澳大利亞煤層氣含氣量測試方法及解吸分析——以G盆地二疊系煤為例

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)場采用的美國礦業(yè)局“USBM”方法的工作流程。通過與國內(nèi)運用的煤層含氣量測試方法進(jìn)行對比，分析以全尺寸巖心進(jìn)行試驗對測量結(jié)果的影響，并利用解吸實驗結(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%，吸附時間多數(shù)小于1天。通過對不同時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 吸附時間

煤層氣含氣量數(shù)據(jù)可以經(jīng)濟(jì)快捷地計算出區(qū)塊 煤層氣儲量，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響著儲量計算的可靠程度，因此有必要了解含氣量的測試方法。目前國內(nèi)外煤層含氣量測試方法主要分為直接法、間接法。直接法指在井場取心后，立即用密封罐采取煤樣，利用解吸儀器測定氣體體積隨時間的變化關(guān)系，求得含氣量。間接法是利用煤的等溫吸附實驗結(jié)果推算煤層氣壓力，從而利用相關(guān)公式計算含氣量。國內(nèi)采用方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19559—2008》，該方法參照的是美國礦業(yè)局直接法“USBM”，也被稱為“自然解吸法”。該方法操作簡便，測值可靠，測定結(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(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。構(gòu)造運動主要發(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 含氣量測試

2.1 測試流程

現(xiàn)場解吸工作流程一般包括取心、樣品處理、裝罐解吸三個步驟。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，每個取心回次心長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，裝入用氦洗過的解吸罐中，將樣品水浴加熱至儲層溫度62℃，井場解吸至少延續(xù)24小時。之后于7月15日運回實驗室自然解吸，罐內(nèi)保持62℃。期間記錄的時間點如下 (表1)。

表1 Wo-1井某樣品取心時間記錄表

開始測試后，按一定的時間間隔記錄氣體體積:最初30分鐘，每隔1分鐘記錄一次，接下來的2小時先后按照5分鐘和15分鐘的間隔各記錄1小時。隨后4個小時間隔30分鐘記錄一次，再過4個小時內(nèi)間隔1小時記錄一次。在記錄各個時間點的氣體體積的同時，以下數(shù)據(jù)也要被記錄并輸入計算機(jī):測量桶內(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。解吸實驗結(jié)束后巖心從罐中取出，切下一半作為殘余氣測量和工業(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)場采用的方法與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19559—2008》原理基本一致，但采用的樣品與國內(nèi)區(qū)別較大，操作過程也與國內(nèi)有所不同(表2)。

2.2 含氣量測試影響因素

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

2.2.1 煤心尺寸

G盆地現(xiàn)場解吸實驗采用的樣品皆為全尺寸巖心樣品，長度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7kg。而國內(nèi)的解吸樣品最低不少于300g，常呈塊狀甚至粉末狀。全尺寸煤樣對解吸氣量的測定帶來兩方面的影響。首先樣品長度長，重量大，比表面積小，不利于煤層氣解吸(表3)，測得數(shù)據(jù)會比國內(nèi)所用的塊狀、粉末狀的煤樣偏小，但是吸附時間則更好地反映了井下排采實際。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盆地與國內(nèi)現(xiàn)場解吸流程對比表

表3 各粒度煤樣氣體解吸速度統(tǒng)計表

2.2.2 損失氣計算

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間的關(guān)系來推測損失氣量。較大尺寸的樣品在提心和裝罐解吸過程中，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間的平方根成正比計算損失氣。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)確的計算損失氣，采用多項式法擬合出一條解吸氣量與所用時間的曲線來計算。G盆地現(xiàn)場解吸實驗采用的全巖心煤樣，故利用直接法計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算示意圖

3 解吸特征分析

3.1 解吸特征

利用含氣量測試中解吸實驗結(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)計開發(fā)方案提供幫助。煤層解吸特征，通常用解吸率、吸附時間和解吸速度三個參數(shù)來定量表示。提高解吸速度能提高單位時間內(nèi)煤層氣產(chǎn)能。

解吸率通過解吸實驗結(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。國內(nèi)煤層含氣量由四部分組成，分別是損失氣V1、現(xiàn)場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)。除了計算方法的不同之外，實驗樣品的不同也對解吸率有一定的影響。國內(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，即儲層中氣體大部分都可以被解吸出來，解吸率很高。通常認(rèn)為，煤階提高會導(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%所需要的時間。它可以近似反應(yīng)氣體從煤儲層中運移出來的速度，在很大程度上反應(yīng)了煤層氣早期的生產(chǎn)效果。G盆地煤層吸附時間短，集中在0.2～3d(圖3)。吸附時間較短的煤層，經(jīng)過數(shù)小時解吸后巖心只剩余大約5%的氣體，與本研究區(qū)解吸率很高的特點類似。我國沁水盆地高階煤 (R0＞2.5%)吸附時間主要為0.18d至19.17d，跨度較大，不同煤階煤巖的吸附時間分布有較大差別。

表4 G盆地二疊系部分煤心含氣量統(tǒng)計與解吸率計算

圖3 G盆地二疊系煤層吸附時間頻率分布圖

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)煤層這幾項參數(shù)差別不大，含氣量對吸附時間的影響比較明顯。傅雪海在對淮南4口煤層氣井測試資料分析之后，認(rèn)為煤層甲烷含量降低，吸附時間增長，尤其含氣量在小于8m3/t的情況下，吸附時間隨含氣量的減小而急劇增長。對本次研究工區(qū)測試數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，吸附時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間也較短。

圖4 G盆地二疊系部分煤樣吸附時間與煤層含氣量關(guān)系圖

理論上，經(jīng)過排水儲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)到平衡時的壓力，與煤儲層含氣量和吸附/解吸特性密切相關(guān)。越接近原始儲層壓力，越有利于降壓，氣體則越容易解吸。煤層臨界儲層壓力Pcd可通過Pcd=V0·PL/(VL-V0)求得，其中V0為煤層實測含氣量，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，從而臨儲比越接近1，即降低較小的壓力氣體就能解吸出來 (表5)。我們也可以引入在吸附時間內(nèi)的解吸速率的大小來評價解吸的快慢，尤其能反映解吸前期、中期的解吸快慢。計算方法為V=Q×0.632/t，Q為總含氣量，t為吸附時間。

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區(qū)流動。另外，盆地西部靠近地臺區(qū)域缺失三疊系地層，對阻隔上覆地層水向下滲流不利，以上兩點造成了在氣體組分測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氣都占有一定的比重。通過對比在解吸過程中不同時期氣組分變化發(fā)現(xiàn) (圖5、圖6)，在解吸初期氣體組分中，氮氣占比重較大。隨著實驗時間的推移，煤儲層壓力降低，甲烷含量增加，氮氣相對濃度成降低趨勢。這是因為煤對甲烷的吸附能力要大于對氮氣的吸附能力，故氮氣優(yōu)先于甲烷解吸出來，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數(shù)據(jù)表

圖5 G盆地Al-1井某樣品解吸氣組分不同時期甲烷比重對比圖

圖6 G盆地Al-1井某樣品解吸氣組分不同時期氮氣比重對比圖

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。無論是灰分還是水分的存在，都會減少甲烷的保留量。在微孔隙中束縛水盡管不會影響甲烷在微孔隙中的運動，但會占用吸附面積，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

(1)澳大利亞G盆地二疊系煤層含氣量測試采用“USBM”法，解吸過程主要分為取心、樣品制備、裝罐解吸三個階段，與國內(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、水分與吸附時間關(guān)系圖

(2)通過對G盆地二疊系煤層含氣量現(xiàn)場解吸實驗進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為測得含氣量值可能偏小，但全尺寸煤心的吸附時間更好的反應(yīng)井下排采的實際。

(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，氮氣含量高的樣品，解吸速率較大。但灰分、水分對吸附時間的影響不大。

［1］曾凡武，薛曉輝.煤層氣含氣量測定及影響因素分析 ［J］.中國煤層氣，2012，9(3):24-27.

［2］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局.GB/T 19559—2008煤層氣含量測定方法 ［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］龐湘?zhèn)?煤層氣含量快速測定方法 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(1):29-32.

［4］張曉逵，宋黨育.煤層氣解吸特征研究進(jìn)展 ［J］.中國煤層氣，2009，6(5):17-20.

［5］曹垚林，仇海生.碎屑狀煤心瓦斯解吸規(guī)律研究［J］.中國礦業(yè)，2007，16(12):119-123.

［6］唐穎，張金川，劉珠江，李樂忠.解吸法測量頁巖含氣量及改進(jìn)方法 ［J］.天然氣工業(yè)，2011，31(10):108-112.

［7］徐成法，周勝國，郭淑敏.煤層含氣量測定方法探討［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005(2):23-25.

［8］彭金寧，傅雪海，申建，朱元武.潘莊煤層氣解吸特征研究 ［J］.天然氣地球科學(xué)，2005，16(6):768-770.

［9］傅雪海，葉建平，等.中國部分煤儲層解吸特性及甲烷采收率 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2000，28(2):19-21.

［10］劉洪林，王紅巖.煤層氣吸附時間的計算及其影響因素分析［J］.石油實驗地質(zhì)，2000，22(4):365-367.

［11］李小彥，解光新.煤儲層吸附時間特征及影響因素.天然氣地球科學(xué)，2003，14(6):502-505.

［12］李景明，劉洪林，等.煤儲集層解吸特征及其影響因素［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35(1):52-58.

［13］程偉，王平，陳磊，等.延川南煤層氣臨界解吸壓力誤差分析.中國煤層氣，2012，9(1):23-25.

［14］Reznik，A.A，Dabbous，M.K.，F(xiàn)ulton，P.F.，and Taber，J.J.Air-Water relative permeability studies of Pittsburgh and Pocahontas Coals.SPEJ，1974，14(6):556-562.

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))