孔慶虎 宋洪柱

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北 056004)

煤層氣含量測(cè)試技術(shù)及測(cè)試質(zhì)量影響因素分析

孔慶虎 宋洪柱

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北 056004)

煤層氣含量是煤層氣勘探過(guò)程中必須精確獲取的最重要的煤儲(chǔ)層參數(shù)之一，是決定一個(gè)區(qū)塊的煤層氣資源能否進(jìn)行商業(yè)化勘探開(kāi)發(fā)的先決條件。本文介紹了目前中國(guó)煤層氣含量測(cè)試技術(shù)、測(cè)試設(shè)備及國(guó)內(nèi)外研究歷程，并結(jié)合實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，提出按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣含量測(cè)試時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生較大誤差。從觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等方面入手，定性分析了實(shí)際測(cè)試過(guò)程中影響觀測(cè)質(zhì)量的因素和誤差產(chǎn)生的原因，提出了減少誤差、準(zhǔn)確獲取煤層氣含量參數(shù)的完善措施，對(duì)煤層氣含量精確測(cè)試提出了新的建議。

煤層氣含量 解吸 影響因素 儲(chǔ)層溫度 損失氣 吸附時(shí)間

Abstract:Gas content of CBM is one of the most important parameters of coal reservoir，which should be obtained accurately in the CBM prospecting process．It is a prerequisite condition for determining whether the CBM resources in a block can be commercially explored or developed．The paper described the current testing technique and equipment for testing gas content of CBM in China，as well as the progress of research in this field at home and abroad．Based on practical experiences with testing，the authors consider that if the gas content is tested according to the national standards in China the error would be high．In view of the accuracy of the observed data，the paper has made a qualitative analysis of factors which affect the quality of observation in the process of actual testing，and points out the reasons for these errors．The paper has proposed measures for reducing errors and obtaining accurately the parameter of gas content．New suggestions are made for accurate testing of gas content．

Keywords:CBM gassiness;desorption;the influencing factors;reservoir temperature;loss gas;absorption time

煤層氣含量是評(píng)價(jià)煤層氣儲(chǔ)層最重要的參數(shù)之一，是計(jì)算煤層氣資源量、儲(chǔ)層模擬和預(yù)測(cè)氣井產(chǎn)量的重要儲(chǔ)層參數(shù)，是決定一個(gè)區(qū)塊煤層氣資源能否進(jìn)行商業(yè)化勘探開(kāi)發(fā)的先決條件，其測(cè)試結(jié)果將直接影響到煤層氣田進(jìn)一步的勘探開(kāi)發(fā)。

確定煤層氣含量的方法有兩類，直接法和間接法。直接法即解吸法，是采取煤芯樣品裝入密封罐中，直接測(cè)量從煤樣中實(shí)際解吸出的氣體體積，確定氣含量和氣成分。間接法是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤的等溫吸附常數(shù)等數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)(或推算)煤層氣體壓力，然后利用有關(guān)公式計(jì)算煤層氣含量。參照美國(guó)礦業(yè)局直接法，我國(guó)煤層氣勘探中最常用的是鉆孔煤芯煤樣自然解吸法，煤層氣含量為損失氣、解吸氣和殘余氣三部分氣量之和。煤層氣含量測(cè)試的主要成果參數(shù)有損失氣含量、解吸氣含量、殘余氣含量、吸附時(shí)間、氣成分等。

1 煤層氣含量測(cè)試技術(shù)

1.1 鉆孔煤芯樣品采集及自然解吸

鉆孔鉆遇煤層前，樣品采集人員及合格的設(shè)備進(jìn)場(chǎng)守煤。安裝調(diào)試儀器設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，解吸罐試壓檢測(cè)氣密性，解吸儀裝水檢測(cè)密閉性，恒溫水浴設(shè)置為儲(chǔ)層溫度。繩索取芯獲取煤芯后，選取煤樣，稱重，迅速裝罐密封，放入恒溫水浴中，同時(shí)記錄相關(guān)參數(shù)。

密封好的解吸罐放入恒溫水浴后連接到解吸儀，解吸氣體進(jìn)入量筒，平衡量筒與錐形瓶液面，按照要求的時(shí)間間隔觀測(cè)讀數(shù)并記錄到自然解吸記錄表，同時(shí)記錄環(huán)境溫度、大氣壓力。自然解吸結(jié)束點(diǎn)是連續(xù)7天平均每天解吸量不大于10cm3。

1.2 殘余氣測(cè)定

自然解吸結(jié)束后，選取部分煤樣稱重，裝入球磨罐破碎2～4小時(shí)，放入恒溫水浴觀測(cè)讀數(shù)并記錄，按24小時(shí)的間隔進(jìn)行解吸測(cè)定，結(jié)束點(diǎn)同自然解吸。

1.3 計(jì)算損失氣

損失氣的計(jì)算采用直接法，根據(jù)解吸初期解吸量與時(shí)間平方根成正比，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下累計(jì)解吸氣量為縱坐標(biāo)，以損失氣時(shí)間與解吸時(shí)間和的平方根為橫坐標(biāo)，將最初在一條直線上的各點(diǎn)連線并延長(zhǎng)與縱坐標(biāo)軸相交，截距即為損失氣量。

1.4 計(jì)算煤層氣含量及吸附時(shí)間

自然解吸和殘余氣測(cè)定觀測(cè)的體積要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)校正，換算為0℃、101.325kPa狀態(tài)下的體積。煤層氣含量結(jié)果有空氣干燥基、干燥無(wú)灰基兩種計(jì)算基準(zhǔn)，總氣量等于損失氣含量、解吸氣含量、殘余氣含量三部分之和。

吸附時(shí)間是指樣品所含總氣量氣體被解吸出63.2%體積時(shí)所用的時(shí)間，單位為天。首先計(jì)算出總氣量63.2%所對(duì)應(yīng)的氣體體積，計(jì)算各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)狀況下累計(jì)氣體體積，然后在累計(jì)解吸曲線圖上找出總氣量63.2%所對(duì)應(yīng)的區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)用直線內(nèi)插法計(jì)算總氣量63.2%對(duì)應(yīng)的時(shí)間即吸附時(shí)間。

2 煤層氣含量測(cè)試主要儀器

2.1 解吸罐

解吸罐用于密封煤芯樣品，結(jié)構(gòu)包括罐體、罐蓋、壓力表、閥門、O形密封圈等，材質(zhì)有鋁合金、不銹鋼、PVC(聚氯乙烯樹(shù)脂)等。解吸罐中煤樣不滿罐時(shí)需要置入適量填料，用以填充罐內(nèi)空體積，主要有塑料、玻璃等不對(duì)煤層氣產(chǎn)生吸附作用的材質(zhì)?？焖俳馕迌?nèi)還需置入磨球，用于粉碎煤樣。

2.2 解吸儀

解吸儀用于計(jì)量解吸罐中解吸出的煤層氣體積，其結(jié)構(gòu)包括量管、鐵架臺(tái)、錐形瓶等，原理均為排水集氣法體積置換測(cè)量氣體體積，主要有兩種型式如圖1。

圖1 兩種解吸儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 氣壓計(jì)、溫度計(jì)及恒溫水浴

氣壓表用于測(cè)量大氣壓力，量程60kPa～106kPa，分度值0.1kPa。

溫度計(jì)用于測(cè)量環(huán)境溫度，量程 －30℃ ～80℃。

恒溫水浴用于控制及監(jiān)測(cè)煤樣解吸溫度，溫度控制誤差范圍±1℃。

3 國(guó)內(nèi)外研究歷程

上世紀(jì)70年代，法國(guó)學(xué)者依據(jù)解吸初期解吸量與時(shí)間平方根成正比，可以外推解吸初期數(shù)據(jù)估算損失氣體積，首次提出了直接法(Direct Method)并用于計(jì)算不同采煤階段礦井瓦斯?jié)舛取?/p>

直接法被美國(guó)礦業(yè)局(USBM)很好地應(yīng)用于煤層氣含量測(cè)試中，并提出了解吸結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。上世紀(jì)80年代之后，美國(guó)礦業(yè)局提出改進(jìn)的直接法(Modified Direct Method)并作為操作標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。改進(jìn)的直接法取消了排水法測(cè)量氣體體積的裝置，使用了電子壓力傳感器及數(shù)字顯示裝置，煤層氣含量測(cè)試技術(shù)日臻成熟，實(shí)現(xiàn)了煤層氣的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。澳大利亞以美國(guó)礦業(yè)局改進(jìn)的直接法為基礎(chǔ)，制定了澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)法，提出了快速破碎解吸法。

中國(guó)于上世紀(jì)90年代開(kāi)始引進(jìn)美國(guó)的煤層氣測(cè)試技術(shù)和測(cè)試設(shè)備，國(guó)內(nèi)不少專家對(duì)中國(guó)煤層氣解吸特征及規(guī)律進(jìn)行了研究，探索適合中國(guó)煤田地質(zhì)條件的測(cè)試技術(shù)和勘探開(kāi)發(fā)理論，并于2004年制定了煤層氣含量測(cè)定方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)版本是GB/T19559－2008《煤層氣含量測(cè)定方法》。

李小彥分析了測(cè)試環(huán)節(jié)的最佳實(shí)施尺度，探討了各測(cè)試參數(shù)間的關(guān)系。

徐成法等在室內(nèi)模擬了鉆井繩索取芯提鉆過(guò)程中的煤芯解吸規(guī)律，獲取了解吸曲線特征，對(duì)比了四種估算損失氣的方法。

鄧澤等研究了解吸測(cè)試過(guò)程中溫度、損失氣時(shí)間、損失氣計(jì)算方法等因素對(duì)損失氣量估算的影響。

張慧等研究了解吸溫度、觀測(cè)頻率、解吸終止限等因素對(duì)解吸時(shí)長(zhǎng)的影響，提出了縮短解吸周期的合理途徑。

龐湘?zhèn)ヒ悦簩託夂靠焖贉y(cè)定法與自然解吸法的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，建立了煤層氣含量快速測(cè)定法，縮短了測(cè)試周期。

中國(guó)目前大量使用的煤層氣含量測(cè)試儀器比較簡(jiǎn)易，國(guó)內(nèi)尚無(wú)煤層氣含量測(cè)定中觀測(cè)值的影響因素分析等相關(guān)方面的相關(guān)研究論文。

4 測(cè)試影響因素及誤差分析

4.1 測(cè)試環(huán)境溫度的影響

自然解吸及殘余氣測(cè)試均在恒溫水浴設(shè)置的儲(chǔ)層溫度下進(jìn)行，所觀測(cè)的氣體體積要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)校正。校正公式認(rèn)為觀測(cè)到的氣體的溫度是環(huán)境溫度即Pm。在實(shí)際測(cè)試中，由于是間歇排氣觀測(cè)排出的氣體體積，觀測(cè)時(shí)間較短，通常只有幾秒鐘，可以認(rèn)為煤樣及其解吸排出氣體的溫度均為儲(chǔ)層溫度(恒溫水浴設(shè)定值)，當(dāng)環(huán)境溫度與儲(chǔ)層溫度不一致時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)原理，解吸排出的氣體要與環(huán)境進(jìn)行熱量交換，而在較短時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到熱量平衡，故其實(shí)際溫度可能不是環(huán)境溫度，因此按照環(huán)境溫度進(jìn)行校正得到的結(jié)果必然存在誤差。環(huán)境溫度與儲(chǔ)層溫度溫差越大時(shí)，產(chǎn)生的誤差也就越大。例如冬季在山西某煤田進(jìn)行解吸測(cè)試時(shí)，氣溫與儲(chǔ)層溫度的溫差甚至高達(dá)50℃以上，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，其觀測(cè)誤差可高達(dá)10%以上。

4.2 解吸罐內(nèi)壓力累積的影響

解吸氣體體積觀測(cè)采取間歇式，在觀測(cè)間隔時(shí)間段內(nèi)解吸罐內(nèi)累積壓力會(huì)減緩吸附氣解吸擴(kuò)散速度，延長(zhǎng)到達(dá)解吸結(jié)束點(diǎn)所需的時(shí)間，作為測(cè)試結(jié)果之一的吸附時(shí)間必然被延長(zhǎng)。樣品裝罐解吸初期排出氣體以游離氣為主，氣體放出速度最快，罐內(nèi)壓力累積使每次觀測(cè)值偏小，從而以此計(jì)算出的損失氣值也會(huì)偏小。

4.3 煤芯上提速度的影響

煤層氣含量測(cè)試用煤樣一般是繩索取芯獲得，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，煤層氣開(kāi)始解吸的時(shí)刻(零時(shí)刻)為煤芯提升至井筒深度一半時(shí)。計(jì)算損失氣時(shí)假定繩索取芯煤芯上提速度恒定，零時(shí)刻即煤芯提升時(shí)間的一半時(shí)。實(shí)際提芯使用的是鋼絲繩絞車，卷軸的轉(zhuǎn)速(角速度)可以認(rèn)為是恒定的，隨著鋼絲繩的卷入，卷軸半徑增大，煤芯提升速度(卷軸線速度)加快。煤芯提升時(shí)間的一半時(shí)提升深度低于井深一半，可以認(rèn)為此時(shí)未到零時(shí)刻，煤芯未開(kāi)始解吸。由公式計(jì)算出的損失氣值會(huì)偏大。

4.4 損失氣時(shí)間對(duì)吸附時(shí)間的影響

吸附時(shí)間是表征氣體從基質(zhì)中解吸出來(lái)快慢的定量指標(biāo)。根據(jù)吸附時(shí)間的定義和計(jì)算方法，煤層氣解吸速率越快則吸附時(shí)間越短，解吸速率越慢則吸附時(shí)間越長(zhǎng)。根據(jù)累計(jì)解吸量曲線可知，煤芯樣品在自然解吸過(guò)程中，初始解吸速率最快，并逐漸變慢，末期解吸速率最慢。對(duì)同一樣品來(lái)說(shuō)，損失氣時(shí)間必然會(huì)影響自然解吸開(kāi)始時(shí)的解吸速率，損失氣時(shí)間長(zhǎng)則計(jì)算所得的吸附時(shí)間也長(zhǎng)，損失氣時(shí)間短則計(jì)算所得的吸附時(shí)間也短。煤層氣含量較低時(shí)，損失氣含量所占總氣量的比重大，損失氣時(shí)間對(duì)吸附時(shí)間的影響更大。

4.5 解吸罐自由體積的影響

解吸罐不能被煤樣完全充滿會(huì)產(chǎn)生自由體積，罐內(nèi)排出氣體為煤層氣與空氣的混合氣體，導(dǎo)致氣成分檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。

當(dāng)水浴溫度與外界溫度差異較大時(shí)，解吸罐置入水浴后罐內(nèi)空氣體積會(huì)受熱迅速膨脹，導(dǎo)致初始排出的氣體體積觀測(cè)值變大，自由體積越大則影響越大。

4.6 解吸儀裝置的影響

解吸儀使用時(shí)量筒中充滿水，進(jìn)入量筒的解吸氣體排開(kāi)水，水液面指示氣體體積值。解吸氣體中部分水溶性氣體會(huì)溶于水中，造成觀測(cè)的氣體體積值變低，如CO2、H2S、SO2氣體等，煤層氣氣成分的測(cè)試結(jié)果也必然會(huì)受到影響。體積置換的方法測(cè)量氣體體積，每次讀數(shù)均需平衡水位以消除靜水壓差的影響，操作繁瑣，不利于野外施工。另外，解吸儀中的水在低溫時(shí)會(huì)結(jié)冰，可能損壞儀器或?qū)е聼o(wú)法測(cè)試。

4.7 人工觀測(cè)的影響

氣體體積需要人工觀測(cè)記錄，量筒刻度最低分度為5ml，由于人眼的觀測(cè)能力有一定的局限性，所以在量筒液面照準(zhǔn)、讀數(shù)方面都會(huì)產(chǎn)生誤差。觀測(cè)者的工作態(tài)度和技術(shù)水平也對(duì)觀測(cè)值的準(zhǔn)確性有直接影響。所以人工觀測(cè)也會(huì)產(chǎn)生誤差，而且解吸測(cè)試工作持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，工作效率低。

5 結(jié)論及建議

(1)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行煤層氣含量測(cè)試時(shí)，由于環(huán)境溫度、間歇讀數(shù)、繩索提芯速度、裝罐速度、解吸儀器等多種因素的存在，仍會(huì)對(duì)測(cè)試質(zhì)量產(chǎn)生影響，造成測(cè)試結(jié)果誤差。為保證測(cè)試質(zhì)量，應(yīng)在執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際測(cè)試情況，探索精確獲取煤層氣含量的完善措施。

(2)建議將解吸場(chǎng)所環(huán)境溫度及水浴溫度均控制為儲(chǔ)層溫度，觀測(cè)氣體體積標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)校正使用的環(huán)境溫度改為儲(chǔ)層溫度。

(3)建議解吸初期每個(gè)解吸罐配一套解吸儀，保持連接進(jìn)行常壓連續(xù)解吸、連續(xù)讀數(shù)，并及時(shí)平衡液面保證罐內(nèi)壓力為大氣壓力，防止罐內(nèi)壓力積累。

(4)建議繩索取芯選用提升速度快且提升速度恒定的絞車。煤芯提升至地面后盡可能快地裝罐解吸，減少損失氣時(shí)間。

(5)建議煤樣裝罐時(shí)盡量裝滿至離罐口附近，減少罐內(nèi)自由氣體，或者罐內(nèi)充滿水，以消除自由體積并可以模擬原始儲(chǔ)層條件，更真實(shí)的反映煤在儲(chǔ)層含水條件下的解吸規(guī)律。

(6)研制新型自動(dòng)化無(wú)水解吸儀器，以提高儀器精度，避免解吸儀中的水低溫結(jié)冰，消除人眼觀測(cè)誤差，提高工作效率。

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Gas Content Testing Technology and Analysis of Factors Influencing the Quality of Testing

Kong Qinghu，Song Hongzhu
(Geological Exploration Institute，F(xiàn)irst Prospecting Bureau，China Coal Geology Administration，Hebei 056004)

孔慶虎，男，山東濰坊人，助理工程師，從事煤層氣勘探開(kāi)發(fā)及煤田地質(zhì)研究工作。

(責(zé)任編輯 劉 馨)