煤层瓦斯压力快速测定技术应用研究

邹永洺

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤层原始瓦斯压力、煤层瓦斯含量和煤层透气性系数等瓦斯参数是进行煤层瓦斯赋存与涌出规律研究的基础，这些参数值的大小不但意味着煤层蕴藏瓦斯能力的强弱，而且它们作为煤层瓦斯突出危险程度和瓦斯抽采难易程度等重要指标，是进行矿井煤层瓦斯防治和矿井煤层瓦斯抽采设计的依据，快速准确测定瓦斯参数对煤矿安全生产起着至关重要的作用。目前，我国煤层瓦斯压力测定对地质条件要求严格，同时测定时间长，一般都大于20 d，严重影响煤矿采掘工作的接替，尤其是对有突出危险的工作面来说准确快速的测定煤层瓦斯压力尤为重要[1-2]。油气井压力恢复曲法线在确定地层压力和储层渗流参数等方面应用广泛，采用油气井压力恢复曲线法可快速准确的测定出地层压力。结合煤层的赋存特点，将油气井压力恢复曲线的成熟理论和基本公式应用到煤层瓦斯压力测定中，构建用于煤层瓦斯压力测定的煤层瓦斯压力恢复曲线理论和方法，为快速准确测定煤层瓦斯压力提供一种新的方法，缩短煤层瓦斯压力测定所需时间，对提高煤矿生产效率有重要意义。

1 压力恢复曲线理论基础

1.1 油井压力恢复曲线理论模型

在油井生产中，当油井以稳定产量开井生产一段时间后，如果将油井的地面井口关闭，然后测试井底恢复压力与关井时间的关系，称为压力恢复曲线。压力恢复曲线的理论首先在油井中应用，用于确定地层压力、油井控制储量等地层参数，并分析注水强度变化与工作状况等，随后压力恢复曲线理论在气井及瓦斯渗流领域开始应用，主要用于计算气井地层压力与储层渗流参数等领域。

油井的压力恢复曲线应用技术和基本公式是在无限大均质地层，流体径向流动等假设条件，采用可压缩流体的体积随压力的变化定律，物质不灭定律和达西定律，并进行一系列工程简化推导[3-4]，基本公式如下：

式中：pt为关井t时间后井底流压，MPa；p0为油层中原始地层压力，MPa；q为生产井的稳定产量（地面值），m3/d；μ为流体黏度，MPa·s；B 为地层原油体积系数，无因次比值；K为油层对流体的有效渗透率，10-12m2；h为油层的有效厚度，m；T为生产井生产时间，min；t为关井时间，min。

1.2 天然气井压力恢复曲线理论模型

从油井的压力恢复曲线理论模型推导过程来看，类似的模型在用于气体压力恢复计算时在理论上存在些问题，因为油井压力恢复曲线理论模型的推导过程中曾假设所研究的流体具有很小的压缩性，这一假设对于油井基本上是适合的，但对天然气井而言则会有很大的出入。但从大量工程应用来看，在很多气井中测得了大量的压力恢复曲线，把这些气井的压力恢复曲线和油井的压力恢复曲线进行对比后分析，在曲线的形态方程上，两者基本上是相同的，凡是在油井中测得的压力恢复曲线在气井的压力恢复曲线上几乎应有尽有。另外大量研究中，也阐述了气井压力恢复曲线和油井压力恢复曲线的相似性，并认为一般的油井压力恢复曲线对气井都可以相应的应用[3,5]。

天然气井压力恢复曲线模型的推导过程和油井压力恢复曲线模型推导过程基本相同，天然气井的压力恢复曲线基本公式如下：

式中：pw为关井前的稳定井底流动压力，MPa；qG为关井前稳定产气量，在标准状态下体积，m3/s；μG为天然气在平均地层温度下的黏度，MPa·s；KG为地层中天然气有效渗透率，10-12m2；BG为天然气在地层温度和平均地层压力下的体积系数，无因次；i为曲线斜率段的周期斜率，MPa/周期。

2 煤层瓦斯压力恢复曲线理论模型

2.1 压力恢复曲线应用于煤层瓦斯研究

煤层是由孔隙介质组成的煤基质和裂隙系统所组成的孔隙-裂隙结构，瓦斯主要以游离态和吸附态赋存于煤层中，其中游离态瓦斯赋存于煤层孔隙空间，吸附态瓦斯则存在于孔隙表面和结构内部，游离态瓦斯与吸附态瓦斯处于不断交换的动平衡状态。当煤矿井下钻孔施工致使钻孔周围煤体卸压后，动平衡状态被打破，游离态瓦斯首先放散并沿煤层裂隙流动，该流动以渗流为主，符合Darcy定律；随后在压力梯度和浓度梯度的作用下，吸附态瓦斯解吸并在孔隙结构中流动，该流动以扩散为主，符合Fick定律。这样大量吸附态瓦斯脱离煤层孔隙表面，进入孔隙裂隙并向钻孔自由空间运移，整个过程属于渗流—扩散2种性质流动的综合作用[6]。

从油井和天然气井的压力恢复曲线理论模型推导过程来看，油井和天然气井的基本微分方程、初始条件和边界条件的设定也适用于煤层气气井及井下钻孔的研究与应用，因此煤层气及煤矿井下钻孔能够采用油气井的压力恢复曲线理论模型来计算煤层瓦斯压力。但需特别注意的是，由于油气井压力恢复曲线推断地层压力的理论基础是可压缩液体向井筒作径向流动，因此在煤矿井下应用压力恢复曲线测定煤层瓦斯压力时要注意钻孔的施工设计应满足本理论的前提条件，即测压钻孔为穿层孔[7-9]。

2.2 煤层瓦斯压力恢复曲线模型

煤层瓦斯压力恢复曲线的基本公式如下：

式中：Z为瓦斯压缩系数；Tt为钻孔内温度，K；为钻孔关闭前钻孔孔口压力即大气压力，MPa。

由上可知，在半对数坐标上把曲线的斜率线段无限接近于t′/（T′+t′）=1时，得到的压力p′值即为地层压力，并利用斜率段进行瓦斯压力的推算，比正常瓦斯压力自然平衡法测定瓦斯压力的时间更短。

3 现场应用试验

为验证煤层瓦斯压力恢复曲线法快速测定煤层瓦斯压力的可行性，在淮南矿业集团潘一东矿等多个煤矿进行了现场应用试验。

现场试验主要进行2方面的对比研究内容：对煤层瓦斯压力恢复曲线法测定煤层瓦斯压力和常规法测定的煤层瓦斯压力值进行对比分析，以验证煤层瓦斯压力恢复曲线法测定煤层瓦斯压力的可行性；对煤层瓦斯瓦斯压力恢复曲线法测定的煤层瓦斯压力所需时间和常规法测定的煤层瓦斯压力所需时间进行对比分析，以便检验2种测定方法测定时间的长短。

现场压力测定严格按照AQ/T 1047-2007《煤矿进行煤层瓦斯压力的直接测定方法》）进行煤层瓦斯压力的测定，在进行煤层瓦斯压力恢复曲线绘制时，分别采用常规自然平衡法进行绘制和采用煤层瓦斯压力恢复曲线法进行绘制。由于现场试验矿井较多，以潘一东矿的煤层压力恢复曲线进行对比。2种方法测定的压力恢复曲线如图1，测定效果比较见表1。

图1 2种方法测定的压力恢复曲线

从图1中采用煤层瓦斯压力恢复曲线进行瓦斯压力恢复曲线绘制，图 1（b）和图 1（d）曲线中明显出现了斜率段，符合2.2节中的分析结果。从图1和表1分析得出采用煤层瓦斯压力恢复曲线法测定的煤层瓦斯压力与常规方法测得的结果基本一致，两者相差最大的为陶二煤矿2#煤层，2种测量方法测得的瓦斯瓦斯压力相差0.04 MPa；瓦斯压力测定误差率最大的为葛店矿三2煤层，误差率为3.6%，因此采用煤层瓦斯压力恢复曲线法进行煤层瓦斯压力测定时可行的。

对瓦斯压力测定时间分析可知，采用煤层瓦斯压力恢复曲线法可以在短时间内准确的测定出煤层瓦斯原始压力，尤其是葛店矿三2煤，采用压力恢复曲线法3 d可测定出煤层瓦斯压力，而常规方法则需要34 d，两者相差31 d，通过对现场试验数据分析可知，采用煤层瓦斯压力恢复曲线法可以在短时间内（为常规测压时间的1/10~1/2）准确的测定出煤层瓦斯原始压力，可大大缩短煤层瓦斯压力测定所需时间，提高煤矿生产效率。

4 结语

1）根据压力恢复曲线理论，介绍了了油气井压力恢复曲线理论模型，分析了油井压力恢复曲线模型和气井压力恢复曲线模型的区别。

表1 2种不同方法测定效果比较

2）结合煤层瓦斯的储存特征和流动机理，分析了将压力恢复曲线应用于煤层瓦斯压力测定的可行性和适用性，提出了煤层瓦斯压力恢复曲线理论模型和计算煤层瓦斯压力的新方法。

3）对煤层瓦斯压力恢复曲线技术测定煤层瓦斯压力进行了现场应用试验，试验结果表明，采用煤层瓦斯压力恢复曲线法可以在短时间内（为常规测压时间的1/10~1/2）准确的测定出煤层瓦斯原始压力，最大误差率为3.6%，因此采用煤层瓦斯压力恢复曲线法进行煤层瓦斯压力测定时可行的。由于试验矿井数量相对较少，下一步要加大试验矿井的数量，对煤层瓦斯压力恢复曲线测定技术进行验证。