煤層氣含量測試方法進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116)

煤層氣含量測試方法進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116)

本文介紹了我國在煤田地質(zhì)探勘不同階段所使用的瓦斯 (煤層氣)含量測試方法,并對(duì)測試方法的進(jìn)程進(jìn)行了對(duì)比分析,總結(jié)了不同測試方法的優(yōu)缺點(diǎn),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(jìn)程分析

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

1 測試方法

我國煤田地質(zhì)勘探階段煤層氣含量測試方法大致經(jīng)歷了真空罐法、集氣法和解吸法3個(gè)階段。

早在20世紀(jì)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(jìn)密封容器內(nèi),然后送進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真空加熱脫氣。真空罐法是采用真空罐進(jìn)行采樣,此方法出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代中期,并在當(dāng)時(shí)得以廣泛應(yīng)用。為了考慮采樣過程中的瓦斯損失量,需要將測定結(jié)果予以校正。由于煤類、損失時(shí)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(jié)果不久即為集氣法所淘汰[1]。

1.2 集氣法

20世紀(jì)50年代中期,出現(xiàn)了適于在地質(zhì)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(jié)構(gòu),將含有瓦斯的煤芯嚴(yán)密封閉在煤芯管內(nèi),待鉆具提升至孔口后,在保持煤芯管密封狀態(tài)下將其送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真空脫氣。因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在生產(chǎn)中難于推廣應(yīng)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(tài)下送到實(shí)驗(yàn)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(gòu)造相對(duì)簡單,在使用和維護(hù)上也較容易,在上世紀(jì)60年代得以廣泛應(yīng)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(yè)局加速甲烷排放項(xiàng)目研究中采用了此法。其后,美國礦業(yè)局又做了關(guān)鍵性的修改和完善,也被稱為美國礦業(yè)局直接法[4]。其具體方法是利用普通煤芯管鉆取煤芯,當(dāng)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(shí)間的變化規(guī)律,并根據(jù)煤樣暴露時(shí)間計(jì)算采樣過程中損失的瓦斯量,然后將測完解吸規(guī)律的仍裝有煤樣的密封罐送到實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(chǔ)層溫度條件下進(jìn)行的。此方法簡單、經(jīng)濟(jì),經(jīng)試驗(yàn)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(yīng)用。

我國煤炭科學(xué)總院撫順分院在我國部分煤田測試應(yīng)用基礎(chǔ)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(yè)局直接法的基礎(chǔ)上又做了一些改進(jìn)[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(yè)標(biāo)準(zhǔn) (MT/T77-84)[6]。縮短了野外瓦斯解吸測定的時(shí)間,由原來需要幾周的時(shí)間縮短為2小時(shí),減少了恒溫裝置,由儲(chǔ)層溫度下解吸改為當(dāng)時(shí)地表(先是在地表水溫下)溫度下解吸,并相應(yīng)地改變了實(shí)驗(yàn)室的測定方法,還進(jìn)一步完善了測定中所用的測試儀器,并使之標(biāo)準(zhǔn)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(jì)80年代得以廣泛應(yīng)用。

(3) 試驗(yàn)前鋼管與核心混凝土具有良好的黏結(jié)性能；試件破壞后，通過鐵錘敲擊鋼管表面，發(fā)現(xiàn)鋼管根部區(qū)域的脫黏現(xiàn)象嚴(yán)重。

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

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(xiàn)在損失時(shí)間、損失量推算方法和解吸時(shí)間與溫度幾方面。

2.1 損失時(shí)間

損失時(shí)間直接關(guān)系著損失氣量的計(jì)算,損失時(shí)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(shí)間過長,損失氣量過多,可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)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(shí),依據(jù)現(xiàn)場解吸值推算損失量較準(zhǔn)確,這就要求采樣時(shí)間、裝灌時(shí)間要盡可能地短,以便縮短損失量時(shí)間。另外,我國煤層氣含量測試方法 (G B/ T23249-2009)規(guī)定鉆井介質(zhì)為清水或泥漿時(shí),煤芯提升至鉆孔一半的時(shí)間作為瓦斯損失的零時(shí)間,此規(guī)定基于我國煤層瓦斯壓力隨深度線性增大的一般規(guī)律,認(rèn)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(qū)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(qū)同樣采用,勢必會(huì)造成損失氣量推算值大大偏離實(shí)際值。因煤樣在鉆孔中解吸的零時(shí)間未能準(zhǔn)確確定,因此計(jì)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(xiàn)場測定煤樣瓦斯解吸規(guī)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(shí)間的平方根呈線性關(guān)系。然而,煤樣在鉆井介質(zhì)與在空氣介質(zhì)中的解吸特性不同,顯然,利用煤樣在空氣介質(zhì)中的瓦斯解吸規(guī)律去推算煤樣在鉆井介質(zhì)提升過程中所損失的瓦斯量勢必會(huì)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(shí)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(yīng)于低煤級(jí)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(zhì)勘探階段野外現(xiàn)場進(jìn)行煤層瓦斯解吸過程中,解吸溫度受周圍環(huán)境溫度影響較大,這樣,造成了不同地區(qū)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(duì)比研究

MT/T77-84與 G B/T19559-2008標(biāo)準(zhǔn)最具代表性,其區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

3.1 階段含氣量構(gòu)成

MT/T77-84由四部分組成,即損失氣量、現(xiàn)場2小時(shí)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(gòu)成,即逸散氣量、解吸氣量和殘余氣量。

MT/T77-84現(xiàn)場2小時(shí)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(chǔ)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(xiàn)場2小時(shí)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(zhì)

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(gè),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(shí)間不超過10～15min,煤芯在空氣中暴露時(shí)間不超過10～15min;G B/T19559-2008規(guī)定了井深每100m提芯時(shí)間不得超過2min,煤芯在空氣中暴露時(shí)間不超過10min。

3.5 自然解吸溫度

MT/T77-84是在溫度不穩(wěn)定的條件下進(jìn)行的,開始是在地表水溫下解吸,然后是在當(dāng)?shù)貧鉁叵陆馕?盡管密封罐要求防凍,解吸溫度受周圍環(huán)境影響較大;G B/T19559-2008是在溫度穩(wěn)定 (儲(chǔ)層溫度)的條件下進(jìn)行的,即在恒溫箱中進(jìn)行解吸。

3.6 解吸測定時(shí)間間隔及解吸中止時(shí)間

MT/T77-84測定間隔時(shí)間規(guī)定第一點(diǎn)間隔2min,以后每隔3～5min讀數(shù)1次,1小時(shí)后,每10～20min讀數(shù)1次,現(xiàn)場解吸2小時(shí)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(shí)間間隔為裝罐結(jié)束第一次5min內(nèi)測定,以后每10min、15min、30min、60min間隔各測定1小時(shí),然后120min測定2次,累計(jì)滿8小時(shí)后可視解吸罐的壓力表確定適當(dāng)?shù)慕馕鼤r(shí)間間隔,最長為24小時(shí),自然解吸持續(xù)到連續(xù)7天每天平均解吸量小于或等于10cm3,或在一周內(nèi)每克樣品的解吸量平均小于0.05cm3/d,結(jié)束解吸測定。

4 煤層氣含量測試方法進(jìn)程分析

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

由以上分析可知,我國煤田地質(zhì)勘探過程中煤層瓦斯 (煤層氣)含量測試方法的改進(jìn)一方面體現(xiàn)為煤芯采集設(shè)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(fā)展。另一方面從縮短損失氣量時(shí)間和損失氣量的計(jì)算方法及技術(shù)方面進(jìn)行改進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)損失氣量的精確計(jì)算。煤層氣含量的測定集基礎(chǔ)理論和方法技術(shù)為一體,需要在測試方法和儀器設(shè)備上配套發(fā)展,從而使煤層氣含量測試數(shù)據(jù)更接近真實(shí)。

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(dǎo)致測試結(jié)果偏離實(shí)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(shí)際值;解吸法是目前我國煤田地質(zhì)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(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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(shù)多,且在儲(chǔ)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(duì)比

6 小結(jié)

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(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果更接近實(shí)際值。為更準(zhǔn)確地測試煤層氣含量,應(yīng)綜合考慮煤樣所處的具體地質(zhì)條件及其自身特性,使用多種方法對(duì)同一煤樣進(jìn)行測試并加以對(duì)比,計(jì)算MT/T77-84測定的煤層含氣量與G B/T19559-2008標(biāo)準(zhǔn)之間的修正系數(shù),加強(qiáng)不同介質(zhì)中煤層瓦斯 (煤層氣)解吸規(guī)律的研究,更準(zhǔn)確地推算煤層瓦斯 (煤層氣)損失量。

[1] 焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室.瓦斯地質(zhì)概論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1990.120～126.

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

[3] 陳大力,陳樣.對(duì)我國煤層瓦斯含量測定方法的評(píng)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(xué)技術(shù),2006,34(4):88 -90.

[6] 中華人民共和國煤炭工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn).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(yè)出版社,1983.

[7] 中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《煤層氣測定方法(解吸法)》(MT/T77-94).中華人民共和國煤炭工業(yè)部.

[8] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),《煤層氣含量測定方法》(G B/T19559-2004),中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布.

[9] 中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),《地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測定方法》 (AQ1046-2007),國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布.

[10] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),《煤層氣含量測定方法》(G B/T19559-2008),中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布.

[11] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),《地勘時(shí)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(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布.

(責(zé)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目-“973”煤層氣項(xiàng)目 (2009CB219605)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (40730422和40872104)、油氣重大專項(xiàng) (2008ZX05034)和2008年度江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目資助

張俊凡,男,河南駐馬店人,中國礦業(yè)大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探碩士生,研究方向煤層氣地質(zhì)。