煤层气含量密闭取心测定装置及测试技术

摘 要：为了解决煤层气含量损失气估算不准的问题，研制了煤层密闭取芯煤层气含量测试装置，该装置采用模块化设计、双筒单动结构，解体性好、便于拆卸和维护，与各种钻机、钻具、泥浆泵、气体解吸仪等设备的配套。在国内2个煤矿区井下试验45组和地面进行2口井的对比试验，密闭取芯测试结果比绳索取芯/传统瓦斯测试结果高出25.35%以上，对于松软和煤体结构较破碎煤层，其测试结果高出绳索取芯/传统测试结果的35.48%以上，密闭取心测试结果将更好。研究表明：煤层气含量密闭取心测试技术革新了煤层气取芯工艺，克服了常规取芯方法的不足之处，缩短了暴露时间，最大限度地避免了甲烷气体损失，简化了测试工艺，提高煤层气含量测试精度;通过现场实践该技术的应用可以提高瓦斯含量测试数据的可靠性。

关键词：煤层气;气含量测试;密闭取芯，损失气

中图分类号：TD 84   文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0407   文章编号：1672-9315（2019）04-0603-07

Abstract： In order to solve the problem of inaccurate estimation of methane content loss gas，a methane content testing device with sealed coring is developed.The device adopts modular design，double barrel single action structure，good disassembly，easy disassembly and maintenance，and is compatible with various drilling rigs，drilling tools，mud pumps and other equipment.Comparing 45 groups of underground test and 3 wells on the ground in 2 coal mine areas in China，the result of closed coring test is more than 25.35% higher than that of rope coring/traditional gas test，and the result of closed coring test is 35.48% higher than that of rope coring/traditional testing for soft and fractured coal seams.It will be better in content sealed coring.The results show that methane content closed coring technology has innovated methane coring technology，overcomes the shortcomings of conventional coring methods，shortens the exposure time，avoids the loss of methane gas to the greatest extent，simplifies the testing process，and improves the accuracy of methane content testing.Improve the reliability of gas content test data.

Key words：methane;coalbed gas content test;sealed coring;lost gas

0 引 言

煤层气（瓦斯）含量测定是煤层气资源勘探、开发以及矿井瓦斯综合治理等领域一项重要工作，准确获取煤层气含量数据对评价煤层气资源量、编制煤层气资源开发方案以及矿井开采设计、矿井通风、瓦斯灾害综合治理意义重大。煤层（瓦斯）气含量主要由解吸气、损失气和残余气3部分组成。其中解吸气和残余气实测获取，而损失气是估算所得，实践中煤层实际气含量与勘探测得的气含量存在较大误差，主要原因是损失气估算不准。在测定过程中，煤芯样品采取是关键环节，取心质量好坏直接关系到煤层气含量测定的成功与否和准确程度。现阶段煤层气含量测定方法推广的3个国家标准：第1个国家标准就是GB/T19559-2008《煤层气含量测定方法》[1]，该标准主要引进美国天然气研究所的“直接法”和国内煤层的地质特征制定，行业内称之为“自然解吸法”[2];第2国家标准就是 GB/T23250-2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》，该标准沿用了煤田勘探的测定原理，在煤矿煤田勘探较为普遍，一般也称“地勘法”[3];第3国家标准为GB∕T28753-2012《煤層气含量测定加温解吸法》，该标准主要是针对自然解吸法时间过长而改变解吸温度，使解吸的周期变短从而尽早的得出煤层气含量，为勘探和开发提供技术支撑[4-5]。随着科学技术的进步和材料不断更新，国内外针对煤层气含量测试展开了大量研究工作，李红涛和齐黎明等学者设计了单管卸压取芯器，改进和优化了脱气和碎煤过程的气含量测定，提高了传统煤层气含量的精度[6-7]。袁亮利用取芯内管装入煤样室和粘液室，将粘液密在煤层中封密封取样器来提高煤层气含量[8]。陈绍杰设计反转取芯装置使煤层取样过程中的暴露时间明显减少，避免了损失气量[9]。景兴鹏研究了瓦斯机械密闭取芯的基本原理和测定技术工艺[10-12]。胡千廷、邹银辉等学者建立了5类损失量推算模型，来解决直接法煤层瓦斯含量测定中取芯工艺、损失量推算模型等影响并提出将煤样粉碎进行瓦斯含量直接测定的方法[13-15]。还有一些学者对于非常规油气田的钻孔进行了密闭取芯技术探讨和研究[16-18]，分析研究了石油钻探中液态包裹样品的密闭取芯装置的基本原理和最新技术方法[19-21]。文中主要针对煤层气含量精度不高而研制煤层密闭取芯装置，对装置的结构和原理以及各个部件组成进行详细论述，并对煤层含量测试进行试验验证，研究和探讨了煤层气含量密闭取心测定装置及测试技术研究。

1.1 煤层气含量密闭取芯装置的基本参数

煤层气含量密闭取心装置直径100 mm，全长136 cm.该装置主要由取心内筒、投球装置、液压总成、外套总成、底喷式PDC取心钻头以及钻杆转接头等构件组成。其中，取心内筒、液压总成、投球装置等构件安装在密闭取心装置内部。密闭取心装置各组件技术参数见表1.

1.2 煤层气含量密闭取芯装置的基本构件

1.2.1 外套总成和取心钻头

外套总成置于密闭取心装置最外层，包括外套筒和外套轴承组等。外套筒前端通过丝扣安装127 mm底喷式PDC取心钻头，末端通过转接头与钻杆相连，如图1所示。外套筒一方面保护内置的取心内筒和液压总成，另一方面连接钻杆传输动力，带动钻头取心钻进。

1.2.2 取心内筒

取心内筒全长108 cm，由密闭球阀、球阀转接头、取心筒管、解吸连接阀门以及定位铜套等组成，如图2所示。取心内筒前端通过转接头安装密闭球阀，取心筒管在取心过程中收集煤芯，取心钻进结束后，液压推动筒推动密闭球阀截断煤芯和将煤芯密闭在取心筒管内。取心筒管末端安装有解吸阀门，可兼作瓦斯罐，密闭球阀关闭过程同时关闭解吸阀门，取心结束后无需煤样装罐即可连接气含量测试设备进行现场解吸和脱气。取心内筒末端通过丝扣与投球装置的球座相连，一并安装于液压总成内，在取心钻进过程中不随外套筒一起转动。

1.2.3 双筒单动、液压推动系统

液压总成位于取心内筒外层，由液压筒、液压筒轴承以及销钉等组成，如图3所示。液压总成末端由销钉固定在投球装置的管路卡槽中，前端与推杆相连，其中推杆与取心内筒球阀的开关接触（图1）。液压总成与推杆主要用来传递泥浆泵压力，在取心钻进结束后关闭球阀开关，将煤芯和解吸的煤层气密闭在取心筒管内部。双筒单动结构（外筒与钻头钻杆转动，取心内筒与液压筒不动）保持样品的完整性、避免煤芯被破坏。液压推动技术指标就是液压筒推动力大于6 MPa，根据煤的硬度安装剪切销钉和密封圈的数量，控制液压筒关闭密闭剪切球阀所需的压力，从而根据煤矿不同煤层的硬度确定液压推动压力。

1.2.4 联动机构的设计与研发

投球装置位于密闭取心装置末端，由球座、投球管路和橡胶球等组成，球座安装于投球管路前端，并与取心内筒丝扣连接，其底部对称分布4个导水孔，用于取心钻进过程泥浆循环，球座在投球关闭过程中接收橡胶球。投球管路上对称分布液压轴承卡槽，用于安装并固定液压筒轴承。投球装置被安装在液压筒内，在取芯过程中取芯内筒不随外套筒旋转钻进，投球装置的动力是由钻井泥浆液传导并提供;在取芯钻进结束后取心内筒的密闭剪切球阀与解吸球阀同时关闭，同时，联动机构保证了钻进过程中钻井液的排出，保证煤样能够顺利进入取心筒内部，联动机构的设计与研发促进了煤层取心和解吸一体化。

2 煤层密闭取芯的基本原理及特点

煤层气含量密闭取芯的基本原理就是减少煤样的暴露时间，在煤层中直接钻进并将煤样装入取芯内筒中，在通过泥浆传送媒介将封堵球将煤样封闭在取芯内筒中，取出取芯内筒，连接气体解吸仪就可以解吸，并将后期煤样进行残余气或者脱气，从而得到煤层煤样的气含量结果。

煤层气含量密闭取心装置主要适用于煤层气和瓦斯煤层气含量密闭取心测试。密闭取心可以有效缩短煤样暴露时间，减少了提钻和煤样装罐环节造成的瓦斯损失，从而使得气含量测试结果更加准确可靠。与传统的煤层取心装置相比，其具有以下特点。①采用双筒单动结构;②取芯内筒的密闭状态是由钻机泥浆泵和钻井液共同完成;③煤层密闭取芯装置便携安全高效。

3 煤层密闭取芯装置的试验及效果检验

3.1 煤层密闭取芯试验步骤

3.1.1 非取心钻进

在钻前准备完毕后，架设钻机并安装破碎钻头（113 mm）对目标煤层进行非取心钻进，达到设计孔深（30 m）后停钻并快速退出钻具。

3.1.2 密闭取心

换装密闭取心装置迅速送至孔底，并进行取心钻进，取样过程为水力排渣，达到取样长度（0.8 m），后停止钻进，并提钻20～30 cm;此时由孔外水便-钻杆接口处投入橡胶球，泥浆泵加压至3.5～4.0 MPa，驱动液压装置关闭取心内筒球阀。之后提钻至孔口，取出取心内筒进行气密性检查。在此过程中，详细记录换装密闭取心装置时间、取心钻进时间和投球关闭时间。

3.1.3 普通绳索取芯或传统井下瓦斯取芯

按照2个煤层取芯国家标准进行取芯，一般换装普通取心筒（89 mm）迅速送至孔底，并进行取心钻进，达到取心长度（1 m）后停钻并迅速将取心筒提至井口，取出煤样并装罐密封，取样过程中为压风排渣。在此过程中，详细记录换取心筒时间、取心钻进时间、提钻时间和煤样装罐时间。

3.1.4 气含量测试

将气密性测试合格的取心内筒和装罐样品，分别进行现场气体解吸，并做好解吸记录。将煤样密封进行自然解吸、后期脱气和残余气测定，并最终测算出不同取心条件下煤层气含量值。

3.2 煤层密闭取芯试验及验证

试验选取山西煤层气资源丰富的晋城矿区和具有极大煤层气开发潜力的安徽淮北矿区。晋城矿区是属高瓦斯矿井，主要是对山西组3#煤层进行开发和利用，3#煤层硬度较高的无烟煤，大部分属于原生结构，且煤层中的甲烷含量比较高;淮北矿区是属中-高瓦斯矿井，主要是对山西组10#煤层进行开发和利用，10#煤层为松软的肥煤，大部分属于碎裂结构，且煤层中的甲烷含量相对较高。

由于密闭取芯方法是在煤层中直接密闭采取样品的方法，因此煤层气含量Q=Q解+Q残二者之和，而传统和绳索取芯的煤层气含量Q=Q损+Q解+Q残三者之和[10]。晋城矿区和淮北矿区地面煤层气井的绳索取芯的两种方法气含量测试的自然解吸气和损失气的等测试结果对比见表2.从表2可知，晋城区块绳索取芯的损失气含量为0.87～1.37 cm3/g，平均为1.18 cm3/g，自然解吸气含量为16.64～17.83 cm3/g，平均为16.68 cm3/g，与密闭取芯方法对比结果可知，气含量的差距主要是损失气和自然解吸气的差别，这2个部分的差异是密闭取芯气含量比绳索取芯气含量高出较多。晋城区块2种方法的自然解吸气含量的柱状对比如图4所示，密闭取芯的自然解吸含量比绳索取芯气含量多出5.68 cm3/g，比绳索取芯的测试值高出34%;淮北区块绳索取芯的损失气含量为0.27～0.59 g，平均为0.35 cm3/g，自然解吸气含量为753～9.24 cm3/g，平均为8.22 cm3/g，与密闭取芯方法对比结果可知，气含量的差距主要是损失气和自然解吸气的差别，这2个部分的差异是密闭取芯气含量比绳索取芯气含量高出较多，其淮北区块2种方法的自然解吸气含量的柱状对比如图4所示，密闭取芯的自然解吸含量比绳索取芯气含量多出3.33 cm3/g，比绳索取芯的测试值高出41%.因此對于煤层较破碎的淮北区块，其绳索取芯的测试方法测试值与密闭取芯测试值差距更大。同时其残余气的测值来分析，其2个方法的差值不明显;根据测试的解吸时间结果可知，2种方法的测试时间差别不大，可以说2种方法的核心就是自然解吸气含量和损失气含量的计算。

同时对于煤层气气含量的绳索取芯测试方法，其国家标准的损失气测算方法只要是依据直线截距方法进行测算，但随着煤层气含量测试的精度要求越来越高，因此现有的煤层气含量损失气含量测算应给予重视，密闭取芯方法测试结果进一步反证了煤层气损失气含量的测定不够准确。从表2可知，晋城区块和淮北区块残余气的估算值分别为1.18和0.35 cm3/g，其估算值原小于2种自然解吸气含量的差值（晋城区块与淮北区块两种方法自然解吸差值分别为5.64和3.33 cm3/g）。因此密闭取芯的气含量值明显高于绳索取芯方法的测值。

结合煤矿井下的煤层气含量测试结果与地面煤层气井的测定结果进行综合对比性试验，对45组井下煤层气含量测定数据进行气体体积、压力和时间等参数的校正，计算得出2种测定方法的井下煤层瓦斯含量，结果见表3;对地面3口煤层气井进行了10组煤层气含量的对比分析，计算出的煤层气含量结果见表3.

从表3可知，晋城矿区3#煤层的地面煤层气井密闭取心测试获得的气含量为22.65 cm3/g，绳索取芯测试方法获得的气含量为18.07 cm3/g，前者比后者高出25.35%;煤矿井下密闭取心测试获得的气含量为16.48 cm3/g，传统瓦斯测试方法获得的气含量为13.11 cm3/g，前者比后者高出2571%;地面煤层气井密闭取心测试获得的气含量为11.76 cm3/g，绳索取芯测试方法获得的气含量为8.68 cm3/g，前者比后者高出35.48%;煤矿井下密闭取心测试获得的气含量为2188 cm3/g，传统瓦斯测试方法获得的气含量为15.67 cm3/g，前者比后者高出39.63%.

综合分析研究，密闭取心测试方法比绳索取芯/传统测试方法的测试结果有比较大提高，煤层气含量比绳索取芯/传统测试结果提高了25.35%以上;对于煤体结构较好且块柱状硬度较高无烟煤的密闭取芯，其测定结果可以提高结果的25%;对于煤体结构较破碎的松软肥煤的密闭取芯，其测定结果可以提高结果的35%.而且对于无烟煤和肥煤该装置也有较好的适应性，同时可以大大提高煤层气含量测定精度。综合取心技术参数和气含量测试结果，研制的矿井煤层密闭取芯装置达到设计要求，取芯过程中各组件运转正常，密闭效果良好。与绳索取芯/传统取芯测试方法相比，技术优势明显，对准确测定煤层气含量意义重大。

4 结 论

1）2个典型煤矿矿区的密闭取芯煤层气含量测试结果比绳索取芯/传統瓦斯含量测试结果高出25.35以上，对于淮北矿区松软煤层和煤体结构比较破碎的煤层，密闭取心测试结果将更好，其测试结果可能高出绳索取芯/传统测试结果的35%以上;

2）密闭取心方法实现了在煤层内煤芯采集密闭取芯技术，该装置研制了双筒单动结构，由外套总成（外筒）、取心内筒以及液压总成等组成，装置操作简单，坚固耐用，具有较强的井下环境适应性。通过井下煤层密闭取芯试验，各项技术指标均达到设计要求;

3）煤层气含量密闭取心测试技术革新了煤层气取芯工艺，克服了常规取芯方法的不足之处，缩短了煤芯的暴露时间，最大限度地减少了取心过程中的甲烷气体损失，简化了煤层气含量测试过程，提高煤层气含量测试成果的真实性和准确性。与普通取心方法相比，技术优势明显。

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