煤層氣含量測試技術及測試質量影響因素分析

孔慶虎 宋洪柱

(中國煤炭地質總局第一勘探局地質勘查院，河北 056004)

煤層氣含量測試技術及測試質量影響因素分析

孔慶虎 宋洪柱

(中國煤炭地質總局第一勘探局地質勘查院，河北 056004)

煤層氣含量是煤層氣勘探過程中必須精確獲取的最重要的煤儲層參數之一，是決定一個區塊的煤層氣資源能否進行商業化勘探開發的先決條件。本文介紹了目前中國煤層氣含量測試技術、測試設備及國內外研究歷程，并結合實際測試經驗，提出按照國家標準進行氣含量測試時仍會產生較大誤差。從觀測數據的準確性等方面入手，定性分析了實際測試過程中影響觀測質量的因素和誤差產生的原因，提出了減少誤差、準確獲取煤層氣含量參數的完善措施，對煤層氣含量精確測試提出了新的建議。

煤層氣含量 解吸 影響因素 儲層溫度 損失氣 吸附時間

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

煤層氣含量是評價煤層氣儲層最重要的參數之一，是計算煤層氣資源量、儲層模擬和預測氣井產量的重要儲層參數，是決定一個區塊煤層氣資源能否進行商業化勘探開發的先決條件，其測試結果將直接影響到煤層氣田進一步的勘探開發。

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，直接測量從煤樣中實際解吸出的氣體體積，確定氣含量和氣成分。間接法是在實驗室測定煤的等溫吸附常數等數據，在現場實測(或推算)煤層氣體壓力，然后利用有關公式計算煤層氣含量。參照美國礦業局直接法，我國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。煤層氣含量測試的主要成果參數有損失氣含量、解吸氣含量、殘余氣含量、吸附時間、氣成分等。

1 煤層氣含量測試技術

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備進場守煤。安裝調試儀器設備進入工作狀態，解吸罐試壓檢測氣密性，解吸儀裝水檢測密閉性，恒溫水浴設置為儲層溫度。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，同時記錄相關參數。

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

1.2 殘余氣測定

自然解吸結束后，選取部分煤樣稱重，裝入球磨罐破碎2～4小時，放入恒溫水浴觀測讀數并記錄，按24小時的間隔進行解吸測定，結束點同自然解吸。

1.3 計算損失氣

損失氣的計算采用直接法，根據解吸初期解吸量與時間平方根成正比，以標準狀態下累計解吸氣量為縱坐標，以損失氣時間與解吸時間和的平方根為橫坐標，將最初在一條直線上的各點連線并延長與縱坐標軸相交，截距即為損失氣量。

1.4 計算煤層氣含量及吸附時間

自然解吸和殘余氣測定觀測的體積要進行標準狀態校正，換算為0℃、101.325kPa狀態下的體積。煤層氣含量結果有空氣干燥基、干燥無灰基兩種計算基準，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。

吸附時間是指樣品所含總氣量氣體被解吸出63.2%體積時所用的時間，單位為天。首先計算出總氣量63.2%所對應的氣體體積，計算各實測數據點的時間和標準狀況下累計氣體體積，然后在累計解吸曲線圖上找出總氣量63.2%所對應的區間，在區間內用直線內插法計算總氣量63.2%對應的時間即吸附時間。

2 煤層氣含量測試主要儀器

2.1 解吸罐

解吸罐用于密封煤芯樣品，結構包括罐體、罐蓋、壓力表、閥門、O形密封圈等，材質有鋁合金、不銹鋼、PVC(聚氯乙烯樹脂)等。解吸罐中煤樣不滿罐時需要置入適量填料，用以填充罐內空體積，主要有塑料、玻璃等不對煤層氣產生吸附作用的材質。快速解吸罐內還需置入磨球，用于粉碎煤樣。

2.2 解吸儀

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

圖1 兩種解吸儀結構示意圖

2.3 氣壓計、溫度計及恒溫水浴

氣壓表用于測量大氣壓力，量程60kPa～106kPa，分度值0.1kPa。

溫度計用于測量環境溫度，量程 －30℃ ～80℃。

恒溫水浴用于控制及監測煤樣解吸溫度，溫度控制誤差范圍±1℃。

3 國內外研究歷程

上世紀70年代，法國學者依據解吸初期解吸量與時間平方根成正比，可以外推解吸初期數據估算損失氣體積，首次提出了直接法(Direct Method)并用于計算不同采煤階段礦井瓦斯濃度。

直接法被美國礦業局(USBM)很好地應用于煤層氣含量測試中，并提出了解吸結束的標準。上世紀80年代之后，美國礦業局提出改進的直接法(Modified Direct Method)并作為操作標準執行。改進的直接法取消了排水法測量氣體體積的裝置，使用了電子壓力傳感器及數字顯示裝置，煤層氣含量測試技術日臻成熟，實現了煤層氣的商業化開發。澳大利亞以美國礦業局改進的直接法為基礎，制定了澳大利亞標準法，提出了快速破碎解吸法。

中國于上世紀90年代開始引進美國的煤層氣測試技術和測試設備，國內不少專家對中國煤層氣解吸特征及規律進行了研究，探索適合中國煤田地質條件的測試技術和勘探開發理論，并于2004年制定了煤層氣含量測定方法的國家標準，現行國家標準版本是GB/T19559－2008《煤層氣含量測定方法》。

李小彥分析了測試環節的最佳實施尺度，探討了各測試參數間的關系。

徐成法等在室內模擬了鉆井繩索取芯提鉆過程中的煤芯解吸規律，獲取了解吸曲線特征，對比了四種估算損失氣的方法。

鄧澤等研究了解吸測試過程中溫度、損失氣時間、損失氣計算方法等因素對損失氣量估算的影響。

張慧等研究了解吸溫度、觀測頻率、解吸終止限等因素對解吸時長的影響，提出了縮短解吸周期的合理途徑。

龐湘偉以煤層氣含量快速測定法與自然解吸法的對比試驗結果為依據，建立了煤層氣含量快速測定法，縮短了測試周期。

中國目前大量使用的煤層氣含量測試儀器比較簡易，國內尚無煤層氣含量測定中觀測值的影響因素分析等相關方面的相關研究論文。

4 測試影響因素及誤差分析

4.1 測試環境溫度的影響

自然解吸及殘余氣測試均在恒溫水浴設置的儲層溫度下進行，所觀測的氣體體積要進行標準狀態校正。校正公式認為觀測到的氣體的溫度是環境溫度即Pm。在實際測試中，由于是間歇排氣觀測排出的氣體體積，觀測時間較短，通常只有幾秒鐘，可以認為煤樣及其解吸排出氣體的溫度均為儲層溫度(恒溫水浴設定值)，當環境溫度與儲層溫度不一致時，根據熱力學原理，解吸排出的氣體要與環境進行熱量交換，而在較短時間內不能達到熱量平衡，故其實際溫度可能不是環境溫度，因此按照環境溫度進行校正得到的結果必然存在誤差。環境溫度與儲層溫度溫差越大時，產生的誤差也就越大。例如冬季在山西某煤田進行解吸測試時，氣溫與儲層溫度的溫差甚至高達50℃以上，根據理想氣體狀態方程，其觀測誤差可高達10%以上。

4.2 解吸罐內壓力累積的影響

解吸氣體體積觀測采取間歇式，在觀測間隔時間段內解吸罐內累積壓力會減緩吸附氣解吸擴散速度，延長到達解吸結束點所需的時間，作為測試結果之一的吸附時間必然被延長。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，罐內壓力累積使每次觀測值偏小，從而以此計算出的損失氣值也會偏小。

4.3 煤芯上提速度的影響

煤層氣含量測試用煤樣一般是繩索取芯獲得，根據國家標準，煤層氣開始解吸的時刻(零時刻)為煤芯提升至井筒深度一半時。計算損失氣時假定繩索取芯煤芯上提速度恒定，零時刻即煤芯提升時間的一半時。實際提芯使用的是鋼絲繩絞車，卷軸的轉速(角速度)可以認為是恒定的，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。煤芯提升時間的一半時提升深度低于井深一半，可以認為此時未到零時刻，煤芯未開始解吸。由公式計算出的損失氣值會偏大。

4.4 損失氣時間對吸附時間的影響

吸附時間是表征氣體從基質中解吸出來快慢的定量指標。根據吸附時間的定義和計算方法，煤層氣解吸速率越快則吸附時間越短，解吸速率越慢則吸附時間越長。根據累計解吸量曲線可知，煤芯樣品在自然解吸過程中，初始解吸速率最快，并逐漸變慢，末期解吸速率最慢。對同一樣品來說，損失氣時間必然會影響自然解吸開始時的解吸速率，損失氣時間長則計算所得的吸附時間也長，損失氣時間短則計算所得的吸附時間也短。煤層氣含量較低時，損失氣含量所占總氣量的比重大，損失氣時間對吸附時間的影響更大。

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產生自由體積，罐內排出氣體為煤層氣與空氣的混合氣體，導致氣成分檢測結果不準確。

當水浴溫度與外界溫度差異較大時，解吸罐置入水浴后罐內空氣體積會受熱迅速膨脹，導致初始排出的氣體體積觀測值變大，自由體積越大則影響越大。

4.6 解吸儀裝置的影響

解吸儀使用時量筒中充滿水，進入量筒的解吸氣體排開水，水液面指示氣體體積值。解吸氣體中部分水溶性氣體會溶于水中，造成觀測的氣體體積值變低，如CO2、H2S、SO2氣體等，煤層氣氣成分的測試結果也必然會受到影響。體積置換的方法測量氣體體積，每次讀數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會結冰，可能損壞儀器或導致無法測試。

4.7 人工觀測的影響

氣體體積需要人工觀測記錄，量筒刻度最低分度為5ml，由于人眼的觀測能力有一定的局限性，所以在量筒液面照準、讀數方面都會產生誤差。觀測者的工作態度和技術水平也對觀測值的準確性有直接影響。所以人工觀測也會產生誤差，而且解吸測試工作持續時間較長，工作效率低。

5 結論及建議

(1)嚴格按照國家標準進行煤層氣含量測試時，由于環境溫度、間歇讀數、繩索提芯速度、裝罐速度、解吸儀器等多種因素的存在，仍會對測試質量產生影響，造成測試結果誤差。為保證測試質量，應在執行國家標準的基礎上，結合實際測試情況，探索精確獲取煤層氣含量的完善措施。

(2)建議將解吸場所環境溫度及水浴溫度均控制為儲層溫度，觀測氣體體積標準狀態校正使用的環境溫度改為儲層溫度。

(3)建議解吸初期每個解吸罐配一套解吸儀，保持連接進行常壓連續解吸、連續讀數，并及時平衡液面保證罐內壓力為大氣壓力，防止罐內壓力積累。

(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，減少損失氣時間。

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

(6)研制新型自動化無水解吸儀器，以提高儀器精度，避免解吸儀中的水低溫結冰，消除人眼觀測誤差，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，First Prospecting Bureau，China Coal Geology Administration，Hebei 056004)

孔慶虎，男，山東濰坊人，助理工程師，從事煤層氣勘探開發及煤田地質研究工作。

(責任編輯 劉 馨)