鄭凱歌，孫四清，龍威成，楊 森

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710076；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

煤層氣(瓦斯)是一種以吸附和游離狀態(tài)賦存為主的非常規(guī)天然氣資源，主要成分為甲烷，煤層氣的開發(fā)對于清潔能源開發(fā)、瓦斯災害防治、溫室氣體減少排放極具意義[1，2]。我國煤層受到印支、燕山、喜馬拉雅等多期構造運動的抬升、隆起、剝蝕與斷陷活動影響，伴隨著燕山運動期間巖漿與塑性物質入侵[3，4]，煤層結構和煤層氣含量差異化嚴重[5]。煤層氣含量是煤層氣開發(fā)有利區(qū)評價、瓦斯危險區(qū)劃分的關鍵參數。目前普遍采用 USBM直接測試方法獲得[6-8]，該測試方法認為煤層氣量由損失氣、自然解吸氣和殘余氣三項構成，其中自然解吸氣和殘余氣可依托實驗室準確測試獲得。損失氣主要是在開放式巖心管地面采取煤層氣測試樣品過程中發(fā)生的氣體逸散，該過程十分復雜，難以準確估算。

煤層氣含量獲取的精確程度關鍵依托于損失氣估算精度。盡管采用改進及優(yōu)化的美國礦業(yè)局 (USBM)法進行損失氣含量估算在行業(yè)內得到普遍應用，但因該方法在公式推導過程中，為了便于求解，采用的初、邊條件與實際情況差異較大，如假設鉆孔中煤芯在提鉆到一半鉆孔深度的時間即“零時間”，煤層氣才開始解吸，且又對解析解作了理想化處理以使結果表達式更簡單，所以，該方法測試結果精度存疑。煤層開采和地面煤層氣勘探開發(fā)結果均顯示，地面勘探期間獲取的煤層氣含量低于煤儲層實際氣含量[9-11]。行業(yè)內普遍認為損失氣估算不準是造成上述情況的核心原因[12，13]。

地面煤層氣含量精度的提高，主要可通過損失氣估算方法的優(yōu)化和地面煤層氣含量樣品的原位密閉采取測試兩種途徑解決。因煤層氣(瓦斯)損失氣體計算模型本身的局限性，參數獲取的精度不足等原因，目前還難以直接用于計算煤層氣損失量，因此地面鉆進煤層密閉取心氣含量測試成為提高煤層氣含量測試結果最為直接有效的途徑[14]。本文借助繩索取心煤層氣損失氣量地面井煤樣提升-解吸實驗平臺，模擬揭示了煤層氣(瓦斯)含量估算誤差原因，提出了密閉取心煤層氣含量測試技術模式，開展了密閉取心工藝技術參數定量分析實驗，并在典型礦井開展了工程示范應用，取得了良好的效果。

1 地面煤層氣含量誤差原因分析

1.1 繩索取心煤層氣損失氣量模擬實驗平臺

為了定量揭示地面煤層氣含量樣品采取過程中損失氣量解吸特征，利用地面繩索取心高壓解吸平臺，模擬煤樣在繩索取心過程中，從孔底原位采樣提至井口、地面裝罐以及解吸罐解吸三個階段高壓勻快速降壓條件下煤層氣解吸氣量，揭示損失氣量估算偏差原因。該實驗平臺主要由樣品缸、參考缸、高壓閥門、微調閥、解吸儀、恒溫水浴、溫、壓力傳感器、數據采集器、高壓氮氣瓶、繩索提升成套裝置等組成。

1.2 地面鉆井取心煤層損失氣量模擬實驗

依據我國煤層實際地質條件和取心過程要求，實驗解吸平衡壓力設定為8MPa，實驗溫度通過恒溫水浴控制，樣品提取時間為13min，樣品提升過程從高壓勻速降壓至常壓的速度為0.667MPa/min，地面裝樣(樣品暴露)時間為8min[15，16]，其操作為提出恒溫水浴后作為地面提心模擬，各過程每間隔1min進行解吸氣計量。在淮南礦區(qū)采取瓦斯突出礦井代表性煤樣，并制備成 1～3mm、30～50mm和柱塊3種類別。實驗步驟如圖1所示。

1.3 模擬實驗結果分析

不同粒度樣品地面繩索取心全過程煤層氣解吸實驗結果如圖2所示。煤層氣含量測試樣品自孔底原位采樣提至井口，地面裝罐，直至解吸罐解吸全過程甲烷氣體解吸量隨時間呈現3段型，樣品孔內提升過程曲線斜率明顯高于后兩者，同一煤層樣品隨著粒度的增大解吸速率不斷降低。

采用USBM直接法，根據煤樣在罐中的自然解吸數據，分別估算了各個煤樣的模擬損失氣量；基于地面繩索取心損失氣量全過程模擬獲得了實驗實測損失氣量數據。通過數據對比(表1)可知，模擬實驗損失氣量0.37～13.55cm3/g，隨著粒度的增大，損失氣量大幅降低，1～3mm碎軟粒度煤層損失氣量是30～50mm煤樣和塊樣的18.07和36.62倍。與美國USBM直接法估算結果相比實驗模擬結果明顯較大，后者是前者的8.0～31.4倍，并且樣品粒級越小差異越大。由以上分析可知采用美國USBM氣含量測試方法進行煤層損失氣量估算偏差大是引起煤層氣含量測試不準的根本原因。

表1 煤層氣損失量模擬結果

2 地面煤層原位密閉取心模型構想

2.1 密閉取心裝置功能設置

通過以上分析可知，地面鉆井煤層氣含量測試失準的關鍵原因是損失氣量估算偏差，提高煤層氣含量測試精度的關鍵途徑是規(guī)避損失氣估算，全過程直接有效封存煤層解吸氣，在地面室內一體化測試。煤層損失氣量主要包括鉆進過程中逸散、樣品提升變壓解吸逸散、地面裝罐逸散三個過程。鉆進過程中逸散主要依靠地面鉆進過程中靜液柱壓力進行密封，阻止煤層氣(瓦斯)由吸附態(tài)向游離態(tài)轉化，保證煤儲層處于煤層氣(瓦斯)吸附平衡狀態(tài)，從而抑制游離態(tài)煤層氣的逸散，后兩者主要通過USBM等估算方法進行計算，對后兩者損失氣量的準確計算或測試是保證煤層氣含量測試精確度的關鍵?；诖?，提出了地面鉆井煤層密閉取心裝置設想，其應具有以下功能：①裝置能夠實現煤樣的原位密閉取心，避免樣品提升變壓過程氣體逸散；②樣品密封采取后，裝置能夠保證密封壓力大于10MPa(常規(guī)取心深度保壓密封)；③裝置應具備“取心-解吸”一體化功能，避免地面裝罐氣體逸散。

2.2 密閉取心裝置工作原理

地面鉆進煤層密閉取心裝置由動力關閉機構、取心內筒、外筒、鉆頭、上下密封球閥及解吸閥門等關鍵部件組成[19]。當密閉取心裝置下入孔底，煤樣前端雛形形成，并伴隨鉆進完成樣品進入取心內筒中，完成鉆進后，利用動力機構實現取心內筒上、下端球閥同步旋轉密閉，此時球閥及取心內筒形成獨立密封系統(tǒng)，實現煤樣的完全密閉，確保煤樣氣體不發(fā)生逸散。樣品提升至地面后，直接可在現場解吸，也可送往實驗室進行解吸測量，最終將煤層氣含量測試簡化為解吸氣和殘余氣測試兩部分，降低了測試難度，提高氣含量測試精度。裝置結構及密閉取心原理如圖3所示。

2.3 密閉取心裝置密閉性能檢測

室內利用高壓注水泵向由上下球閥和取心內筒組成的密封系統(tǒng)注入一定壓力的液體，穩(wěn)壓至設計值后切斷高壓補充，通過機械壓力表和電子壓力傳感記錄器兩種方式監(jiān)測密封壓力變化，結果見表2。通過密封壓力檢測裝置密封性能達到11.5MPa以上。

表2 密閉取心裝置密閉性能檢測結果

3 密閉取心工藝技術參數模擬分析

地面煤層密閉取心工藝關鍵參數直接決定取心裝置取心鉆探效率、取心質量及樣品密閉效果，其主要包括鉆壓、轉速、泥漿液流量等。為了獲取最優(yōu)密閉取心工藝技術參數組合，以地面黃土相似模擬碎軟煤層取心過程，開展了地面模式試驗。

3.1 試驗平臺搭建

試驗平臺由起吊設備采用預制混凝土塊體堆砌，并固定，搭建平臺可實現2m以上開孔空間，滿足密閉取心裝置實驗條件，現場根據水電位置，合理布設了水箱、鉆機、操作臺位置。

3.2 試驗方案設計

試驗采用差異性流量轉速及鉆壓參數交叉組合進行密閉取心工藝參數研究。根據試驗方案，選取了ZDY3200S地面鉆機、可控流量多檔位注漿泵、優(yōu)化的QMB-120-38DM-2地面鉆井煤樣原位密閉取心裝置等試驗裝備(見表3)。為了保證黃土層密閉取心試驗的有效性，對QMB-120-38DM-2型密閉取心器進行了優(yōu)化處置：①縮小鉆頭與取心內筒端部流水通道間隙，并補充安裝了密封圈；②增大鉆頭側向水眼與鉆頭中心軸線夾角，達到泥漿液的孔底側噴效果。最終規(guī)避了鉆頭側向水流和鉆頭內部間隙水流對黃土的沖刷。

表3 地面密閉取心試驗裝備參數

3.3 試驗結果分析

通過7次地面鉆井密閉取心試驗數據可知，取心裝置能夠順利實現密閉系統(tǒng)的有效密閉，黃土取心率為69.7%～100%，樣品呈塊柱狀。利用測試數據繪制了取心流量、鉆壓、鉆速與取心率之間的相關性，如圖4所示。由圖4可知，當取心過程中流量為0L/min(干鉆)時，取心率最高，最高可達100%，流量在0～60L/min之間時取心率達到了80%以上，當流量為145L/min時，取心率更是僅達到23%。實際地面鉆井進行煤層樣品采取過程中，尤其是碎軟煤層，為了避免煤樣在鉆頭與煤層摩擦生熱條件下發(fā)生燒鉆、堵心等問題，一般規(guī)定不采用干鉆(0L/min)進行煤樣的采取，綜合研究可知地面鉆井煤層密閉取心器流量優(yōu)選40～60L/min。當地面密閉取心試驗中鉆機轉速為67r/min時，黃土樣品采取率最高，伴隨著鉆機轉速的加大，黃土樣品采取率逐漸降低，當轉速為82r/min時，黃土采取率降低至低于80%，因此，地面密閉合理取心轉速應為50～80r/min。當鉆壓為15.5kN時，黃土樣品采取率最高，隨著鉆進鉆壓的進一步提高，黃土樣品采取率逐步降低。鉆壓在14～16kN之間取心效果較好，黃土采取率均達到80%以上，密閉取心鉆壓參數應優(yōu)選在14～16kN。

4 密閉取心工程試驗

4.1 試驗區(qū)煤層氣地質概況

淮南礦區(qū)潘三煤礦位于煤田中部，從地質構造角度地處淮南復向斜潘集背斜的南翼西部，在印支運動變形作用下，發(fā)生全區(qū)褶皺上隆的強烈活動，煤層整體碎軟[17]。礦井現主采13-1煤層，煤層堅固系數為0.30～0.70，均值為0.52。煤層結構分級明顯，頂部以碎粒煤為主，底部主要為糜棱煤，為典型煤與瓦斯突出煤層，煤層厚度0.94～6.83m，均值為3.73m。地質勘探期間煤層瓦斯含量測試結果在1.19～7.75m3/t之間，均值為5.25m3/t。其生產期間實測煤層瓦斯含量在4.78～7.80m3/t之間，均值為6.66m3/t。地面勘探煤層氣(瓦斯)含量測試結果與井下實際揭露情況，平均相差1.41m3/t，數據的誤差性對井下瓦斯防治工程設計、布置和煤層氣資源有利開發(fā)區(qū)的優(yōu)選易造成誤導，嚴重甚至會誘發(fā)災害的發(fā)生。

4.2 地面井密閉取心工程應用試驗

利用研制的QMB-120-38DM-2型地面鉆井煤樣原位密閉取心裝備，依托淮南地面大直徑取心鉆井，基于地面鉆井煤層密閉取心工藝技術參數研究結果，開展了多回次的碎軟煤層密閉取心工程應用試驗。本次共進行4次密閉取心試驗，其中密閉取心3次，樣品編號分別為YP-1、YP-2及YP-3，常規(guī)取心1次，樣品編號為PSK-4號樣品，取心深度為736.44～740.69m。YP-1、YP-2樣品實現了上、下兩端球閥的聯(lián)動密閉，完全實現樣品和瓦斯密封，直接快速與氣含量測試裝置連接進行測試，結果見表4。其中YP-3樣品未實現密閉，氣含量按照常規(guī)取心計算。煤層密閉取心長度0.45～0.89m，取心率在70.06%～75.00%之間，平均72.02%。

表4 潘三礦密閉取心工程應用試驗結果對比

由表4可知，密閉取心成功樣品氣含量測試結果在7.19～7.87m3/t之間。常規(guī)樣品氣含量為5.92～6.04m3/t，平均為5.98m3/t 。密閉取心樣品氣含量與常規(guī)取心測試值相比提高了20.23%～31.61%，均值為25.92%。

5 結 論

1)利用繩索取心煤層氣損失氣量模擬實驗平臺，開展了典型礦區(qū)不同粒度煤心地面取心煤層解吸-擴散模擬試驗，揭示了煤樣提升、裝罐和解吸全過程呈現“3段型”特征，煤層損失氣量估算偏差大是引起煤層氣含量測試不準的根本原因。

2)針對煤層氣含量測試失準技術難題，提出了地面煤層原位密閉取心模式構想，設計了上、下球閥協(xié)同關閉、解吸與取心一體化地面鉆井煤層密閉取心裝置結構，裝置密閉能力達11.5MPa，滿足1000m井深地面煤層氣含量測試樣品采取需求。

3)搭建了地面煤層密閉取心工藝技術參數研究模擬試驗平臺，采用流量、轉速及鉆壓參數正交組合試驗，優(yōu)選了密閉取心流量40～60L/min、取心轉速50～80r/min鉆壓在14～16kN之間為最優(yōu)密閉取心參數組合。

4)在碎軟煤層典型礦區(qū)潘三煤礦開展了應用，測試數據表明，密閉取心裝置可實現煤心樣品原位采取，上、下兩端球閥的聯(lián)動關閉，可實現煤樣和瓦斯的有效密閉，煤樣取心率在70.06%～75.00%之間，平均72.02%，密閉取心含量與常規(guī)取心測試結果相比提高了20.23%～31.61%。