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煤层气含量快速测定方法精
第38卷第1期煤田地质与勘探
Vol.38No.12010年2月
COALGEOLOGY&EXPLORATION
Feb.2010
收稿日期:
2009-03-16
:
文章编号:
1001-1986(201001-0029-04
煤层气含量快速测定方法
庞湘伟
(煤炭科学研究总院西安研究院,陕西西安710054
摘要:
煤和煤层气地质勘探需要在取到钻孔煤心后的很短时间内获得气含量测值,而现行的煤层气含量测定方法难以满足此要求。
基于自然解吸法原理和方法,以自然解吸法的测定结果为基准,在保证解吸量、气组成及其含量基本不变的前提下,通过连续观测、适当提高解吸温度等途径,合理、有效地加速解吸。
以快速测定法与自然解吸法的对比试验结果为依据,建立了煤层气含量快速测定方法。
此方法将煤层气含量测定周期缩短为几h~几d,可以满足煤和煤层气勘探的需求。
关键词:
煤层气含量;连续观测;加温解吸;快速测定
中图分类号:
P618.11文献标识码:
ADOI:
10.3969/j.issn.1001-1986.2010.01.007
Rapiddeterminationofcoalbedmethanecontent
PANGXiangwei
(Xi′anBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Xi′an710054,China
Abstract:
Itisusuallyrequiredthatthegascontentdeterminedoncoalcoresisdeliveredrapidlyinthecourseofcoalandcoalbedmethane(CBMexploration.However,theexistingmethodofCBMcontentdeterminationishardtomeettherequirement.BasedontheprincipleandmethodologyofCBMnaturaldesorption,onthebasisoftheresultofnaturaldesorption,andunderremainingthedesorbedvolume,gascompositionanditscontentbasicallyunchanged,thegasdesorptionrateisspedupreasonablyandeffectivelybytheuseofcontinuousmeasuringandappropriatelyraisingdesorptiontemperature.Takingthedeterminationanalogbetweentherapidmethodandcon-ventionalnaturaldesorptionasabasis,themethodoftherapidCBMcontentdeterminationisbuiltup.Compara-tively,theapplicationofrapidmethodwillshortenthedeterminingperiodtoseveraldaysorevenseveralhours,whichisabletomeetthedemandforcoalandCBMexploration.
Keywords:
CBMcontent;continuousmeasurement;desorptionbyraisingtemperature;rapiddetermination
煤层气含量测定方法已经沿革几十年[1],现行的煤层气含量测定方法标准主要有2个:
其一是国家标准《煤层气含量测定方法》(GB/T19559-2008[2],该标准参照美国矿业局的“直接法”[3]制定,也被称之为“自然解吸法”,该方法操作简便,测值可靠,测定结果的准确度是目前公认最好的,不足之处是测定周期长,一般需要几周或几个月;其二是安全行业标准《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(AQ1046-2007[4],该标准在我国煤田地质勘探领域使用时间较早,并沿用至今,习惯上称之为“地勘法”,该方法测定周期一般为几d,不足之处是部分仪器设备不便于搬运和野外操作,受钻探工艺和取样设备等因素影响,测值偏低。
从理论上讲,这两种方法测得的煤层气含量值是一致的。
煤和煤层气为共伴生矿产,煤层气勘探需要在取到煤样后的数十h内获得气含量测值,以便设计下一步的试井、压裂、排采等工序;煤炭勘探有关规范也要求布置一定数量的煤层气参数井,煤和煤层气应同步勘探,并要求相关测试与钻探进度大体同步,以缩短地质勘探周期。
然而,现行的自然解吸法和地勘法均不能满足煤和煤层气勘探的需求。
因此很有必要探索新方法,制定新标准。
以自然解吸法测定结果为基准,在保证气含量和气成分基本不变的前提下,将煤层气含量测定周期缩短为几h到几d,即为快速测定。
本文概述快速测定法的建立基础,过程和依据。
1实施快速测定的途径
煤层气含量测定周期长短主要取决于煤层气解吸速率,影响解吸速率的因素是多方面的,有煤层自身
·30·
煤田地质与勘探第38卷
的因素,如煤体结构、煤级、煤岩、煤质等,也有测定方法的因素,如试验条件(温度等、操作方式及有关技术规定等。
通过对200多个煤心煤样自然解吸过程及数据的综合分析研究,笔者认为解吸气观测频率和解吸温度是影响测定周期的两个关键因素,且二者均可进行人为调控,故择取了以下两个快速解吸途径。
1.1连续观测
目前,煤层解吸气的体积测定一般用量筒,采用人工观测。
按GB/T19559-2008规定,解吸初期8h之内有明确的观测(读数时间间隔要求,此后多为每天观测1次。
观测时间间隔的长短对解吸速率有明显影响。
图1为同一煤层、煤体结构和煤岩煤质大体相同的不同煤样,解吸第1h之内,采用5min读数间隔和10min读数间隔测得的解吸量对比。
5组煤样对比结果表明,5min读数间隔测得的解吸量比10min读数间隔多1~3倍。
由此可见,缩短读数间隔,即连续观测可以大幅度地加速解吸。
解吸全过程均连续观测,即可以大幅度地缩短测定时间,尤其对气量大的无烟煤、煤体结构破坏严重的粒煤和粉煤等。
因此,连续观测是快速解吸的有效措施之一。
图15min与10min读数间隔测得的解吸气量对比图
Fig.1Comparisonofthedesorbedvolumesmeasuredin
every5minand10minintervals
连续观测使得解吸罐内部压力与环境气压保持基本平衡,煤心内气体解吸不受围压的阻碍,得以连续不断的逸出。
读数时间间隔长(几个h或1d会造成解吸罐内部压力增高,不利于气体解吸尤其在测定初期,煤样气饱和度大,罐内压力过大,解吸速率受到抑制,气含量测定周期随之加长。
1.2适当提高解吸温度
煤层气以吸附态富存于煤层之中,气体的吸附/解吸受温度控制,煤层气扩散率是温度的函数[3]。
解吸温度是测定周期长短的主要影响因素。
现以晋城无烟煤的自然解吸时间为例(图2,煤层温度<20℃者,解吸时间长达200余d(本文的解吸时间均不含残余气测定时间;煤层温度>40℃者,解吸时间为
比±20℃的煤层解吸时间少1倍左右。
解吸时间的长短与解吸温度密切相关,二者呈负相关关系,故提高解吸温度是快速解吸的有效途径之一。
图2煤层温度与解吸时间的关系
Fig.2Therelationshipbetweencoaltemperature
anddesorptiontime
提高解吸温度,需要考虑以下几个因素:
a.我国大多数煤储层的温度为20~35℃,快速解吸温度应高于大多数煤储层的温度。
b.快速解吸应以不改变煤的化学性质为原则,故解吸温度不应高于煤的变质温度。
煤级不同,变质温度不同,解吸温度可以根据煤级而定,也可以按低煤级煤的变质温度而定。
为了方便操作和适于推广,本文选择了褐煤到长焰煤的变质温度(即50℃。
c.煤层气解吸要求恒温条件[3],恒温设备一般采用水浴箱[2]。
水浴温度太高,与环境温度差别大,温度不容易恒定,恒温条件难以保证。
d.从安全操作考虑,水温过高,水蒸气也大,容易造成烫伤,不利于安全操作。
综合考虑,快速解吸水浴温度统一设定50℃为宜。
快速测定法∗的样品采取、损失气计算、气成分测定等与自然解吸法[2]相同,二者的主要差别有3点:
一是初始解吸1h后,即可将解吸温度提高到50℃,残余气也在50℃水浴中测定;二是测定全过程均连续观测解吸气体积,观测频度一般为1次/h;三是选择了加温解吸匹配的终止限。
2快速测定法与自然解吸法的比较
通过上述快速解吸途径,对不同地区、不同煤种进行了快速测定法与自然解吸法的对比试验。
2.1气含量测定结果对比
表1列举了20组对比煤样的测定结果。
这些煤样采自山西、河南、宁夏、内蒙和云南等省(区,含
∗
《煤层气含量快
——
第1期
庞湘伟:
煤层气含量快速测定方法
·31·
表1快速测定法与自然解吸法气含量测定结果对比表
Table1Comparisonoftheresultsmeasuredusingrapidmethodandnaturaldesorption
气含量/cm3·g−1
序号对比样组编号
自然解吸法
快速测定法
准确率/%
快速测定增减
1WY127.93H(328.7097.24+2WY220.64(523.1687.79+3WY332.10(330.8195.98-4WY416.68(218.0192.03+5WY518.29(219.1995.11+6WY625.90(329.4086.49+7PM115.27(114.6796.61-8PM214.48(113.7594.96-9PM313.43(112.5293.22-10PM419.50(422.3385.49+11PM514.76(315.4395.46+12PM613.08(112.3894.65-13PM714.40(113.6895.00-14SM115.70(214.0889.68-15FM14.60(65.6676.96+16QM13.27(73.3896.64+17QM20.50(10.5198.00+18QM31.84(31.9693.48+19QM43.25(23.9379.08+20CY10.28(40.2796.40
-注:
WY—无烟煤;PM—贫煤;SM—瘦煤;FM—肥煤;QM—气煤,以下表格同此。
(中的数字为样品数目。
“+”表示快速测定的气含量
高于自然解吸;“-”表示快速测定的气含量低于自然解吸。
煤地层涉及太原组、山西组、龙潭组和延安组等。
20组对比煤样中,无烟煤6组,贫煤7组,气煤4组,瘦煤、肥煤、长焰煤各1组,参加对比的煤样共75个。
每组对比煤样中,自然解吸煤样多少不等(1~7个,取其平均值参加对比;快速测定煤样一般为1个。
为使每组煤样有较好的可比性,每个对比样组均为同一煤层,煤岩、煤质、煤体结构等地质条件大体相同,以干燥无灰基为基准,将快速测定法和自然解吸法测得的气含量值相比较,并求取快速测定的准确率。
快速测定的准确率计算公式如下:
1%⎛⎞
=×⎜⎟⎜⎟⎝
⎠
测--100快速定气含量自然解吸气含量
准确率自然解吸气含量20组对比样中,快速测定的气含量值准确率高于85%的有18组,占对比样组的90%;准确率高于90%的有14组,占对比样组的70%。
20组对比煤样中,快速测定气含量高于自然解吸的有12组;低于自然解吸的有8组。
钻孔煤心煤样是比较复杂的,也是无法再现的受测样品,煤样所处地质背景、煤层自身条件、煤样采取方式与过程、测定仪器设备、测定操作等因素对气含量测定结果均有影响,对快速测定的准确率也同样有影响。
根据两种方法的对比试验结果,并综合考虑多种影响因素,可见快速测定法的准确率
比较高。
2.2解吸气组成及其含量对比
我国煤层气的组成特征是:
甲烷一般大于80%;二氧化碳小于5%;氮气10%左右[5]。
经大量解吸气样组成分析结果统计表明,快速解吸和自然解吸不同时段采取的气样,其组成及其含量基本相同。
表2为由两种测定方法测得的CH4含量对比结果。
由表2可见,两种方法的测定结果基本相似。
快速测定法不改变解吸气的组成及其含量。
2.3解吸时间对比
表3统计了气含量快速测定与自然解吸所用时
表2快速测定法与自然解吸法的CH4含量对比表
Table2ComparisonofCH4contentsmeasuredusing
rapidmethodandnaturaldeosrption对比样组编号
气样编号解吸温度/℃扣除空气后CH4/%
QZF-ZJ(32396.701WY7QZF-KJ(25096.554QZF-ZJ(32296.011SM1QZF-KJ(15097.812QZF-ZJ(22982.780FM1QZF-KJ(15082.271QZF-ZJ(2255.634QM3
QZF-KJ(1
505.886
·32·
煤田地质与勘探第38卷
间。
自然解吸时间一般要几周到几个月,快速测定时间为几h到几d。
同一测定方法,气含量测定周期因煤级和煤体结构的不同而长短不一。
就快速测定而言,低煤级煤一般为1~3d,中、高煤级煤一般为3~7d(表3。
相同煤级,粒度越小,解吸速率越快,测定周期越短。
有些气含量很低的碎粒煤、糜棱煤,快速测定在1d之内或数h之内即可结束。
表3快速测定法与自然解吸法解吸时间对比表
Table13Comparisonofdesorptiontimeusingrapid
methodandnaturalone对比样组编号
快速测定时间
/d
自然解吸时间
/d
对比样组数量
/组
WY3~737~15712PM3~630~859SM2~6140~1612FM1~351~983QM0.5~416~664CY0.3~316
4
3结语
影响煤层气含量测定周期的地质条件难以改变,但测定方法中的试验条件和操作方式等可以进行调整。
通过适当提高解吸温度和连续观测,并选
择匹配的终止限,是缩短测定周期合理而有效的途径。
本文以不同地区、不同煤种的对比试验结果为依据,建立了企业标准《煤层气含量快速测定方法——加温解吸法》。
该方法以自然解吸法的测定结果为基准,准确率一般大于90%(误差±10%,测值稳定、可靠,适合于我国大多数煤层。
该方法已在山西晋城、河南焦作和陕西长武等地测试了批量煤样,其应用范围将不断扩大。
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(上接第28页
程度高,镜质组含量较高,具备良好的生气潜力,煤层含气量高,具备“小而肥”的资源优势。
其中,二道岭向斜构造简单,保有煤炭资源量相对较大,受小松山断裂和木呼鲁背斜所限,呈箕状凹陷,东翼2号煤层厚度变化范围为10~15m,埋深900m左右,且煤层孔裂隙系统发育,是该区煤层气资源开发的最有利地带。
6结论
鄂尔多斯盆地西部煤储层孔隙度高,孔隙具双峰分布特点,且以微孔−小孔和大孔为主,尤以微孔−小孔占优势。
低煤级煤中,孔隙亦较发育,裂隙密度高,总体含气量及气饱和度较低,但随深度的增加总体含气量及气饱和度增加明显;无烟煤中,孔隙明显不发育,渗透性较差,Langmuir体积高而Langmuir压力低,具有相对高的退汞效率,含气量高且含气饱和度高,多为饱和甚至过饱和状态。
综合分析表明,二道岭-汝箕沟地区虽然面积较小,但具备“小而肥”的资源优势,是煤层气资源开发的有利区带。
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