈脂肪酸和乙醇轉化為乙酸后，硫酸鹽先在ATP 硫激酶的作用下被激活生成腺苷酰硫酸APS 和焦磷酸PPi，APS 在APS 還原酶的作用下生成亞硫酸鹽，由亞硫酸鹽還原酶還原生成亞硫酸氫鹽，亞硫酸氫鹽再次還原成硫化物或者硫代硫酸鹽和連三硫酸鹽，然后硫代硫酸鹽和連三硫酸鹽在硫代硫酸鹽還原酶和連三硫酸鹽還原酶的作用下進一步還原生成硫化物和亞硫酸鹽[20]。從FK 煤+煤層水發酵過程中可以看出，H2S 的產出時間與酸類物質被消耗的時間吻合，說明酸類物質直接參與H2S 的形成(下面的式子)。此時，厭氧發酵系統中H2S 的生成主要是SRB 以發酵系統中的小分子有機酸為電子受體進行電子轉移，以硫酸鹽、亞硫酸鹽、連三硫酸鹽、硫代硫酸鹽依次作為電子受體完成硫酸鹽還原生成H2S。

在發酵初期0～8 d 內，發酵體系中硫酸鹽含量豐富、SRB 在發酵體系中占據優勢地位，同時利用有機質、烴類物質以及生成的CH4作為電子供體還原生成H2S，相同時間內小分子有機酸含量呈下降趨勢(圖6)，且CH4和H2S 的階段產量差距較大，說明該過程中小分子有機酸被產甲烷菌和硫酸鹽還原菌競爭利用。在8～12 d 內，CH4和H2S 的階段產氣量逐漸接近，說明此時發酵系統中SRB 的優勢地位逐漸被產甲烷菌代替，迎來產CH4高峰且的下降幅度減弱，但小分子有機酸含量仍在快速下降，說明此階段SRB仍然同時以有機質和CH4作為電子供體，但產H2S 能力有所減弱。12 d 后H2S 的產出速率趨于平緩，與CH4的階段產量接近，但乙酸、丙酸含量仍在降低，說明此階段中H2S 主要是SRB 利用小分子有機酸還原生成的，隨著發酵體系中有機物和的消耗，H2S 的產生也逐漸停止。

4.2 阜康地區煤層氣井排采過程中H2S 的后生生物成因

研究區煤層氣含氣量測試結果顯示，原始煤層氣中H2S 的含量很低；而煤中全硫含量僅0.509%，其中有機硫的含量0.314%，硫酸鹽硫含量0.012%(表5)，不足以為H2S 的生成提供硫源；儲層水中有著比較豐富的灰色關聯分析表明產水量和濃度與生成的H2S 濃度關系密切，說明地下水補給是H2S 生成的必要條件，地下水補給帶來的營養物質不僅包括也含有菌群代謝必需的可溶性有機物和微量元素等。地下水的補給速率、補給量和在儲層內滯留的時間若適合菌群代謝，就可能產生大量的含H2S 的生物氣；當地下水補給不足時，無法提供給菌群代謝必要的營養物質，則無法生成生物氣；當地下水補給速率過快、補給量過大時，菌群來不及代謝這些營養物質就被排出，也無法產生可觀的生物氣。厭氧發酵實驗表明，當碳源和充分時，SRB 可以利用發酵體系中的碳源還原生成H2S。因此，本研究區H2S 的成因是SRB在厭氧發酵過程中以產甲烷菌生成的CH4或者水解、產酸階段生成的有機酸為電子供體還原儲層水中的的結果。整個準噶爾盆地南緣東段，排采階段煤層氣中H2S 異常的現象比較常見，而且產出時間相差懸殊，從幾個月到幾年不等。之所以在排采一段時間后才有H2S 的生成，而且不同井出現的時間也不同，這可能與地下水的補給速率、補給來源和水力壓裂改造程度等有關。

綜上所述，本研究區H2S 是由于地下水帶來的溶解性有機物和在還原環境中發生厭氧發酵，水中的被還原而生成的，是產甲烷菌和SRB 共同作用的結果。地下水中攜帶的有機質、和原始菌群在運移過程中進行著代謝活動，隨著排采的長期進行開始產氣(圖9)。這種排采階段生成的生物氣與以往的原生和次生生物氣都不相同[21]，作者將其稱為后生生物氣，其中的H2S 稱為后生生物H2S。排采過程中，條件適宜時后生生物氣的生成進一步說明了人工干預下的煤層氣生物工程實施的可行性。

圖9 新疆阜康地區煤層氣井排采過程中H2S 的后生生物成因Fig.9 Schematic showing the epigenetic biogenesis of H2S during the CBM production of a CBM well in the Fukang block,Xinjiang

5 結論

a.根據煤層氣勘探開發資料和實驗室厭氧發酵實驗對準南阜康地區煤層氣排采階段H2S 的異常進行了探討，結果表明本研究區H2S 含量與排采過程中的產水量和水中含量密切相關，是在排采過程中SRB 以有機酸或者CH4為電子供體還原儲層水中的生成的。

b.本文中所表述的H2S 生成是一種區別于以往原生和次生生物成因的新的成因機制，稱之為后生生物成因H2S。且硫酸鹽還原菌與產甲烷菌的互營關系表明，后生生物H2S 生成的同時，必定有后生生物CH4的生成。

c.自然狀態下，條件適宜時后生生物氣的生成，進一步說明了人工干預下的煤層氣生物工程的生命力。