《Process Safety and Environmental Protection》：Optimization and mechanistic analysis of guar gum fracturing fluid composition based on coalbed gas bioengineering
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煤层气生物工程协同黄原胶基水力压裂液优化研究。通过正交设计优化含黄原胶的压裂液配方，显著提升生物解吸效率，使甲烷产量提高19.11%，滞后期缩短至2.40天，同时降低煤湿度和核心损伤。微生物群落以水解菌和产酸菌为主，产甲烷菌基因表达增强，证实黄原胶基液可促进煤基质生物降解。
关永新|郭宏宇|张红|徐帅帅|范秦明|王海超|建国科|陈兆英|赵书峰
河南理工大学能源科学与工程学院，焦作454000，中国
摘要
为了实现煤层渗透率增强与煤层气生物工程的协同应用，本研究采用正交设计优化了一种基于瓜尔胶的压裂液。系统评估了优化后的压裂液对甲烷产率和厌氧消化过程中煤基质改性的影响。结果表明，甲烷产量提高了19.11%，滞后阶段缩短至2.40天。此外，该压裂液提高了微生物的可降解性，满足了有效破胶的粘度要求，同时降低了煤的润湿性并减少了岩心损伤。微生物作用进一步降解了煤结构。厌氧消化过程中溶解的有机物主要由芳香族蛋白质类物质、富里酸和可溶性微生物代谢产物组成。优化后的配方提高了蛋白质类物质的产率和底物降解能力。微生物群落以水解菌和产酸菌为主，如Proteiniphilum和Lascolabacillus，同时产乙酸甲烷菌Methanothrix的数量显著增加。这种代谢变化得到了参与糖酵解、Wood-Ljungdahl途径和CO2还原甲烷生成途径的关键基因上调的功能支持。本研究为瓜尔胶压裂液在生物驱动的煤层气开发中的应用提供了实验证据。
引言
煤层气（CBM）是一种重要的非常规天然气资源，其高效开发对于优化能源结构、确保能源安全以及实现灾害预防、温室气体减排和生态改善至关重要（Qiu等人，2024年）。CBM储层通常具有低渗透率、高泊松比、高杨氏模量和强异质性（Wang等人，2025年），其渗透率和孔隙度通常低于常规油气储层（Wang等人，2019年）。因此，有效开发主要依赖于水力压裂技术（Wang等人，2024a；Li等人，2025年）。常见的压裂液包括清水基压裂液和基于瓜尔胶（GG）的压裂液。虽然清水基压裂液粘度低且对储层的损伤较小，但存在较高的摩擦阻力、支撑剂携带能力不足、支撑剂沉降和堵塞问题，这些问题可能由于弱层理面的激活而限制裂缝的扩展（Li等人，2020a；Li等人，2022a）。
基于GG的压裂液含有增稠剂、交联剂、破胶剂和粘土稳定剂，因其出色的支撑剂携带能力和低流体损失而得到广泛应用，有助于扩展裂缝网络（Ma等人，2023年；Huang等人，2019年）。然而，在浅层煤层中，低温往往导致破胶不完全，显著降低回流水效率，并使残留的凝胶堵塞裂缝孔隙，最终降低储层渗透率（Huang等人，2021年）。目前改进破胶的方法主要集中在优化交联剂系统和修改GG分子结构上。例如，Yang等人通过水热法合成了层状α-Ni(OH)2光催化剂，有效提高了GG的光降解效率（Yang等人，2024年）。Zhou等人开发了一种适用于低渗透率储层的烷基胺改性GG基压裂液，表现出易于破胶、低残留物含量以及优异的热稳定性和剪切阻力、动态流体损失性能（Zhou等人，2023a）。
CBM的生成方式通常分为热成因型和生物成因型（Whiticar，1998年）。在粉河盆地（美国）、鄂尔多斯盆地（中国）和吉普斯兰盆地（澳大利亚）的煤层中发现了产甲烷古菌（Schweitzer等人，2018年；Tang等人，2012年；Midgley等人，2010年）。因此，将产甲烷微生物群落整合到压裂液中——即煤层气生物工程（CGB）——已成为一个有前景的研究方向（Zhou等人，2023b；Smith等人，2021年）。这种方法旨在通过微生物代谢和压裂液功能的协同作用，通过生物降解增强煤层的渗透率和生物气解吸（Su等人，2022年）。研究表明，添加特定表面活性剂可以降低液体表面张力，防止颗粒聚集，并促进微生物产气（Zhao等人，2025年）。此外，这些处理显著增加了煤层水中的微生物多样性，尤其是放线菌、Amicenantes和Planctomycetes的数量，这些微生物有利于CO2还原甲烷生成（Li等人，2020b；Li等人，2022b；Zhang等人，2022年），显示出巨大的应用潜力。然而，GG压裂液添加剂与微生物活性之间的协同机制及其对煤层中生物甲烷生成的影响仍不完全清楚。
本研究以褐煤为底物，使用富含微生物的矿井水作为接种剂，系统研究了不同压裂液添加剂（交联剂、润湿剂、粘土稳定剂）对厌氧消化（AD）气体产率的影响。通过单因素实验和正交实验优化了压裂液配方，并评估了优化前后流体性能和甲烷产率的变化，旨在为开发高效、低损伤且生物相容的CBM开发压裂液系统提供指导。
实验设计
样品采集与制备
样品取自内蒙古锡林浩特市胜利一号煤矿。样品在105°C下干燥3天，然后破碎并筛分至60–100目粒度范围，密封后储存备用。按照ISO 17247 2020和ISO 17246 2024标准分别进行了煤样的初步和最终分析。研究中使用的瓜尔胶购自山东鲁源石化有限公司，在使用前通过200目筛网进行筛分。
压裂液组分优化和甲烷产率模拟的实验设计
进行单因素实验以研究交联剂、润湿剂和粘土稳定剂对褐煤GG压裂液生物降解及相应甲烷产率的影响，旨在确定各因素的最佳用量。基于单因素实验结果，实施了正交实验设计，随后进行范围分析和方差分析，以评估组分优化的影响
结论
本研究通过正交实验设计优化了GG压裂液的组分比例，从而提高了煤层AD系统中的甲烷产率。优化后的压裂液不仅在标准粘度范围内表现出更好的破胶效率，还减少了煤储层的损伤。组分优化加速了液相中蛋白质类物质的生成，并有利地改变了微生物群落结构
CRediT作者贡献声明
关永新：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。郭宏宇：资源获取、方法学研究、资金申请。张红：实验研究。徐帅帅：项目管理。范秦明：数据管理。王海超：软件应用。建国科：数据分析。陈兆英：数据可视化。赵书峰：概念构思。王海超：软件支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42372202）、河南省自然科学基金青年科学基金（252300423928）、河南省自然资源科技创新“揭幕者”项目（2025–2）、国家煤炭与煤层气共采重点实验室开放基金（2024KF29）以及山西省基础研究计划（202503021211178）的支持。
