高階煤煤層氣現(xiàn)場含氣量測試影響因素研究

岳利嬌，劉亮亮，武 杰，劉明杰，姚晉芳

(煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000)

煤層氣現(xiàn)場含氣量主要包括散失氣、自然解吸氣和殘余氣，為了準(zhǔn)確掌握區(qū)域內(nèi)煤層氣儲量與產(chǎn)出能力，需要保證評價(jià)數(shù)據(jù)的可靠性，為氣藏模擬與生產(chǎn)預(yù)測創(chuàng)造有利條件。分析煤層氣產(chǎn)出能力影響因素可知，主要包括儲氣能力、煤層氣儲量以及云移特性等，為保證這些數(shù)據(jù)評估更合理，應(yīng)深入分析影響煤層氣含量的因素，保證煤層氣含氣量測試的準(zhǔn)確性[1]。

1 煤層氣現(xiàn)場含氣量測試方法

現(xiàn)階段我國在煤層氣現(xiàn)場含氣量測試過程中，主要執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)為《煤層氣含量測定方法》(GB/T 19559—2008)，該標(biāo)準(zhǔn)以美國礦業(yè)局直接法(USBM)、美國天氣然研究所的煤層氣含量測試指南為基礎(chǔ)進(jìn)行制定，用于測量高階煤煤層氣的現(xiàn)場含氣量，如煙煤、無煙煤等。該法操作方便，可以保證煤層氣現(xiàn)場含氣量測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。在煤層氣現(xiàn)場含氣量測試過程中，一般會用到解吸罐，解吸罐對密封性要求嚴(yán)格，并有體積上的要求，需要所裝入的煤心樣品不少于800 g且煤心樣品裝入量不可大于解吸罐的3/4。煤心在現(xiàn)場直接采取，并置于罐內(nèi)，蓋緊后連接煤層氣解吸儀，根據(jù)解吸氣量大小，能夠?qū)⒚簩託夂瑲饬坑?jì)算出來。國標(biāo)GB/T 19559—2008中損失氣量通過USBM直接法進(jìn)行計(jì)算，在剛開始解吸的過程中，解吸量和時(shí)間平方根為正比關(guān)系。縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)情況下累計(jì)的解吸量，橫坐標(biāo)為損失氣時(shí)間與解吸時(shí)間和的平方根，最初解吸各點(diǎn)相連[2]。將直線延長并相交于縱坐標(biāo)，直線在縱坐標(biāo)軸的截距為損失氣量。

2 高階煤煤層氣現(xiàn)場含氣量校正系數(shù)計(jì)算

2.1 煤礦概況

研究區(qū)煤礦構(gòu)造以寬緩背斜、向斜等為主，傾角約15°，無斷層，埋深在500～900 m，煤層含氣面積為43.99 km2。煤類為腐殖型無煙煤，煤巖成分為亮煤與暗煤，少數(shù)為鏡煤。煤巖類型為半亮煤與半暗煤，少數(shù)為光亮煤與暗淡煤，顯微組分大部分是鏡質(zhì)煤，少數(shù)是惰質(zhì)煤。在煤炭資源勘探過程中，鉆孔共有58個(gè)，根據(jù)《煤層氣測定方法(解吸法)》(MT/T 77—1984)，測出煤層含氣量樣品共11個(gè)，在10.19～25.17 m3/t，平均值26.22 m3/t。煤層甲烷濃度在80%以上，位置是甲烷帶。

2.2 含氣量校正系數(shù)

2.2.1 同埋深梯度法

根據(jù)研究區(qū)煤層煤炭資源勘探鉆孔與煤層氣資源勘探鉆井情況，對含氣量與埋深線性回歸后平均其含量進(jìn)行測試[3]。可將不同埋深下平均含氣量比值計(jì)算出來，所采用的公式：

C1H=a1H+b1

(1)

C2H=a2H+b2

(2)

k1=C2H/C1H

(3)

式中，C1H為煤炭資源勘探中各埋深對應(yīng)的煤層含氣量測試結(jié)果；H為埋深；a1與b1為煤炭資源勘探中煤層含氣量測試結(jié)果與埋深關(guān)系的擬合系數(shù)；C2H為煤層氣資源勘探中各埋深對應(yīng)的煤層含氣量測試結(jié)果；a2與b2為煤層氣資源勘探中煤層含氣量測試結(jié)果與埋深關(guān)系擬合系數(shù)；k1為相同煤層埋深下含氣量校正系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可知研究區(qū)煤層同埋深梯度法校正系數(shù)為1.36～1.54，平均值是1.44。研究區(qū)煤層含氣量與相同埋深梯度法校正系數(shù)計(jì)算見表1。

表1 研究區(qū)煤層含氣量與相同埋深梯度法校正系數(shù)計(jì)算Tab.1 Calculation of correction coefficient of gas content of coal seam in the study area and the same buried depth gradient method

2.2.2 等值線面積權(quán)衡法

運(yùn)用直線內(nèi)插法，對煤炭資源勘探、煤層氣資源勘探測試的煤層氣含氣量等值線平面圖進(jìn)行繪制，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)煤層含氣量等值線Fig.1 Isoline of coal seam gas content in the study area

通過面積作權(quán)計(jì)算各自的平均含氣量：

(4)

(5)

等值線面積權(quán)衡法將校正系數(shù)計(jì)算出來，可得平均含氣量比值，研究區(qū)煤層等值線面積權(quán)衡法計(jì)算的校正系數(shù)見表2。

表2 研究區(qū)煤層面積權(quán)衡法含氣量校正系數(shù)計(jì)算Tab.2 Calculation of gas content correction coefficient in study area coal seam area trade-off method

2.2.3 井點(diǎn)面積權(quán)衡法

根據(jù)煤炭資源勘探、煤層氣資源勘探測試的煤層含氣量鉆井情況，將其最鄰近的井點(diǎn)以此連接成三角網(wǎng)[4]。各三角形除了鉆井所在中垂線以外，2條中垂線連接面積即單井控制面積，具體如圖2所示。

圖2 研究區(qū)煤層氣含量井點(diǎn)面積權(quán)衡法計(jì)算Fig.2 Calculation of coalbed methane content in the study area by well-point area trade-off method

針對中垂線交點(diǎn)未落在三角形的情況，應(yīng)按照各三角形除鉆井所在中線外的2條中線連接面積，即單井控制面積[5]。通過面積作權(quán)計(jì)算平均含氣量：

(6)

(7)

將井點(diǎn)面積權(quán)衡法校正系數(shù)計(jì)算出來，可得平均其含量比值，研究區(qū)煤層井點(diǎn)面積權(quán)衡法計(jì)算的校正系數(shù)見表3，最終結(jié)果為1.38。

表3 研究區(qū)煤層井點(diǎn)面積權(quán)衡法含氣量校正系數(shù)計(jì)算Tab.3 Calculation of gas content correction coefficient of coal seam well point area weighing method in research area

3 高階煤煤層氣現(xiàn)場含氣量測試影響因素

(1)損失氣量計(jì)算法對煤層氣含量的影響。分析在研究區(qū)獲取的煤心樣可知，存在煤心破碎、混雜的情況，缺乏較為清晰的層理結(jié)構(gòu)，且很多為碎裂結(jié)構(gòu)[6]。自然解吸前10個(gè)點(diǎn)對損失氣量進(jìn)行推算，不同煤體結(jié)構(gòu)、完整性確定前10個(gè)點(diǎn)解吸數(shù)據(jù)，若是采取一種損失氣計(jì)算方法，將導(dǎo)致?lián)p失氣大小受到影響。結(jié)合實(shí)際測試情況可知，破碎煤心應(yīng)采取多項(xiàng)式法計(jì)算損失氣量，完整煤心則通過USBM直接法計(jì)算。

(2)解吸罐密封性對煤層氣含量的影響。解吸罐缺乏較好的密封條件，自然解吸計(jì)算數(shù)值偏小，推算損失氣量也很小，導(dǎo)致含氣量過低。在采樣的過程中，需要對解吸罐、計(jì)量器具等氣密性進(jìn)行嚴(yán)格檢測，其中煤樣裝罐保證基本裝滿，避免罐內(nèi)存在死體積。若煤心量低于解吸罐容積的80%，罐內(nèi)死體積就過大，也涉及氣體壓縮系數(shù)[7]。此時(shí)需要增加不影響解吸的填充料，是解決罐內(nèi)死體積的有效手段，從而在煤層氣含氣量測試中防止發(fā)生偏差。

(3)取心率對煤層氣含量的影響。煤心在裝入解吸罐的過程中，必須能夠反映出煤地層段的特征，只有提高取心率，保證煤心的完整性，才更具代表性，獲得的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確。若是取心率不高，代表性不強(qiáng)，這樣得出的數(shù)據(jù)只能用于參考。在研究區(qū)煤層鉆井中，采取率僅1次達(dá)到了100%，大部分在46%～87.5%[8]。因?yàn)槿⌒穆什灰粯樱瑯悠反硇砸泊嬖诓町悾瑥亩鴮Ω唠A煤層現(xiàn)場含氣量的測試造成一定干擾。只有完整取心率在80%以上，含氣量測試才更加可靠。

(4)取心時(shí)間、地面溫度對煤層氣含量的影響。取心時(shí)間主要為提心時(shí)間與暴露時(shí)間之和，其中提心時(shí)間為在井底進(jìn)行提升開始，將煤心提出井口結(jié)束，整個(gè)過程花費(fèi)的時(shí)間，而暴露時(shí)間則為煤心在提出井口后到裝入解吸罐密封的時(shí)間。根據(jù)國標(biāo)要求，井深每100 m提心時(shí)間必須在2 min以內(nèi)。樣品出井后必須在10 min內(nèi)裝入解吸罐進(jìn)行密封[9]。取心時(shí)間越長，氣體量損失越大，地面溫度越高，氣體散失也更快。對所做樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采取提高解吸終止限的方式，能夠有效控制解吸時(shí)間。

(5)解吸終止限對煤層含氣量的影響。根據(jù)所做樣品與收集的資料可知，研究區(qū)煤層終止限應(yīng)提高到連續(xù)2 d每天解吸量超過20 cm3。測試周期不僅受到煤心粒度、煤階、煤巖煤質(zhì)等影響，更受到煤層溫度的限制。解吸速率不一樣，也決定著解吸時(shí)間，提高解吸溫度，可以大大減少解吸時(shí)間，且不會對解吸總氣量造成影響。對解吸速率來說，一般通過吸附時(shí)間定量為，在4塊無煙煤對比試驗(yàn)過程中，2塊通過煤層溫度27 ℃水浴解吸，另外2塊通過35 ℃水浴解吸，后者比前者吸收時(shí)間縮短4 h，煤樣吸附時(shí)間越長，含氣量測試周期也更長，需要結(jié)合煤層情況，合理確定解吸終止限。

4 結(jié)語

綜上所述，通過分析高階煤煤層氣現(xiàn)場含氣量測試影響因素，可得主要涉及損失氣量計(jì)算方法、解吸罐密封性、取心率、取心時(shí)間、地面溫度和解吸終止限等內(nèi)容。在測試煤層氣含量過程中，其損失氣量推導(dǎo)法、直接法等均有一定局限，應(yīng)針對實(shí)際樣品情況，靈活運(yùn)用多種方法進(jìn)行計(jì)算，避免氣體體積測試中出現(xiàn)偏差。在研究區(qū)煤層中，解吸終止限需要從連續(xù)7 d每天解吸量低于10 cm3，提高到連續(xù)2 d解吸量超過20 cm3/d，可以降低提交含氣量報(bào)告時(shí)間，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。