煤層氣含量測(cè)試工藝技術(shù)進(jìn)展概述

奚 相

中石化石油物探技術(shù)研究院

煤炭是我國(guó)的主要能源之一，在一次能源的消耗中基本占到75%左右，我國(guó)不但是煤炭的消費(fèi)大國(guó)，也是煤炭的生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2013年，我國(guó)煤炭總產(chǎn)量達(dá)到36.8 億t，較2012年增長(zhǎng)了0.8%，較之十年前的16 億t 更是不能同日而語(yǔ)。而瓦斯，俗稱煤層氣，主要成分為甲烷，則是伴生于煤炭礦藏的另一種重要的潔凈新能源，它以吸附態(tài)自生自儲(chǔ)于煤層之中。隨著煤礦總產(chǎn)量的提高，煤層氣的探測(cè)儲(chǔ)量也在日益增加，因此如何有效的開(kāi)發(fā)利用煤層氣成為了研究者們關(guān)注的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)、開(kāi)采、利用煤層氣，不但可以改善我國(guó)目前一次能源結(jié)構(gòu)，還可以較大程度的改善我國(guó)的溫室氣體大量排放的問(wèn)題，并且可以獲得較大的經(jīng)濟(jì)利益。和高產(chǎn)出相對(duì)應(yīng)，我國(guó)也是世界上煤礦相關(guān)事故最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。2013年我國(guó)共發(fā)生煤礦安全事故604 起，死亡人數(shù)達(dá)到了1067 人，其中瓦斯爆炸事故基本占到事故總數(shù)的20%，死忙人數(shù)的50%。雖然近年來(lái)我國(guó)采用了各種先進(jìn)手段去控制煤礦、瓦斯事故，我國(guó)百萬(wàn)噸死亡率仍然是先進(jìn)國(guó)家的20～40倍。因此，如何有效的監(jiān)測(cè)治理煤礦中存在的大量瓦斯一直是我國(guó)煤炭安全生產(chǎn)的重中之重。

若想有效的開(kāi)展該項(xiàng)工作，則需要準(zhǔn)確的檢測(cè)出礦井中瓦斯的涌出量以及瓦斯的相關(guān)化學(xué)性質(zhì)，這就要求我們建立起一套科學(xué)完備的煤層氣檢測(cè)工藝，對(duì)煤層氣的解吸附機(jī)理有著透徹的了解。目前對(duì)于這一機(jī)理的研究，由于我國(guó)地質(zhì)環(huán)境特殊復(fù)雜，煤儲(chǔ)層的滲透性無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，特別是對(duì)于高應(yīng)力、低滲透的儲(chǔ)層研究還處于起步階段，理論無(wú)法指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。但是隨著科技的發(fā)展，煤層氣測(cè)試工藝也在逐漸進(jìn)步，下面我們就簡(jiǎn)單綜述一下煤層氣測(cè)試工藝的發(fā)展歷程以及最新進(jìn)展。

1 測(cè)試方法進(jìn)展

我國(guó)煤層氣測(cè)試大概經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別為真空罐法，集氣法以及解析法。

真空罐法

人們對(duì)煤層氣測(cè)試方法的探索始于20 世紀(jì)30年代，最早使用的方法是真空罐法，也就是封閉容器法。測(cè)試方法如下：從礦井或者地勘鉆井中采取新鮮的待測(cè)煤礦樣，放進(jìn)一個(gè)大小適宜的全封閉容器中，送入實(shí)驗(yàn)室抽真空，在真空條件下對(duì)容器進(jìn)行加熱，使煤礦中的煤層氣，再進(jìn)行進(jìn)一步的分析測(cè)定。這種技術(shù)成熟于20 世紀(jì)50年代，并得到了廣泛的應(yīng)用。真空管法整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要的裝置價(jià)格低廉，使用起來(lái)較為方便。由于在采樣過(guò)程中存在一個(gè)瓦斯的損失量，因此在得到測(cè)定結(jié)果后，需要予以矯正。但是由于煤礦種類不同，損失時(shí)間的不同，在不同采樣過(guò)程中損失的瓦斯量差別較為懸殊，因此造成了真空罐法的測(cè)試結(jié)果難以得到準(zhǔn)確的校正的問(wèn)題。因此，真空罐法沒(méi)有多久就被集氣法所取代。

集氣法

在20 世紀(jì)50年代中期，隨著先進(jìn)地質(zhì)勘探儀器的出現(xiàn)，如集氣式礦壓采取器，冷凍式礦巖采取器，封閉式礦巖采集器，集氣法這種測(cè)試方法得到了廣泛應(yīng)用。最早采用的集氣法以封閉式礦巖采集器，先在待測(cè)礦巖上方打鉆孔，然后將采取器深入到鉆孔中，采取待測(cè)的煤芯。采集器上下端分別有兩個(gè)活門(mén)以及一些附屬結(jié)構(gòu)，利用這些結(jié)構(gòu)將采集出來(lái)的煤芯封閉到采集器中的煤芯管中，而后將整體煤芯管提取到孔口，保持密封狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)室中采用真空脫氣的方法將附著在其中的煤層氣脫出，進(jìn)而進(jìn)行測(cè)試法分析。

但是封閉式礦巖采集器價(jià)格高昂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)中難以推廣使用。而后人們用集氣式礦壓采取器取代了封閉式采集器。這種集氣式礦壓采取器的煤芯提取器非常特殊，其上部安裝有一個(gè)小集氣室，配套有閥門(mén)，這個(gè)集氣室主要用來(lái)收集煤芯在開(kāi)采提升過(guò)程中解吸出來(lái)的氣體。當(dāng)集氣式礦壓采取器提取到地面后，只需要卸下這個(gè)特殊的煤芯提取器，在密封狀態(tài)下送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真空脫氣即可。這種集氣法能夠最大成熟收集在鉆井和提升過(guò)程中煤樣品解析出的大部分氣體，誤差較小，測(cè)試的值比較準(zhǔn)確，接近實(shí)際。但是該種方法需要價(jià)格較為昂貴的復(fù)雜儀器，較為笨重，攜帶不便，并且鉆孔取樣需要一定的技術(shù)，造成一定程度上的使用不便。

解吸法

這種方法是在1979年由法國(guó)人Bertard 提出的，而后美國(guó)礦業(yè)局在實(shí)際項(xiàng)目使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該方法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列的修改和完善，被美國(guó)礦業(yè)局立為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，稱之為《美國(guó)礦業(yè)局直接法》。具體方法如下：采用普通的煤芯提取器從待測(cè)礦層中提取煤芯，提取出煤芯樣品后，立刻用密封罐將含有煤層氣的煤樣裝入其中，然后利用解析儀來(lái)測(cè)試整個(gè)過(guò)程中解吸時(shí)間隨著煤層氣解吸量的變化規(guī)律，然后根據(jù)煤芯樣品暴露在空氣中的時(shí)間初步估算出在整個(gè)采樣過(guò)程中損失的煤層氣量，最后將已經(jīng)經(jīng)過(guò)解吸過(guò)程的煤芯樣品完整的送入到實(shí)驗(yàn)室中，再次煤芯中殘留的瓦斯量。該方法測(cè)試出的瓦斯量由三部分組成，即逸散氣量，殘余氣量和解吸氣量，其中自然的瓦斯解析逸散氣量是在煤層溫度下測(cè)得，更加準(zhǔn)確。這種方法所需的儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，便于攜帶，成功率高，可靠性大并且精度可以達(dá)到要求，在美國(guó)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

在中國(guó)，政府組織了相關(guān)專家和部門(mén)，在上述《美國(guó)礦業(yè)局直接法》的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，1984年正式頒布了我國(guó)第一部煤層氣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，稱之為國(guó)標(biāo)MT/177-84。后續(xù)我國(guó)在MT/177-84 的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了改進(jìn)，在不同時(shí)期頒布了不同的測(cè)試法規(guī)。1994年我國(guó)頒布了國(guó)標(biāo)MT/177-94，縮短了不同井深情況下開(kāi)采過(guò)程中的故障停頓時(shí)間以及煤樣品在空氣中的暴露時(shí)間。2007年頒布的AQ-1046-2007 進(jìn)一步縮短暴露時(shí)間到8 分鐘，并且規(guī)定了不同鉆孔介質(zhì)下?lián)p失氣量時(shí)間的確定方法。2008年頒布了GB/T19559-2008 修正了氣體測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)以及氣體的采集時(shí)間，并且提出來(lái)快速測(cè)定氣含量的方法。2009年頒布了GT/T2349-2009，修訂了瓦斯解吸速率測(cè)定的時(shí)間。經(jīng)過(guò)多次修改完善以后，目前我國(guó)的煤層氣測(cè)試技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2 測(cè)試方法優(yōu)化

測(cè)試類型的優(yōu)化

煤層氣的測(cè)試類型主要包括以下兩類，裸眼測(cè)試和套管測(cè)試。傳統(tǒng)上的測(cè)試方法大多采用裸眼測(cè)試，它具有對(duì)底層損害小，能夠及時(shí)獲得煤層資料等優(yōu)點(diǎn)。但是它的測(cè)試結(jié)果過(guò)于依賴于井眼的質(zhì)量，探測(cè)半徑也比較小，資料很難完全反映全部的真實(shí)情況。因此，目前人們采用改良式的套管測(cè)試方法，能夠從下到上的進(jìn)行分層測(cè)試，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，獲得的資料較為全面。兩種方法相較，套管測(cè)試能夠明顯的提高成功率。

測(cè)試過(guò)程的優(yōu)化

近年來(lái)結(jié)合實(shí)際的情況，研究表明，在常規(guī)工區(qū)，通過(guò)對(duì)作業(yè)用液以及注入?yún)?shù)的優(yōu)化，可以有效的提高測(cè)試的準(zhǔn)確度，取得較好的效果。由于向煤層中注入作業(yè)用液會(huì)或多或少的污染煤層，因此需要對(duì)注入液的水質(zhì)加以控制，防治進(jìn)一步污染，主要是控制酸堿度，和煤層一致以及減少作業(yè)用液中的固相物質(zhì)。其次是要優(yōu)化注入?yún)?shù)，前期的注入測(cè)試過(guò)程中的注入量和探測(cè)半徑都比較小，資料的診斷曲線不能真實(shí)反映流動(dòng)特性，從而影響分析結(jié)果，因此需要改善注入?yún)?shù)，主要通過(guò)增加注入作業(yè)用液的量以及延長(zhǎng)閉井時(shí)間。

測(cè)試工具的優(yōu)化

主要包括DST 測(cè)試設(shè)備的優(yōu)化以及注入/壓降測(cè)試設(shè)備優(yōu)化。DST 優(yōu)化主要是針對(duì)不同的煤層特質(zhì)來(lái)選擇是采用MFE 還是HST 測(cè)試工具，其中MFE 保養(yǎng)簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠，成本低廉，成功率高，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。注入/壓降測(cè)試設(shè)備的優(yōu)化主要是指根據(jù)實(shí)際情況對(duì)地面設(shè)備、井下設(shè)備及配套設(shè)備三部分的優(yōu)化，具體包括井口裝置，電子壓力計(jì)，測(cè)試油管等。另外，對(duì)井筒管柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是非常關(guān)鍵，采用雙封隔器跨隔測(cè)試可以降低井儲(chǔ)集系數(shù)，提高測(cè)試準(zhǔn)確性。

3 小結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤層氣測(cè)試技術(shù)也在不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的真空罐法和集氣法已經(jīng)不能滿足人們的需求，而解吸法通過(guò)完善和改進(jìn)，測(cè)試結(jié)果已經(jīng)較為準(zhǔn)確，再結(jié)合現(xiàn)代測(cè)試優(yōu)化方法，相信將來(lái)我們必定能夠更準(zhǔn)確的推算煤層氣的性質(zhì)以及含量。