煤层气快速解吸方法研究

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(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

目前，国内外对于煤层气含量的测定方法主要有两种：间接方法和直接方法，间接方法有等温吸附法、测井解释法、井下解吸系数法等，直接方法包括地勘解吸法、井下解吸法、自然解吸法和加温解吸法[1]。地勘解吸法、井下解吸法、自然解吸法和加温解吸法4种方法的测试原理基本一致，但测试流程区别较大，4种方法各有优缺点，相对其他3种方法，自然解吸法的测定结果相对准确、可靠，但是测定周期过长，一般需要1～3个月的时间。临兴区块解吸试验结果显示，解吸时间在60～70 d不等。而煤层气地质勘探需要在取心后的很短时间内获得气含量数据，然后进行其他试验工作。煤层气含量作为地层储量评价的一个重要参数，其测试的准确性对于煤层气资源量计算、储层模拟、预测气井产能、开发靶区优选和井网布置具有重要意义[2]，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。

由于现行的自然解吸法测定周期长，不能满足相关需求，因此有必要探索新方法，充分分析影响含气量测定周期的各个影响因素，进行含气量快速测定方法的研究，在保证测试数据准确性(自然解吸)的基础上，降低测试周期，尽快提供煤层气含量及其他相关数据(等温吸附试验、Ro、工业分析、煤岩元素分析、煤岩密度、气体组分和煤岩力学等)。

1 快速解吸方法简介

煤层气快速解吸方法研究的建立是基于自然解吸方法，针对快速解吸方法还研究了一套配套仪器设备，其密闭性好，便于搬运，适合野外作业。经过试验对比发现，快速解吸法和自然解吸法完全可以并行应用，其测试精度都能满足勘探阶段的需求。本文详细地介绍了煤层气快速解吸试验流程和试验设备优化改进，通过提高解吸温度、增加解吸频率、提前破碎等试验手段达到快速解吸效果。

每次装罐的煤样质量不应少于800 g。并擦干样品表面泥浆及水分，装完煤样后，通过向解吸罐中填充钢球使罐内空体积小于体积的1/4。样品装罐第一次5 min内测定，然后以10 min间隔测满1h，以15 min间隔测满1 h……累计测满8 h后，进入快速解吸阶段。

将解吸罐迅速置于储层温度的恒温装置中，提高解吸温度。快速解吸前3 h测定时间间隔为10 min，3 h后测定间隔为20 min。快速解吸初期，可视出气量大小适当缩短测量时间间隔，提高观测频率。当快速解吸累计20 h或连续2次平均解吸量小于或等于300 mL时，提前破碎。解吸罐在不用开罐的情况下，直接放在球磨机上破碎10～20 min(保证了气体不会溢散，提高了测量精度)，并放入恒温装置，待恢复储层温度后测量气体逸出量，若两次破碎后的出气量平均小于10 mL，解吸结束。

2 快速解吸方法研究

在研究快速解吸试验方法的过程中发现解吸温度、观测频率、破碎时间对解吸出气量的快慢有很大的影响。根据这一发现提出了相应的改进措施，利用提高解吸温度、增加解吸频率和提前破碎等方式来提高煤层气解吸速率，缩短解吸气测定周期。

2.1 提高解吸温度

根据快速解吸以不改变煤的化学性质为原则，煤级不同，变质温度不同，解吸温度不应高于煤的变质温度[3-5]，所以解吸温度依据煤级而定。临兴地区烟煤自然解吸时间显示，煤层温度小于30 ℃的样品，自然解吸时间长达180余天；35 ℃以上的煤层样品自然解吸时间多为55～70 d；煤层温度大于42 ℃的样品，自然解吸时间为35～45 d[2](图1)，可见解吸时间的长短与解吸温度具有良好的负相关性。因此，可以通过调整解吸试验温度缩短测定周期。

图1 温度与解吸时间的关系Fig.1 Relationship between temperature and desorption time

2.2 增加解吸频率

按照《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559—2008)，煤层气进行自然解吸的时间间隔为样品装罐第一次5 min内测定，然后以10 min间隔测得1 h，以15 min间隔测得1 h，以30 min间隔测得1 h，60 min间隔测试一次，以间隔120 min每次测定2次，累计测试8 h，连续解吸8 h后，每天测定1次。

通过大量的解吸数据发现，测量时间间隔越长，出气量越小；测量间隔越短，出气量越大。选取临兴地区同一层位、煤体结构和煤岩煤质大体相同的不同煤样，在解吸8 h后，利用10 min解吸间隔和20 min解吸间隔对煤样进行解吸2 h[6]，并将测得的解吸量进行对比。研究结果显示，10 min读数间隔测得的解吸量比20 min读数间隔多1～2倍，因此，增加解吸频率可以大幅度缩短解吸周期(图2)。

2.3 提前破碎

煤层气包括解吸气、残余气和损失气。而煤岩总含气量相当于解吸气+残余气+损失气。自然解吸含气量测定是煤样在地层取出后迅速装入解吸罐中进行测量，在解吸终止后进行开罐，把煤样放入残余气罐内进行残余气测定，进行总含气量计算。

图2 10 min与20 min读数间隔测得的解吸气量Fig.2 Desorption gas volume measured at 10 min and 20 min reading intervals

本次采用一种新型设备，解吸罐在不用开罐的情况下直接在破碎机上进行破碎。煤样从地层取出后选取没有被泥岩污染且干燥的块状煤，迅速装入罐内后进行测量，根据单次出气量的多少提前进行破碎。本次选取了破碎要求出气量值为300 mL、150 mL、80 mL、30 mL进行测试。研究结果显示，破碎前含气量与破碎后含气量相加，得到的总含气量没有太大变化，证明了煤样在后期出气量仅占总含量的1/10左右，所以没有必要等到连续7 d平均小于10 mL后再进行残余气测定，大幅度地节省解吸时间(表1)。

表1 提前破碎解吸与自然解吸对比Table 1 Contrast of early fragmentation with natural desorption

3 试验效果对比分析

结果分析表明，新方法进行的快速解吸试验与自然解吸试验所得气含量结果误差≤15%。煤层自身条件、煤样采取方式与过程、测定仪器设备、测定操作等因素对气含量测定结果均有影响[7-8]，对快速测定的准确率也同样有影响。根据两种方法的对比试验结果，证明了快速解吸方法时间短(5～10 d)，且准确性高(表2)。

表2 自然解吸法与快速解吸法含气量测定结果对比Table 2 Comparison of gas determination results between natural desorption method and rapid desorption method

续表

4 结论

该研究从试验出发，在无法改变煤层自身因素的条件下进行，对测定方法中的试验条件和操作方式均进行了适当调整，通过大量试验数据得出了结论：

(1)适度提高解吸温度是缩短测定周期合理而有效的途径；

(2)适度增加解吸频率，出气速率要比自然解吸方法快1～2倍；

(3)出气量达到300 mL时可提前进行破碎，大幅度降低了测试周期；

(4)煤层气快速解吸方法与自然解吸方法对比结果显示，快速解吸方法时间短(5～10 d)，且准确性高。