關于石嘴山礦區煤層氣含量測試中損失量計算的探討

牛國斌 趙宇星 馬 凱

(寧夏回族自治區煤炭地質調查院，寧夏 750000)

煤層氣含量測試貫穿了勘探開發的整個過程，其準確性、可靠程度直接影響到勘探開發的規劃和決策。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、準確，而損失量無法測得，只能按照一些經驗方式估算得出，導致估算損失量與實際損失量偏差較大，也是目前國內煤層氣含量測試值普遍低于實際值的主要因素。

1 石嘴山礦區煤儲層基本特征

石嘴山礦區位于寧夏石嘴山市惠農區，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。區內地質構造較復雜，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， 厚度分別到達了3.19m、 7.02m和11.07m。煤層鏡質組反射率為0.98%～1.07%，以1/3焦煤為主，氣煤和肥煤次之，屬中等變質程度。煤巖類型以亮煤為主、暗煤次之，煤層割理較發育。煤層煤體結構較破碎(圖1)，多以碎塊和粉狀存在，宏觀裂隙發育，各裂隙間連通性較好。可采煤層平均含氣量為3.4～12.6m3/t，瓦斯壓力為0.14～4.8MPa，煤的瓦斯放散初速度為3.5～16mmHg，鉆孔流量衰減系數為0.073～0.99d-1，煤層滲透率為0.002～0.177×10-3μm2，煤堅固性系數為0.47～0.99，屬于松軟低滲透性煤層。自上世紀50年代開始采煤至今，在垂深430m處曾發生過一次較大的煤與瓦斯突出事故，這說明該地區煤層受擾動后，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。

圖1 石嘴山礦區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煤的原生結構越破碎，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取心現場氣壓越低，損失量越大。⑩取心現場氣溫越高，損失量越大。

范章群等通過模擬試驗發現，煤樣的自然解吸分為三個階段進行，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到最大值，屬于解吸速率最快的一階段，隨后呈現逐漸衰減態勢(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。同時發現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，期間發生了大量的煤層氣解吸散逸，而且這個損失量發生的速率遠遠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解吸規律的初期階段進行了直線化處理得出的結果，而實際上自然解吸曲線初期階段的曲線斜率較大。實際情況中應該是損失量依舊遵守自然解吸規律中的累積解吸量與解吸時間成自然對數的關系，而非簡單的直線關系。從石嘴山礦區6號煤層實測自然解吸曲線函數與時間平方根直線函數的各自前10min曲線斜率可知(圖3)，以自然解吸曲線為規律，推算其在裝罐前10min內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律，推算其在裝罐前10min內的損失量變化規律曲線的斜率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遠小于自然解吸規律下的實際損失量。這一問題其實很好理解，因為直線法采用的是解吸罐內的解吸速率，而罐內的解吸速率遠遠小于裝罐前的解吸速率。

范章群和孫齊等的實驗結果也證明了直線法估算的損失量遠遠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。經大量數據推演表明，自然對數法更符合石嘴山礦區的煤層氣損失量計算。

3 遵循自然解吸規律的損失量計算方法

3.1 自然對數法

這里先設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定為T1，損失量的累積時間設定為T2(T2=T0+T1)，裝罐后自然解吸時間為T3，設定T2時間對應的累積解吸量Q2即為損失量。

煤心中的煤層氣自然解吸現象自提心過程中就已經發生(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)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律擬合補充上損失時間內的曲線形態，以擬合后的曲線函數(模型)為準，將累積解吸時間T=45s時對應的Q2值定為損失量。這里要說明為什么取T=45s，根據瓦斯放散初速度測定過程數據顯示，通常在初始45s內的累積解吸量是相當小的，多數都在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，時間為零時對應的解吸量為零，但這個零時間僅僅為罐內自然解吸的時間起點，并非煤樣實際發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的時間應該是T2。按這個規律，在所有解吸量不變的情況下，將罐內的自然解吸曲線沿著時間軸右移T2后進行曲線擬合分析，并得出相應的損失量計算模型，最后將時間T2帶入模型中得出的負數值，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 計算結果分析

以石嘴山礦區某孔6煤的煤心為例，按照實際提心時間和裝罐時間，并結合本區6煤儲層壓力和臨界解吸壓力，確定T0=5min，T1=4min，T2=T0+T1=9min。最后將自然解吸數據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，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行損失量的建模計算，得出6煤樣品損失量計算結果如表1所示。

表1 石嘴山礦區6煤樣品自然對數法計算結果

將表1中自然對數法計算的損失量數據處理后，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該大于以往6煤開采中井下實測值12cm3/g，這一計算結果恰好吻合這一規律，說明自然對數法估算損失量的方法更加符合本地區煤層特征。

4 結論

(1)煤樣裝罐前的解吸特點依舊遵循自然解吸規律，損失氣量的估算也應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)經過對石嘴山礦區6煤樣品損失量的建模計算，自然對數法估算值要比直線法估算值更準確，更切合際情況。

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