煤層氣含量測試方法進程分析

張俊凡,傅雪海,周榮福

(1.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 221008;2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇 221116)

煤層氣含量測試方法進程分析

張俊凡1,2,傅雪海1,2,周榮福1,2

(1.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 221008;2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇 221116)

本文介紹了我國在煤田地質探勘不同階段所使用的瓦斯 (煤層氣)含量測試方法,并對測試方法的進程進行了對比分析,總結了不同測試方法的優缺點,指出G B/T 19559-2008測試煤層氣含量精度較高。

煤層 瓦斯 (煤層氣)含量 測試方法 進程分析

我國從新中國成立至今,一直在進行煤層瓦斯(煤層氣)含量測定方法的研究,在不同煤炭地質勘探時期和煤層氣勘探開發階段使用了不同的測定方法,目的在于更準確地測定煤層瓦斯 (煤層氣)含量。

1 測試方法

我國煤田地質勘探階段煤層氣含量測試方法大致經歷了真空罐法、集氣法和解吸法3個階段。

早在20世紀30年代,人們就已開始探索煤層氣含量測試方法。最早采用的是密封容器法,即從井下或地勘鉆孔中采取新鮮煤樣,放進密封容器內,然后送進實驗室進行真空加熱脫氣。真空罐法是采用真空罐進行采樣,此方法出現于20世紀50年代中期,并在當時得以廣泛應用。為了考慮采樣過程中的瓦斯損失量,需要將測定結果予以校正。由于煤類、損失時間等原因,采樣過程中損失的瓦斯量相差懸殊,密封容器法因難于校正其測試結果不久即為集氣法所淘汰[1]。

1.2 集氣法

20世紀50年代中期,出現了適于在地質勘探鉆孔中采樣的專門儀器,如密閉式巖芯采取器、集氣式巖芯采取器、冷凍式巖芯采取器等。密封式巖芯采取器是在鉆孔鉆取煤芯后,利用煤芯管上下兩端的活門及其附屬結構,將含有瓦斯的煤芯嚴密封閉在煤芯管內,待鉆具提升至孔口后,在保持煤芯管密封狀態下將其送到實驗室進行真空脫氣。因其結構復雜,在生產中難于推廣應用[2-3]。集氣式巖芯采取器與普通煤芯管不同之處是在煤芯采取器上部安裝有帶閥門的集氣室,用來收集煤芯在提升過程中解吸出來的氣體。鉆具提升到地面之后,卸下裝有瓦斯及煤芯的帶集氣室的取樣器,保持密封狀態下送到實驗室,脫氣方式與密封式巖芯采取器相同。集氣式巖芯采取器因其構造相對簡單,在使用和維護上也較容易,在上世紀60年代得以廣泛應用[3]。

1.3 解吸法

1970年法國人Bertard首次提出解吸法,以后在美國礦業局加速甲烷排放項目研究中采用了此法。其后,美國礦業局又做了關鍵性的修改和完善,也被稱為美國礦業局直接法[4]。其具體方法是利用普通煤芯管鉆取煤芯,當煤芯提取出孔口后,用密封罐裝取含瓦斯煤樣,利用解吸儀測定煤樣瓦斯解吸量隨解吸時間的變化規律,并根據煤樣暴露時間計算采樣過程中損失的瓦斯量,然后將測完解吸規律的仍裝有煤樣的密封罐送到實驗室,測定煤芯中殘存瓦斯含量。該方法測定的煤層含氣量由三階段氣量構成,即逸散氣量、解吸氣量和殘余氣量,其中的自然瓦斯解吸是在煤儲層溫度條件下進行的。此方法簡單、經濟,經試驗證明其測定精度也可以滿足地勘要求,在美國得到了廣泛的應用。

我國煤炭科學總院撫順分院在我國部分煤田測試應用基礎上,于1978～1982年開展了“解吸法測定煤層瓦斯含量”的研究,在美國礦業局直接法的基礎上又做了一些改進[5],1984年制定了《煤層瓦斯含量和成份測定方法 (解吸法)》煤炭行業標準 (MT/T77-84)[6]。縮短了野外瓦斯解吸測定的時間,由原來需要幾周的時間縮短為2小時,減少了恒溫裝置,由儲層溫度下解吸改為當時地表(先是在地表水溫下)溫度下解吸,并相應地改變了實驗室的測定方法,還進一步完善了測定中所用的測試儀器,并使之標準化。這樣,既方便了野外地勘工作,又能滿足煤層瓦斯含量測試的基本要求,在上世紀80年代得以廣泛應用。

(3) 試驗前鋼管與核心混凝土具有良好的黏結性能；試件破壞后，通過鐵錘敲擊鋼管表面，發現鋼管根部區域的脫黏現象嚴重。

解吸法在我國煤田地質勘探部門得到了廣泛的推廣和應用,并一直沿用至今。在解吸法的實際應用過程中,有關單位和部門結合實際地質勘探情況,對煤層瓦斯 (煤層氣)含量測定標準MT/T77 -84進行了修改和完善,依次制定了如下標準: MT/T77-94、G B/T19559-2004、AQ1046-2007、G B/T19559-2008、G B/T23249-2009[7～11]。G B/ T19559-2008現作為我國煤田地質勘探鉆孔,尤其是煤層氣勘探中進行煤層含氣量測定的最新標準。

2 煤層氣含量測試主要影響因素

從上述測試方法可以看出,煤層氣含量測試主要影響因素表現在損失時間、損失量推算方法和解吸時間與溫度幾方面。

2.1 損失時間

損失時間直接關系著損失氣量的計算,損失時間越長,損失氣量越多,推算的損失量誤差也就越大。如果采樣時間過長,損失氣量過多,可能會導致現場解吸氣量很少,甚至解吸不出瓦斯,以致無法推算損失氣量。在損失氣量小于總含氣量20%時,依據現場解吸值推算損失量較準確,這就要求采樣時間、裝灌時間要盡可能地短,以便縮短損失量時間。另外,我國煤層氣含量測試方法 (G B/ T23249-2009)規定鉆井介質為清水或泥漿時,煤芯提升至鉆孔一半的時間作為瓦斯損失的零時間,此規定基于我國煤層瓦斯壓力隨深度線性增大的一般規律,認為大致處于孔深一半位置處煤芯瓦斯壓力等于外部泥漿壓力,往上提升,煤芯瓦斯開始解吸[5]。然而,我國不同礦區瓦斯壓力梯度存在差異,并且不同深度瓦斯壓力梯度不同,如果在瓦斯壓力梯度異常的地區同樣采用,勢必會造成損失氣量推算值大大偏離實際值。因煤樣在鉆孔中解吸的零時間未能準確確定,因此計算的損失氣量僅是估算。

2.2 損失量推算方法

目前,煤樣在鉆孔提升過程中漏失的瓦斯量是利用現場測定煤樣瓦斯解吸規律推算的,此方法假定煤樣在最開始的瓦斯解吸量隨解吸時間的平方根呈線性關系。然而,煤樣在鉆井介質與在空氣介質中的解吸特性不同,顯然,利用煤樣在空氣介質中的瓦斯解吸規律去推算煤樣在鉆井介質提升過程中所損失的瓦斯量勢必會存在誤差。此外,不同煤類的物性,尤其是孔、裂隙特征差異很大,初始解吸階段的解吸速度相差也很大。如我國的褐煤解吸時幾乎沒有氣,大部分在提升和裝灌過程中漏失。因此,這些方法不適應于低煤級煤。

2.3 解吸溫度

隨溫度的升高,解吸速率增大,隨溫度降低,解吸速率減小。在我國煤田地質勘探階段野外現場進行煤層瓦斯解吸過程中,解吸溫度受周圍環境溫度影響較大,這樣,造成了不同地區測試的瓦斯解吸速率差別很大,從而造成損失量氣推算值的偏差。

3 測試方法對比研究

MT/T77-84與 G B/T19559-2008標準最具代表性,其區別主要體現在以下幾個方面:

3.1 階段含氣量構成

MT/T77-84由四部分組成,即損失氣量、現場2小時解吸氣量、真空加熱脫氣量以及粉碎脫氣量;G B/T19559-2008由三階段氣量構成,即逸散氣量、解吸氣量和殘余氣量。

MT/T77-84現場2小時解吸氣量只是 G B/ T19559-2008測定解吸氣量的一部分,且不是在儲層溫度下測得的。由于煤層氣在不同溫度下的解吸速率不同,因此,由現場2小時解吸氣量推算的損失氣量與 G B/T19559-2008的逸散氣量也存在差別。

3.2 鉆井介質

MT/T77-84為泥漿,要求提取煤芯前要將鉆孔灌滿泥漿;G B/T19559-2008為清水、泥漿、泡沫或空氣。

3.3 樣品

MT/T77-84樣品重量為 300～400g,G B/ T19559-2008為1500～2000g;MT/T77-84方法同一煤層采樣較少,1～2個,G B/T19559-2008要求同一煤層每1m至少取樣一次。

3.4 提煤芯要求

MT/T77-84要求提鉆過程因故障停頓時間不超過10～15min,煤芯在空氣中暴露時間不超過10～15min;G B/T19559-2008規定了井深每100m提芯時間不得超過2min,煤芯在空氣中暴露時間不超過10min。

3.5 自然解吸溫度

MT/T77-84是在溫度不穩定的條件下進行的,開始是在地表水溫下解吸,然后是在當地氣溫下解吸,盡管密封罐要求防凍,解吸溫度受周圍環境影響較大;G B/T19559-2008是在溫度穩定 (儲層溫度)的條件下進行的,即在恒溫箱中進行解吸。

3.6 解吸測定時間間隔及解吸中止時間

MT/T77-84測定間隔時間規定第一點間隔2min,以后每隔3～5min讀數1次,1小時后,每10～20min讀數1次,現場解吸2小時后中止,如果樣品含氣量很低,可視情況提前中止解吸;G B/ T19559-2008測定時間間隔為裝罐結束第一次5min內測定,以后每10min、15min、30min、60min間隔各測定1小時,然后120min測定2次,累計滿8小時后可視解吸罐的壓力表確定適當的解吸時間間隔,最長為24小時,自然解吸持續到連續7天每天平均解吸量小于或等于10cm3,或在一周內每克樣品的解吸量平均小于0.05cm3/d,結束解吸測定。

4 煤層氣含量測試方法進程分析

隨煤田地質勘探的實際需要及科技發展,我國煤層瓦斯 (煤層氣)含量測試方法一直在不斷改進和完善。本文對煤層瓦斯 (煤層氣)含量測試的幾種典型方法列表進行了對比分析 (表1)。

由以上分析可知,我國煤田地質勘探過程中煤層瓦斯 (煤層氣)含量測試方法的改進一方面體現為煤芯采集設備和含氣量測試儀器趨向于操作便捷和精密、精確的方向發展。另一方面從縮短損失氣量時間和損失氣量的計算方法及技術方面進行改進,從而實現損失氣量的精確計算。煤層氣含量的測定集基礎理論和方法技術為一體,需要在測試方法和儀器設備上配套發展,從而使煤層氣含量測試數據更接近真實。

5 測試誤差分析

真空罐法在采樣過程中造成部分瓦斯逸散,損失氣量難以估算,導致測試結果偏離實際值較大;集氣法能收集煤芯在提鉆過程中泄露出的大部分氣體,其測值比較接近實際值;解吸法是目前我國煤田地質勘探部門最常用的煤層氣含量測定方法,從地勘解吸法多年來的應用情況統計分析結果看,比早期采用的真空罐法、集氣法在測試成功率、測值可靠性方面有較大幅度的提高;G B/T19559-2008測試煤樣量大、同一煤層測量次數多,且在儲層溫度下解吸,煤層氣含量測定的精度高。

表1 煤層瓦斯 (煤層氣)含量測試方法的對比

6 小結

真空罐法、集氣法、解吸法測試煤層氣含量均有一定的局限性。但解吸法,尤其是G B/T19559-2008標準測試結果更接近實際值。為更準確地測試煤層氣含量,應綜合考慮煤樣所處的具體地質條件及其自身特性,使用多種方法對同一煤樣進行測試并加以對比,計算MT/T77-84測定的煤層含氣量與G B/T19559-2008標準之間的修正系數,加強不同介質中煤層瓦斯 (煤層氣)解吸規律的研究,更準確地推算煤層瓦斯 (煤層氣)損失量。

[1] 焦作礦業學院瓦斯地質研究室.瓦斯地質概論[M].北京:煤炭工業出版社,1990.120～126.

[2] 柴登榜.礦井地質工作手冊 [M].北京:煤炭工業出版社,1984.449～452.

[3] 陳大力,陳樣.對我國煤層瓦斯含量測定方法的評述 [J].煤礦安全,2008.

[4] F.N K issell,Meculloch.The Direct Method of Determining Methane Content of Coalbeds for Ventilation Design.U.S.Bureau of Mines Report of Invstigations, RI7767,1973.

[5] 賈東旭,王兆豐,袁軍偉等.我國地勘解吸法存在的問題分析 [J].煤炭科學技術,2006,34(4):88 -90.

[6] 中華人民共和國煤炭工業部標準.煤層瓦斯含量和成份測定方法 (解吸法)(MT/T77-84).北京:煤炭工業出版社,1983.

[7] 中華人民共和國煤炭行業標準.《煤層氣測定方法(解吸法)》(MT/T77-94).中華人民共和國煤炭工業部.

[8] 中華人民共和國國家標準,《煤層氣含量測定方法》(G B/T19559-2004),中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會發布.

[9] 中華人民共和國安全生產行業標準,《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》 (AQ1046-2007),國家安全生產監督管理總局發布.

[10] 中華人民共和國國家標準,《煤層氣含量測定方法》(G B/T19559-2008),中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會發布.

[11] 中華人民共和國國家標準,《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》 (G B/T23249-2009),中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會發布.

(責任編輯 劉 馨)

The Process Analysis of Coalbed Meathane Content Measurement Methods

Zhang Junfan1,2,Fu Xuehai1,2,Zhou Rongfu1,2
(1.Key laboratory of Ministry of Coalbed Methane Resources&Reservoir Formation Process, Jiangsu 221008;2.The School of Resources and Geoscience,China University of Mining and Technology,Jiangsu 221116.)

This paper introduces the measurement methods of gas(coalbed methane)content at different stages of the coal geological exploration in China,further compares the processof these measurement methods. After analyzing the advantages and disadvantages of different measurement methods,the authors point out that G B/T 19559-2008 makes higher accuracy in testing the coalbed methane content.

Coal bed;gas(coalbed methane)content;measurement methods;process analysis

國家重點基礎研究發展規劃項目-“973”煤層氣項目 (2009CB219605)、國家自然科學基金項目 (40730422和40872104)、油氣重大專項 (2008ZX05034)和2008年度江蘇省高校“青藍工程”青年學術帶頭人項目資助

張俊凡,男,河南駐馬店人,中國礦業大學礦產普查與勘探碩士生,研究方向煤層氣地質。