煤層瓦斯壓力快速測定技術應用研究

鄒永洺

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤層原始瓦斯壓力、煤層瓦斯含量和煤層透氣性系數等瓦斯參數是進行煤層瓦斯賦存與涌出規律研究的基礎，這些參數值的大小不但意味著煤層蘊藏瓦斯能力的強弱，而且它們作為煤層瓦斯突出危險程度和瓦斯抽采難易程度等重要指標，是進行礦井煤層瓦斯防治和礦井煤層瓦斯抽采設計的依據，快速準確測定瓦斯參數對煤礦安全生產起著至關重要的作用。目前，我國煤層瓦斯壓力測定對地質條件要求嚴格，同時測定時間長，一般都大于20 d，嚴重影響煤礦采掘工作的接替，尤其是對有突出危險的工作面來說準確快速的測定煤層瓦斯壓力尤為重要[1-2]。油氣井壓力恢復曲法線在確定地層壓力和儲層滲流參數等方面應用廣泛，采用油氣井壓力恢復曲線法可快速準確的測定出地層壓力。結合煤層的賦存特點，將油氣井壓力恢復曲線的成熟理論和基本公式應用到煤層瓦斯壓力測定中，構建用于煤層瓦斯壓力測定的煤層瓦斯壓力恢復曲線理論和方法，為快速準確測定煤層瓦斯壓力提供一種新的方法，縮短煤層瓦斯壓力測定所需時間，對提高煤礦生產效率有重要意義。

1 壓力恢復曲線理論基礎

1.1 油井壓力恢復曲線理論模型

在油井生產中，當油井以穩定產量開井生產一段時間后，如果將油井的地面井口關閉，然后測試井底恢復壓力與關井時間的關系，稱為壓力恢復曲線。壓力恢復曲線的理論首先在油井中應用，用于確定地層壓力、油井控制儲量等地層參數，并分析注水強度變化與工作狀況等，隨后壓力恢復曲線理論在氣井及瓦斯滲流領域開始應用，主要用于計算氣井地層壓力與儲層滲流參數等領域。

油井的壓力恢復曲線應用技術和基本公式是在無限大均質地層，流體徑向流動等假設條件，采用可壓縮流體的體積隨壓力的變化定律，物質不滅定律和達西定律，并進行一系列工程簡化推導[3-4]，基本公式如下：

式中：pt為關井t時間后井底流壓，MPa；p0為油層中原始地層壓力，MPa；q為生產井的穩定產量（地面值），m3/d；μ為流體黏度，MPa·s；B 為地層原油體積系數，無因次比值；K為油層對流體的有效滲透率，10-12m2；h為油層的有效厚度，m；T為生產井生產時間，min；t為關井時間，min。

1.2 天然氣井壓力恢復曲線理論模型

從油井的壓力恢復曲線理論模型推導過程來看，類似的模型在用于氣體壓力恢復計算時在理論上存在些問題，因為油井壓力恢復曲線理論模型的推導過程中曾假設所研究的流體具有很小的壓縮性，這一假設對于油井基本上是適合的，但對天然氣井而言則會有很大的出入。但從大量工程應用來看，在很多氣井中測得了大量的壓力恢復曲線，把這些氣井的壓力恢復曲線和油井的壓力恢復曲線進行對比后分析，在曲線的形態方程上，兩者基本上是相同的，凡是在油井中測得的壓力恢復曲線在氣井的壓力恢復曲線上幾乎應有盡有。另外大量研究中，也闡述了氣井壓力恢復曲線和油井壓力恢復曲線的相似性，并認為一般的油井壓力恢復曲線對氣井都可以相應的應用[3,5]。

天然氣井壓力恢復曲線模型的推導過程和油井壓力恢復曲線模型推導過程基本相同，天然氣井的壓力恢復曲線基本公式如下：

式中：pw為關井前的穩定井底流動壓力，MPa；qG為關井前穩定產氣量，在標準狀態下體積，m3/s；μG為天然氣在平均地層溫度下的黏度，MPa·s；KG為地層中天然氣有效滲透率，10-12m2；BG為天然氣在地層溫度和平均地層壓力下的體積系數，無因次；i為曲線斜率段的周期斜率，MPa/周期。

2 煤層瓦斯壓力恢復曲線理論模型

2.1 壓力恢復曲線應用于煤層瓦斯研究

煤層是由孔隙介質組成的煤基質和裂隙系統所組成的孔隙-裂隙結構，瓦斯主要以游離態和吸附態賦存于煤層中，其中游離態瓦斯賦存于煤層孔隙空間，吸附態瓦斯則存在于孔隙表面和結構內部，游離態瓦斯與吸附態瓦斯處于不斷交換的動平衡狀態。當煤礦井下鉆孔施工致使鉆孔周圍煤體卸壓后，動平衡狀態被打破，游離態瓦斯首先放散并沿煤層裂隙流動，該流動以滲流為主，符合Darcy定律；隨后在壓力梯度和濃度梯度的作用下，吸附態瓦斯解吸并在孔隙結構中流動，該流動以擴散為主，符合Fick定律。這樣大量吸附態瓦斯脫離煤層孔隙表面，進入孔隙裂隙并向鉆孔自由空間運移，整個過程屬于滲流—擴散2種性質流動的綜合作用[6]。

從油井和天然氣井的壓力恢復曲線理論模型推導過程來看，油井和天然氣井的基本微分方程、初始條件和邊界條件的設定也適用于煤層氣氣井及井下鉆孔的研究與應用，因此煤層氣及煤礦井下鉆孔能夠采用油氣井的壓力恢復曲線理論模型來計算煤層瓦斯壓力。但需特別注意的是，由于油氣井壓力恢復曲線推斷地層壓力的理論基礎是可壓縮液體向井筒作徑向流動，因此在煤礦井下應用壓力恢復曲線測定煤層瓦斯壓力時要注意鉆孔的施工設計應滿足本理論的前提條件，即測壓鉆孔為穿層孔[7-9]。

2.2 煤層瓦斯壓力恢復曲線模型

煤層瓦斯壓力恢復曲線的基本公式如下：

式中：Z為瓦斯壓縮系數；Tt為鉆孔內溫度，K；為鉆孔關閉前鉆孔孔口壓力即大氣壓力，MPa。

由上可知，在半對數坐標上把曲線的斜率線段無限接近于t′/（T′+t′）=1時，得到的壓力p′值即為地層壓力，并利用斜率段進行瓦斯壓力的推算，比正常瓦斯壓力自然平衡法測定瓦斯壓力的時間更短。

3 現場應用試驗

為驗證煤層瓦斯壓力恢復曲線法快速測定煤層瓦斯壓力的可行性，在淮南礦業集團潘一東礦等多個煤礦進行了現場應用試驗。

現場試驗主要進行2方面的對比研究內容：對煤層瓦斯壓力恢復曲線法測定煤層瓦斯壓力和常規法測定的煤層瓦斯壓力值進行對比分析，以驗證煤層瓦斯壓力恢復曲線法測定煤層瓦斯壓力的可行性；對煤層瓦斯瓦斯壓力恢復曲線法測定的煤層瓦斯壓力所需時間和常規法測定的煤層瓦斯壓力所需時間進行對比分析，以便檢驗2種測定方法測定時間的長短。

現場壓力測定嚴格按照AQ/T 1047-2007《煤礦進行煤層瓦斯壓力的直接測定方法》）進行煤層瓦斯壓力的測定，在進行煤層瓦斯壓力恢復曲線繪制時，分別采用常規自然平衡法進行繪制和采用煤層瓦斯壓力恢復曲線法進行繪制。由于現場試驗礦井較多，以潘一東礦的煤層壓力恢復曲線進行對比。2種方法測定的壓力恢復曲線如圖1，測定效果比較見表1。

圖1 2種方法測定的壓力恢復曲線

從圖1中采用煤層瓦斯壓力恢復曲線進行瓦斯壓力恢復曲線繪制，圖 1（b）和圖 1（d）曲線中明顯出現了斜率段，符合2.2節中的分析結果。從圖1和表1分析得出采用煤層瓦斯壓力恢復曲線法測定的煤層瓦斯壓力與常規方法測得的結果基本一致，兩者相差最大的為陶二煤礦2#煤層，2種測量方法測得的瓦斯瓦斯壓力相差0.04 MPa；瓦斯壓力測定誤差率最大的為葛店礦三2煤層，誤差率為3.6%，因此采用煤層瓦斯壓力恢復曲線法進行煤層瓦斯壓力測定時可行的。

對瓦斯壓力測定時間分析可知，采用煤層瓦斯壓力恢復曲線法可以在短時間內準確的測定出煤層瓦斯原始壓力，尤其是葛店礦三2煤，采用壓力恢復曲線法3 d可測定出煤層瓦斯壓力，而常規方法則需要34 d，兩者相差31 d，通過對現場試驗數據分析可知，采用煤層瓦斯壓力恢復曲線法可以在短時間內（為常規測壓時間的1/10~1/2）準確的測定出煤層瓦斯原始壓力，可大大縮短煤層瓦斯壓力測定所需時間，提高煤礦生產效率。

4 結語

1）根據壓力恢復曲線理論，介紹了了油氣井壓力恢復曲線理論模型，分析了油井壓力恢復曲線模型和氣井壓力恢復曲線模型的區別。

表1 2種不同方法測定效果比較

2）結合煤層瓦斯的儲存特征和流動機理，分析了將壓力恢復曲線應用于煤層瓦斯壓力測定的可行性和適用性，提出了煤層瓦斯壓力恢復曲線理論模型和計算煤層瓦斯壓力的新方法。

3）對煤層瓦斯壓力恢復曲線技術測定煤層瓦斯壓力進行了現場應用試驗，試驗結果表明，采用煤層瓦斯壓力恢復曲線法可以在短時間內（為常規測壓時間的1/10~1/2）準確的測定出煤層瓦斯原始壓力，最大誤差率為3.6%，因此采用煤層瓦斯壓力恢復曲線法進行煤層瓦斯壓力測定時可行的。由于試驗礦井數量相對較少，下一步要加大試驗礦井的數量，對煤層瓦斯壓力恢復曲線測定技術進行驗證。