煤層氣含量密閉取心測定裝置及測試技術

摘 要：為了解決煤層氣含量損失氣估算不準的問題，研制了煤層密閉取芯煤層氣含量測試裝置，該裝置采用模塊化設計、雙筒單動結構，解體性好、便于拆卸和維護，與各種鉆機、鉆具、泥漿泵、氣體解吸儀等設備的配套。在國內2個煤礦區井下試驗45組和地面進行2口井的對比試驗，密閉取芯測試結果比繩索取芯/傳統瓦斯測試結果高出25.35%以上，對于松軟和煤體結構較破碎煤層，其測試結果高出繩索取芯/傳統測試結果的35.48%以上，密閉取心測試結果將更好。研究表明：煤層氣含量密閉取心測試技術革新了煤層氣取芯工藝，克服了常規取芯方法的不足之處，縮短了暴露時間，最大限度地避免了甲烷氣體損失，簡化了測試工藝，提高煤層氣含量測試精度;通過現場實踐該技術的應用可以提高瓦斯含量測試數據的可靠性。

關鍵詞：煤層氣;氣含量測試;密閉取芯，損失氣

中圖分類號：TD 84 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0407 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0603-07

Abstract： In order to solve the problem of inaccurate estimation of methane content loss gas，a methane content testing device with sealed coring is developed.The device adopts modular design，double barrel single action structure，good disassembly，easy disassembly and maintenance，and is compatible with various drilling rigs，drilling tools，mud pumps and other equipment.Comparing 45 groups of underground test and 3 wells on the ground in 2 coal mine areas in China，the result of closed coring test is more than 25.35% higher than that of rope coring/traditional gas test，and the result of closed coring test is 35.48% higher than that of rope coring/traditional testing for soft and fractured coal seams.It will be better in content sealed coring.The results show that methane content closed coring technology has innovated methane coring technology，overcomes the shortcomings of conventional coring methods，shortens the exposure time，avoids the loss of methane gas to the greatest extent，simplifies the testing process，and improves the accuracy of methane content testing.Improve the reliability of gas content test data.

Key words：methane;coalbed gas content test;sealed coring;lost gas

0 引 言

煤層氣（瓦斯）含量測定是煤層氣資源勘探、開發以及礦井瓦斯綜合治理等領域一項重要工作，準確獲取煤層氣含量數據對評價煤層氣資源量、編制煤層氣資源開發方案以及礦井開采設計、礦井通風、瓦斯災害綜合治理意義重大。煤層（瓦斯）氣含量主要由解吸氣、損失氣和殘余氣3部分組成。其中解吸氣和殘余氣實測獲取，而損失氣是估算所得，實踐中煤層實際氣含量與勘探測得的氣含量存在較大誤差，主要原因是損失氣估算不準。在測定過程中，煤芯樣品采取是關鍵環節，取心質量好壞直接關系到煤層氣含量測定的成功與否和準確程度。現階段煤層氣含量測定方法推廣的3個國家標準：第1個國家標準就是GB/T19559-2008《煤層氣含量測定方法》[1]，該標準主要引進美國天然氣研究所的“直接法”和國內煤層的地質特征制定，行業內稱之為“自然解吸法”[2];第2國家標準就是 GB/T23250-2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》，該標準沿用了煤田勘探的測定原理，在煤礦煤田勘探較為普遍，一般也稱“地勘法”[3];第3國家標準為GB∕T28753-2012《煤層氣含量測定加溫解吸法》，該標準主要是針對自然解吸法時間過長而改變解吸溫度，使解吸的周期變短從而盡早的得出煤層氣含量，為勘探和開發提供技術支撐[4-5]。隨著科學技術的進步和材料不斷更新，國內外針對煤層氣含量測試展開了大量研究工作，李紅濤和齊黎明等學者設計了單管卸壓取芯器，改進和優化了脫氣和碎煤過程的氣含量測定，提高了傳統煤層氣含量的精度[6-7]。袁亮利用取芯內管裝入煤樣室和粘液室，將粘液密在煤層中封密封取樣器來提高煤層氣含量[8]。陳紹杰設計反轉取芯裝置使煤層取樣過程中的暴露時間明顯減少，避免了損失氣量[9]。景興鵬研究了瓦斯機械密閉取芯的基本原理和測定技術工藝[10-12]。胡千廷、鄒銀輝等學者建立了5類損失量推算模型，來解決直接法煤層瓦斯含量測定中取芯工藝、損失量推算模型等影響并提出將煤樣粉碎進行瓦斯含量直接測定的方法[13-15]。還有一些學者對于非常規油氣田的鉆孔進行了密閉取芯技術探討和研究[16-18]，分析研究了石油鉆探中液態包裹樣品的密閉取芯裝置的基本原理和最新技術方法[19-21]。文中主要針對煤層氣含量精度不高而研制煤層密閉取芯裝置，對裝置的結構和原理以及各個部件組成進行詳細論述，并對煤層含量測試進行試驗驗證，研究和探討了煤層氣含量密閉取心測定裝置及測試技術研究。

1.1 煤層氣含量密閉取芯裝置的基本參數

煤層氣含量密閉取心裝置直徑100 mm，全長136 cm.該裝置主要由取心內筒、投球裝置、液壓總成、外套總成、底噴式PDC取心鉆頭以及鉆桿轉接頭等構件組成。其中，取心內筒、液壓總成、投球裝置等構件安裝在密閉取心裝置內部。密閉取心裝置各組件技術參數見表1.

1.2 煤層氣含量密閉取芯裝置的基本構件

1.2.1 外套總成和取心鉆頭

外套總成置于密閉取心裝置最外層，包括外套筒和外套軸承組等。外套筒前端通過絲扣安裝127 mm底噴式PDC取心鉆頭，末端通過轉接頭與鉆桿相連，如圖1所示。外套筒一方面保護內置的取心內筒和液壓總成，另一方面連接鉆桿傳輸動力，帶動鉆頭取心鉆進。

1.2.2 取心內筒

取心內筒全長108 cm，由密閉球閥、球閥轉接頭、取心筒管、解吸連接閥門以及定位銅套等組成，如圖2所示。取心內筒前端通過轉接頭安裝密閉球閥，取心筒管在取心過程中收集煤芯，取心鉆進結束后，液壓推動筒推動密閉球閥截斷煤芯和將煤芯密閉在取心筒管內。取心筒管末端安裝有解吸閥門，可兼作瓦斯罐，密閉球閥關閉過程同時關閉解吸閥門，取心結束后無需煤樣裝罐即可連接氣含量測試設備進行現場解吸和脫氣。取心內筒末端通過絲扣與投球裝置的球座相連，一并安裝于液壓總成內，在取心鉆進過程中不隨外套筒一起轉動。

1.2.3 雙筒單動、液壓推動系統

液壓總成位于取心內筒外層，由液壓筒、液壓筒軸承以及銷釘等組成，如圖3所示。液壓總成末端由銷釘固定在投球裝置的管路卡槽中，前端與推桿相連，其中推桿與取心內筒球閥的開關接觸（圖1）。液壓總成與推桿主要用來傳遞泥漿泵壓力，在取心鉆進結束后關閉球閥開關，將煤芯和解吸的煤層氣密閉在取心筒管內部。雙筒單動結構（外筒與鉆頭鉆桿轉動，取心內筒與液壓筒不動）保持樣品的完整性、避免煤芯被破壞。液壓推動技術指標就是液壓筒推動力大于6 MPa，根據煤的硬度安裝剪切銷釘和密封圈的數量，控制液壓筒關閉密閉剪切球閥所需的壓力，從而根據煤礦不同煤層的硬度確定液壓推動壓力。

1.2.4 聯動機構的設計與研發

投球裝置位于密閉取心裝置末端，由球座、投球管路和橡膠球等組成，球座安裝于投球管路前端，并與取心內筒絲扣連接，其底部對稱分布4個導水孔，用于取心鉆進過程泥漿循環，球座在投球關閉過程中接收橡膠球。投球管路上對稱分布液壓軸承卡槽，用于安裝并固定液壓筒軸承。投球裝置被安裝在液壓筒內，在取芯過程中取芯內筒不隨外套筒旋轉鉆進，投球裝置的動力是由鉆井泥漿液傳導并提供;在取芯鉆進結束后取心內筒的密閉剪切球閥與解吸球閥同時關閉，同時，聯動機構保證了鉆進過程中鉆井液的排出，保證煤樣能夠順利進入取心筒內部，聯動機構的設計與研發促進了煤層取心和解吸一體化。

2 煤層密閉取芯的基本原理及特點

煤層氣含量密閉取芯的基本原理就是減少煤樣的暴露時間，在煤層中直接鉆進并將煤樣裝入取芯內筒中，在通過泥漿傳送媒介將封堵球將煤樣封閉在取芯內筒中，取出取芯內筒，連接氣體解吸儀就可以解吸，并將后期煤樣進行殘余氣或者脫氣，從而得到煤層煤樣的氣含量結果。

煤層氣含量密閉取心裝置主要適用于煤層氣和瓦斯煤層氣含量密閉取心測試。密閉取心可以有效縮短煤樣暴露時間，減少了提鉆和煤樣裝罐環節造成的瓦斯損失，從而使得氣含量測試結果更加準確可靠。與傳統的煤層取心裝置相比，其具有以下特點。①采用雙筒單動結構;②取芯內筒的密閉狀態是由鉆機泥漿泵和鉆井液共同完成;③煤層密閉取芯裝置便攜安全高效。

3 煤層密閉取芯裝置的試驗及效果檢驗

3.1 煤層密閉取芯試驗步驟

3.1.1 非取心鉆進

在鉆前準備完畢后，架設鉆機并安裝破碎鉆頭（113 mm）對目標煤層進行非取心鉆進，達到設計孔深（30 m）后停鉆并快速退出鉆具。

3.1.2 密閉取心

換裝密閉取心裝置迅速送至孔底，并進行取心鉆進，取樣過程為水力排渣，達到取樣長度（0.8 m），后停止鉆進，并提鉆20～30 cm;此時由孔外水便-鉆桿接口處投入橡膠球，泥漿泵加壓至3.5～4.0 MPa，驅動液壓裝置關閉取心內筒球閥。之后提鉆至孔口，取出取心內筒進行氣密性檢查。在此過程中，詳細記錄換裝密閉取心裝置時間、取心鉆進時間和投球關閉時間。

3.1.3 普通繩索取芯或傳統井下瓦斯取芯

按照2個煤層取芯國家標準進行取芯，一般換裝普通取心筒（89 mm）迅速送至孔底，并進行取心鉆進，達到取心長度（1 m）后停鉆并迅速將取心筒提至井口，取出煤樣并裝罐密封，取樣過程中為壓風排渣。在此過程中，詳細記錄換取心筒時間、取心鉆進時間、提鉆時間和煤樣裝罐時間。

3.1.4 氣含量測試

將氣密性測試合格的取心內筒和裝罐樣品，分別進行現場氣體解吸，并做好解吸記錄。將煤樣密封進行自然解吸、后期脫氣和殘余氣測定，并最終測算出不同取心條件下煤層氣含量值。

3.2 煤層密閉取芯試驗及驗證

試驗選取山西煤層氣資源豐富的晉城礦區和具有極大煤層氣開發潛力的安徽淮北礦區。晉城礦區是屬高瓦斯礦井，主要是對山西組3#煤層進行開發和利用，3#煤層硬度較高的無煙煤，大部分屬于原生結構，且煤層中的甲烷含量比較高;淮北礦區是屬中-高瓦斯礦井，主要是對山西組10#煤層進行開發和利用，10#煤層為松軟的肥煤，大部分屬于碎裂結構，且煤層中的甲烷含量相對較高。

由于密閉取芯方法是在煤層中直接密閉采取樣品的方法，因此煤層氣含量Q=Q解+Q殘二者之和，而傳統和繩索取芯的煤層氣含量Q=Q損+Q解+Q殘三者之和[10]。晉城礦區和淮北礦區地面煤層氣井的繩索取芯的兩種方法氣含量測試的自然解吸氣和損失氣的等測試結果對比見表2.從表2可知，晉城區塊繩索取芯的損失氣含量為0.87～1.37 cm3/g，平均為1.18 cm3/g，自然解吸氣含量為16.64～17.83 cm3/g，平均為16.68 cm3/g，與密閉取芯方法對比結果可知，氣含量的差距主要是損失氣和自然解吸氣的差別，這2個部分的差異是密閉取芯氣含量比繩索取芯氣含量高出較多。晉城區塊2種方法的自然解吸氣含量的柱狀對比如圖4所示，密閉取芯的自然解吸含量比繩索取芯氣含量多出5.68 cm3/g，比繩索取芯的測試值高出34%;淮北區塊繩索取芯的損失氣含量為0.27～0.59 g，平均為0.35 cm3/g，自然解吸氣含量為753～9.24 cm3/g，平均為8.22 cm3/g，與密閉取芯方法對比結果可知，氣含量的差距主要是損失氣和自然解吸氣的差別，這2個部分的差異是密閉取芯氣含量比繩索取芯氣含量高出較多，其淮北區塊2種方法的自然解吸氣含量的柱狀對比如圖4所示，密閉取芯的自然解吸含量比繩索取芯氣含量多出3.33 cm3/g，比繩索取芯的測試值高出41%.因此對于煤層較破碎的淮北區塊，其繩索取芯的測試方法測試值與密閉取芯測試值差距更大。同時其殘余氣的測值來分析，其2個方法的差值不明顯;根據測試的解吸時間結果可知，2種方法的測試時間差別不大，可以說2種方法的核心就是自然解吸氣含量和損失氣含量的計算。

同時對于煤層氣氣含量的繩索取芯測試方法，其國家標準的損失氣測算方法只要是依據直線截距方法進行測算，但隨著煤層氣含量測試的精度要求越來越高，因此現有的煤層氣含量損失氣含量測算應給予重視，密閉取芯方法測試結果進一步反證了煤層氣損失氣含量的測定不夠準確。從表2可知，晉城區塊和淮北區塊殘余氣的估算值分別為1.18和0.35 cm3/g，其估算值原小于2種自然解吸氣含量的差值（晉城區塊與淮北區塊兩種方法自然解吸差值分別為5.64和3.33 cm3/g）。因此密閉取芯的氣含量值明顯高于繩索取芯方法的測值。

結合煤礦井下的煤層氣含量測試結果與地面煤層氣井的測定結果進行綜合對比性試驗，對45組井下煤層氣含量測定數據進行氣體體積、壓力和時間等參數的校正，計算得出2種測定方法的井下煤層瓦斯含量，結果見表3;對地面3口煤層氣井進行了10組煤層氣含量的對比分析，計算出的煤層氣含量結果見表3.

從表3可知，晉城礦區3#煤層的地面煤層氣井密閉取心測試獲得的氣含量為22.65 cm3/g，繩索取芯測試方法獲得的氣含量為18.07 cm3/g，前者比后者高出25.35%;煤礦井下密閉取心測試獲得的氣含量為16.48 cm3/g，傳統瓦斯測試方法獲得的氣含量為13.11 cm3/g，前者比后者高出2571%;地面煤層氣井密閉取心測試獲得的氣含量為11.76 cm3/g，繩索取芯測試方法獲得的氣含量為8.68 cm3/g，前者比后者高出35.48%;煤礦井下密閉取心測試獲得的氣含量為2188 cm3/g，傳統瓦斯測試方法獲得的氣含量為15.67 cm3/g，前者比后者高出39.63%.

綜合分析研究，密閉取心測試方法比繩索取芯/傳統測試方法的測試結果有比較大提高，煤層氣含量比繩索取芯/傳統測試結果提高了25.35%以上;對于煤體結構較好且塊柱狀硬度較高無煙煤的密閉取芯，其測定結果可以提高結果的25%;對于煤體結構較破碎的松軟肥煤的密閉取芯，其測定結果可以提高結果的35%.而且對于無煙煤和肥煤該裝置也有較好的適應性，同時可以大大提高煤層氣含量測定精度。綜合取心技術參數和氣含量測試結果，研制的礦井煤層密閉取芯裝置達到設計要求，取芯過程中各組件運轉正常，密閉效果良好。與繩索取芯/傳統取芯測試方法相比，技術優勢明顯，對準確測定煤層氣含量意義重大。

4 結 論

1）2個典型煤礦礦區的密閉取芯煤層氣含量測試結果比繩索取芯/傳統瓦斯含量測試結果高出25.35以上，對于淮北礦區松軟煤層和煤體結構比較破碎的煤層，密閉取心測試結果將更好，其測試結果可能高出繩索取芯/傳統測試結果的35%以上;

2）密閉取心方法實現了在煤層內煤芯采集密閉取芯技術，該裝置研制了雙筒單動結構，由外套總成（外筒）、取心內筒以及液壓總成等組成，裝置操作簡單，堅固耐用，具有較強的井下環境適應性。通過井下煤層密閉取芯試驗，各項技術指標均達到設計要求;

3）煤層氣含量密閉取心測試技術革新了煤層氣取芯工藝，克服了常規取芯方法的不足之處，縮短了煤芯的暴露時間，最大限度地減少了取心過程中的甲烷氣體損失，簡化了煤層氣含量測試過程，提高煤層氣含量測試成果的真實性和準確性。與普通取心方法相比，技術優勢明顯。

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