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(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤層氣含量的測(cè)定方法主要有兩種：間接方法和直接方法，間接方法有等溫吸附法、測(cè)井解釋法、井下解吸系數(shù)法等，直接方法包括地勘解吸法、井下解吸法、自然解吸法和加溫解吸法[1]。地勘解吸法、井下解吸法、自然解吸法和加溫解吸法4種方法的測(cè)試原理基本一致，但測(cè)試流程區(qū)別較大，4種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相對(duì)其他3種方法，自然解吸法的測(cè)定結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確、可靠，但是測(cè)定周期過(guò)長(zhǎng)，一般需要1～3個(gè)月的時(shí)間。臨興區(qū)塊解吸試驗(yàn)結(jié)果顯示，解吸時(shí)間在60～70 d不等。而煤層氣地質(zhì)勘探需要在取心后的很短時(shí)間內(nèi)獲得氣含量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行其他試驗(yàn)工作。煤層氣含量作為地層儲(chǔ)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)，其測(cè)試的準(zhǔn)確性對(duì)于煤層氣資源量計(jì)算、儲(chǔ)層模擬、預(yù)測(cè)氣井產(chǎn)能、開(kāi)發(fā)靶區(qū)優(yōu)選和井網(wǎng)布置具有重要意義[2]，是決定一個(gè)區(qū)塊煤層氣資源能否進(jìn)行商業(yè)化勘探開(kāi)發(fā)的先決條件，其測(cè)試結(jié)果將直接影響到煤層氣田進(jìn)一步的勘探開(kāi)發(fā)。

由于現(xiàn)行的自然解吸法測(cè)定周期長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足相關(guān)需求，因此有必要探索新方法，充分分析影響含氣量測(cè)定周期的各個(gè)影響因素，進(jìn)行含氣量快速測(cè)定方法的研究，在保證測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性(自然解吸)的基礎(chǔ)上，降低測(cè)試周期，盡快提供煤層氣含量及其他相關(guān)數(shù)據(jù)(等溫吸附試驗(yàn)、Ro、工業(yè)分析、煤巖元素分析、煤巖密度、氣體組分和煤巖力學(xué)等)。

1 快速解吸方法簡(jiǎn)介

煤層氣快速解吸方法研究的建立是基于自然解吸方法，針對(duì)快速解吸方法還研究了一套配套儀器設(shè)備，其密閉性好，便于搬運(yùn)，適合野外作業(yè)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，快速解吸法和自然解吸法完全可以并行應(yīng)用，其測(cè)試精度都能滿(mǎn)足勘探階段的需求。本文詳細(xì)地介紹了煤層氣快速解吸試驗(yàn)流程和試驗(yàn)設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)提高解吸溫度、增加解吸頻率、提前破碎等試驗(yàn)手段達(dá)到快速解吸效果。

每次裝罐的煤樣質(zhì)量不應(yīng)少于800 g。并擦干樣品表面泥漿及水分，裝完煤樣后，通過(guò)向解吸罐中填充鋼球使罐內(nèi)空體積小于體積的1/4。樣品裝罐第一次5 min內(nèi)測(cè)定，然后以10 min間隔測(cè)滿(mǎn)1h，以15 min間隔測(cè)滿(mǎn)1 h……累計(jì)測(cè)滿(mǎn)8 h后，進(jìn)入快速解吸階段。

將解吸罐迅速置于儲(chǔ)層溫度的恒溫裝置中，提高解吸溫度?？焖俳馕? h測(cè)定時(shí)間間隔為10 min，3 h后測(cè)定間隔為20 min?？焖俳馕跗冢梢暢鰵饬看笮∵m當(dāng)縮短測(cè)量時(shí)間間隔，提高觀(guān)測(cè)頻率。當(dāng)快速解吸累計(jì)20 h或連續(xù)2次平均解吸量小于或等于300 mL時(shí)，提前破碎。解吸罐在不用開(kāi)罐的情況下，直接放在球磨機(jī)上破碎10～20 min(保證了氣體不會(huì)溢散，提高了測(cè)量精度)，并放入恒溫裝置，待恢復(fù)儲(chǔ)層溫度后測(cè)量氣體逸出量，若兩次破碎后的出氣量平均小于10 mL，解吸結(jié)束。

2 快速解吸方法研究

在研究快速解吸試驗(yàn)方法的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)解吸溫度、觀(guān)測(cè)頻率、破碎時(shí)間對(duì)解吸出氣量的快慢有很大的影響。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，利用提高解吸溫度、增加解吸頻率和提前破碎等方式來(lái)提高煤層氣解吸速率，縮短解吸氣測(cè)定周期。

2.1 提高解吸溫度

根據(jù)快速解吸以不改變煤的化學(xué)性質(zhì)為原則，煤級(jí)不同，變質(zhì)溫度不同，解吸溫度不應(yīng)高于煤的變質(zhì)溫度[3-5]，所以解吸溫度依據(jù)煤級(jí)而定。臨興地區(qū)煙煤自然解吸時(shí)間顯示，煤層溫度小于30 ℃的樣品，自然解吸時(shí)間長(zhǎng)達(dá)180余天；35 ℃以上的煤層樣品自然解吸時(shí)間多為55～70 d；煤層溫度大于42 ℃的樣品，自然解吸時(shí)間為35～45 d[2](圖1)，可見(jiàn)解吸時(shí)間的長(zhǎng)短與解吸溫度具有良好的負(fù)相關(guān)性。因此，可以通過(guò)調(diào)整解吸試驗(yàn)溫度縮短測(cè)定周期。

圖1 溫度與解吸時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature and desorption time

2.2 增加解吸頻率

按照《煤層氣含量測(cè)定方法》(GB/T 19559—2008)，煤層氣進(jìn)行自然解吸的時(shí)間間隔為樣品裝罐第一次5 min內(nèi)測(cè)定，然后以10 min間隔測(cè)得1 h，以15 min間隔測(cè)得1 h，以30 min間隔測(cè)得1 h，60 min間隔測(cè)試一次，以間隔120 min每次測(cè)定2次，累計(jì)測(cè)試8 h，連續(xù)解吸8 h后，每天測(cè)定1次。

通過(guò)大量的解吸數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量時(shí)間間隔越長(zhǎng)，出氣量越小；測(cè)量間隔越短，出氣量越大。選取臨興地區(qū)同一層位、煤體結(jié)構(gòu)和煤巖煤質(zhì)大體相同的不同煤樣，在解吸8 h后，利用10 min解吸間隔和20 min解吸間隔對(duì)煤樣進(jìn)行解吸2 h[6]，并將測(cè)得的解吸量進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果顯示，10 min讀數(shù)間隔測(cè)得的解吸量比20 min讀數(shù)間隔多1～2倍，因此，增加解吸頻率可以大幅度縮短解吸周期(圖2)。

2.3 提前破碎

煤層氣包括解吸氣、殘余氣和損失氣。而煤巖總含氣量相當(dāng)于解吸氣+殘余氣+損失氣。自然解吸含氣量測(cè)定是煤樣在地層取出后迅速裝入解吸罐中進(jìn)行測(cè)量，在解吸終止后進(jìn)行開(kāi)罐，把煤樣放入殘余氣罐內(nèi)進(jìn)行殘余氣測(cè)定，進(jìn)行總含氣量計(jì)算。

圖2 10 min與20 min讀數(shù)間隔測(cè)得的解吸氣量Fig.2 Desorption gas volume measured at 10 min and 20 min reading intervals

本次采用一種新型設(shè)備，解吸罐在不用開(kāi)罐的情況下直接在破碎機(jī)上進(jìn)行破碎。煤樣從地層取出后選取沒(méi)有被泥巖污染且干燥的塊狀煤，迅速裝入罐內(nèi)后進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)單次出氣量的多少提前進(jìn)行破碎。本次選取了破碎要求出氣量值為300 mL、150 mL、80 mL、30 mL進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果顯示，破碎前含氣量與破碎后含氣量相加，得到的總含氣量沒(méi)有太大變化，證明了煤樣在后期出氣量?jī)H占總含量的1/10左右，所以沒(méi)有必要等到連續(xù)7 d平均小于10 mL后再進(jìn)行殘余氣測(cè)定，大幅度地節(jié)省解吸時(shí)間(表1)。

表1 提前破碎解吸與自然解吸對(duì)比Table 1 Contrast of early fragmentation with natural desorption

3 試驗(yàn)效果對(duì)比分析

結(jié)果分析表明，新方法進(jìn)行的快速解吸試驗(yàn)與自然解吸試驗(yàn)所得氣含量結(jié)果誤差≤15%。煤層自身?xiàng)l件、煤樣采取方式與過(guò)程、測(cè)定儀器設(shè)備、測(cè)定操作等因素對(duì)氣含量測(cè)定結(jié)果均有影響[7-8]，對(duì)快速測(cè)定的準(zhǔn)確率也同樣有影響。根據(jù)兩種方法的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，證明了快速解吸方法時(shí)間短(5～10 d)，且準(zhǔn)確性高(表2)。

表2 自然解吸法與快速解吸法含氣量測(cè)定結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of gas determination results between natural desorption method and rapid desorption method

續(xù)表

4 結(jié)論

該研究從試驗(yàn)出發(fā)，在無(wú)法改變煤層自身因素的條件下進(jìn)行，對(duì)測(cè)定方法中的試驗(yàn)條件和操作方式均進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了結(jié)論：

(1)適度提高解吸溫度是縮短測(cè)定周期合理而有效的途徑；

(2)適度增加解吸頻率，出氣速率要比自然解吸方法快1～2倍；

(3)出氣量達(dá)到300 mL時(shí)可提前進(jìn)行破碎，大幅度降低了測(cè)試周期；

(4)煤層氣快速解吸方法與自然解吸方法對(duì)比結(jié)果顯示，快速解吸方法時(shí)間短(5～10 d)，且準(zhǔn)確性高。