生物成因气形成机理研究

余 洋，林小云 （油气资源与勘探技术教育部重点实验室 （长江大学），湖北 武汉430100）

蔡 文 （中石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏 南京210000）

生物成因气是天然气水合物的主要气源，其生烃机理研究对于今后分析气水合物成因具有重要的理论和现实意义，国内外学者对此进行了较多研究［1-6］。生物成因气是指在微生物作用下生成的天然气，通常出现在较浅的未成熟沉积物中［7］。研究者根据生气时间早晚和生烃母质以及微生物生存环境条件的不同，将生物成因气分为原生生物气 （包括传统 （常规）生物气、煤层原生生物气和低熟气 （生物-热催化过渡带气））和次生生物气 （包括原油菌解气、浅层次生蚀变改造型气、晚期生物成因气和煤层（页岩）菌解气）［8］。

包茨［3］、陈荣书等［4］研究认为，在酶的催化作用下，通过细菌降解作用使复杂的不溶有机质发酵成为可溶有机质，可溶有机质在产酸菌的作用下，形成挥发性有机酸，有机酸在产氢菌的作用下形成氢气（H2）和二氧化碳 （CO2），H2和CO2在甲烷菌的作用下最终合成甲烷。陈英等［9］研究认为，生物气的形成主要有乙酸 （CH3COOH）发酵和CO2还原2种途径，其形成途径取决于沉积环境、埋藏深度、气候及地质年龄等多种因素的综合作用。关德师等［10］指出，细菌的存在及其代谢作用是生物气生成的先决条件，细菌代谢作用主要包括2种类型，即喜氧、厌氧菌利用无机化合物作为电子受体的呼吸作用以及在有机化合物内或之间发生电子传递的发酵作用，上述过程导致生成包括甲烷 （CH4）在内的多种气体。史占祯［11］研究证实了微生物作用形成CH4的基本过程为通过CO2及 H2的还原和甲酸（HCOOH）、CH3COOH、甲醇 （CH3H）、甲基胺等发酵生成CH4，这是由多种微生物群落共同作用的结果。张小军等［12］研究煤层气形成机理后，认为煤层有机质在细菌作用下生成甲烷气的方式是CO2还原和甲基类发酵。下面，笔者对生物成因气的形成机理进行了阐述。

1 不同阶段生物成因气的形成机理

1.1 未成熟阶段生物成因气的形成机理

生物和动植物体在埋藏过程中首先被喜氧细菌降解成为大分子有机质，使氧化环境经过喜氧细菌的耗氧及兼性细菌的作用逐渐演变成还原环境［13］。厌氧生态环境中有机质降解生成CH4机理图如图1所示。从图1可知，大分子有机多聚体降解生成CH4的过程主要分为3个阶段，具体内容如下［14］。

1）第1阶段 大分子有机多聚体经过水解菌和发酵菌降解形成丙酸 （CH3CH2COOH）、丁酸（CH3CH2CH2COOH）、乳酸 （CH3—CH （OH）—COOH）和醇类等还原态有机化合物，同时生成部分CO2、H2、CH3COOH等产甲烷菌可以直接利用的底物。

2）第2阶段 在无硫酸盐还原菌存在的条件下，（CH3CH2COOH）、（CH3CH2CH2COOH）、（CH3—CH（OH）—COOH）和醇类等还原态有机化合物由专性产氢、产乙酸菌等进一步降解为CH3COOH、CO2和H2。在有硫酸盐还原菌存在的情况下，还原态有机化合物优先被硫酸盐还原菌降解形成H2S，并抑制甲烷菌的产甲烷作用，只有待硫酸盐还原菌消失后，还原态有机化合物才能进一步降解为CO2、CH3COOH等。

3）第3阶段 产甲烷菌利用CO2、CH3COOH及C1化合物，通过CO2还原和CH3COOH （或C1化合物）发酵途径生成CH4。以上形成过程中原始生烃母质若是未成熟烃源岩则为传统 （常规）生物气，若是泥炭或低煤级煤则为煤层原生生物气。可见，煤层原生生物气与传统生物气生成机理并无区别，只是生烃母质不同而已，都是在未成熟阶段经过厌氧发酵过程形成的生物气。

1.2 低熟阶段生物成因气的形成机理

低熟阶段是指在细菌生化作用成因的生物CH4生成高峰之后和有机质热降解成烃高峰之前。在该阶段，沉积有机质中某些具有化学活性的热不稳定组分，在构造应力和凝土矿物的催化作用下，通过脱羧和缩聚作用形成天然气。埋藏的有机质经生物降解产生的不溶和可溶有机质中含有大量含N、O、S等杂原子的氨基和羧基等，这些基团易在早期演化阶段通过脱羧、脱氨等脱基团作用和酯化作用形成烃类，富含芳环的腐殖型不溶有机质在缩聚作用下形成烃类气体，从而完成腐殖型母质早期成烃的演化过程［15］。

图1 厌氧生态环境中有机质降解生成CH4机理图

2 产甲烷菌利用不同物质生气机理

2.1 后生型生气

经过一定热演化程度的烃源岩 （或经过一定热演化的煤层），由于构造抬升而再次进入微生物作用带内，可由微生物降解有机质而生成CH4。M.Ahmed等［16］从煤的溶剂抽提物中分离出的脂肪烃和芳香烃时，发现上述烃类的分布明显反映出微生物的降解作用特征。微生物主要来源于地表含水层，流水沿盆地边缘回灌到盆地煤层中，携带氧和养分供微生物在煤层中发生连续的氧化作用和脱羧基作用产生CO2。随着煤层中氧被喜氧微生物和兼性微生物完全消耗变为还原环境，煤层中产甲烷菌可使CO2还原为CH4（见图2）。

图2 次生生物成因煤层气生成机理

2.2 原油降解型生气

原油通过脱氢作用、氢过氧化作用，从正构烷烃开始不断被细菌降解，同时生成CH3COOH、H2和CO2［17］。其他烃类的降解比正构烷烃难度大，但随着细菌降解程度的提高，也可以发生上述降解过程。一般认为，原油首先通过喜氧微生物作用分解高分子烃类并产生低分子量含氧的还原态有机化合物，再逐渐过渡到以厌氧微生物活动为主的厌氧降解阶段。上述过程可以为产甲烷菌生存繁衍所需的营养物质，使产甲烷菌通过CO2还原和CH3COOH发酵形成CH4（见图3）。

图3 原油菌解气生成机理

3 结 语

在查阅生物成因气相关研究文献的基础上，对生物成因气的形成机理进行了探讨。研究认为，生物成因气是在严格厌氧条件下产甲烷菌代谢的产物，但是由于生气时间和甲烷菌利用物质的不同而导致形成机理出现差异。因此，掌握生物气形成机理对于研究生物成因气形成条件及控制因素具有重要的意义。

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