牛國斌 趙宇星 馬 凱

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 750000)

煤層氣含量測試貫穿了勘探開發(fā)的整個過程，其準(zhǔn)確性、可靠程度直接影響到勘探開發(fā)的規(guī)劃和決策。煤層氣含量測試中自然解吸量和殘余量測試方法較為直觀、準(zhǔn)確，而損失量無法測得，只能按照一些經(jīng)驗方式估算得出，導(dǎo)致估算損失量與實際損失量偏差較大，也是目前國內(nèi)煤層氣含量測試值普遍低于實際值的主要因素。

1 石嘴山礦區(qū)煤儲層基本特征

石嘴山礦區(qū)位于寧夏石嘴山市惠農(nóng)區(qū)，屬于華北陸塊鄂爾多斯西緣坳陷成礦帶，處于煤與瓦斯高突地帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層分布較密集，多以逆斷層為主。煤層賦存于山西-太原組地層，共有9層煤層，其中2號、3號、6號煤層屬于主采煤層， 厚度分別到達(dá)了3.19m、 7.02m和11.07m。煤層鏡質(zhì)組反射率為0.98%～1.07%，以1/3焦煤為主，氣煤和肥煤次之，屬中等變質(zhì)程度。煤巖類型以亮煤為主、暗煤次之，煤層割理較發(fā)育。煤層煤體結(jié)構(gòu)較破碎(圖1)，多以碎塊和粉狀存在，宏觀裂隙發(fā)育，各裂隙間連通性較好?？刹擅簩悠骄瑲饬繛?.4～12.6m3/t，瓦斯壓力為0.14～4.8MPa，煤的瓦斯放散初速度為3.5～16mmHg，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.073～0.99d-1，煤層滲透率為0.002～0.177×10-3μm2，煤堅固性系數(shù)為0.47～0.99，屬于松軟低滲透性煤層。自上世紀(jì)50年代開始采煤至今，在垂深430m處曾發(fā)生過一次較大的煤與瓦斯突出事故，這說明該地區(qū)煤層受擾動后，煤中的煤層氣初始釋放量較大，煤層氣的瞬間釋放能力也較強(qiáng)。

圖1 石嘴山礦區(qū)3號和6號煤層的煤心

2 煤層氣損失量計算方法及存在的問題

2.1 損失量的影響因素

損失量主要是在鉆探取心和煤樣裝罐過程中因自然解吸產(chǎn)生的散逸氣體，其解吸散逸量受到多種因素的影響，主要有以下幾種：①煤中含氣量和瓦斯壓力越大，損失量越大。②煤的原生結(jié)構(gòu)越破碎，粒徑越小，損失量越大。③煤的透氣性越好，損失量越大。④煤對煤層氣的放散初速度越大，損失量越大。⑤提心時間越長，損失量越大。⑥煤心出巖心筒時擾動破壞越大，損失越大。⑦裝罐時間越長，損失量越大。⑧解吸罐的氣密性越差，損失量越大。⑨取心現(xiàn)場氣壓越低，損失量越大。⑩取心現(xiàn)場氣溫越高，損失量越大。

范章群等通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，煤樣的自然解吸分為三個階段進(jìn)行，第一個階段是自提鉆之時就開始解吸煤層氣，出井口時解吸速率達(dá)到最大值，屬于解吸速率最快的一階段，隨后呈現(xiàn)逐漸衰減態(tài)勢(圖2)；第二階段是裝罐過程中的地面暴露階段，屬于解吸速率第二快的階段；第三階段是裝罐后的漫長解吸階段，是解吸速率最慢的一個階段。同時發(fā)現(xiàn)煤心解吸壓力從最高降至常壓的時間約為13min，且過程基本保持勻速下降。這一觀點與煤的自然解吸曲線特征和Langmuir方程原理異曲同工，均反映出了煤樣暴露初期放散速率最大。通常情況下，從提心到裝罐結(jié)束，一般需要10～20min，說明在裝罐完成之前，煤心解吸壓力已降至常壓，期間發(fā)生了大量的煤層氣解吸散逸，而且這個損失量發(fā)生的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裝罐后的解吸速率。

圖2 甲烷在不同三個階段的解吸速率

2.2 損失量的計算方法及存在的問題

圖3 裝罐前10min內(nèi)損失量曲線斜率對比

煤層氣損失量計算方法有多種，目前國內(nèi)通常采用GB/T 19559—2008中的USBM直接法(這里稱直線法)，這一方法是將符合自然對數(shù)解吸規(guī)律的初期階段進(jìn)行了直線化處理得出的結(jié)果，而實際上自然解吸曲線初期階段的曲線斜率較大。實際情況中應(yīng)該是損失量依舊遵守自然解吸規(guī)律中的累積解吸量與解吸時間成自然對數(shù)的關(guān)系，而非簡單的直線關(guān)系。從石嘴山礦區(qū)6號煤層實測自然解吸曲線函數(shù)與時間平方根直線函數(shù)的各自前10min曲線斜率可知(圖3)，以自然解吸曲線為規(guī)律，推算其在裝罐前10min內(nèi)的損失量變化曲線的斜率K為464.16，而以損失量與時間平方根成正比為規(guī)律，推算其在裝罐前10min內(nèi)的損失量變化規(guī)律曲線的斜率K=286.35，前者是后者的1.62倍,這就說明目前采用的時間平方根直線法估算出的損失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自然解吸規(guī)律下的實際損失量。這一問題其實很好理解，因為直線法采用的是解吸罐內(nèi)的解吸速率，而罐內(nèi)的解吸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裝罐前的解吸速率。

范章群和孫齊等的實驗結(jié)果也證明了直線法估算的損失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際損失量這一問題，尤其是對于破碎、小粒徑的煤與瓦斯突出的煤層，偏差更大。經(jīng)大量數(shù)據(jù)推演表明，自然對數(shù)法更符合石嘴山礦區(qū)的煤層氣損失量計算。

3 遵循自然解吸規(guī)律的損失量計算方法

3.1 自然對數(shù)法

這里先設(shè)定提心過程中煤心開始解吸到出井口的這段時間為T0，將出井口到裝罐完成這段時間設(shè)定為T1，損失量的累積時間設(shè)定為T2(T2=T0+T1)，裝罐后自然解吸時間為T3，設(shè)定T2時間對應(yīng)的累積解吸量Q2即為損失量。

煤心中的煤層氣自然解吸現(xiàn)象自提心過程中就已經(jīng)發(fā)生(圖2)，而在實際記錄的自然解吸曲線上是缺少裝罐前(損失時間內(nèi))的觀測點。我們在損失量計算時，需要在自然解吸累積曲線的最前端按一定的趨勢和規(guī)律擬合補(bǔ)充上損失時間內(nèi)的曲線形態(tài)，以擬合后的曲線函數(shù)(模型)為準(zhǔn)，將累積解吸時間T=45s時對應(yīng)的Q2值定為損失量。這里要說明為什么取T=45s，根據(jù)瓦斯放散初速度測定過程數(shù)據(jù)顯示，通常在初始45s內(nèi)的累積解吸量是相當(dāng)小的，多數(shù)都在0.01cm3/g級別，對氣含量值的影響十分小(圖4)，但在45s后的解吸量發(fā)生了大幅增加，接近1cm3/g的級別，這就是取T=45s的原因。

圖4 石嘴山礦區(qū)6煤瓦斯放散量曲線

在確定損失量計算模型之前，我們要明確一點，那就是模型的時間起算點。在測試獲得的自然解吸曲線中，時間為零時對應(yīng)的解吸量為零，但這個零時間僅僅為罐內(nèi)自然解吸的時間起點，并非煤樣實際發(fā)生的自然解吸時間點，也就是說煤樣的實際自然解吸時間起點應(yīng)該為T2，只是我們觀測到的解吸量為零而已。所以在擬合損失量計算模型時，自然解吸量為零時對應(yīng)的時間應(yīng)該是T2。按這個規(guī)律，在所有解吸量不變的情況下，將罐內(nèi)的自然解吸曲線沿著時間軸右移T2后進(jìn)行曲線擬合分析，并得出相應(yīng)的損失量計算模型，最后將時間T2帶入模型中得出的負(fù)數(shù)值，即為損失氣量Q2。

圖5 添加T2后6煤7號樣品的自然解吸曲線

3.2 計算結(jié)果分析

以石嘴山礦區(qū)某孔6煤的煤心為例，按照實際提心時間和裝罐時間，并結(jié)合本區(qū)6煤儲層壓力和臨界解吸壓力，確定T0=5min，T1=4min，T2=T0+T1=9min。最后將自然解吸數(shù)據(jù)中的累積時間全部加9min后生成曲線，采用線性回歸分析法得出自然解吸曲線函數(shù)，即為6煤損失量計算模型，如圖4所示。

從圖5可知，6煤7號樣品的損失量計算模型為Q=1639.5ln(T)-5465,擬合度R2=0.9887，模型可靠度較高。將T=45s帶入上述模型中，得出Q=-5936.65cm3即為損失氣含量。按照以上方法分別對每個樣品進(jìn)行損失量的建模計算，得出6煤樣品損失量計算結(jié)果如表1所示。

表1 石嘴山礦區(qū)6煤樣品自然對數(shù)法計算結(jié)果

將表1中自然對數(shù)法計算的損失量數(shù)據(jù)處理后，得出6號煤平均總含氣量為13.20cm3/g，比化驗測試的總含氣量9.45cm3/g增加了39.67%。這與淺部地段礦井開采中井下實測6煤平均含氣量約為12cm3/g比較相近，加之此次取樣深度比以往礦井開采深度增加了約350m，理論上煤層氣含量應(yīng)該大于以往6煤開采中井下實測值12cm3/g，這一計算結(jié)果恰好吻合這一規(guī)律，說明自然對數(shù)法估算損失量的方法更加符合本地區(qū)煤層特征。

4 結(jié)論

(1)煤樣裝罐前的解吸特點依舊遵循自然解吸規(guī)律，損失氣量的估算也應(yīng)該遵守自然解吸曲線的特征，而不是直接采用簡單的直線法。

(2)本地區(qū)煤層整體上較破碎，按照損失量的影響因素分析，煤樣在第一、二階段發(fā)生了大量的解吸，常用的直線法已不能完全適合損失氣量的估算了。

(3)經(jīng)過對石嘴山礦區(qū)6煤樣品損失量的建模計算，自然對數(shù)法估算值要比直線法估算值更準(zhǔn)確，更切合際情況。

(4)對于構(gòu)造煤的損失氣量計算時，因前期釋放速率更大，模型建立后根據(jù)構(gòu)造煤破壞程度，取T=10～40s之間的值進(jìn)行計算，會提高準(zhǔn)確率。