原位儲層生物地球化學評價及其對煤層氣開采的指示意義-以沁水盆地南部柿莊南區塊為例

唐書恒 ， 李 洋 ， 呂建偉

(1.中國地質大學(北京) 能源學院, 北京 100083；2.安徽理工大學 地球與環境學院, 安徽 淮南 232001；3.油氣資源與工程全國重點實驗室, 中國石油大學(北京), 北京 102249)

微生物是地球表生系統物質循環和環境演化最活躍、最強大的地質營力之一，推動著全球或區域的生物地球化學循環[8]。近年來，非常規天然氣的商業開發和煤炭資源的清潔利用推動煤儲層微生物的研究[9]。與煤生物降解和碳循環相關的微生物群落在全球煤儲層中普遍存在。煤的復雜有機分子無法被單一微生物降解，煤儲層涉及多種微生物的協同代謝作用，如可降解煤中有機組分細菌或真菌[10]。嚴格厭氧的產甲烷菌可利用中間產物產出甲烷，根據其代謝類型和可用底物的不同，常見乙酸營養型、氫營養型和甲基營養型，以及可代謝較復雜甲氧基芳香化合物的甲氧基營養型[11-13]。

煤儲層等原位環境中微生物群落組成、分布、代謝活動及協同共生關系受地下原位環境條件影響[14-15]。氧對微生物的影響取決于微生物細胞中酶對氧氣的耐受性，產甲烷菌對氧極為敏感，所以接近地表的富氧條件使其酶活性迅速下降甚至失活；硫酸鹽還原菌降解有機物為產甲烷菌提供可用底物，同時硫酸鹽還原菌在硫酸鹽濃度滿足其代謝需求時與產甲烷菌競爭乙酸等底物占優勢而抑制產甲烷菌代謝[16-17]。所以原位環境中的微生物群落多樣性、代謝和共生關系對儲層條件響應明顯，產甲烷菌與硫酸鹽還原菌的代謝差異可有效識別儲層氧化還原環境及煤層氣保存條件。

沁水盆地賦存著大量的煤炭和煤層氣資源，其南部是中國最早進行煤層氣商業開發的區域之一，包括鄭莊、樊莊、潘莊、柿莊北和柿莊南等區塊[18-19]。目前，柿莊南區塊是沁水盆地南部重要煤層氣開發區塊，有近2 000 口煤層氣地面井。該區塊是自東南向西北延伸的單斜構造，從區塊邊緣東南氧化徑流帶逐漸過渡為西北深層滯流區，高產井多分布在該區西部[20]。以柿莊南區塊山西組3 號煤層為目標層，基于以上儲層生物地球化學特征與微生物多樣性和生物地理分布可評價儲層氧化還原環境從而判別儲層煤層氣保存條件。因此，筆者以16S rRNA 生物測序結合地球化學數據識別煤層氣儲層環境以評估煤層氣存儲條件與勘探開發潛力。

1 研究區概況

沁水盆地南部是中國煤層氣資源重要勘探開發區，柿莊南區塊位于沁水盆地南部西北傾斜坡帶上，含煤地層包括本溪組、太原組、山西組和下石盒子組，其中本溪組和下石盒子組的薄煤層不具經濟開采價值，太原組和山西組的15 號和3 號煤層較厚且穩定，是煤層氣開采的主要層位。研究對象3 號煤埋深650～1 000 m，平均厚度為6 m[18,20]。如圖1 所示，柿莊南區塊東南地勢較高的晉獲斷裂帶部分出露地層可接受大氣降水或地表水補給并向西徑流，導致研究區東南部較西北部地下水徑流活躍。由于研究區西部不導水寺頭斷裂對該區儲層具有封堵作用，形成該區由東南向西北的徑流-停滯的地下水條件。

圖1 柿莊南區塊3 號煤埋深及采樣點分布Fig.1 Buried depth of No.3 coal and sampling points in the coal reservoir from the Shizhuangnan Block

2 材料與方法

2.1 樣品采集

在柿莊南區塊系統采集77 口3 號煤煤層氣井排采水樣，所選井位遠離斷層和陷落柱發育區。為了反映儲層地球化學特征與產氣量的關系，避免大氣降水或地表水徑流干擾，采樣時間均避開雨季。用于地球化學測試和微生物測序的水樣直接從煤層氣排采井口采集，并分別裝在5 L 容量瓶和50 mL 離心管中。為了減小誤差和滿足所需生物量，每個采樣點采集5個離心管微生物樣品。水樣取自流量穩定的煤層氣井以避免排水管道中殘留水的影響。取樣前，容器用水樣沖洗3 次，所采水樣充滿容器以盡量減少其頂部空氣。用于微生物測序的樣品在預處理前保存在0 ℃左右保溫箱中并在一周內完成生物測序工作。沁水盆地南部普遍采用2%氯化鉀水力壓裂，所選煤層氣井在壓裂后具有長期穩定的排水周期以排除壓裂液影響。張松航等[5]以10 meq/L 的Cl-濃度作為壓裂液污染點。研究所采水樣Cl-濃度均小于10 meq/L，即壓裂液影響可忽略不計。如圖1 所示，采樣井位分布在研究區中西部，包括高、中、低產量井。

2.2 實驗方法

采樣期間，利用便攜式氧化還原電位儀現場測定ORP(Oxidation-Reduction Potential)。高且正的ORP表明氧化性強，低且負的ORP 表明還原性強。離子測試基于煤炭行業標準MT/T 894—2000《煤礦水水質分析》。用于地球化學測試的水樣過濾后酸化(pH ＜ 2)進行陽離子分析。電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP-AES)和離子色譜儀(IC)分別測定陽離子和陰離子濃度，測定精度為±2%。δ13CDIC等同位素利用穩定同位素質譜儀(ThermoFisher MAT 253)進行分析，測定精度為±0.01%。采用16S rRNA 測序技術對微生物基因序列進行分析。低溫條件保存的微生物樣品首先在實驗室離心處理(5 000 r/min)以去除上層清液，用于微生物測序。使用FastDNA 試劑盒提取基因用于聚合酶鏈反應(PCR)。16SV4 擴增引物為515F(GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)、806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)。PCR 擴增反應周期為：95 ℃，5 min，30 次循環；95 ℃，30 s；56 ℃，30 s；72 ℃，1 min；72 ℃，10 min。用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測擴增PCR 質量，并在HiSeq 平臺進行測序。根據系統發育或群體遺傳學需要，對序列進行分類以了解測序結果中菌群數量。相似度大于97%被確定為OTU(Operational Taxonomic Unit)。為了獲得每個特定OTU的物種分類信息，需要對OTU 代表序列進行分類分析，并在不同物種水平上對樣本的群落組成進行計數。

3 結果和分析

3.1 儲層地球化學特征與煤層氣保存條件

在柿莊南區塊77 口煤層氣井采集水樣，現場測定水樣的ORP 和pH 繪制成圖2。水樣呈偏弱堿性，其pH 在7.2～8.8。不同井位所采水樣ORP 變化范圍在-127～184，即儲層氧化還原環境存在一定差異。其中41 口井水樣ORP 是負值，表示相對還原儲層條件；其余36 口井水樣ORP 為正值，表示相對氧化儲存環境。中高產井所采水樣ORP 值普遍偏負，而低產井水樣ORP 值普遍較大。

圖2 柿莊南區塊儲層ORP、pH 與產氣情況關系Fig.2 Plot of ORP and pH versus coalbed methane production in the coal reservoir from the Shizhuangnan Block

圖3 柿莊南區塊儲層Na+、HCO-3 與產氣情況關系Fig.3 Plot of Na+ and HCO-3 concentrations versus coalbed methane production in the coal reservoir from the Shizhuangnan Block

圖4 柿莊南區塊儲層SO24- 、 δ34S(SO24- )與產氣情況關系Fig.4 Plot of SO24- concentrations and δ34S(SO24- ) versus coalbed methane production in the coal reservoir from the Shizhuangnan Block

3.2 儲層碳硫同位素對煤層氣儲層環境的指示意義

溶解無機碳(DIC)是水溶液中無機碳成分的總和，包括二氧化碳、碳酸、碳酸氫鹽和碳酸鹽。溶解無機碳同位素(δ13CDIC)揭示了無機碳來源及其影響過程。在研究區儲層水環境中，溶解無機碳主要來源于大氣降水或地表水以及碳酸鹽溶解，其同位素δ13CDIC普遍偏負[30-31]。而煤儲層的δ13CDIC可能受碳循環相關微生物代謝作用影響。當儲層中硫酸鹽濃度較高時，硫酸鹽還原菌在與產甲烷菌競爭底物時占優而抑制產甲烷菌的代謝活動，當硫酸鹽逐漸耗盡產甲烷菌活性才逐漸增強。產甲烷菌是嚴格厭氧微生物，在還原環境利用偏輕的無機碳使殘余δ13CDIC偏正[32-34]。如圖5 所示，負的δ13CDIC多見于SO42-質量濃度偏高區域，偏正的δ13CDIC集中在SO42-質量濃度偏低區域，中高產井也相應集中在SO42-質量濃度偏低且δ13CDIC偏正的還原儲存環境[35-37]。但該區域也存在部分低產井，可能是儲層含氣量不足所致，也可能因為儲存滲透率差無法形成壓降漏斗，但這些井具備增產潛力。

圖5 柿莊南區塊儲層SO24 -、δ13CDIC 與產氣情況關系Fig.5 Plot of SO24 - concentrations and δ13CDIC versus coalbed methane production in the coal reservoir from the Shizhuangnan Block

3.3 儲層微生物豐度、多樣性與協同共生關系

如圖6 所示，取已測得硫酸鹽同位素的10 個樣品(圖4)做16S rRNA 生物測序，在門的水平上，微生物 主 要 由Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、Actinobacteria、 Spirochaetes、 Euryarchaeota 和Chloroflexi 組成。與大多數煤儲層研究一致，Proteobacteria 是最豐富的微生物類型，包括Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria 和Deltaproteobacteria，它們參與煤等復雜有機物質的生物降解和發酵過程。Firmicutes 可使芳烴脫甲基，Bacteroidetes 含可對纖維素、蛋白質和多糖等有效降解的微生物類型，Actinobacteria 是煤儲層常見的水解脂質物質的絲狀細菌，Spirochaetes 可在厭氧條件降解復雜有機質。大多數產甲烷菌屬于Euryarchaeota[38-39]。

圖6 柿莊南區塊儲層16S rRNA 基因測序微生物相對豐度Fig.6 Relative abundances of microorganisms within phyla identified by 16S rRNA gene sequencing in the coal reservoir from the Shizhuangnan Block

研究區包含Methanobacteriales、Methanomicrobiales 和Methanosarcinales 等產甲烷菌類型。硫酸鹽還原菌以Desulfovibrionales 和Desulfuromonadales 為代表。儲層原位生物地球化學環境因素影響微生物代謝和協同共生關系。在研究區，硫酸鹽還原菌(Desulfovibrionales 和Desulfuromonadales)和產甲烷菌(Methanobacteriales、Methanomicrobiales 和Methanosarcinale)在相對較低硫酸鹽環境中共存。但硫酸鹽水平可能在一定程度上影響硫酸鹽還原菌和產甲烷菌之間的共生關系。硫酸鹽還原菌在有機質降解過程發揮作用為產甲烷菌提供底物，也會在硫酸鹽充足條件下與產甲烷菌競爭乙酸且占優，而產甲烷菌只有在相對還原且硫酸鹽耗盡的環境才逐漸活躍而進行代謝活動[40]。在研究區，硫酸鹽還原菌在高質量濃度硫酸鹽的區域豐度略高(圖4、6)。因此，硫酸鹽還原菌和產甲烷菌在煤儲層環境存在競爭和協同共生關系。

4 討 論

原位儲層環境是微生物群落能量獲取和物質交換的場所，直接影響微生物群落的豐度、多樣性和代謝功能[17,30]。煤儲層等地下空間存在自然生物降解復雜有機物的微生物群落，微生物通過合作、共生或競爭共享資源以維持其生存和繁殖[41-42]。柿莊南區塊東南部接受地表水或大氣降水，由東南向西北的徑流使研究區形成氧化還原環境的區域分布。研究區未發現ANME(Anaerobic Methanototropicarchaea)，有機物等生物氧化可與硫酸鹽還原等微生物代謝過程結合。硫酸鹽還原菌能分解乙醇和乳酸為產甲烷菌提供可用底物，同時硫酸鹽還原菌與產甲烷菌具有相似可用底物，對產甲烷菌代謝起到一定抑制作用[17-18]。硫酸鹽還原菌(Desulfovibrionales 和Desulfuromonadales)和產甲烷菌(Methanobacteriales、Methanomicrobiales 和Methanosarcinale)在研究區煤儲層共存。δ13CDIC和δ34隨硫酸鹽消耗逐漸增大以及生物地理分布證實產甲烷菌受硫酸鹽還原菌抑制，隨硫酸鹽等可用電子受體耗盡后產甲烷菌等厭氧微生物才開始活躍，即還原條件提高產甲烷菌代謝活性。以以及產甲烷菌、硫酸鹽還原菌等微生物豐度和代謝表征微生物代謝的儲層環境并對煤層氣的保存條件予以評估。

5 結 論

(1)柿莊南區塊為西傾單斜構造，3 號煤埋深自東向西逐漸增大。研究區東南晉獲斷裂帶接受大氣降水或地表水補給，并沿儲層向西北徑流。西側不導水寺頭斷層對儲層具有封堵作用，形成東南相對氧化和西北相對還原的儲層環境條件。水巖作用、陽離子交換和微生物代謝等造成地球化學區域分布特征。高產井水樣通常含有高質量濃度Na+( ＞ 250 mg/L)、HCO3-( ＞ 500 mg/L)和負的ORP，即滯留或還原的儲層環境是煤層氣保存的有利區。

(3)儲層存在豐富的微生物群落類型，它們在有機物分解、甲烷生成和硫酸鹽還原等過程發揮重要作用。研究區產甲烷菌以Methanobacteriales、Methanomicrobiales 和Methanosarcinales 為主，硫酸鹽還原菌以Desulfovibrionales 和Desulfuromonadales 為代表。微生物對儲層地球化學環境較敏感，產甲烷菌和硫酸鹽還原菌間存在協同與競爭關系，且其相對豐度和分布差異受硫酸鹽水平影響。

以上研究將儲層生物地球化學用于煤層氣勘探開發有利區優選。區塊尺度上的生物地理分布及其代謝表達決定了區域生物地球化學循環。今后需耦合水動力場、微生物場、地球化學場等探究儲層成藏的條件和潛力，尋找切實可行的儲層改造方案，助力以煤層氣生物工程實現煤層氣規模效益開發。