基于煤层气储层原位条件下富集本源菌群的装置及方法与流程

本发明属于煤层气开发，具体涉及基于煤层气储层原位条件下富集本源菌群的装置及方法。

背景技术：

1、煤层气（cbm）是一种以甲烷为主的非常规天然气资源，广泛分布于内蒙古、新疆、山西、贵州等煤炭资源丰富的地区。煤层气的形成过程与煤层中的微生物群落有着密切的关系。这些微生物通过分解煤炭中的有机物质，释放出甲烷，从而在煤层中形成天然气储层。因此，对煤储层微生物群落的研究成为当前非常规能源开发领域的重要研究方向之一。

2、目前，对煤储层微生物群落的研究中，面临着许多挑战。首先，煤储层深埋地下，具有复杂的原位环境条件，如高压、低氧、特定温度范围以及特定气体氛围等。这些条件极大地影响了微生物群落的组成和活性。然而，现有的实验室条件难以完全模拟煤储层的原位环境，导致煤层微生物降解煤产生生物甲烷的实验结果准确性和可靠性大打折扣。例如，实验室中的常规培养条件通常难以再现煤储层的高压厌氧环境，使得在这些条件下培养的微生物群落可能与煤储层中的实际群落存在显著差异。其次，由于煤储层微生物群落的多样性和复杂性，传统的微生物培养方法难以覆盖所有的微生物种类，特别是那些在极端条件下生存的本源菌群。传统方法通常只能够培养那些适应实验室条件的微生物，而真正处于煤储层原位条件下的本源菌群往往被忽视或无法有效富集。这就要求研究人员开发新的培养技术和装置，以更好地模拟煤储层的原位条件，进而富集和研究这些特殊的微生物群落。煤层气的开采不仅依赖于煤储层微生物的代谢活动，还与煤岩孔隙结构、含水量、煤的有机成分及其演化程度等多种因素有关。只有在真实的原位条件下，才能够全面了解这些因素如何相互作用，影响微生物群落的分布、代谢活性以及煤层气的生成过程。

3、虽然已有一些研究致力于模拟煤储层的环境条件，但大多局限于简单的高压或厌氧条件，无法同时模拟温度、压力、气体成分等多种原位因素的综合影响。现有的模拟装置也多存在技术复杂、成本高昂、操作繁琐等问题，难以广泛应用于实际研究中。因此，开发一种能够精确模拟煤储层原位环境的装置和方法，并以此富集煤储层本源菌群，不仅能够为煤层气的开采提供科学依据，还能推动非常规能源开发技术的进步。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于煤储层原位条件下富集本源菌群的装置及方法，旨在克服现有技术中的不足，实现对煤储层原位条件的精准模拟，并在这些条件下富集和培养原位微生物群落。本发明通过向高压罐中加入煤样和煤层产出水配成的培养基，可实现对煤储层原位微生物群落的富集培养。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于煤层气储层原位条件下富集本源菌群的装置，包括顶部敞口且呈圆筒状的罐体，罐体上端设有罐盖，罐盖中心开设有内径小于罐体内径的圆孔，圆孔内安装有下端伸入到罐体内并与罐体内圆密封的连接的封堵头，封堵头内沿罐体中心线开设有一条上下通透的通孔，通孔内安装有下端伸入到罐体下部的空心管，空心管上端同轴向固定连接有实心轴，封堵头上端左侧设有与空心管内部连通的第一管接口，封堵头上端左侧开设有第二管接口，封堵头内开设有平行于空心管的注料通道，注料通道上端与第二管接口下端连接。

3、第一管接口连接有取液管，取液管上设有减压阀；第二管接口连接有六通管接头，六通管接头的第一个接口与第二管接口密封连接，六通管接头的第二个接口连接有温度压力表，六通管接头的第三个接口为注气口，六通管接头的第四个接口为注液口，六通管接头的第五个接口为抽真空口，六通管接头的第六个接口为备用口；罐盖与罐体螺纹连接，罐盖左右两侧沿径向分别设有一个用于驱动罐盖旋转的盲孔。

4、封堵头顶部设有与实心轴上端传动连接的搅拌电机，空心管上设有位于在罐体内的若干根搅拌杆；封堵头底部设有位于空心管外侧下环形安装槽，下环形安装槽内自上而下依次设有第一密封圈、第一轴承、环形隔板、密封填料和填料压板，填料压板通过沉头螺钉与封堵头固定连接；封堵头顶部设有位于实心轴外侧上环形安装槽，上环形安装槽内自上而下依次设有压盖、第二轴承和第二密封圈。

5、封堵头下部外圆套设有与罐体内圆密封配合的第三密封圈，封堵头外圆在圆孔与罐体内圆之间的部分为环形平面结构，环形平面结构上设有密封垫，封堵头上部螺纹连接有锁紧螺母，锁紧螺母下端与罐盖顶面压接使罐盖底面通过密封垫与环形平面结构压接密封。

6、第一管接口左高右低倾斜设置，第二管接口左低右高倾斜设置，封堵头内通孔内壁开设有外径大于通孔的环形腔，第一管接口右下端口与环形腔连通，空心管上开设有与环形腔连通的透孔。

7、基于煤层气储层原位条件下富集本源菌群的方法，包括以下步骤：

8、（1）选定煤层气区块目标煤层气储层，现场采集新鲜的煤样并破碎；

9、（2）现场采集新鲜的煤层气井产出水样，配置成特定的培养基；

10、（3）将煤样和培养基放入权利要求5所述的装置中，进行微生物原位厌氧发酵培养；

11、（4）定期采集罐体内的原位厌氧发酵微生物样品，进行微生物多样性测试。

12、步骤（1）的具体过程为：选定煤层气区块目标煤层气储层，查明目标煤层气储层的气体组分、储层压力、储层温度、煤层水化学特征的原位条件，取新鲜的煤储层原位煤样，并对其进行破碎，使其粒径适合于微生物培养。

13、步骤（2）的具体过程为：根据煤层气井产出水样的离子成分特征和煤储层微生物的需求，配制适合厌氧微生物生长的培养基；培养基中含有必要的营养元素，营养元素包括碳源、氮源和矿物质，培养过程模拟煤储层中的营养成分和环境条件。

14、步骤（3）的具体过程为：将煤样：培养基按重量比为1：5混合后通过注液口注入到罐体内，拧紧罐盖密封罐体，用抽真空泵通过抽真空口对罐体内部进行抽真空，抽真空完毕后，通过注气口向罐体内注入甲烷和二氧化碳的混合气体，混合气体中包括体积比为25%ch4和75% co2，至压力达到7.5 mpa的储层压力不再变化后停止注入混合气体；然后将罐体和罐盖部分放在恒温培养箱中，封堵头上部露出恒温培养箱顶部，恒温培养箱调整至35 ℃的储层温度，进行为期2个月的厌氧发酵培养，在培养期间，每隔几天启动搅拌电机，搅拌电机驱动空心管和搅拌杆对罐体内的液体进行搅拌。

15、步骤（4）的具体过程为：通过取液管上的减压阀，每个10天采集一次微生物液体样品，利用高通量测序技术分析煤储层原位环境下本源菌群的富集状况和微生物群落的演化规律。

16、采用上述技术方案，本发明中基于煤储层原位条件下富集本源菌群的装置的有益效果具体如下：

17、1）、罐体、罐盖、封堵头、空心管等部件均采用不锈钢材料制成。罐盖与封堵头采用分体结构，易于加工制造。罐盖与封堵头之间通过锁紧螺母拧紧后压紧密封垫进行密封，在密封垫受压时，密封垫沿径向方向膨胀，密封垫外圆与罐体内圆之间也形成第一道密封结构。封堵头外圆与罐体内圆之间通过第三密封圈形成第二道密封结构，通过两道密封结构实现对罐体的良好密封。

18、2）罐体内的空心管通过上轴承、下轴承与封堵头转动连接，搅拌电机带动空心轴旋转，空心轴上的搅拌杆对罐体内煤粉及培养基液体进行混合搅拌，提高厌氧发酵的效率，缩短富集本源菌群的培养时间。

19、3）空心管在旋转后停止，空心管上开设的透孔可以通过环形腔与第二管接口连通，从而确保取液通道时刻畅通。第一密封圈和第二密封圈的设置，对环形腔上方和下方的间隙进行密封，密封填料的设置，对旋转的空心管外圆进行密封。

20、4）取液管上设置减压阀，对罐体内的高压进行减压，使取液过程更安全、取液量可控。

21、5）六通管接头上连接的温度压力表对罐体内的温度和压力实时进行监控。六通管接头上设置的多个接口分别用于注气、抽真空和注液，各接口在厌氧发酵过程中均密封。在厌氧发酵过程中还可以根据监测的气压进行补气和补液。

22、综上所述，本发明具有以下优点：

23、a）设计的厌氧发酵装置进行煤层气原位储层条件的模拟，在原位厌氧发酵装置中的高压罐达到储层压力后，调整预期设定的原位条件参数，更换新的高压罐，就可以多次进行不同煤层气储层原位条件下的微生物原位富集研究工作。可以在发酵过程中定期取样，分析不同时间煤储层原位条件下本源菌群的结构变化。高压罐顶部连接有温度压力表，能够实时监测并维持高压罐内的原位环境条件，以确保实验的稳定性。本发明操作简单且能够有效模拟煤储层的原位环境，富集和培养煤中的本源菌群，不仅有助于了解煤储层微生物的生态学特征，还能为煤层气的微生物辅助开采提供科学依据。

24、b）该装置能够精确模拟煤层气储层的原位条件，包括储层氛围、储层温度与压力、储层水化学特征等重要参数，这种模拟有助于更准确地富集和研究煤层气储层中的本源菌群。

25、c）该发明配备了温度压力显示器和可控的高压罐系统，允许实时监测并维持实验过程中关键的环境条件，确保了实验的稳定性和结果的可靠性。

26、d）本发明操作简单且能够有效模拟煤储层的原位环境，富集和培养煤中的本源菌群，不仅有助于了解煤储层微生物的生态学特征，还能为煤层气的微生物辅助开采提供科学依据。操作方法便捷，通过定期取样和分析，可以动态观察微生物群落的变化，对于深入了解煤层微生物生态系统和优化煤层气的微生物开采技术具有重要意义。