（1）在煤系气开发的背景下，首次将微生物厌氧发酵技术引入煤系页岩储层，发现具有不同岩石学特征的煤系页岩普遍具有厌氧发酵产甲烷能力，为“煤层气生物工程”与“煤系气开发”的有机结合提供了理论依据。
（2）初步查明了实验室条件下煤系页岩厌氧发酵产甲烷代谢过程，明晰了其与煤厌氧发酵产甲烷过程的差异性，阐释了有机碳含量与成熟度对煤系页岩厌氧发酵产甲烷的控制作用，为后续研究的深入展开探明了方向。
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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
微生物广泛存在于沉积地层中，直接参与地层中C、N、S、P等重要生源要素的循环。其中，以古菌、细菌为主的部分微生物通过分解岩石有机质产生大量混合气体，包括甲烷、CO2等。一方面，这些气体逸散至大气会加剧温室效应。另一方面，产生的甲烷是一种相对低碳的能源，等热值条件下燃烧产生的CO2远低于煤与石油，是实现碳中和过程的重要过渡能源。因此，研究微生物作用下岩石生物气产出兼具环境和能源意义。
前人研究发现，微生物可将富含有机质的煤部分转化为甲烷，且产量可观。同时，微生物作用下煤对气体吸附能力降低、煤的孔裂隙开度提升，有利于煤层气解吸、扩散、渗流的高效进行。据此提出了利用微生物增产煤层气的技术，并发展了煤层气生物工程这一新的研究方向，该技术有效性已在美国粉河盆地、澳大利亚悉尼盆地等地实施的现场试验中被证实。除煤以外，与煤紧邻的煤系页岩普遍具有一定的分散有机质含量，其中总有机碳(Total organic carbon, TOC)含量高于2%的页岩被称为富有机质页岩。有机质的存在使得煤系页岩同样具备在微生物作用下产甲烷的物质基础。在当前煤系气(包括煤层气、煤系泥页岩气和致密气等)联合开发逐渐受到重视并逐步推广的背景下，查明煤系页岩厌氧发酵产甲烷潜力，探索利用微生物实现煤与页岩同步产气可行性，实现煤系气开发与煤层气生物工程增产的有机结合，对推动煤系气的高效开发具有重要意义。
页岩是一种无机矿物和分散有机质组成的特殊岩石，中国煤系页岩有机质普遍以腐植型(Ⅲ型)干酪根为主，具有一定的生气能力。同时，煤系页岩气成因类型与煤层气相似，都具有在成岩阶段或地层抬升后由微生物降解有机质生成的生物成因气，而页岩内部的本源微生物是页岩自发产生物气的基础。美国Marcellus页岩、Antrim页岩、四川盆地页岩储层中均发现了能够参与降解有机质并产生气体的本源微生物，且这些微生物中不乏多种产甲烷菌。另外，在美国Marcellus和Utica页岩气开发工程试验中发现，压裂液注入页岩储层会导致本源微生物群落结构发生改变。而在一定的刺激作用下储层内产甲烷菌丰度有所增大(如甲基营养型嗜盐产甲烷菌)，对页岩气开发具有积极的影响。基于这些认识，有学者提出在页岩储层水力压裂阶段，通过对本源微生物进行靶向刺激强化生物甲烷产生的设想。前人针对煤厌氧发酵产甲烷的研究中发现该过程受多种因素影响，包括煤阶、黏土矿物组成、微量元素、外界温度与压力等，可以推测煤系页岩厌氧发酵产甲烷过程的影响因素同样复杂。尤其是页岩有机质是微生物代谢的物质基础，其性质变化将对产甲烷效果产生显著影响。然而，目前针对煤系页岩厌氧发酵产气问题的研究较少，利用微生物增产煤系页岩产气、煤系气的可行性仍有待探明。
前期研究发现，地质历史时期页岩生烃强度与有机碳含量高度线性相关，但未从生物代谢角度对该现象进行解释。另外，随页岩有机质成熟度(Ro)变化，微生物对有机质的降解难度改变，进而影响生物成因页岩气的富集，但该因素对产气的影响和作用机制仍不清楚。因此，笔者以不同地区的煤系页岩为研究对象，通过对比厌氧发酵试验中各项物质变化，探讨页岩厌氧发酵产甲烷潜力，并评价有机碳的含量、成熟度对其产气能力的影响，为微生物增产煤系页岩气、煤系气技术的应用提供理论支撑。
图 1 本源微生物中细菌和古菌群落在属水平上的组成
图 2 试验装置
图 3 不同TOC含量下ER页岩阶段甲烷产量和累计甲烷产量
图 4 不同TOC含量下PD页岩阶段甲烷产量和累计甲烷产量
图 5 不同Ro页岩阶段甲烷产量和累计甲烷产量
图 6 不同煤系页岩发酵系统内Eh变化曲线
图 7 不同煤系页岩发酵系统内pH变化曲线
图 8 ER页岩厌氧发酵过程中三维荧光光谱
图 9 不同Ro煤系页岩厌氧发酵过程中的三维荧光光谱
图 10 不同煤系页岩发酵系统内pH、HCO3-、CO32-与CO2含量变化
图 11 煤与煤系页岩厌氧发酵过程中的阶段甲烷产量
图 12 煤系页岩厌氧发酵过程示意
图 13 不同Ro页岩发酵第3 d时的气体组分
图 14 煤系页岩累计甲烷产量与TOC含量的拟合曲线
王乾，男，1991年12月24日生，河南安阳人，博士（后），河南理工大学资源环境学院讲师，硕士生导师。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、河南省自然科学基金、河南省博士后基金、国家重点实验室开发课题等，以第一/通讯作者在Chemical Engineering Journal、Fuel、Journal of Petroleum Science and Engineering、Natural Resources Research、《煤炭学报》等国内外著名期刊发表学术论文20余篇，合作出版专著3部。
研究方向
煤系气高效开发利用
主要成果
致力于煤系气高效开发理论与技术研究，查明了煤系气井压裂-排采阶段储层流体层间窜流与裂缝流型演化特征，探索了基于低负碳减排的深部煤系气一体化开发技术路径，提出将微生物厌氧发酵技术同步应用与煤与煤系页岩储层，拓展了煤层气生物工程的应用范畴并使之与煤系气开发有机结合，为煤系气井增产与CO2资源化利用的融合提供理论依据与方法支持。
来源：
阮倩雯，王乾，苏现波，等. 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[J]. 煤炭学报，2024，49(12)：4883−4896.
RUAN Qianwen，WANG Qian，SU Xianbo，et al. Investigation on the effects of total organic carbon content and maturity of coal measure shale on biomethane production performance in the anaerobic digestion system[J]. Journal of China Coal Society，2024，49(12)：4883−4896.
策划丨韩晋平
责编丨王晓珍
编辑丨李莎
审核丨郭晓炜
