用于微生物生烃的模拟装置和模拟方法与流程

1.本发明涉及天然气水合物勘探开发技术领域，特别地涉及一种用于微生物生烃的模拟装置和模拟方法。


背景技术：

2.天然气水合物是资源潜力巨大的新型能源，主要分布于水深大于500米的海底沉积物中。天然气水合物的形成需要大量气体供给，气体来源通常可分为三类：生物成因气、热成因气及二者混合成因气。从海域天然气水合物钻探所获水合物样品的分解气气体组成及碳同位素特征看，绝大部分水合物气体来源为生物成因气。海底沉积物微生物生烃模拟是评价生物气源岩生烃机理和生烃能力的有效方法，关系到海洋天然气水合物的气源条件评价，近年来受到了重视和发展。
3.目前，以地质样品作为生气基质的研究报道多集中在两个方面，即厌氧细菌的培养和模拟产气研究。多数研究是在常压条件下考查温度对生烃的影响，缺少模拟水合物赋存区海底以下真实温度和压力条件的微生物生烃的关键模拟装置、测试技术和评价方法。因此，研制水合物气源海底沉积物生烃模拟装置与方法，对于研究水合物气源岩生物生烃机理，定量化地进行水合物资源潜力评价，对加快天然气水合物勘探开发具有重要的意义。
4.以上也就是说，亟待开发一种能够准确地模拟微生物生烃时的原位温度和压力条件的模拟装置。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种用于微生物生烃的模拟装置和模拟方法，能够准确地模拟微生物生烃时的原位温度和压力。
6.本发明的用于微生物生烃的模拟装置，包括：反应容器，设置有反应腔、进气口和出气口；注气增压组件，与进气口连通；排气组件，与出气口连通；恒温水浴组件，用于控制反应容器的内部温度；其中，反应腔与进气口和出气口连通，反应腔用于放置待模拟物，注气增压组件与排气组件配合使用以控制反应容器的内部压力。
7.在一个实施方式中，反应容器包括：杯体；顶盖，盖设在杯体上；垫片，设置在杯体与顶盖之间，用于密封杯体与顶盖之间的间隙。通过本实施方式，杯体用于放置待模拟物，顶盖和垫片使得待模拟物能够在封闭的环境下反应。从而有效地避免了外部的干扰因素的影响，进而确保模拟装置能够真实的模拟微生物生烃时的环境条件。
8.在一个实施方式中，注气增压组件包括：注气管路，一端与进气口连接；气源，与注气管路的另一端连接；第一控制阀，设置在注气管路上。通过本实施方式，注气增压组件能够向反应容器内注入气体以增加反应容器内的气压，从而确保反应容器内的气压能够达到微生物生烃时的压力。
9.在一个实施方式中，注气增压组件还包括增压泵，增压泵设置在注气管路上。通过本实施方式，增压泵能够提升注气管路内氮气的压力，从而确保反应容器内的气压能够达
到微生物生烃时的压力。
10.在一个实施方式中，排气组件包括：排气管路，一端与大气连通，其另一端与出气口连接；第二控制阀，设置在排气管路上。
11.在一个实施方式中，反应容器内设置有恒温通道，恒温通道与反应腔不连通，恒温通道与恒温水浴组件连通。
12.在一个实施方式中，恒温通道设置有进水口和出水口，恒温水浴组件包括：循环管道，与进水口和出水口连通；控温件，设置在循环管道上。通过本实施方式，恒温通道环绕在反应腔外部，恒温水浴组件向恒温通道循环通入恒温循环水，恒温循环水与反应腔内的气体进行换热，从而确保反应腔内的温度始终保持在设定的模拟温度，以模拟微生物生烃时的温度条件。
13.在一个实施方式中，还包括搅拌组件，搅拌组件至少部分设置在反应容器内。通过本实施方式，控温件具有控温功能，能够确保循环管道内的循环水能够在恒定的温度下循环流动。从而确保恒温循环水与反应腔内的气体进行恒温换热，进而确保反应腔内的温度始终保持在设定的模拟温度，以模拟微生物生烃时的温度条件。
14.在一个实施方式中，还包括监测组件，监测组件至少部分设置在反应容器内。
15.本发明还提供了一种模拟方法，采用上述模拟装置，待模拟物为海底沉积物样品，包括以下步骤：
16.步骤一，确定海底沉积物样品中本源厌氧菌的种类和数量；
17.步骤二，采用产甲烷菌富集培养基对步骤一确定的本源厌氧菌进行富集培养；
18.步骤三，将海底沉积物样品和产气培养液置入反应容器内；
19.步骤四，将步骤二得到的富集后的厌氧菌接种至反应容器内；
20.步骤五，根据海底沉积物的原位温度和压力设定实验参数；
21.步骤六，反应容器内产生气体；
22.步骤七，将反应容器内的压力降低至实验设定压力；
23.步骤八，收集反应容器内的气体；
24.步骤九，计算反应容器内微生物的产气气量。
25.其中，步骤二至步骤六在厌氧条件下进行。
26.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
27.本发明提供的一种用于微生物生烃的模拟装置和模拟方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
28.恒温水浴组件能够通过控制反应容器的内部温度以模拟微生物生烃时的温度，注气增压组件与排气组件配合使用能够控制反应容器的内部压力以模拟微生物生烃时的压力。从而确保模拟装置能够准确地模拟微生物生烃时的原位温度和压力条件，以获得贴近实际的真实实验数据。进而能够准确地评估海底沉积物样品的微生物产气潜力。
附图说明
29.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
30.图1显示了本发明的用于微生物生烃的模拟装置结构示意图；
31.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
32.附图标记：
33.10、反应容器；11、进气口；12、出气口；13、反应腔；14、杯体；15、顶盖；16、垫片；17、恒温通道；171、进水口；172、出水口；20、注气增压组件；21、注气管路；22、第一控制阀；23、增压泵；30、排气组件；31、排气管路；32、第二控制阀；40、恒温水浴组件；41、循环管道；42、控温件；50、搅拌组件；51、搅拌电机；52、搅拌桨；60、监测组件；61、温度传感器；62、压力传感器；63、甲烷传感器。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
35.需要说明的是，本技术中的待模拟物为海底沉积物样品，海底沉积物样品中附着有微生物，包括厌氧菌。本技术中的模拟装置用于模拟海底沉积物样品中的微生物在海底产生烃气时的环境条件(主要包括原位温度和压力条件)。
36.需要说明的是，本技术中的原位温度和压力条件是指海底沉积物在海底实际点位、实际深度的实时温压条件。
37.如图1所示，本发明提供了一种用于微生物生烃的模拟装置，其包括反应容器10、注气增压组件20、排气组件30和恒温水浴组件40。其中，反应容器10设置有反应腔13、进气口11和出气口12；注气增压组件20与进气口11连通；排气组件30与出气口12连通；恒温水浴组件40用于控制反应容器10的内部温度；反应腔13与进气口11和出气口12连通，反应腔13用于放置待模拟物，注气增压组件20与排气组件30配合使用以控制反应容器10的内部压力。
38.上述设置中，恒温水浴组件40能够通过控制反应容器10的内部温度以模拟微生物生烃时的温度，注气增压组件20与排气组件30配合使用以控制反应容器10的内部压力以模拟微生物生烃时的压力。从而确保模拟装置能够准确地模拟微生物生烃时的原位温度和压力条件，以获得贴近实际的真实实验数据。进而能够准确地评估海底沉积物样品的微生物产气潜力。
39.具体地，如图1所示，在一个实施例中，反应容器10包括杯体14、顶盖15和垫片16。其中，顶盖15盖设在杯体14上；垫片16设置在杯体14与顶盖15之间，用于密封杯体14与顶盖15之间的间隙。
40.上述设置中，杯体14用于放置待模拟物，顶盖15和垫片16使得待模拟物能够在封闭的环境下反应。从而有效地避免了外部干扰因素的影响，进而确保模拟装置能够真实地模拟微生物生烃时的环境条件。
41.具体地，如图1所示，在一个实施例中，反应容器10采用高压反应釜。
42.具体地，如图1所示，在一个实施例中，注气增压组件20包括注气管路21、气源和第一控制阀22。其中，注气管路21的一端与进气口11连接；气源与注气管路21的另一端连接；第一控制阀22设置在注气管路21上。
43.上述设置中，注气增压组件20能够向反应容器10内注入气体以增加反应容器10内的气压，从而确保反应容器10内的气压能够达到微生物生烃时的压力。
44.具体地，如图1所示，在一个实施例中，气源采用高压氮气瓶，第一控制阀22为减压
阀。
45.具体地，如图1所示，在一个实施例中，注气增压组件20还包括增压泵23，增压泵23设置在注气管路21上。
46.上述设置中，增压泵23能够提升注气管路21内氮气的压力，从而确保反应容器10内的气压能够达到微生物生烃时的压力。
47.具体地，在一个实施例中，注气增压组件20还包括储罐，储罐与高压氮气瓶连通，用于存储高压氮气，注气管路21与储罐连通，以将其内的氮气注入到反应容器10内。
48.具体地，如图1所示，在一个实施例中，排气组件30包括排气管路31和第二控制阀32。其中，排气管路31的一端与大气连通，其另一端与出气口12连通，第二控制阀32设置在排气管路31上。
49.需要说明的是，反应容器10内的微生物生烃产生气体时会导致其内的压力升高，设置排气组件30以排出反应容器10内的气体，从而降低反应容器10内的压力，以确保其始终维持在设定的模拟压力值。第二控制阀32采用减压阀。
50.具体地，如图1所示，在一个实施例中，反应容器10内设置有恒温通道17，恒温通道17与反应腔13不连通，恒温通道17与恒温水浴组件40连通。
51.上述设置中，恒温通道17环绕在反应腔13外部，恒温水浴组件40向恒温通道17循环通入恒温循环水，恒温循环水与反应腔13内的气体进行换热，从而确保反应腔13内的温度始终保持在设定的模拟温度，以模拟微生物生烃时的温度条件。
52.具体地，如图1所示，在一个实施例中，恒温通道17设置有进水口171和出水口172，恒温水浴组件40包括循环管道41和控温件42。其中，循环管道41与进水口171和出水口172连通，控温件42设置在循环管道41上。
53.上述设置中，控温件42具有控温功能，能够确保循环管道41内的循环水能够在恒定的温度下循环流动。从而确保恒温循环水与反应腔13内的气体进行恒温换热，进而确保反应腔13内的温度始终保持在设定的模拟温度，以模拟微生物生烃时的温度条件。
54.具体地，如图1所示，在一个实施例中，模拟装置还包括搅拌组件50，搅拌组件50至少部分设置在反应容器10内。
55.具体地，如图1所示，在一个实施例中，搅拌组件50包括搅拌电机51和与搅拌电机51的驱动端连接的搅拌桨52。
56.其中，搅拌电机固定在顶盖15上，搅拌桨52设置在杯体14内。
57.需要说明的是，搅拌组件50具有搅拌功能，能够确保厌氧产气发酵的均匀传质效果。
58.具体地，如图1所示，在一个实施例中，模拟装置还包括监测组件60，监测组件60至少部分设置在反应容器10内。
59.具体地，如图1所示，在一个实施例中，监测组件60包括温度传感器61、压力传感器62和甲烷传感器63。
60.本发明还提供了一种模拟方法，采用上述的模拟装置进行模拟，包括以下步骤：
61.步骤一，确定海底沉积物样品中本源厌氧菌的种类和数量；
62.步骤二，采用产甲烷菌富集培养基对步骤一确定的本源厌氧菌进行富集培养；
63.步骤三，将海底沉积物样品和产气培养液置入反应容器内；
64.步骤四，将步骤二得到的富集后的厌氧菌接种至反应容器内；
65.步骤五，根据海底沉积物的原位温度和压力设定实验参数；
66.步骤六，反应容器内产生气体；
67.步骤七，将反应容器内的压力降低至实验设定压力；
68.步骤八，收集反应容器内的气体；
69.步骤九，计算反应容器内微生物的产气气量。
70.其中，步骤二至步骤六在厌氧条件下进行。
71.下面阐述一个本技术中模拟装置和模拟方法的一个完整的实施例：
72.本技术提供了一种模拟装置，包括高压反应釜、水浴控温组件(恒温水浴组件40)、注气增压组件20、数据采集组件(监测组件60)。
73.高压反应釜有效容积1500ml，设计耐压24mpa，带搅拌装置(搅拌组件50)，搅拌装置固定在顶盖15上，反应釜的釜体设有夹层作为水浴循环管道(恒温通道17)，釜体上侧设置出水口172，釜体下侧设置进水口171。
74.水浴控温组件与高压反应釜的进水口171和出水口172相连，工作温度20～80℃。
75.注气增压组件20由高压氮气钢瓶、增压泵23、储罐、减压阀组成，与高压反应釜顶盖上的注气口相连，工作压力0.1～20mpa。
76.数据采集组件包括温度传感器、压力传感器、甲烷传感器，固定于高压反应釜的顶盖15上。通过传感器实时显示和采集温度、压力和甲烷浓度。通过排气口外接排烃阀(第二控制阀32)、气体收集袋采集气体样品。
77.其中，模拟方法包括以下步骤：
78.步骤
①
，确定海底沉积物(天然气水合物气源岩)样品中本源厌氧菌的种类和数量；
79.步骤
②
，采用产甲烷菌富集培养基对步骤
①
确定的厌氧菌进行富集培养；
80.其中，提取出步骤
①
中的本源厌氧菌在产甲烷菌富集培养基中进行培养，当然也可以外加与步骤
①
中确定的本源厌氧菌相似的菌群构成的菌液，在产甲烷菌富集培养基进行培养。
81.步骤
③
，将海底沉积物样品、产气培养液置入高压反应釜，将步骤
②
得到的富集后的厌氧菌接种至高压反应釜；
82.步骤
④
，根据海底沉积物的原位温度和压力条件设定实验参数，进行产气；
83.步骤
⑤
，因产气引起的高压反应釜内压力增高，由排气口排气降压，排出的气体用气体收集袋收集；高压反应釜内压力降至设定压力，停止排气。
84.步骤
⑥
，当产气量稳定进入平台期，培养实验结束，收集反应釜内气体；
85.步骤
⑦
，根据步骤
⑤
和步骤
⑥
收集的气体，采用气相色谱测定甲烷浓度，计算微生物产气的气量。
86.其中，步骤
②‑④
均在厌氧条件下进行。步骤
⑤
中收集气体的体积(v1)和甲烷浓度(c1)，步骤
⑥
中收集气体的体积(v2)和甲烷浓度(c2)，微生物的产气量(n)通过计算公式：n＝v1
×
c1+v2
×
c2计算得到。
87.步骤
②
中采用的产甲烷菌富集培养基成分：每1000ml无菌无氧水中加入k2hpo 40.2～0.5g，mgcl 20.8～1.6g，kh2po
4 0.2～0.5g，酵母浸出液1.0g，nh4cl 0.3～0.9g，刃
天青0.01g，乙酸钠2.0g，kcl 0.1～0.4g，nacl 1.0～5.0g，微量元素溶液10.0ml，ph值7.0。培养基配制好之后煮沸5～10分钟以去除溶液中的溶解氧，于121℃下灭菌20分钟。培养基灭菌后立即放入厌氧手套箱。接种前用灭菌除氧注射器注入1％na2s和5％nahco3混合溶液20ml，半胱氨酸0.5g，利用其还原作用来彻底去除液体中的溶解氧。
88.步骤
③
中采用的产气培养液，可以为无机盐培养基(msm)或海水(实际海水)。无机盐培养基优选包括以下组分：以每1000ml培养基溶液计，3-5g na2hpo4、1-2g kh2po4、0.8-1.2g nh4cl、0.1-0.3g mgso4·
7h2o、0.01-0.03g cacl2、0.02-0.04g feso4·
7h2o、0.8-1.2gnano3、0.8-1.2ml微量元素混合液，每100ml微量元素混合液包括：0.2-0.3mg cocl2·
6h2o、0.3-0.4mg(nh4)6mo7o
24
·
4h2o、3-5mg cuso4·
5h2o、5-6mg h3bo3、4-5mg mnso4·
5h2o、4-5mg znso4·
7h2o。
89.步骤
③
中海底沉积物样品与接种的厌氧菌的重量比可以在较宽范围内变化，优选为4：1-1：2；其中，厌氧菌的接种量可以为0.5-5％。
90.本发明涉及模拟装置与方法，既能考查温度对微生物生烃的影响，也能考查压力对微生物生烃的影响。通过控制温度、压力条件，能在海域水合物气源沉积物原位温压条件下开展生烃模拟，与实际地质条件具有较高相似性。通过产甲烷菌的富集培养，大幅缩短实验周期，减少了由于经过长时间低浓度发酵造成的样品污染，检测数据更可靠，可用于评估海底沉积物样品的生物气潜力。
91.具体地，本发明对某天然气水合物赋存区钻探所获的三个海底沉积物样品，采用上述的模拟装置进行微生物生烃模拟，包括以下步骤：
92.首先，对气源岩样品中本源厌氧菌种类和数量进行调查，确定了本源厌氧菌以海洋底栖群(marine benthic group)为主。
93.采用产甲烷菌富集培养基对调查确定的厌氧菌进行富集培养，培养温度为45℃。
94.采用悬浮接种技术，接种的厌氧菌为以醋杆菌(acetobacterales)、互营杆菌(syntrophobacterales)、甲烷八叠球菌(methanosarcinales)为主的高效产甲烷菌群，接种量为20％。
95.将海底沉积物样品、富集后的厌氧菌、产气培养液置入高压反应釜。
96.根据海底沉积物的原位温度和压力条件设定实验参数，进行产气。
97.对三个海底沉积物样品发酵90天，对生物产气量、单位气源岩产气量和单位有机质产气量进行测定，其中已扣除空白样(英文简称：ck，英文全称：control check)产气量。结果下表1所示。
98.表1本发明与常规方法产气效果对(以甲烷产量为评价指标)
[0099][0100]
需要说明的是，单位气源岩产气量＝气源岩产气量/气源岩重量；单位有机质产气量＝气源岩产气量/(气源岩重量
×
总有机碳toc(总有机炭)含量)。
[0101]
如表1所示，采用本发明的装置与方法，采用海底沉积物原位温度和压力条件开展实验，通过前期对产甲烷菌系的富集培养，大幅缩短了实验周期，产气量明显增加，减少了长时间低浓度发酵造成的样品污染，提高了检测数据可靠性。可用于海域水合物气源岩产气潜力评价和生物气成因的天然气水合物资源量估算。
[0102]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0103]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.一种用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，包括：反应容器，设置有反应腔、进气口和出气口；注气增压组件，与所述进气口连通；排气组件，与所述出气口连通；恒温水浴组件，用于控制所述反应容器的内部温度；其中，所述反应腔与所述进气口和出气口连通，所述反应腔用于放置待模拟物，所述注气增压组件与所述排气组件配合使用以控制所述反应容器的内部压力。2.根据权利要求1所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，所述反应容器包括：杯体；顶盖，盖设在所述杯体上；垫片，设置在所述杯体与所述顶盖之间，用于密封所述杯体与所述顶盖之间的间隙。3.根据权利要求1所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，所述注气增压组件包括：注气管路，一端与所述进气口连接；气源，与所述注气管路的另一端连接；第一控制阀，设置在所述注气管路上。4.根据权利要求3所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，所述注气增压组件还包括增压泵，所述增压泵设置在所述注气管路上。5.根据权利要求1所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，所述排气组件包括：排气管路，一端与大气连通，其另一端与所述出气口连接；第二控制阀，设置在所述排气管路上。6.根据权利要求1所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，所述反应容器内设置有恒温通道，所述恒温通道与所述反应腔不连通，所述恒温通道与所述恒温水浴组件连通。7.根据权利要求6所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，所述恒温通道设置有进水口和出水口，所述恒温水浴组件包括：循环管道，与所述进水口和所述出水口连通；控温件，设置在所述循环管道上。8.根据权利要求1所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，还包括搅拌组件，所述搅拌组件至少部分设置在所述反应容器内。9.根据权利要求1所述的用于微生物生烃的模拟装置，其特征在于，还包括监测组件，所述监测组件至少部分设置在所述反应容器内。10.一种模拟方法，其特征在于，所述模拟方法采用权利要求1至9中任一项所述的模拟装置，所述待模拟物为海底沉积物样品，包括以下步骤：步骤一，确定所述海底沉积物样品中本源厌氧菌的种类和数量；步骤二，采用产甲烷菌富集培养基对步骤一确定的所述本源厌氧菌进行富集培养；步骤三，将所述海底沉积物样品和产气培养液置入反应容器内；
步骤四，将步骤二得到的富集后的厌氧菌接种至所述反应容器内；步骤五，根据所述海底沉积物的原位温度和压力设定实验参数；步骤六，所述反应容器内产生气体；步骤七，将所述反应容器内的压力降低至实验设定压力；步骤八，收集所述反应容器内的气体；步骤九，计算所述反应容器内微生物的产气气量；其中，所述步骤二至步骤六在厌氧条件下进行。

技术总结
本发明提供了一种用于微生物生烃的模拟装置和模拟方法，模拟装置包括：反应容器，设置有反应腔、进气口和出气口；注气增压组件，与进气口连通；排气组件，与出气口连通；恒温水浴组件，用于控制反应容器的内部温度；其中，反应腔与进气口和出气口连通，反应腔用于放置待模拟物，注气增压组件与排气组件配合使用能够控制反应容器的内部压力。基于本发明的技术方案，恒温水浴组件能够通过控制反应容器的内部温度以模拟微生物生烃时的温度，注气增压组件与排气组件配合使用能够控制反应容器的内部压力以模拟微生物生烃时的压力。从而确保模拟装置能够准确地模拟微生物生烃时的原位温度和压力条件，以获得贴近实际的真实实验数据。以获得贴近实际的真实实验数据。以获得贴近实际的真实实验数据。


技术研发人员：孙长青 许科伟 郭嘉琪 郑旭莹 顾磊
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2023/9/13