生物氣成因的特殊性

生物氣成因的特殊性

0生物氣研究中的關(guān)鍵問(wèn)題和研究方向生物氣是厭氧微生物在低溫下產(chǎn)生的以甲烷為主的氣體。這是一個(gè)重要的清潔能源。據(jù)估計(jì)世界累計(jì)探明的生物氣儲(chǔ)量,占世界天然氣總儲(chǔ)量的21.3%。隨著研究的不斷深入,這個(gè)比例可能還會(huì)有更大的拓展空間。由于生物氣具有分布廣泛、埋藏淺、勘探成本低、易于開(kāi)發(fā)等特點(diǎn),國(guó)內(nèi)外已將其列為重要的研究和勘探對(duì)象。然而,生物氣研究中還有很多關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性的問(wèn)題有待解決,如氣源巖的評(píng)價(jià)方法等。尋找有效評(píng)價(jià)指標(biāo)是開(kāi)展生物氣研究工作的重要組成部分。從源巖條件來(lái)看,生物氣具有多來(lái)源的特點(diǎn),泥巖、煤、石油都可以成為其氣源。這點(diǎn)已被模擬試驗(yàn)所證實(shí)。本文主要涉及常規(guī)生物氣源巖。已有研究表明:生物氣源巖的評(píng)價(jià)不能沿用傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)熱成因油氣資源的方法,也不能搬用評(píng)價(jià)生油巖和過(guò)成熟氣的指標(biāo),但是究竟什么是控制生物氣的主要因素,如何評(píng)價(jià)生物氣源巖,目前還缺乏一套有效而適用的指標(biāo)。選擇適當(dāng)?shù)纳餁庠磶r評(píng)價(jià)指標(biāo),關(guān)系到能否對(duì)氣源巖進(jìn)行更科學(xué)、更客觀的評(píng)價(jià),也是今后生物氣研究工作中亟待解決的問(wèn)題。反映生物氣源巖優(yōu)劣的指標(biāo),大致可以分為2個(gè)方面:一是有利于微生物生存發(fā)育的條件,如沉積有機(jī)質(zhì)的保存條件、原始有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)的富集程度以及地層溫度等指標(biāo);二是能夠反映微生物活動(dòng)及其強(qiáng)度的指標(biāo),如細(xì)菌改造有機(jī)質(zhì)的生物標(biāo)志化合物指標(biāo)。本文擬就生物氣源巖評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討。1有利于微生物生存發(fā)育的地質(zhì)和地球化學(xué)條件1.1積相型巖心沉積速度是決定沉積物中生物氣豐度的重要因素。大量生物氣常常形成和保存于高速沉積的沉積物中,這是因?yàn)榭焖俪练e的環(huán)境不僅避免了有機(jī)質(zhì)被氧化破壞,同時(shí)也減弱了水介質(zhì)對(duì)碳酸鹽的補(bǔ)給能力,使硫酸鹽還原菌的呼吸作用逐漸消失,產(chǎn)甲烷菌隨之活躍起來(lái)。如在大馬南海盆(加拿大東海岸),埋深同為2m的巖心,沉積速率為134cm/ka的巖心的甲烷含量為21800×10-6,比之沉積速率為20cm/ka的巖心(30×10-6~40×10-6)高500倍。在近代海洋沉積物中,生物氣通常發(fā)現(xiàn)于沉積速率大于50m/Ma的地區(qū)。近年的勘探實(shí)踐證明,生物氣產(chǎn)區(qū)的沉積速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)數(shù)值。如柴達(dá)木盆地東部第四系沉積速度達(dá)800~1000m/Ma。同時(shí),快速沉積不僅有利于生物氣的生成,而且可以使已生成的生物氣能夠得到有效的保存。1.2生物氣象庫(kù)、氣藏和氣藏地質(zhì)時(shí)間也可以作為衡量甲烷生成量和其儲(chǔ)存情況的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)淺層生物氣來(lái)說(shuō),甲烷氣隨沉積時(shí)間增加而增加。生物氣模擬實(shí)驗(yàn)表明,甲烷氣量約在10000a急劇上升,對(duì)只有10000a的地層,即使地層中殘留有機(jī)碳含量為0.1%,若保存條件好,生成的甲烷氣也足以形成有工業(yè)價(jià)值的油氣藏。例如杭州灣沿海平原晚第四紀(jì)生物氣藏的形成不超過(guò)12000a,晚第四紀(jì)地層總生氣量就達(dá)到了2445.27億m3。1.3生物氣藏成巖作用我國(guó)生物氣源巖主要集中于第四系、第三系和白堊系,國(guó)外生物氣源巖主要集中于白堊系和第三系,這與未成熟源巖分布是一致的。這一階段為成巖作用初期,經(jīng)受的地層溫度低,適于微生物大量繁殖。壓實(shí)作用弱,沉積物中含水量很高,孔滲條件好,微生物有良好的生存活動(dòng)空間。而且年輕干酪根本身結(jié)構(gòu)疏松,富含O、N、S等雜原子,有機(jī)質(zhì)主要部分的活化能很低,容易被微生物分解。西西伯利亞盆地所發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)世界級(jí)的大氣田,沉積物均為松散—弱固結(jié),處于成巖早期;有機(jī)質(zhì)成熟度低,處于未熟—低成熟階段,RO值一般在0.4%以下,最大值為0.7%。我國(guó)迄今發(fā)現(xiàn)的生物氣主要分布于第三系漸新統(tǒng)至第四系中,有利的生物氣源巖埋藏深度一般小于2000m,RO<0.6%。未成熟氣源巖的規(guī)模、組成、有機(jī)質(zhì)豐度等決定了其生氣能力和生氣強(qiáng)度。1.4氧化還原電位封閉還原環(huán)境是生物氣生成必不可少的條件。產(chǎn)甲烷菌是專(zhuān)性厭氧菌,只有在缺氧的還原環(huán)境下才能生長(zhǎng)。當(dāng)其生存環(huán)境中氧的含量達(dá)到0.1%時(shí),生長(zhǎng)就會(huì)受到明顯的抑制,最適合產(chǎn)甲烷菌發(fā)育的氧化還原電位(Eh)為-540~-590mV。Cappenberg認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌適合生長(zhǎng)在Eh<-200mV的還原環(huán)境中?；輼s耀等、王躍文認(rèn)為Eh值必須小于-340mV時(shí),才能有利于產(chǎn)甲烷菌的生存和繁衍。溫度是甲烷菌發(fā)育的重要因素,產(chǎn)甲烷菌適宜生存的溫度為35~75℃。關(guān)德師通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)合勘探實(shí)踐提出生物氣生成上限溫度為80~85℃,主要產(chǎn)氣溫度為25~65℃。對(duì)于早期生物氣來(lái)說(shuō),氣源巖所能經(jīng)歷的最高古地溫不能超過(guò)80~85℃,否則微生物無(wú)法存活或活性降低,生化作用會(huì)削弱或停止,生物氣的生成也將中止。1.5草本植物生物復(fù)合菌的構(gòu)成研究表明,不同生源有機(jī)物的原始甲烷生物潛量不同。所謂原始甲烷生物潛量是指死亡植物和沉積表層樣品的生物甲烷產(chǎn)率。以現(xiàn)代植物而論,草本植物的生物甲烷潛量高于木本植物。據(jù)國(guó)內(nèi)資料報(bào)導(dǎo),草本植物的生物甲烷潛量可達(dá)71.66~361.69m3/t干物質(zhì)。紅樹(shù)根作為木本植物的代表,其甲烷生物潛量為71.2m3/t。由于甲烷菌的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源主要是纖維素、半纖維素、糖、淀粉、果膠等碳水化合物,這些物質(zhì)在草本植物中含量最豐富。所以生物氣的母質(zhì)類(lèi)型主要是半腐殖型和草本腐殖型有機(jī)質(zhì)。在寒冷氣候下,草本植物比木本植物優(yōu)先發(fā)育,并在搬運(yùn)過(guò)程中損失較少,從而為沉積地區(qū)的甲烷菌提供更多的陸源碳水化合物養(yǎng)料。這可能也是柴達(dá)木盆地第四系生物氣聚集的有利條件之一。1.6生物氣的產(chǎn)率生物氣產(chǎn)率大小與其母質(zhì)組成密切相關(guān),類(lèi)型好的源巖中可被降解利用的有機(jī)質(zhì)多,反之,類(lèi)型不好的源巖中可被降解利用的有機(jī)質(zhì)少,如天山腐殖物質(zhì)被微生物利用部分,每噸干物質(zhì)產(chǎn)甲烷188.94m3。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代干草樣品、淤泥樣、古代泥巖、泥炭樣品的模擬實(shí)驗(yàn)表明,生物氣的產(chǎn)率隨沉積埋藏的時(shí)間和有機(jī)質(zhì)變質(zhì)程度的增大而迅速下降。這與生物氣源巖的演化程度比較低是相吻合的。1.7氯仿瀝青“a”濃度低生物氣源巖由于沉積速率高,沉積厚度大,低有機(jī)碳含量也可形成大氣田。如柴達(dá)木盆地第四系湖相泥巖有機(jī)碳含量一般為0.15%~0.46%,平均含量為0.3%。生物氣源巖具有氯仿瀝青“A”含量低的特點(diǎn)。關(guān)平認(rèn)為氯仿瀝青“A”小于100×10-6為非氣源巖,介于(100~300)×10-6之間為差氣源巖,介于(300~1000)×10-6之間為中等氣源巖,介于(1000~2000)×10-6之間為好氣源巖,介于(2000~4000)×10-6之間為很好氣源巖,大于4000×10-6為極好氣源巖。生物氣源巖以高非烴+瀝青質(zhì)含量為特征。在保山盆地?zé)N源巖族組分中,非烴+瀝青質(zhì)含量在50%~91%之間,非烴含量在20%~60%之間。2反映微生物活動(dòng)及其強(qiáng)度的指標(biāo)2.1海洋沉積相中產(chǎn)甲烷菌的分布微生物的存在及其代謝作用是生物氣生成的基礎(chǔ)條件,也是先決條件。如在柴達(dá)木盆地第四系113~1971m深度內(nèi),均存在發(fā)酵菌、厭氧纖維素分解菌,產(chǎn)甲烷菌則主要分布在500~1100m的深度范圍內(nèi)。在不同的沉積環(huán)境中,由于環(huán)境條件的選擇作用,產(chǎn)甲烷菌組成是不同的。在海洋沉積物中,甲烷主要來(lái)源于CO2的還原,而在一般的陸相沉積物中,甲烷則主要來(lái)自于乙酸的轉(zhuǎn)化。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明進(jìn)入成巖中晚期階段,沉積環(huán)境中的產(chǎn)甲烷菌基本都是H2/CO2型。2.2腐泥組的母源生物氣的形成與細(xì)菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的改造活動(dòng)有關(guān),并在干酪根中留下痕跡,稱(chēng)之為菌解無(wú)定形體。丁安娜認(rèn)為無(wú)定形體含量愈高,微生物活性愈強(qiáng),甲烷氣產(chǎn)量愈高。腐泥化作用是低等浮游群體藻類(lèi)、草本植物和高等植物富含脂類(lèi)部分經(jīng)微生物改造而轉(zhuǎn)變成無(wú)定形體的過(guò)程。在低演化階段,微生物活動(dòng)異?；钴S,有機(jī)質(zhì)遭受不同程度的破壞,在還原環(huán)境中微生物作用將有機(jī)質(zhì)中的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物分解,破壞了原有有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)而形成了無(wú)規(guī)則外形、大小不等的絮狀、海綿狀、云霧狀的無(wú)定形物質(zhì)。腐泥組具有多種母源,除了藻類(lèi)體外,陸生高等植物、動(dòng)物遺體及細(xì)菌本身都可能成為腐泥組分來(lái)源。王躍文將腐泥組分作為微生物改造有機(jī)質(zhì)的程度指標(biāo),即根據(jù)腐泥組分的含量將生物氣源巖劃分為4個(gè)等級(jí),Ⅰ類(lèi)氣源巖腐泥組含量大于30%,Ⅱ類(lèi)氣源巖腐泥組含量為20%~30%,Ⅲ類(lèi)氣源巖腐泥組含量為0~20%,不含腐泥組為非生物氣源巖。2.3胞膜類(lèi)脂質(zhì)以及乙酰胺類(lèi)氧丁酸酯衍生物的合成產(chǎn)甲烷菌屬于古菌類(lèi)。古細(xì)菌起源的類(lèi)脂生物標(biāo)記物,包括不規(guī)則頭對(duì)頭類(lèi)異戊二烯烷烴和類(lèi)異戊二烯基丙三醇二醚,還有更復(fù)雜的C40-雙植烷和古細(xì)菌細(xì)胞膜類(lèi)脂,如丙三醇二烴基丙三醇四醚,也經(jīng)常在有特殊古細(xì)菌活動(dòng)的沉積物中檢測(cè)到。頭對(duì)頭類(lèi)異戊二烯烷烴化合物(例如C31—C40頭對(duì)頭類(lèi)異戊二烯烷烴化合物)是由古細(xì)菌合成的。類(lèi)異戊二烯烷烴如五甲基或四甲基二十烷被鑒別為是甲烷菌的成分。Brassell等指出,沉積物和石油中的2,6,10,15,19-五甲基二十烷(PME)和角鯊?fù)橹甘局^(guò)去的生物甲烷生成階段。PME是產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)的一個(gè)明顯標(biāo)志物,PME濃度赿高,產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)赿強(qiáng)。2.4生物巖石中的岱地衍生物丁安娜認(rèn)為咔唑衍生物的含量可以作為到達(dá)生物甲烷形成時(shí)的標(biāo)志。柴達(dá)木盆地東部?jī)?yōu)質(zhì)生物氣源巖的咔唑化合物中,主要含咔唑和甲基咔唑,而未熟—低熟原油中二甲基咔唑豐度相對(duì)較高。在厭氧沉積生態(tài)系統(tǒng)中,由于微生物降解作用,會(huì)導(dǎo)致咔唑類(lèi)衍生物的總體含量下降,優(yōu)質(zhì)生物氣源巖比劣質(zhì)氣源巖低2個(gè)數(shù)量級(jí)還多。這與張春明的研究相一致,它認(rèn)為嚴(yán)重的微生物降解作用極大地降低了咔唑類(lèi)含氮化合物的濃度,同時(shí)也使咔唑類(lèi)含氮化合物的相對(duì)組成發(fā)生變化。2.5不同含量的哌/-12規(guī)則甾烷/17α(H)-藿烷值反映真核生物(主要是藻類(lèi)和高等植物)與原核生物(細(xì)菌)對(duì)源巖的貢獻(xiàn),也可反應(yīng)細(xì)菌的活性及對(duì)有機(jī)質(zhì)改造的程度。因?yàn)樯矬w中的甾醇和藿類(lèi)的含量變化很大,所以只有當(dāng)甾/藿值變化很大時(shí),才能更好地評(píng)價(jià)真核生物與原核生物對(duì)源巖的貢獻(xiàn)。一般情況下,高含量的甾烷以及高的甾/藿值(≥1)似乎是主要來(lái)源于浮游或底棲藻類(lèi)生物的海相有機(jī)質(zhì)的特征。相反,低含量甾烷和低的甾/藿值主要指示陸源和/(或)微生物改造過(guò)的有機(jī)質(zhì)。丁安娜等認(rèn)為甾/藿值是一個(gè)很有效地評(píng)價(jià)生物氣源巖的標(biāo)準(zhǔn)。在成巖作用的早期階段,菌類(lèi)活性除了受宏觀沉積環(huán)境和亞沉積環(huán)境控制外,尤其受控于微環(huán)境,所以只要多數(shù)樣品的這一比值小于1,即可表征菌類(lèi)活性較強(qiáng),生物量輸入較高,如在柴達(dá)木盆地東部地區(qū)該比值小于1的樣品占所分析樣品的86%以上,在松遼盆地濱州淺北部地區(qū)占所分析樣品的91%以上。2.6生物氣的巖類(lèi)型和最佳配比氣源巖中豐富的不飽和脂肪酸,特別是異構(gòu)脂肪酸系列以及類(lèi)異戊二烯酸的檢出,反映了細(xì)菌在源巖中的發(fā)育,為生物氣的有利氣源巖提供了更進(jìn)一步的證據(jù)。例如柴達(dá)木盆地中檢測(cè)出豐富的不飽和酸和異構(gòu)酸,說(shuō)明樣品中細(xì)菌非常發(fā)育或者曾經(jīng)非常發(fā)育,同時(shí)樣品所處層段的地球化學(xué)環(huán)境以及氣源巖類(lèi)型較適宜細(xì)菌的發(fā)育,這種特殊的脂肪酸分布可以指示優(yōu)質(zhì)氣源巖類(lèi)型和有利于生成生物氣的地層地球化學(xué)環(huán)境。關(guān)平等認(rèn)為在評(píng)價(jià)生物甲烷的形成問(wèn)題時(shí),有機(jī)酸的含量應(yīng)當(dāng)是一個(gè)重要的指標(biāo)。他根據(jù)有機(jī)酸含量將氣源巖劃分為6個(gè)等級(jí):有機(jī)酸含量小于0.1%為非氣源巖;0.1%~0.2%為差氣源巖;0.2%~0.5%為中等氣源巖;0.5%~1.0%為好氣源巖;1.0%~2.0%為很好氣源巖;大于2.0%為極好氣源巖。3生物氣生成的地質(zhì)與地球化學(xué)條件生物氣源巖的評(píng)價(jià)是生物氣資源勘探的基礎(chǔ),也是探討控制生物氣生成的主要因素。尋找一套科學(xué)、有效而適用的生物氣源巖評(píng)價(jià)指標(biāo),是目前生物氣研究亟待解決的問(wèn)題。生物氣源巖的評(píng)價(jià)應(yīng)在綜合研究的基礎(chǔ)上做出分析,既要考慮有機(jī)質(zhì)發(fā)育與微生物生存發(fā)育的地質(zhì)與地球化學(xué)條件,也要涉及反映微生物活動(dòng)及其強(qiáng)度的地球化學(xué)指標(biāo)。以草本植物為主的母源物質(zhì)的快速大量沉積,低溫、封閉的缺氧環(huán)境以及低的成巖演化階段,是生物氣生成的物質(zhì)與環(huán)境條件;而發(fā)酵菌、厭氧纖維素分解菌、產(chǎn)甲烷菌等微生物菌群的發(fā)育與繁盛,則是生物氣生成的動(dòng)力條件。正如優(yōu)質(zhì)烴源巖存在及其進(jìn)入成熟演化階段是原油生成的必不可少的條件一樣,對(duì)于生成生物氣而言,上