地面鉆井煤層氣含量樣品原位密閉取心裝置及工藝研究

鄭凱歌，孫四清，龍威成，楊 森

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710076；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)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(kāi)發(fā)對(duì)于清潔能源開(kāi)發(fā)、瓦斯災(zāi)害防治、溫室氣體減少排放極具意義[1，2]。我國(guó)煤層受到印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升、隆起、剝蝕與斷陷活動(dòng)影響，伴隨著燕山運(yùn)動(dòng)期間巖漿與塑性物質(zhì)入侵[3，4]，煤層結(jié)構(gòu)和煤層氣含量差異化嚴(yán)重[5]。煤層氣含量是煤層氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)評(píng)價(jià)、瓦斯危險(xiǎn)區(qū)劃分的關(guān)鍵參數(shù)。目前普遍采用 USBM直接測(cè)試方法獲得[6-8]，該測(cè)試方法認(rèn)為煤層氣量由損失氣、自然解吸氣和殘余氣三項(xiàng)構(gòu)成，其中自然解吸氣和殘余氣可依托實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)試獲得。損失氣主要是在開(kāi)放式巖心管地面采取煤層氣測(cè)試樣品過(guò)程中發(fā)生的氣體逸散，該過(guò)程十分復(fù)雜，難以準(zhǔn)確估算。

煤層氣含量獲取的精確程度關(guān)鍵依托于損失氣估算精度。盡管采用改進(jìn)及優(yōu)化的美國(guó)礦業(yè)局 (USBM)法進(jìn)行損失氣含量估算在行業(yè)內(nèi)得到普遍應(yīng)用，但因該方法在公式推導(dǎo)過(guò)程中，為了便于求解，采用的初、邊條件與實(shí)際情況差異較大，如假設(shè)鉆孔中煤芯在提鉆到一半鉆孔深度的時(shí)間即“零時(shí)間”，煤層氣才開(kāi)始解吸，且又對(duì)解析解作了理想化處理以使結(jié)果表達(dá)式更簡(jiǎn)單，所以，該方法測(cè)試結(jié)果精度存疑。煤層開(kāi)采和地面煤層氣勘探開(kāi)發(fā)結(jié)果均顯示，地面勘探期間獲取的煤層氣含量低于煤儲(chǔ)層實(shí)際氣含量[9-11]。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為損失氣估算不準(zhǔn)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(guò)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(cè)試兩種途徑解決。因煤層氣(瓦斯)損失氣體計(jì)算模型本身的局限性，參數(shù)獲取的精度不足等原因，目前還難以直接用于計(jì)算煤層氣損失量，因此地面鉆進(jìn)煤層密閉取心氣含量測(cè)試成為提高煤層氣含量測(cè)試結(jié)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(cè)試技術(shù)模式，開(kāi)展了密閉取心工藝技術(shù)參數(shù)定量分析實(shí)驗(yàn)，并在典型礦井開(kāi)展了工程示范應(yīng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了定量揭示地面煤層氣含量樣品采取過(guò)程中損失氣量解吸特征，利用地面繩索取心高壓解吸平臺(tái)，模擬煤樣在繩索取心過(guò)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(gè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由樣品缸、參考缸、高壓閥門、微調(diào)閥、解吸儀、恒溫水浴、溫、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、高壓氮?dú)馄?、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(shí)驗(yàn)

依據(jù)我國(guó)煤層實(shí)際地質(zhì)條件和取心過(guò)程要求，實(shí)驗(yàn)解吸平衡壓力設(shè)定為8MPa，實(shí)驗(yàn)溫度通過(guò)恒溫水浴控制，樣品提取時(shí)間為13min，樣品提升過(guò)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(shí)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(guò)程每間隔1min進(jìn)行解吸氣計(jì)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(shí)驗(yàn)步驟如圖1所示。

1.3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同粒度樣品地面繩索取心全過(guò)程煤層氣解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。煤層氣含量測(cè)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(guò)程甲烷氣體解吸量隨時(shí)間呈現(xiàn)3段型，樣品孔內(nèi)提升過(guò)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(jù)煤樣在罐中的自然解吸數(shù)據(jù)，分別估算了各個(gè)煤樣的模擬損失氣量；基于地面繩索取心損失氣量全過(guò)程模擬獲得了實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)損失氣量數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比(表1)可知，模擬實(shí)驗(yàn)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(guó)USBM直接法估算結(jié)果相比實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果明顯較大，后者是前者的8.0～31.4倍，并且樣品粒級(jí)越小差異越大。由以上分析可知采用美國(guó)USBM氣含量測(cè)試方法進(jìn)行煤層損失氣量估算偏差大是引起煤層氣含量測(cè)試不準(zhǔn)的根本原因。

表1 煤層氣損失量模擬結(jié)果

2 地面煤層原位密閉取心模型構(gòu)想

2.1 密閉取心裝置功能設(shè)置

通過(guò)以上分析可知，地面鉆井煤層氣含量測(cè)試失準(zhǔn)的關(guān)鍵原因是損失氣量估算偏差，提高煤層氣含量測(cè)試精度的關(guān)鍵途徑是規(guī)避損失氣估算，全過(guò)程直接有效封存煤層解吸氣，在地面室內(nèi)一體化測(cè)試。煤層損失氣量主要包括鉆進(jìn)過(guò)程中逸散、樣品提升變壓解吸逸散、地面裝罐逸散三個(gè)過(guò)程。鉆進(jìn)過(guò)程中逸散主要依靠地面鉆進(jìn)過(guò)程中靜液柱壓力進(jìn)行密封，阻止煤層氣(瓦斯)由吸附態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化，保證煤儲(chǔ)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(guò)USBM等估算方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)后兩者損失氣量的準(zhǔn)確計(jì)算或測(cè)試是保證煤層氣含量測(cè)試精確度的關(guān)鍵。基于此，提出了地面鉆井煤層密閉取心裝置設(shè)想，其應(yīng)具有以下功能：①裝置能夠?qū)崿F(xiàn)煤樣的原位密閉取心，避免樣品提升變壓過(guò)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(yīng)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(jìn)煤層密閉取心裝置由動(dòng)力關(guān)閉機(jī)構(gòu)、取心內(nèi)筒、外筒、鉆頭、上下密封球閥及解吸閥門等關(guān)鍵部件組成[19]。當(dāng)密閉取心裝置下入孔底，煤樣前端雛形形成，并伴隨鉆進(jìn)完成樣品進(jìn)入取心內(nèi)筒中，完成鉆進(jìn)后，利用動(dòng)力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)取心內(nèi)筒上、下端球閥同步旋轉(zhuǎn)密閉，此時(shí)球閥及取心內(nèi)筒形成獨(dú)立密封系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)解吸，也可送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行解吸測(cè)量，最終將煤層氣含量測(cè)試簡(jiǎn)化為解吸氣和殘余氣測(cè)試兩部分，降低了測(cè)試難度，提高氣含量測(cè)試精度。裝置結(jié)構(gòu)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(cè)

室內(nèi)利用高壓注水泵向由上下球閥和取心內(nèi)筒組成的密封系統(tǒng)注入一定壓力的液體，穩(wěn)壓至設(shè)計(jì)值后切斷高壓補(bǔ)充，通過(guò)機(jī)械壓力表和電子壓力傳感記錄器兩種方式監(jiān)測(cè)密封壓力變化，結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)密封壓力檢測(cè)裝置密封性能達(dá)到11.5MPa以上。

表2 密閉取心裝置密閉性能檢測(cè)結(jié)果

3 密閉取心工藝技術(shù)參數(shù)模擬分析

地面煤層密閉取心工藝關(guān)鍵參數(shù)直接決定取心裝置取心鉆探效率、取心質(zhì)量及樣品密閉效果，其主要包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、泥漿液流量等。為了獲取最優(yōu)密閉取心工藝技術(shù)參數(shù)組合，以地面黃土相似模擬碎軟煤層取心過(guò)程，開(kāi)展了地面模式試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)由起吊設(shè)備采用預(yù)制混凝土塊體堆砌，并固定，搭建平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)2m以上開(kāi)孔空間，滿足密閉取心裝置實(shí)驗(yàn)條件，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)水電位置，合理布設(shè)了水箱、鉆機(jī)、操作臺(tái)位置。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用差異性流量轉(zhuǎn)速及鉆壓參數(shù)交叉組合進(jìn)行密閉取心工藝參數(shù)研究。根據(jù)試驗(yàn)方案，選取了ZDY3200S地面鉆機(jī)、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(yàn)裝備(見(jiàn)表3)。為了保證黃土層密閉取心試驗(yàn)的有效性，對(duì)QMB-120-38DM-2型密閉取心器進(jìn)行了優(yōu)化處置：①縮小鉆頭與取心內(nèi)筒端部流水通道間隙，并補(bǔ)充安裝了密封圈；②增大鉆頭側(cè)向水眼與鉆頭中心軸線夾角，達(dá)到泥漿液的孔底側(cè)噴效果。最終規(guī)避了鉆頭側(cè)向水流和鉆頭內(nèi)部間隙水流對(duì)黃土的沖刷。

表3 地面密閉取心試驗(yàn)裝備參數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)7次地面鉆井密閉取心試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，取心裝置能夠順利實(shí)現(xiàn)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(cè)試數(shù)據(jù)繪制了取心流量、鉆壓、鉆速與取心率之間的相關(guān)性，如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)取心過(guò)程中流量為0L/min(干鉆)時(shí)，取心率最高，最高可達(dá)100%，流量在0～60L/min之間時(shí)取心率達(dá)到了80%以上，當(dāng)流量為145L/min時(shí)，取心率更是僅達(dá)到23%。實(shí)際地面鉆井進(jìn)行煤層樣品采取過(guò)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(wèn)題，一般規(guī)定不采用干鉆(0L/min)進(jìn)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?jī)?yōu)選40～60L/min。當(dāng)?shù)孛婷荛]取心試驗(yàn)中鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為67r/min時(shí)，黃土樣品采取率最高，伴隨著鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的加大，黃土樣品采取率逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為82r/min時(shí)，黃土采取率降低至低于80%，因此，地面密閉合理取心轉(zhuǎn)速應(yīng)為50～80r/min。當(dāng)鉆壓為15.5kN時(shí)，黃土樣品采取率最高，隨著鉆進(jìn)鉆壓的進(jìn)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(dá)到80%以上，密閉取心鉆壓參數(shù)應(yīng)優(yōu)選在14～16kN。

4 密閉取心工程試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)區(qū)煤層氣地質(zhì)概況

淮南礦區(qū)潘三煤礦位于煤田中部，從地質(zhì)構(gòu)造角度地處淮南復(fù)向斜潘集背斜的南翼西部，在印支運(yùn)動(dòng)變形作用下，發(fā)生全區(qū)褶皺上隆的強(qiáng)烈活動(dòng)，煤層整體碎軟[17]。礦井現(xiàn)主采13-1煤層，煤層堅(jiān)固系數(shù)為0.30～0.70，均值為0.52。煤層結(jié)構(gòu)分級(jí)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(zhì)勘探期間煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果在1.19～7.75m3/t之間，均值為5.25m3/t。其生產(chǎn)期間實(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果與井下實(shí)際揭露情況，平均相差1.41m3/t，數(shù)據(jù)的誤差性對(duì)井下瓦斯防治工程設(shè)計(jì)、布置和煤層氣資源有利開(kāi)發(fā)區(qū)的優(yōu)選易造成誤導(dǎo)，嚴(yán)重甚至?xí)T發(fā)災(zāi)害的發(fā)生。

4.2 地面井密閉取心工程應(yīng)用試驗(yàn)

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(shù)參數(shù)研究結(jié)果，開(kāi)展了多回次的碎軟煤層密閉取心工程應(yīng)用試驗(yàn)。本次共進(jìn)行4次密閉取心試驗(yàn)，其中密閉取心3次，樣品編號(hào)分別為YP-1、YP-2及YP-3，常規(guī)取心1次，樣品編號(hào)為PSK-4號(hào)樣品，取心深度為736.44～740.69m。YP-1、YP-2樣品實(shí)現(xiàn)了上、下兩端球閥的聯(lián)動(dòng)密閉，完全實(shí)現(xiàn)樣品和瓦斯密封，直接快速與氣含量測(cè)試裝置連接進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。其中YP-3樣品未實(shí)現(xiàn)密閉，氣含量按照常規(guī)取心計(jì)算。煤層密閉取心長(zhǎng)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(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表4可知，密閉取心成功樣品氣含量測(cè)試結(jié)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(cè)試值相比提高了20.23%～31.61%，均值為25.92%。

5 結(jié) 論

1)利用繩索取心煤層氣損失氣量模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了典型礦區(qū)不同粒度煤心地面取心煤層解吸-擴(kuò)散模擬試驗(yàn)，揭示了煤樣提升、裝罐和解吸全過(guò)程呈現(xiàn)“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(cè)試不準(zhǔn)的根本原因。

2)針對(duì)煤層氣含量測(cè)試失準(zhǔn)技術(shù)難題，提出了地面煤層原位密閉取心模式構(gòu)想，設(shè)計(jì)了上、下球閥協(xié)同關(guān)閉、解吸與取心一體化地面鉆井煤層密閉取心裝置結(jié)構(gòu)，裝置密閉能力達(dá)11.5MPa，滿足1000m井深地面煤層氣含量測(cè)試樣品采取需求。

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

4)在碎軟煤層典型礦區(qū)潘三煤礦開(kāi)展了應(yīng)用，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，密閉取心裝置可實(shí)現(xiàn)煤心樣品原位采取，上、下兩端球閥的聯(lián)動(dòng)關(guān)閉，可實(shí)現(xiàn)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(cè)試結(jié)果相比提高了20.23%～31.61%。