煤层气含量测试技术及测试质量影响因素分析

孔庆虎 宋洪柱

(中国煤炭地质总局第一勘探局地质勘查院，河北 056004)

煤层气含量测试技术及测试质量影响因素分析

孔庆虎 宋洪柱

(中国煤炭地质总局第一勘探局地质勘查院，河北 056004)

煤层气含量是煤层气勘探过程中必须精确获取的最重要的煤储层参数之一，是决定一个区块的煤层气资源能否进行商业化勘探开发的先决条件。本文介绍了目前中国煤层气含量测试技术、测试设备及国内外研究历程，并结合实际测试经验，提出按照国家标准进行气含量测试时仍会产生较大误差。从观测数据的准确性等方面入手，定性分析了实际测试过程中影响观测质量的因素和误差产生的原因，提出了减少误差、准确获取煤层气含量参数的完善措施，对煤层气含量精确测试提出了新的建议。

煤层气含量 解吸 影响因素 储层温度 损失气 吸附时间

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

煤层气含量是评价煤层气储层最重要的参数之一，是计算煤层气资源量、储层模拟和预测气井产量的重要储层参数，是决定一个区块煤层气资源能否进行商业化勘探开发的先决条件，其测试结果将直接影响到煤层气田进一步的勘探开发。

确定煤层气含量的方法有两类，直接法和间接法。直接法即解吸法，是采取煤芯样品装入密封罐中，直接测量从煤样中实际解吸出的气体体积，确定气含量和气成分。间接法是在实验室测定煤的等温吸附常数等数据，在现场实测(或推算)煤层气体压力，然后利用有关公式计算煤层气含量。参照美国矿业局直接法，我国煤层气勘探中最常用的是钻孔煤芯煤样自然解吸法，煤层气含量为损失气、解吸气和残余气三部分气量之和。煤层气含量测试的主要成果参数有损失气含量、解吸气含量、残余气含量、吸附时间、气成分等。

1 煤层气含量测试技术

1.1 钻孔煤芯样品采集及自然解吸

钻孔钻遇煤层前，样品采集人员及合格的设备进场守煤。安装调试仪器设备进入工作状态，解吸罐试压检测气密性，解吸仪装水检测密闭性，恒温水浴设置为储层温度。绳索取芯获取煤芯后，选取煤样，称重，迅速装罐密封，放入恒温水浴中，同时记录相关参数。

密封好的解吸罐放入恒温水浴后连接到解吸仪，解吸气体进入量筒，平衡量筒与锥形瓶液面，按照要求的时间间隔观测读数并记录到自然解吸记录表，同时记录环境温度、大气压力。自然解吸结束点是连续7天平均每天解吸量不大于10cm3。

1.2 残余气测定

自然解吸结束后，选取部分煤样称重，装入球磨罐破碎2～4小时，放入恒温水浴观测读数并记录，按24小时的间隔进行解吸测定，结束点同自然解吸。

1.3 计算损失气

损失气的计算采用直接法，根据解吸初期解吸量与时间平方根成正比，以标准状态下累计解吸气量为纵坐标，以损失气时间与解吸时间和的平方根为横坐标，将最初在一条直线上的各点连线并延长与纵坐标轴相交，截距即为损失气量。

1.4 计算煤层气含量及吸附时间

自然解吸和残余气测定观测的体积要进行标准状态校正，换算为0℃、101.325kPa状态下的体积。煤层气含量结果有空气干燥基、干燥无灰基两种计算基准，总气量等于损失气含量、解吸气含量、残余气含量三部分之和。

吸附时间是指样品所含总气量气体被解吸出63.2%体积时所用的时间，单位为天。首先计算出总气量63.2%所对应的气体体积，计算各实测数据点的时间和标准状况下累计气体体积，然后在累计解吸曲线图上找出总气量63.2%所对应的区间，在区间内用直线内插法计算总气量63.2%对应的时间即吸附时间。

2 煤层气含量测试主要仪器

2.1 解吸罐

解吸罐用于密封煤芯样品，结构包括罐体、罐盖、压力表、阀门、O形密封圈等，材质有铝合金、不锈钢、PVC(聚氯乙烯树脂)等。解吸罐中煤样不满罐时需要置入适量填料，用以填充罐内空体积，主要有塑料、玻璃等不对煤层气产生吸附作用的材质。快速解吸罐内还需置入磨球，用于粉碎煤样。

2.2 解吸仪

解吸仪用于计量解吸罐中解吸出的煤层气体积，其结构包括量管、铁架台、锥形瓶等，原理均为排水集气法体积置换测量气体体积，主要有两种型式如图1。

图1 两种解吸仪结构示意图

2.3 气压计、温度计及恒温水浴

气压表用于测量大气压力，量程60kPa～106kPa，分度值0.1kPa。

温度计用于测量环境温度，量程 －30℃ ～80℃。

恒温水浴用于控制及监测煤样解吸温度，温度控制误差范围±1℃。

3 国内外研究历程

上世纪70年代，法国学者依据解吸初期解吸量与时间平方根成正比，可以外推解吸初期数据估算损失气体积，首次提出了直接法(Direct Method)并用于计算不同采煤阶段矿井瓦斯浓度。

直接法被美国矿业局(USBM)很好地应用于煤层气含量测试中，并提出了解吸结束的标准。上世纪80年代之后，美国矿业局提出改进的直接法(Modified Direct Method)并作为操作标准执行。改进的直接法取消了排水法测量气体体积的装置，使用了电子压力传感器及数字显示装置，煤层气含量测试技术日臻成熟，实现了煤层气的商业化开发。澳大利亚以美国矿业局改进的直接法为基础，制定了澳大利亚标准法，提出了快速破碎解吸法。

中国于上世纪90年代开始引进美国的煤层气测试技术和测试设备，国内不少专家对中国煤层气解吸特征及规律进行了研究，探索适合中国煤田地质条件的测试技术和勘探开发理论，并于2004年制定了煤层气含量测定方法的国家标准，现行国家标准版本是GB/T19559－2008《煤层气含量测定方法》。

李小彦分析了测试环节的最佳实施尺度，探讨了各测试参数间的关系。

徐成法等在室内模拟了钻井绳索取芯提钻过程中的煤芯解吸规律，获取了解吸曲线特征，对比了四种估算损失气的方法。

邓泽等研究了解吸测试过程中温度、损失气时间、损失气计算方法等因素对损失气量估算的影响。

张慧等研究了解吸温度、观测频率、解吸终止限等因素对解吸时长的影响，提出了缩短解吸周期的合理途径。

庞湘伟以煤层气含量快速测定法与自然解吸法的对比试验结果为依据，建立了煤层气含量快速测定法，缩短了测试周期。

中国目前大量使用的煤层气含量测试仪器比较简易，国内尚无煤层气含量测定中观测值的影响因素分析等相关方面的相关研究论文。

4 测试影响因素及误差分析

4.1 测试环境温度的影响

自然解吸及残余气测试均在恒温水浴设置的储层温度下进行，所观测的气体体积要进行标准状态校正。校正公式认为观测到的气体的温度是环境温度即Pm。在实际测试中，由于是间歇排气观测排出的气体体积，观测时间较短，通常只有几秒钟，可以认为煤样及其解吸排出气体的温度均为储层温度(恒温水浴设定值)，当环境温度与储层温度不一致时，根据热力学原理，解吸排出的气体要与环境进行热量交换，而在较短时间内不能达到热量平衡，故其实际温度可能不是环境温度，因此按照环境温度进行校正得到的结果必然存在误差。环境温度与储层温度温差越大时，产生的误差也就越大。例如冬季在山西某煤田进行解吸测试时，气温与储层温度的温差甚至高达50℃以上，根据理想气体状态方程，其观测误差可高达10%以上。

4.2 解吸罐内压力累积的影响

解吸气体体积观测采取间歇式，在观测间隔时间段内解吸罐内累积压力会减缓吸附气解吸扩散速度，延长到达解吸结束点所需的时间，作为测试结果之一的吸附时间必然被延长。样品装罐解吸初期排出气体以游离气为主，气体放出速度最快，罐内压力累积使每次观测值偏小，从而以此计算出的损失气值也会偏小。

4.3 煤芯上提速度的影响

煤层气含量测试用煤样一般是绳索取芯获得，根据国家标准，煤层气开始解吸的时刻(零时刻)为煤芯提升至井筒深度一半时。计算损失气时假定绳索取芯煤芯上提速度恒定，零时刻即煤芯提升时间的一半时。实际提芯使用的是钢丝绳绞车，卷轴的转速(角速度)可以认为是恒定的，随着钢丝绳的卷入，卷轴半径增大，煤芯提升速度(卷轴线速度)加快。煤芯提升时间的一半时提升深度低于井深一半，可以认为此时未到零时刻，煤芯未开始解吸。由公式计算出的损失气值会偏大。

4.4 损失气时间对吸附时间的影响

吸附时间是表征气体从基质中解吸出来快慢的定量指标。根据吸附时间的定义和计算方法，煤层气解吸速率越快则吸附时间越短，解吸速率越慢则吸附时间越长。根据累计解吸量曲线可知，煤芯样品在自然解吸过程中，初始解吸速率最快，并逐渐变慢，末期解吸速率最慢。对同一样品来说，损失气时间必然会影响自然解吸开始时的解吸速率，损失气时间长则计算所得的吸附时间也长，损失气时间短则计算所得的吸附时间也短。煤层气含量较低时，损失气含量所占总气量的比重大，损失气时间对吸附时间的影响更大。

4.5 解吸罐自由体积的影响

解吸罐不能被煤样完全充满会产生自由体积，罐内排出气体为煤层气与空气的混合气体，导致气成分检测结果不准确。

当水浴温度与外界温度差异较大时，解吸罐置入水浴后罐内空气体积会受热迅速膨胀，导致初始排出的气体体积观测值变大，自由体积越大则影响越大。

4.6 解吸仪装置的影响

解吸仪使用时量筒中充满水，进入量筒的解吸气体排开水，水液面指示气体体积值。解吸气体中部分水溶性气体会溶于水中，造成观测的气体体积值变低，如CO2、H2S、SO2气体等，煤层气气成分的测试结果也必然会受到影响。体积置换的方法测量气体体积，每次读数均需平衡水位以消除静水压差的影响，操作繁琐，不利于野外施工。另外，解吸仪中的水在低温时会结冰，可能损坏仪器或导致无法测试。

4.7 人工观测的影响

气体体积需要人工观测记录，量筒刻度最低分度为5ml，由于人眼的观测能力有一定的局限性，所以在量筒液面照准、读数方面都会产生误差。观测者的工作态度和技术水平也对观测值的准确性有直接影响。所以人工观测也会产生误差，而且解吸测试工作持续时间较长，工作效率低。

5 结论及建议

(1)严格按照国家标准进行煤层气含量测试时，由于环境温度、间歇读数、绳索提芯速度、装罐速度、解吸仪器等多种因素的存在，仍会对测试质量产生影响，造成测试结果误差。为保证测试质量，应在执行国家标准的基础上，结合实际测试情况，探索精确获取煤层气含量的完善措施。

(2)建议将解吸场所环境温度及水浴温度均控制为储层温度，观测气体体积标准状态校正使用的环境温度改为储层温度。

(3)建议解吸初期每个解吸罐配一套解吸仪，保持连接进行常压连续解吸、连续读数，并及时平衡液面保证罐内压力为大气压力，防止罐内压力积累。

(4)建议绳索取芯选用提升速度快且提升速度恒定的绞车。煤芯提升至地面后尽可能快地装罐解吸，减少损失气时间。

(5)建议煤样装罐时尽量装满至离罐口附近，减少罐内自由气体，或者罐内充满水，以消除自由体积并可以模拟原始储层条件，更真实的反映煤在储层含水条件下的解吸规律。

(6)研制新型自动化无水解吸仪器，以提高仪器精度，避免解吸仪中的水低温结冰，消除人眼观测误差，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)

孔庆虎，男，山东潍坊人，助理工程师，从事煤层气勘探开发及煤田地质研究工作。

(责任编辑 刘 馨)