谷 峰 張濱海 李樂忠 葛 巖

(1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100007;2.中海油研究總院，北京 100007;3.中海石油能源發(fā)展采油技術(shù)服務(wù)公司鉆采研究院，天津 300457)

澳大利亞煤層氣含氣量測(cè)試方法及解吸分析
——以G盆地二疊系煤為例

谷 峰1張濱海2李樂忠1葛 巖3

(1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100007;2.中海油研究總院，北京 100007;3.中海石油能源發(fā)展采油技術(shù)服務(wù)公司鉆采研究院，天津 300457)

以G盆地為例，介紹澳大利亞現(xiàn)場(chǎng)采用的美國(guó)礦業(yè)局“USBM”方法的工作流程。通過(guò)與國(guó)內(nèi)運(yùn)用的煤層含氣量測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比，分析以全尺寸巖心進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并利用解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究煤層解吸特征。研究表明G盆地二疊系煤層解吸率普遍大于80%，吸附時(shí)間多數(shù)小于1天。通過(guò)對(duì)不同時(shí)段解吸氣組分變化的分析認(rèn)為，在煤層含氣量較低的情況下，含氣量和解吸氣組分是影響解吸速率快慢的主要原因。

澳大利亞 煤層氣含氣量 全尺寸巖心 解吸特征 吸附時(shí)間

煤層氣含氣量數(shù)據(jù)可以經(jīng)濟(jì)快捷地計(jì)算出區(qū)塊 煤層氣儲(chǔ)量，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響著儲(chǔ)量計(jì)算的可靠程度，因此有必要了解含氣量的測(cè)試方法。目前國(guó)內(nèi)外煤層含氣量測(cè)試方法主要分為直接法、間接法。直接法指在井場(chǎng)取心后，立即用密封罐采取煤樣，利用解吸儀器測(cè)定氣體體積隨時(shí)間的變化關(guān)系，求得含氣量。間接法是利用煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算煤層氣壓力，從而利用相關(guān)公式計(jì)算含氣量。國(guó)內(nèi)采用方法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19559—2008》，該方法參照的是美國(guó)礦業(yè)局直接法“USBM”，也被稱為“自然解吸法”。該方法操作簡(jiǎn)便，測(cè)值可靠，測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度是目前公認(rèn)最好的，含氣量由四部分構(gòu)成:損失氣、現(xiàn)場(chǎng)(2h)解吸氣、真空加熱脫氣量、粉碎脫氣量。

1 工區(qū)概況

以澳大利亞G盆地二疊系煤層含氣量測(cè)試為例，該盆地是晚石炭世到中三疊世的內(nèi)克拉通盆地，盆地整體呈北西南東向，呈馬蹄形，西南部為Ma地臺(tái)。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生于中二疊紀(jì)、晚二疊紀(jì)及中后三疊紀(jì)。煤層沉積發(fā)生在二疊紀(jì)，在后期經(jīng)歷了三疊紀(jì)的構(gòu)造抬升，Ma地臺(tái)上煤層被剝蝕殆盡。煤熱演化程度較低，R0位于0.6% ～0.8%范圍內(nèi)。

圖1 G盆地構(gòu)造綱要圖

2 含氣量測(cè)試

2.1 測(cè)試流程

現(xiàn)場(chǎng)解吸工作流程一般包括取心、樣品處理、裝罐解吸三個(gè)步驟。以2011年鉆井Wo-1井為例，該井在6月27日鉆遇煤層后下入4.5’套管，6月29日開始使用HQ-3型繩索取心工具取心，每個(gè)取心回次心長(zhǎng)6m。7月13日取心作業(yè)完成。取心鉆頭直徑98mm，采用K2SO4型水基泥漿，密度1.1g/cm3，粘度30s。巖心提至地表后，裝入用氦洗過(guò)的解吸罐中，將樣品水浴加熱至儲(chǔ)層溫度62℃，井場(chǎng)解吸至少延續(xù)24小時(shí)。之后于7月15日運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室自然解吸，罐內(nèi)保持62℃。期間記錄的時(shí)間點(diǎn)如下 (表1)。

表1 Wo-1井某樣品取心時(shí)間記錄表

開始測(cè)試后，按一定的時(shí)間間隔記錄氣體體積:最初30分鐘，每隔1分鐘記錄一次，接下來(lái)的2小時(shí)先后按照5分鐘和15分鐘的間隔各記錄1小時(shí)。隨后4個(gè)小時(shí)間隔30分鐘記錄一次，再過(guò)4個(gè)小時(shí)內(nèi)間隔1小時(shí)記錄一次。在記錄各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的氣體體積的同時(shí)，以下數(shù)據(jù)也要被記錄并輸入計(jì)算機(jī):測(cè)量桶內(nèi)的氣體體積、水柱高度、罐內(nèi)水浴高度、大氣溫度、大氣壓力。解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后巖心從罐中取出，切下一半作為殘余氣測(cè)量和工業(yè)組分分析的樣品。其中選取15～300g樣品，在球形磨碎機(jī)內(nèi)粉碎成粒徑小于212μm的顆粒，用排水法記錄殘余氣的體積。

G盆地現(xiàn)場(chǎng)采用的方法與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19559—2008》原理基本一致，但采用的樣品與國(guó)內(nèi)區(qū)別較大，操作過(guò)程也與國(guó)內(nèi)有所不同(表2)。

2.2 含氣量測(cè)試影響因素

通過(guò)G盆地煤層含氣量測(cè)試的工作流程與國(guó)內(nèi)進(jìn)行對(duì)比，可以看出主要有以下三個(gè)方面的因素影響含氣量測(cè)試結(jié)果。

2.2.1 煤心尺寸

G盆地現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)采用的樣品皆為全尺寸巖心樣品，長(zhǎng)度1m或0.5m。從井筒取出直接放入解吸罐中密封，重量最大超過(guò)7kg。而國(guó)內(nèi)的解吸樣品最低不少于300g，常呈塊狀甚至粉末狀。全尺寸煤樣對(duì)解吸氣量的測(cè)定帶來(lái)兩方面的影響。首先樣品長(zhǎng)度長(zhǎng)，重量大，比表面積小，不利于煤層氣解吸(表3)，測(cè)得數(shù)據(jù)會(huì)比國(guó)內(nèi)所用的塊狀、粉末狀的煤樣偏小，但是吸附時(shí)間則更好地反映了井下排采實(shí)際。其次，全尺寸樣品除了煤之外，一些樣品存在砂巖、泥巖的夾矸，故用解吸氣量除以整段煤心樣品的重量得到的平均含氣量可能偏小。

表2 G盆地與國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)解吸流程對(duì)比表

表3 各粒度煤樣氣體解吸速度統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 損失氣計(jì)算

損失氣量是指鉆頭鉆遇巖層到巖心從井口取出裝入解吸罐之前釋放出的氣體體積。目前計(jì)算損失氣常用有USBM直接法、改進(jìn)的直接法、史密斯-威廉姆斯法和曲線擬合法。原理都是根據(jù)解吸初期氣量的變化速率與時(shí)間的關(guān)系來(lái)推測(cè)損失氣量。較大尺寸的樣品在提心和裝罐解吸過(guò)程中，解吸特征變化不大，采用直接法利用解吸初期的解吸氣量與所用時(shí)間的平方根成正比計(jì)算損失氣。粒度較小的煤心，在裝罐前后的解吸表現(xiàn)變化較大，為了更準(zhǔn)確的計(jì)算損失氣，采用多項(xiàng)式法擬合出一條解吸氣量與所用時(shí)間的曲線來(lái)計(jì)算。G盆地現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)采用的全巖心煤樣，故利用直接法計(jì)算的損失氣是合理的 (圖2)。

圖2 G盆地Wo-1井二疊系某煤樣損失氣計(jì)算示意圖

3 解吸特征分析

3.1 解吸特征

利用含氣量測(cè)試中解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究G盆地低階煤低的解吸特征，有助于了解煤層的解吸規(guī)律，為有利區(qū)優(yōu)選和設(shè)計(jì)開發(fā)方案提供幫助。煤層解吸特征，通常用解吸率、吸附時(shí)間和解吸速度三個(gè)參數(shù)來(lái)定量表示。提高解吸速度能提高單位時(shí)間內(nèi)煤層氣產(chǎn)能。

解吸率通過(guò)解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果求得，定義為損失氣、解吸氣之和與總含氣量的比值。研究區(qū)煤層解吸率較高，普遍大于90%，最低也大于80%(表4)。我國(guó)煤的解吸特性變化較大，煤層甲烷解吸率變化于9.1% ～59.0%之間。國(guó)內(nèi)煤層含氣量由四部分組成，分別是損失氣V1、現(xiàn)場(chǎng)2h解吸量V2、真空加熱脫氣量V3和粉碎脫氣量V4，相應(yīng)的解吸率:η=(V1+V2)/(V1+V2+V3+V4)。除了計(jì)算方法的不同之外，實(shí)驗(yàn)樣品的不同也對(duì)解吸率有一定的影響。國(guó)內(nèi)煤層氣田高階煤居多，物性較差，割理不發(fā)育，在解吸結(jié)束后一部分氣體還被束縛在煤中，從而造成殘余氣比重較高。G盆地的煤成熟度較低，孔隙以中-大孔為主，收到基含氣量 (文中提到含氣量均為收到基含氣量)不高，即儲(chǔ)層中氣體大部分都可以被解吸出來(lái)，解吸率很高。通常認(rèn)為，煤階提高會(huì)導(dǎo)致微孔孔容和比表面積的增大，降低煤的解吸率。

吸附時(shí)間是指樣品所含氣體 (包括損失氣、解吸氣、殘余氣)被解吸出63.2%所需要的時(shí)間。它可以近似反應(yīng)氣體從煤儲(chǔ)層中運(yùn)移出來(lái)的速度，在很大程度上反應(yīng)了煤層氣早期的生產(chǎn)效果。G盆地煤層吸附時(shí)間短，集中在0.2～3d(圖3)。吸附時(shí)間較短的煤層，經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)解吸后巖心只剩余大約5%的氣體，與本研究區(qū)解吸率很高的特點(diǎn)類似。我國(guó)沁水盆地高階煤 (R0＞2.5%)吸附時(shí)間主要為0.18d至19.17d，跨度較大，不同煤階煤巖的吸附時(shí)間分布有較大差別。

表4 G盆地二疊系部分煤心含氣量統(tǒng)計(jì)與解吸率計(jì)算

圖3 G盆地二疊系煤層吸附時(shí)間頻率分布圖

3.2 影響因素

3.2.1 含氣量

影響煤層吸附時(shí)間的因素通常有煤階、孔喉連通性、煤心尺寸、平衡水分等。在本研究區(qū)內(nèi)煤層這幾項(xiàng)參數(shù)差別不大，含氣量對(duì)吸附時(shí)間的影響比較明顯。傅雪海在對(duì)淮南4口煤層氣井測(cè)試資料分析之后，認(rèn)為煤層甲烷含量降低，吸附時(shí)間增長(zhǎng)，尤其含氣量在小于8m3/t的情況下，吸附時(shí)間隨含氣量的減小而急劇增長(zhǎng)。對(duì)本次研究工區(qū)測(cè)試數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，吸附時(shí)間與含氣量總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系 (圖4)，含氣量較高的樣品吸附時(shí)間也較短。

圖4 G盆地二疊系部分煤樣吸附時(shí)間與煤層含氣量關(guān)系圖

理論上，經(jīng)過(guò)排水儲(chǔ)層壓力下降到臨界解吸壓力之后，氣體才開始解吸。煤層臨界解吸壓力是指吸附和解吸達(dá)到平衡時(shí)的壓力，與煤儲(chǔ)層含氣量和吸附/解吸特性密切相關(guān)。越接近原始儲(chǔ)層壓力，越有利于降壓，氣體則越容易解吸。煤層臨界儲(chǔ)層壓力Pcd可通過(guò)Pcd=V0·PL/(VL-V0)求得，其中V0為煤層實(shí)測(cè)含氣量，PL為蘭氏壓力，VL為蘭氏體積。從式中不難看出，含氣量越高，臨界解吸壓力越大，從而臨儲(chǔ)比越接近1，即降低較小的壓力氣體就能解吸出來(lái) (表5)。我們也可以引入在吸附時(shí)間內(nèi)的解吸速率的大小來(lái)評(píng)價(jià)解吸的快慢，尤其能反映解吸前期、中期的解吸快慢。計(jì)算方法為V=Q×0.632/t，Q為總含氣量，t為吸附時(shí)間。

3.2.2 氣體組分

在研究解吸速率快慢中，一部分樣品含氣量比Wo-1井樣品低但吸附時(shí)間很短，解吸速率也較快，例如表5中的Al-1井、No-1井部分樣品。進(jìn)一步分析表明這是由于解吸氣組分不同造成的。G盆地二疊系煤層在盆地東部出露地表，接受大氣降水形成供水區(qū)，使得二疊系層間水從東部向西部低勢(shì)區(qū)流動(dòng)。另外，盆地西部靠近地臺(tái)區(qū)域缺失三疊系地層，對(duì)阻隔上覆地層水向下滲流不利，以上兩點(diǎn)造成了在氣體組分測(cè)試中除了含氣量最高的Wo-1之外，其余井煤層解吸氣樣中氮?dú)舛颊加幸欢ǖ谋戎?。通過(guò)對(duì)比在解吸過(guò)程中不同時(shí)期氣組分變化發(fā)現(xiàn) (圖5、圖6)，在解吸初期氣體組分中，氮?dú)庹急戎剌^大。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推移，煤儲(chǔ)層壓力降低，甲烷含量增加，氮?dú)庀鄬?duì)濃度成降低趨勢(shì)。這是因?yàn)槊簩?duì)甲烷的吸附能力要大于對(duì)氮?dú)獾奈侥芰?，故氮?dú)鈨?yōu)先于甲烷解吸出來(lái)，這也就解釋了部分樣品含氣量較低，但解吸速度依舊較快的現(xiàn)象。

表5 G盆地二疊系煤層部分樣品等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 G盆地Al-1井某樣品解吸氣組分不同時(shí)期甲烷比重對(duì)比圖

圖6 G盆地Al-1井某樣品解吸氣組分不同時(shí)期氮?dú)獗戎貙?duì)比圖

3.2.3 灰分、水分

煤層的含氣量受到煤巖骨架中的灰分和水分的影響。無(wú)論是灰分還是水分的存在，都會(huì)減少甲烷的保留量。在微孔隙中束縛水盡管不會(huì)影響甲烷在微孔隙中的運(yùn)動(dòng)，但會(huì)占用吸附面積，而減少甲烷的吸附量。同樣G盆地二疊系煤中水分、灰分的增加制約著氣體的吸附 (圖7)，但沒有直接影響到吸附時(shí)間 (圖8)。

圖7 G盆地二疊系煤中灰分、水分與含氣量關(guān)系圖

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)澳大利亞G盆地二疊系煤層含氣量測(cè)試采用“USBM”法，解吸過(guò)程主要分為取心、樣品制備、裝罐解吸三個(gè)階段，與國(guó)內(nèi)方法最大的不同之處在于采用的全尺寸煤心樣品進(jìn)行解吸。

圖8 G盆地二疊系煤中灰分、水分與吸附時(shí)間關(guān)系圖

(2)通過(guò)對(duì)G盆地二疊系煤層含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為測(cè)得含氣量值可能偏小，但全尺寸煤心的吸附時(shí)間更好的反應(yīng)井下排采的實(shí)際。

(3)G盆地煤層處于次煙煤-煙煤階段，含氣量較低，解吸率較高，吸附時(shí)間較短，解吸速率較快。

(4)在含氣量較低的煤層中，影響解吸速率快慢的首要因素是含氣量，兩者成正相關(guān)性。其次是氣體組分，氮?dú)夂扛叩臉悠罚馕俾瘦^大。但灰分、水分對(duì)吸附時(shí)間的影響不大。

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Measuring Method of CBM Gas Content in Australia and Analysis of Desorption——Taking Permian Coal Seam in G Basin for example

GU Feng1，ZHANG Binhai1，LI Lezhong1，Ge Yan3

(1.CNOOC Power ＆ Gas Group Research and Development Center，Beijing 100007;2.CNOOC Research Institute，Beijing 100007;3.CNOOC Energy Technology ＆ Service-oilfield Engineering Institute，Tianjin 300457)

Taking G Basin for example，the paper introduces the workflow of USBM，a method developed by for measuring coal gas content used in Australia.Trough comparing with the method used in China，the impact of full-size cores for the measurement for gas content is analyzed，and the results of the desorption test are used to studies the characteristics of coal seam desorption.The research indicates that the rate of gas desorption in Permian Coal Seam of G Basin is more than 80%，and the adsorption times are mostly shorter than 1 days.The studies of component of desorption gas in different periods show that in coal seams with low gas content，the gas content and component of desorption gas are the main factors affecting the velocity of desorption.

Australia;CBM gas content;full-size core;characteristics of desorption;adsorption time

谷峰，男，助理工程師，碩士，主要從事煤層氣勘探開發(fā)研究工作。

(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))