關(guān)于石嘴山礦區(qū)煤層氣含量測試中損失量計(jì)算的探討

牛國斌 趙宇星 馬 凱

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 750000)

煤層氣含量測試貫穿了勘探開發(fā)的整個(gè)過程，其準(zhǔn)確性、可靠程度直接影響到勘探開發(fā)的規(guī)劃和決策。煤層氣含量測試中自然解吸量和殘余量測試方法較為直觀、準(zhǔn)確，而損失量無法測得，只能按照一些經(jīng)驗(yàn)方式估算得出，導(dǎo)致估算損失量與實(shí)際損失量偏差較大，也是目前國內(nèi)煤層氣含量測試值普遍低于實(shí)際值的主要因素。

1 石嘴山礦區(qū)煤儲(chǔ)層基本特征

石嘴山礦區(qū)位于寧夏石嘴山市惠農(nóng)區(qū)，屬于華北陸塊鄂爾多斯西緣坳陷成礦帶，處于煤與瓦斯高突地帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層分布較密集，多以逆斷層為主。煤層賦存于山西-太原組地層，共有9層煤層，其中2號、3號、6號煤層屬于主采煤層， 厚度分別到達(dá)了3.19m、 7.02m和11.07m。煤層鏡質(zhì)組反射率為0.98%～1.07%，以1/3焦煤為主，氣煤和肥煤次之，屬中等變質(zhì)程度。煤巖類型以亮煤為主、暗煤次之，煤層割理較發(fā)育。煤層煤體結(jié)構(gòu)較破碎(圖1)，多以碎塊和粉狀存在，宏觀裂隙發(fā)育，各裂隙間連通性較好?？刹擅簩悠骄瑲饬繛?.4～12.6m3/t，瓦斯壓力為0.14～4.8MPa，煤的瓦斯放散初速度為3.5～16mmHg，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.073～0.99d-1，煤層滲透率為0.002～0.177×10-3μm2，煤堅(jiān)固性系數(shù)為0.47～0.99，屬于松軟低滲透性煤層。自上世紀(jì)50年代開始采煤至今，在垂深430m處曾發(fā)生過一次較大的煤與瓦斯突出事故，這說明該地區(qū)煤層受擾動(dòng)后，煤中的煤層氣初始釋放量較大，煤層氣的瞬間釋放能力也較強(qiáng)。

圖1 石嘴山礦區(qū)3號和6號煤層的煤心

2 煤層氣損失量計(jì)算方法及存在的問題

2.1 損失量的影響因素

損失量主要是在鉆探取心和煤樣裝罐過程中因自然解吸產(chǎn)生的散逸氣體，其解吸散逸量受到多種因素的影響，主要有以下幾種：①煤中含氣量和瓦斯壓力越大，損失量越大。②煤的原生結(jié)構(gòu)越破碎，粒徑越小，損失量越大。③煤的透氣性越好，損失量越大。④煤對煤層氣的放散初速度越大，損失量越大。⑤提心時(shí)間越長，損失量越大。⑥煤心出巖心筒時(shí)擾動(dòng)破壞越大，損失越大。⑦裝罐時(shí)間越長，損失量越大。⑧解吸罐的氣密性越差，損失量越大。⑨取心現(xiàn)場氣壓越低，損失量越大。⑩取心現(xiàn)場氣溫越高，損失量越大。

范章群等通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤樣的自然解吸分為三個(gè)階段進(jìn)行，第一個(gè)階段是自提鉆之時(shí)就開始解吸煤層氣，出井口時(shí)解吸速率達(dá)到最大值，屬于解吸速率最快的一階段，隨后呈現(xiàn)逐漸衰減態(tài)勢(圖2)；第二階段是裝罐過程中的地面暴露階段，屬于解吸速率第二快的階段；第三階段是裝罐后的漫長解吸階段，是解吸速率最慢的一個(gè)階段。同時(shí)發(fā)現(xiàn)煤心解吸壓力從最高降至常壓的時(shí)間約為13min，且過程基本保持勻速下降。這一觀點(diǎn)與煤的自然解吸曲線特征和Langmuir方程原理異曲同工，均反映出了煤樣暴露初期放散速率最大。通常情況下，從提心到裝罐結(jié)束，一般需要10～20min，說明在裝罐完成之前，煤心解吸壓力已降至常壓，期間發(fā)生了大量的煤層氣解吸散逸，而且這個(gè)損失量發(fā)生的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裝罐后的解吸速率。

圖2 甲烷在不同三個(gè)階段的解吸速率

2.2 損失量的計(jì)算方法及存在的問題

圖3 裝罐前10min內(nèi)損失量曲線斜率對比

煤層氣損失量計(jì)算方法有多種，目前國內(nèi)通常采用GB/T 19559—2008中的USBM直接法(這里稱直線法)，這一方法是將符合自然對數(shù)解吸規(guī)律的初期階段進(jìn)行了直線化處理得出的結(jié)果，而實(shí)際上自然解吸曲線初期階段的曲線斜率較大。實(shí)際情況中應(yīng)該是損失量依舊遵守自然解吸規(guī)律中的累積解吸量與解吸時(shí)間成自然對數(shù)的關(guān)系，而非簡單的直線關(guān)系。從石嘴山礦區(qū)6號煤層實(shí)測自然解吸曲線函數(shù)與時(shí)間平方根直線函數(shù)的各自前10min曲線斜率可知(圖3)，以自然解吸曲線為規(guī)律，推算其在裝罐前10min內(nèi)的損失量變化曲線的斜率K為464.16，而以損失量與時(shí)間平方根成正比為規(guī)律，推算其在裝罐前10min內(nèi)的損失量變化規(guī)律曲線的斜率K=286.35，前者是后者的1.62倍,這就說明目前采用的時(shí)間平方根直線法估算出的損失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自然解吸規(guī)律下的實(shí)際損失量。這一問題其實(shí)很好理解，因?yàn)橹本€法采用的是解吸罐內(nèi)的解吸速率，而罐內(nèi)的解吸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裝罐前的解吸速率。

范章群和孫齊等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了直線法估算的損失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際損失量這一問題，尤其是對于破碎、小粒徑的煤與瓦斯突出的煤層，偏差更大。經(jīng)大量數(shù)據(jù)推演表明，自然對數(shù)法更符合石嘴山礦區(qū)的煤層氣損失量計(jì)算。

3 遵循自然解吸規(guī)律的損失量計(jì)算方法

3.1 自然對數(shù)法

這里先設(shè)定提心過程中煤心開始解吸到出井口的這段時(shí)間為T0，將出井口到裝罐完成這段時(shí)間設(shè)定為T1，損失量的累積時(shí)間設(shè)定為T2(T2=T0+T1)，裝罐后自然解吸時(shí)間為T3，設(shè)定T2時(shí)間對應(yīng)的累積解吸量Q2即為損失量。

煤心中的煤層氣自然解吸現(xiàn)象自提心過程中就已經(jīng)發(fā)生(圖2)，而在實(shí)際記錄的自然解吸曲線上是缺少裝罐前(損失時(shí)間內(nèi))的觀測點(diǎn)。我們在損失量計(jì)算時(shí)，需要在自然解吸累積曲線的最前端按一定的趨勢和規(guī)律擬合補(bǔ)充上損失時(shí)間內(nèi)的曲線形態(tài)，以擬合后的曲線函數(shù)(模型)為準(zhǔn)，將累積解吸時(shí)間T=45s時(shí)對應(yīng)的Q2值定為損失量。這里要說明為什么取T=45s，根據(jù)瓦斯放散初速度測定過程數(shù)據(jù)顯示，通常在初始45s內(nèi)的累積解吸量是相當(dāng)小的，多數(shù)都在0.01cm3/g級別，對氣含量值的影響十分小(圖4)，但在45s后的解吸量發(fā)生了大幅增加，接近1cm3/g的級別，這就是取T=45s的原因。

圖4 石嘴山礦區(qū)6煤瓦斯放散量曲線

在確定損失量計(jì)算模型之前，我們要明確一點(diǎn)，那就是模型的時(shí)間起算點(diǎn)。在測試獲得的自然解吸曲線中，時(shí)間為零時(shí)對應(yīng)的解吸量為零，但這個(gè)零時(shí)間僅僅為罐內(nèi)自然解吸的時(shí)間起點(diǎn)，并非煤樣實(shí)際發(fā)生的自然解吸時(shí)間點(diǎn)，也就是說煤樣的實(shí)際自然解吸時(shí)間起點(diǎn)應(yīng)該為T2，只是我們觀測到的解吸量為零而已。所以在擬合損失量計(jì)算模型時(shí)，自然解吸量為零時(shí)對應(yīng)的時(shí)間應(yīng)該是T2。按這個(gè)規(guī)律，在所有解吸量不變的情況下，將罐內(nèi)的自然解吸曲線沿著時(shí)間軸右移T2后進(jìn)行曲線擬合分析，并得出相應(yīng)的損失量計(jì)算模型，最后將時(shí)間T2帶入模型中得出的負(fù)數(shù)值，即為損失氣量Q2。

圖5 添加T2后6煤7號樣品的自然解吸曲線

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

以石嘴山礦區(qū)某孔6煤的煤心為例，按照實(shí)際提心時(shí)間和裝罐時(shí)間，并結(jié)合本區(qū)6煤儲(chǔ)層壓力和臨界解吸壓力，確定T0=5min，T1=4min，T2=T0+T1=9min。最后將自然解吸數(shù)據(jù)中的累積時(shí)間全部加9min后生成曲線，采用線性回歸分析法得出自然解吸曲線函數(shù)，即為6煤損失量計(jì)算模型，如圖4所示。

從圖5可知，6煤7號樣品的損失量計(jì)算模型為Q=1639.5ln(T)-5465,擬合度R2=0.9887，模型可靠度較高。將T=45s帶入上述模型中，得出Q=-5936.65cm3即為損失氣含量。按照以上方法分別對每個(gè)樣品進(jìn)行損失量的建模計(jì)算，得出6煤樣品損失量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 石嘴山礦區(qū)6煤樣品自然對數(shù)法計(jì)算結(jié)果

將表1中自然對數(shù)法計(jì)算的損失量數(shù)據(jù)處理后，得出6號煤平均總含氣量為13.20cm3/g，比化驗(yàn)測試的總含氣量9.45cm3/g增加了39.67%。這與淺部地段礦井開采中井下實(shí)測6煤平均含氣量約為12cm3/g比較相近，加之此次取樣深度比以往礦井開采深度增加了約350m，理論上煤層氣含量應(yīng)該大于以往6煤開采中井下實(shí)測值12cm3/g，這一計(jì)算結(jié)果恰好吻合這一規(guī)律，說明自然對數(shù)法估算損失量的方法更加符合本地區(qū)煤層特征。

4 結(jié)論

(1)煤樣裝罐前的解吸特點(diǎn)依舊遵循自然解吸規(guī)律，損失氣量的估算也應(yīng)該遵守自然解吸曲線的特征，而不是直接采用簡單的直線法。

(2)本地區(qū)煤層整體上較破碎，按照損失量的影響因素分析，煤樣在第一、二階段發(fā)生了大量的解吸，常用的直線法已不能完全適合損失氣量的估算了。

(3)經(jīng)過對石嘴山礦區(qū)6煤樣品損失量的建模計(jì)算，自然對數(shù)法估算值要比直線法估算值更準(zhǔn)確，更切合際情況。

(4)對于構(gòu)造煤的損失氣量計(jì)算時(shí)，因前期釋放速率更大，模型建立后根據(jù)構(gòu)造煤破壞程度，取T=10～40s之間的值進(jìn)行計(jì)算，會(huì)提高準(zhǔn)確率。