煤层气产能响应的水文地球化学与微生物群落耦合机制研究——以鄂尔多斯盆地东缘柳林区块为例

针对煤层气(CBG)产能响应机制研究多聚焦水文地球化学特征而忽视微生物作用的现状，中国研究人员以鄂尔多斯盆地柳林区块9口CBG井为对象，系统解析了产水地球化学参数(如TDS、HCO3-、δ13CDIC)、微生物群落特征(如产甲烷古菌)与产能的关联，首次揭示Sn元素浓度、Hydrogenophaga菌丰度与日产气量呈正相关，为微生物增产技术提供新靶点。

　　

煤层气作为煤炭资源绿色开发的关键组成部分，其产能水平直接决定经济效益。然而当前研究存在明显短板：尽管水文地球化学指标（如离子浓度、稳定同位素）与产能的关联已被广泛探讨，但产水中微生物群落这一"看不见的工程师"如何影响产能仍属空白。这种认知缺陷制约了微生物增产技术的精准开发。更棘手的是，鄂尔多斯盆地作为中国最大能源基地之一，其柳林区块虽已实现年产1亿立方米的商业化开发，但深层煤层气开发面临产能波动大的挑战。

为破解这一难题，中国石油系统研究人员选择柳林区块9口典型煤层气井，开展多维度解析。通过气体组分与同位素分析，首次量化该区块煤层气中生物成因甲烷占比达48.0%-49.7%，揭示其为热成因气与次生生物气的混合来源。研究团队创新性地将水文地球化学参数与微生物组学联用，发现总溶解固体(TDS)与日产气量呈正相关，而HCO₃^-浓度却呈负相关。特别值得注意的是，微量元素Sn的浓度与产能显著相关，这为产能预测提供了新指标。在微生物层面，通过16S rRNA测序揭示细菌群落中Hydrogenophaga菌的相对丰度与产能正相关，而古菌群落以产甲烷菌(Methanogenic archaea)为主导，其操作分类单元(OTU)数量、Chao1和Ace指数均与产能呈正相关。这些发现发表于《International Journal of Coal Geology》，为煤层气微生物增产技术提供了明确靶点。

关键技术包括：气体组分色谱分析、稳定同位素质谱检测(δD、δ¹⁸O、δ¹³C_DIC)、产水离子色谱分析、16S rRNA高通量测序及生物信息学分析(OTU聚类、α多样性计算)。样本来源于柳林区块9口生产井的同步气水采样。

【Geochemical characteristics and genesis of coalbed gas】
气体干燥系数(C₁/C_1-5)>99.9%表明成熟度高，δ¹³C₁值(-38.6‰至-36.5‰)与δD_CH4值(-208‰至-190‰)共同证实混合气源特征。通过同位素质量平衡模型计算，生物气贡献率达48.0%-49.7%。

【Hydrogeochemical parameters and productivity】
高产能井产水具有"三高特征"：TDS(1890-3560 mg/L)、Na⁺+Cl^-(占比>85%)、Sn浓度(0.12-0.35 μg/L)。δ¹³C_DIC正值(+3.2‰至+8.7‰)指示活跃的产甲烷过程，而HCO₃^-浓度(326-587 mg/L)与产能负相关(r=-0.82)。

【Microbial community characteristics】
细菌群落中，Hydrogenophaga(平均相对丰度21.7%)与Syntrophobacter(14.3%)构成核心功能菌群，前者丰度与产能显著正相关(r=0.76)。古菌群落中，甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷微菌目(Methanomicrobiales)占比超90%，其Chao1指数与产能相关系数达0.85。

该研究开创性地建立了"地球化学-微生物"双维度产能响应模型，证实产水微生物群落结构可作为产能预测的生物标志物。特别是发现Hydrogenophaga菌可能通过氢营养型产甲烷途径促进气藏再生，这为后续微生物激活增产技术提供了理论依据。研究成果对鄂尔多斯盆地深层煤层气开发具有直接指导价值，其提出的Sn元素指标和微生物多样性参数已在实际产能评估中试用。从更广维度看，这种多学科交叉研究范式为非常规天然气开发提供了新思路。