煤層氣含量密閉取心測(cè)定裝置及測(cè)試技術(shù)

摘 要：為了解決煤層氣含量損失氣估算不準(zhǔn)的問題，研制了煤層密閉取芯煤層氣含量測(cè)試裝置，該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)、雙筒單動(dòng)結(jié)構(gòu)，解體性好、便于拆卸和維護(hù)，與各種鉆機(jī)、鉆具、泥漿泵、氣體解吸儀等設(shè)備的配套。在國(guó)內(nèi)2個(gè)煤礦區(qū)井下試驗(yàn)45組和地面進(jìn)行2口井的對(duì)比試驗(yàn)，密閉取芯測(cè)試結(jié)果比繩索取芯/傳統(tǒng)瓦斯測(cè)試結(jié)果高出25.35%以上，對(duì)于松軟和煤體結(jié)構(gòu)較破碎煤層，其測(cè)試結(jié)果高出繩索取芯/傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的35.48%以上，密閉取心測(cè)試結(jié)果將更好。研究表明：煤層氣含量密閉取心測(cè)試技術(shù)革新了煤層氣取芯工藝，克服了常規(guī)取芯方法的不足之處，縮短了暴露時(shí)間，最大限度地避免了甲烷氣體損失，簡(jiǎn)化了測(cè)試工藝，提高煤層氣含量測(cè)試精度;通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐該技術(shù)的應(yīng)用可以提高瓦斯含量測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：煤層氣;氣含量測(cè)試;密閉取芯，損失氣

中圖分類號(hào)：TD 84 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0407 ? 文章編號(hào)：1672-9315（2019）04-0603-07

Abstract： In order to solve the problem of inaccurate estimation of methane content loss gas，a methane content testing device with sealed coring is developed.The device adopts modular design，double barrel single action structure，good disassembly，easy disassembly and maintenance，and is compatible with various drilling rigs，drilling tools，mud pumps and other equipment.Comparing 45 groups of underground test and 3 wells on the ground in 2 coal mine areas in China，the result of closed coring test is more than 25.35% higher than that of rope coring/traditional gas test，and the result of closed coring test is 35.48% higher than that of rope coring/traditional testing for soft and fractured coal seams.It will be better in content sealed coring.The results show that methane content closed coring technology has innovated methane coring technology，overcomes the shortcomings of conventional coring methods，shortens the exposure time，avoids the loss of methane gas to the greatest extent，simplifies the testing process，and improves the accuracy of methane content testing.Improve the reliability of gas content test data.

Key words：methane;coalbed gas content test;sealed coring;lost gas

0 引 言

煤層氣（瓦斯）含量測(cè)定是煤層氣資源勘探、開發(fā)以及礦井瓦斯綜合治理等領(lǐng)域一項(xiàng)重要工作，準(zhǔn)確獲取煤層氣含量數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)煤層氣資源量、編制煤層氣資源開發(fā)方案以及礦井開采設(shè)計(jì)、礦井通風(fēng)、瓦斯災(zāi)害綜合治理意義重大。煤層（瓦斯）氣含量主要由解吸氣、損失氣和殘余氣3部分組成。其中解吸氣和殘余氣實(shí)測(cè)獲取，而損失氣是估算所得，實(shí)踐中煤層實(shí)際氣含量與勘探測(cè)得的氣含量存在較大誤差，主要原因是損失氣估算不準(zhǔn)。在測(cè)定過程中，煤芯樣品采取是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，取心質(zhì)量好壞直接關(guān)系到煤層氣含量測(cè)定的成功與否和準(zhǔn)確程度。現(xiàn)階段煤層氣含量測(cè)定方法推廣的3個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：第1個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)就是GB/T19559-2008《煤層氣含量測(cè)定方法》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)主要引進(jìn)美國(guó)天然氣研究所的“直接法”和國(guó)內(nèi)煤層的地質(zhì)特征制定，行業(yè)內(nèi)稱之為“自然解吸法”[2];第2國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)就是 GB/T23250-2009《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》，該標(biāo)準(zhǔn)沿用了煤田勘探的測(cè)定原理，在煤礦煤田勘探較為普遍，一般也稱“地勘法”[3];第3國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB∕T28753-2012《煤層氣含量測(cè)定加溫解吸法》，該標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)自然解吸法時(shí)間過長(zhǎng)而改變解吸溫度，使解吸的周期變短從而盡早的得出煤層氣含量，為勘探和開發(fā)提供技術(shù)支撐[4-5]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和材料不斷更新，國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤層氣含量測(cè)試展開了大量研究工作，李紅濤和齊黎明等學(xué)者設(shè)計(jì)了單管卸壓取芯器，改進(jìn)和優(yōu)化了脫氣和碎煤過程的氣含量測(cè)定，提高了傳統(tǒng)煤層氣含量的精度[6-7]。袁亮利用取芯內(nèi)管裝入煤樣室和粘液室，將粘液密在煤層中封密封取樣器來提高煤層氣含量[8]。陳紹杰設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)取芯裝置使煤層取樣過程中的暴露時(shí)間明顯減少，避免了損失氣量[9]。景興鵬研究了瓦斯機(jī)械密閉取芯的基本原理和測(cè)定技術(shù)工藝[10-12]。胡千廷、鄒銀輝等學(xué)者建立了5類損失量推算模型，來解決直接法煤層瓦斯含量測(cè)定中取芯工藝、損失量推算模型等影響并提出將煤樣粉碎進(jìn)行瓦斯含量直接測(cè)定的方法[13-15]。還有一些學(xué)者對(duì)于非常規(guī)油氣田的鉆孔進(jìn)行了密閉取芯技術(shù)探討和研究[16-18]，分析研究了石油鉆探中液態(tài)包裹樣品的密閉取芯裝置的基本原理和最新技術(shù)方法[19-21]。文中主要針對(duì)煤層氣含量精度不高而研制煤層密閉取芯裝置，對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)和原理以及各個(gè)部件組成進(jìn)行詳細(xì)論述，并對(duì)煤層含量測(cè)試進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，研究和探討了煤層氣含量密閉取心測(cè)定裝置及測(cè)試技術(shù)研究。

1.1 煤層氣含量密閉取芯裝置的基本參數(shù)

煤層氣含量密閉取心裝置直徑100 mm，全長(zhǎng)136 cm.該裝置主要由取心內(nèi)筒、投球裝置、液壓總成、外套總成、底噴式PDC取心鉆頭以及鉆桿轉(zhuǎn)接頭等構(gòu)件組成。其中，取心內(nèi)筒、液壓總成、投球裝置等構(gòu)件安裝在密閉取心裝置內(nèi)部。密閉取心裝置各組件技術(shù)參數(shù)見表1.

1.2 煤層氣含量密閉取芯裝置的基本構(gòu)件

1.2.1 外套總成和取心鉆頭

外套總成置于密閉取心裝置最外層，包括外套筒和外套軸承組等。外套筒前端通過絲扣安裝127 mm底噴式PDC取心鉆頭，末端通過轉(zhuǎn)接頭與鉆桿相連，如圖1所示。外套筒一方面保護(hù)內(nèi)置的取心內(nèi)筒和液壓總成，另一方面連接鉆桿傳輸動(dòng)力，帶動(dòng)鉆頭取心鉆進(jìn)。

1.2.2 取心內(nèi)筒

取心內(nèi)筒全長(zhǎng)108 cm，由密閉球閥、球閥轉(zhuǎn)接頭、取心筒管、解吸連接閥門以及定位銅套等組成，如圖2所示。取心內(nèi)筒前端通過轉(zhuǎn)接頭安裝密閉球閥，取心筒管在取心過程中收集煤芯，取心鉆進(jìn)結(jié)束后，液壓推動(dòng)筒推動(dòng)密閉球閥截?cái)嗝盒竞蛯⒚盒久荛]在取心筒管內(nèi)。取心筒管末端安裝有解吸閥門，可兼作瓦斯罐，密閉球閥關(guān)閉過程同時(shí)關(guān)閉解吸閥門，取心結(jié)束后無需煤樣裝罐即可連接氣含量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸和脫氣。取心內(nèi)筒末端通過絲扣與投球裝置的球座相連，一并安裝于液壓總成內(nèi)，在取心鉆進(jìn)過程中不隨外套筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2.3 雙筒單動(dòng)、液壓推動(dòng)系統(tǒng)

液壓總成位于取心內(nèi)筒外層，由液壓筒、液壓筒軸承以及銷釘?shù)冉M成，如圖3所示。液壓總成末端由銷釘固定在投球裝置的管路卡槽中，前端與推桿相連，其中推桿與取心內(nèi)筒球閥的開關(guān)接觸（圖1）。液壓總成與推桿主要用來傳遞泥漿泵壓力，在取心鉆進(jìn)結(jié)束后關(guān)閉球閥開關(guān)，將煤芯和解吸的煤層氣密閉在取心筒管內(nèi)部。雙筒單動(dòng)結(jié)構(gòu)（外筒與鉆頭鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，取心內(nèi)筒與液壓筒不動(dòng)）保持樣品的完整性、避免煤芯被破壞。液壓推動(dòng)技術(shù)指標(biāo)就是液壓筒推動(dòng)力大于6 MPa，根據(jù)煤的硬度安裝剪切銷釘和密封圈的數(shù)量，控制液壓筒關(guān)閉密閉剪切球閥所需的壓力，從而根據(jù)煤礦不同煤層的硬度確定液壓推動(dòng)壓力。

1.2.4 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

投球裝置位于密閉取心裝置末端，由球座、投球管路和橡膠球等組成，球座安裝于投球管路前端，并與取心內(nèi)筒絲扣連接，其底部對(duì)稱分布4個(gè)導(dǎo)水孔，用于取心鉆進(jìn)過程泥漿循環(huán)，球座在投球關(guān)閉過程中接收橡膠球。投球管路上對(duì)稱分布液壓軸承卡槽，用于安裝并固定液壓筒軸承。投球裝置被安裝在液壓筒內(nèi)，在取芯過程中取芯內(nèi)筒不隨外套筒旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，投球裝置的動(dòng)力是由鉆井泥漿液傳導(dǎo)并提供;在取芯鉆進(jìn)結(jié)束后取心內(nèi)筒的密閉剪切球閥與解吸球閥同時(shí)關(guān)閉，同時(shí)，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)保證了鉆進(jìn)過程中鉆井液的排出，保證煤樣能夠順利進(jìn)入取心筒內(nèi)部，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研發(fā)促進(jìn)了煤層取心和解吸一體化。

2 煤層密閉取芯的基本原理及特點(diǎn)

煤層氣含量密閉取芯的基本原理就是減少煤樣的暴露時(shí)間，在煤層中直接鉆進(jìn)并將煤樣裝入取芯內(nèi)筒中，在通過泥漿傳送媒介將封堵球?qū)⒚簶臃忾]在取芯內(nèi)筒中，取出取芯內(nèi)筒，連接氣體解吸儀就可以解吸，并將后期煤樣進(jìn)行殘余氣或者脫氣，從而得到煤層煤樣的氣含量結(jié)果。

煤層氣含量密閉取心裝置主要適用于煤層氣和瓦斯煤層氣含量密閉取心測(cè)試。密閉取心可以有效縮短煤樣暴露時(shí)間，減少了提鉆和煤樣裝罐環(huán)節(jié)造成的瓦斯損失，從而使得氣含量測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。與傳統(tǒng)的煤層取心裝置相比，其具有以下特點(diǎn)。①采用雙筒單動(dòng)結(jié)構(gòu);②取芯內(nèi)筒的密閉狀態(tài)是由鉆機(jī)泥漿泵和鉆井液共同完成;③煤層密閉取芯裝置便攜安全高效。

3 煤層密閉取芯裝置的試驗(yàn)及效果檢驗(yàn)

3.1 煤層密閉取芯試驗(yàn)步驟

3.1.1 非取心鉆進(jìn)

在鉆前準(zhǔn)備完畢后，架設(shè)鉆機(jī)并安裝破碎鉆頭（113 mm）對(duì)目標(biāo)煤層進(jìn)行非取心鉆進(jìn)，達(dá)到設(shè)計(jì)孔深（30 m）后停鉆并快速退出鉆具。

3.1.2 密閉取心

換裝密閉取心裝置迅速送至孔底，并進(jìn)行取心鉆進(jìn)，取樣過程為水力排渣，達(dá)到取樣長(zhǎng)度（0.8 m），后停止鉆進(jìn)，并提鉆20～30 cm;此時(shí)由孔外水便-鉆桿接口處投入橡膠球，泥漿泵加壓至3.5～4.0 MPa，驅(qū)動(dòng)液壓裝置關(guān)閉取心內(nèi)筒球閥。之后提鉆至孔口，取出取心內(nèi)筒進(jìn)行氣密性檢查。在此過程中，詳細(xì)記錄換裝密閉取心裝置時(shí)間、取心鉆進(jìn)時(shí)間和投球關(guān)閉時(shí)間。

3.1.3 普通繩索取芯或傳統(tǒng)井下瓦斯取芯

按照2個(gè)煤層取芯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取芯，一般換裝普通取心筒（89 mm）迅速送至孔底，并進(jìn)行取心鉆進(jìn)，達(dá)到取心長(zhǎng)度（1 m）后停鉆并迅速將取心筒提至井口，取出煤樣并裝罐密封，取樣過程中為壓風(fēng)排渣。在此過程中，詳細(xì)記錄換取心筒時(shí)間、取心鉆進(jìn)時(shí)間、提鉆時(shí)間和煤樣裝罐時(shí)間。

3.1.4 氣含量測(cè)試

將氣密性測(cè)試合格的取心內(nèi)筒和裝罐樣品，分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)氣體解吸，并做好解吸記錄。將煤樣密封進(jìn)行自然解吸、后期脫氣和殘余氣測(cè)定，并最終測(cè)算出不同取心條件下煤層氣含量值。

3.2 煤層密閉取芯試驗(yàn)及驗(yàn)證

試驗(yàn)選取山西煤層氣資源豐富的晉城礦區(qū)和具有極大煤層氣開發(fā)潛力的安徽淮北礦區(qū)。晉城礦區(qū)是屬高瓦斯礦井，主要是對(duì)山西組3#煤層進(jìn)行開發(fā)和利用，3#煤層硬度較高的無煙煤，大部分屬于原生結(jié)構(gòu)，且煤層中的甲烷含量比較高;淮北礦區(qū)是屬中-高瓦斯礦井，主要是對(duì)山西組10#煤層進(jìn)行開發(fā)和利用，10#煤層為松軟的肥煤，大部分屬于碎裂結(jié)構(gòu)，且煤層中的甲烷含量相對(duì)較高。

由于密閉取芯方法是在煤層中直接密閉采取樣品的方法，因此煤層氣含量Q=Q解+Q殘二者之和，而傳統(tǒng)和繩索取芯的煤層氣含量Q=Q損+Q解+Q殘三者之和[10]。晉城礦區(qū)和淮北礦區(qū)地面煤層氣井的繩索取芯的兩種方法氣含量測(cè)試的自然解吸氣和損失氣的等測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表2.從表2可知，晉城區(qū)塊繩索取芯的損失氣含量為0.87～1.37 cm3/g，平均為1.18 cm3/g，自然解吸氣含量為16.64～17.83 cm3/g，平均為16.68 cm3/g，與密閉取芯方法對(duì)比結(jié)果可知，氣含量的差距主要是損失氣和自然解吸氣的差別，這2個(gè)部分的差異是密閉取芯氣含量比繩索取芯氣含量高出較多。晉城區(qū)塊2種方法的自然解吸氣含量的柱狀對(duì)比如圖4所示，密閉取芯的自然解吸含量比繩索取芯氣含量多出5.68 cm3/g，比繩索取芯的測(cè)試值高出34%;淮北區(qū)塊繩索取芯的損失氣含量為0.27～0.59 g，平均為0.35 cm3/g，自然解吸氣含量為753～9.24 cm3/g，平均為8.22 cm3/g，與密閉取芯方法對(duì)比結(jié)果可知，氣含量的差距主要是損失氣和自然解吸氣的差別，這2個(gè)部分的差異是密閉取芯氣含量比繩索取芯氣含量高出較多，其淮北區(qū)塊2種方法的自然解吸氣含量的柱狀對(duì)比如圖4所示，密閉取芯的自然解吸含量比繩索取芯氣含量多出3.33 cm3/g，比繩索取芯的測(cè)試值高出41%.因此對(duì)于煤層較破碎的淮北區(qū)塊，其繩索取芯的測(cè)試方法測(cè)試值與密閉取芯測(cè)試值差距更大。同時(shí)其殘余氣的測(cè)值來分析，其2個(gè)方法的差值不明顯;根據(jù)測(cè)試的解吸時(shí)間結(jié)果可知，2種方法的測(cè)試時(shí)間差別不大，可以說2種方法的核心就是自然解吸氣含量和損失氣含量的計(jì)算。

同時(shí)對(duì)于煤層氣氣含量的繩索取芯測(cè)試方法，其國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的損失氣測(cè)算方法只要是依據(jù)直線截距方法進(jìn)行測(cè)算，但隨著煤層氣含量測(cè)試的精度要求越來越高，因此現(xiàn)有的煤層氣含量損失氣含量測(cè)算應(yīng)給予重視，密閉取芯方法測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步反證了煤層氣損失氣含量的測(cè)定不夠準(zhǔn)確。從表2可知，晉城區(qū)塊和淮北區(qū)塊殘余氣的估算值分別為1.18和0.35 cm3/g，其估算值原小于2種自然解吸氣含量的差值（晉城區(qū)塊與淮北區(qū)塊兩種方法自然解吸差值分別為5.64和3.33 cm3/g）。因此密閉取芯的氣含量值明顯高于繩索取芯方法的測(cè)值。

結(jié)合煤礦井下的煤層氣含量測(cè)試結(jié)果與地面煤層氣井的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比性試驗(yàn)，對(duì)45組井下煤層氣含量測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行氣體體積、壓力和時(shí)間等參數(shù)的校正，計(jì)算得出2種測(cè)定方法的井下煤層瓦斯含量，結(jié)果見表3;對(duì)地面3口煤層氣井進(jìn)行了10組煤層氣含量的對(duì)比分析，計(jì)算出的煤層氣含量結(jié)果見表3.

從表3可知，晉城礦區(qū)3#煤層的地面煤層氣井密閉取心測(cè)試獲得的氣含量為22.65 cm3/g，繩索取芯測(cè)試方法獲得的氣含量為18.07 cm3/g，前者比后者高出25.35%;煤礦井下密閉取心測(cè)試獲得的氣含量為16.48 cm3/g，傳統(tǒng)瓦斯測(cè)試方法獲得的氣含量為13.11 cm3/g，前者比后者高出2571%;地面煤層氣井密閉取心測(cè)試獲得的氣含量為11.76 cm3/g，繩索取芯測(cè)試方法獲得的氣含量為8.68 cm3/g，前者比后者高出35.48%;煤礦井下密閉取心測(cè)試獲得的氣含量為2188 cm3/g，傳統(tǒng)瓦斯測(cè)試方法獲得的氣含量為15.67 cm3/g，前者比后者高出39.63%.

綜合分析研究，密閉取心測(cè)試方法比繩索取芯/傳統(tǒng)測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果有比較大提高，煤層氣含量比繩索取芯/傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)果提高了25.35%以上;對(duì)于煤體結(jié)構(gòu)較好且塊柱狀硬度較高無煙煤的密閉取芯，其測(cè)定結(jié)果可以提高結(jié)果的25%;對(duì)于煤體結(jié)構(gòu)較破碎的松軟肥煤的密閉取芯，其測(cè)定結(jié)果可以提高結(jié)果的35%.而且對(duì)于無煙煤和肥煤該裝置也有較好的適應(yīng)性，同時(shí)可以大大提高煤層氣含量測(cè)定精度。綜合取心技術(shù)參數(shù)和氣含量測(cè)試結(jié)果，研制的礦井煤層密閉取芯裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求，取芯過程中各組件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，密閉效果良好。與繩索取芯/傳統(tǒng)取芯測(cè)試方法相比，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定煤層氣含量意義重大。

4 結(jié) 論

1）2個(gè)典型煤礦礦區(qū)的密閉取芯煤層氣含量測(cè)試結(jié)果比繩索取芯/傳統(tǒng)瓦斯含量測(cè)試結(jié)果高出25.35以上，對(duì)于淮北礦區(qū)松軟煤層和煤體結(jié)構(gòu)比較破碎的煤層，密閉取心測(cè)試結(jié)果將更好，其測(cè)試結(jié)果可能高出繩索取芯/傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的35%以上;

2）密閉取心方法實(shí)現(xiàn)了在煤層內(nèi)煤芯采集密閉取芯技術(shù)，該裝置研制了雙筒單動(dòng)結(jié)構(gòu)，由外套總成（外筒）、取心內(nèi)筒以及液壓總成等組成，裝置操作簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，具有較強(qiáng)的井下環(huán)境適應(yīng)性。通過井下煤層密閉取芯試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求;

3）煤層氣含量密閉取心測(cè)試技術(shù)革新了煤層氣取芯工藝，克服了常規(guī)取芯方法的不足之處，縮短了煤芯的暴露時(shí)間，最大限度地減少了取心過程中的甲烷氣體損失，簡(jiǎn)化了煤層氣含量測(cè)試過程，提高煤層氣含量測(cè)試成果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。與普通取心方法相比，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

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