郑凯歌，孙四清，龙威成，杨 森
(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710076；
2.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)
煤层气(瓦斯)是一种以吸附和游离状态赋存为主的非常规天然气资源，主要成分为甲烷，煤层气的开发对于清洁能源开发、瓦斯灾害防治、温室气体减少排放极具意义[1，2]。我国煤层受到印支、燕山、喜马拉雅等多期构造运动的抬升、隆起、剥蚀与断陷活动影响，伴随着燕山运动期间岩浆与塑性物质入侵[3，4]，煤层结构和煤层气含量差异化严重[5]。煤层气含量是煤层气开发有利区评价、瓦斯危险区划分的关键参数。目前普遍采用 USBM直接测试方法获得[6-8]，该测试方法认为煤层气量由损失气、自然解吸气和残余气三项构成，其中自然解吸气和残余气可依托实验室准确测试获得。损失气主要是在开放式岩心管地面采取煤层气测试样品过程中发生的气体逸散，该过程十分复杂，难以准确估算。
煤层气含量获取的精确程度关键依托于损失气估算精度。尽管采用改进及优化的美国矿业局 (USBM)法进行损失气含量估算在行业内得到普遍应用，但因该方法在公式推导过程中，为了便于求解，采用的初、边条件与实际情况差异较大，如假设钻孔中煤芯在提钻到一半钻孔深度的时间即“零时间”，煤层气才开始解吸，且又对解析解作了理想化处理以使结果表达式更简单，所以，该方法测试结果精度存疑。煤层开采和地面煤层气勘探开发结果均显示，地面勘探期间获取的煤层气含量低于煤储层实际气含量[9-11]。行业内普遍认为损失气估算不准是造成上述情况的核心原因[12，13]。
地面煤层气含量精度的提高，主要可通过损失气估算方法的优化和地面煤层气含量样品的原位密闭采取测试两种途径解决。因煤层气(瓦斯)损失气体计算模型本身的局限性，参数获取的精度不足等原因，目前还难以直接用于计算煤层气损失量，因此地面钻进煤层密闭取心气含量测试成为提高煤层气含量测试结果最为直接有效的途径[14]。本文借助绳索取心煤层气损失气量地面井煤样提升-解吸实验平台，模拟揭示了煤层气(瓦斯)含量估算误差原因，提出了密闭取心煤层气含量测试技术模式，开展了密闭取心工艺技术参数定量分析实验，并在典型矿井开展了工程示范应用，取得了良好的效果。
1.1 绳索取心煤层气损失气量模拟实验平台
为了定量揭示地面煤层气含量样品采取过程中损失气量解吸特征，利用地面绳索取心高压解吸平台，模拟煤样在绳索取心过程中，从孔底原位采样提至井口、地面装罐以及解吸罐解吸三个阶段高压匀快速降压条件下煤层气解吸气量，揭示损失气量估算偏差原因。该实验平台主要由样品缸、参考缸、高压阀门、微调阀、解吸仪、恒温水浴、温、压力传感器、数据采集器、高压氮气瓶、绳索提升成套装置等组成。
1.2 地面钻井取心煤层损失气量模拟实验
依据我国煤层实际地质条件和取心过程要求，实验解吸平衡压力设定为8MPa，实验温度通过恒温水浴控制，样品提取时间为13min，样品提升过程从高压匀速降压至常压的速度为0.667MPa/min，地面装样(样品暴露)时间为8min[15，16]，其操作为提出恒温水浴后作为地面提心模拟，各过程每间隔1min进行解吸气计量。在淮南矿区采取瓦斯突出矿井代表性煤样，并制备成 1～3mm、30～50mm和柱块3种类别。实验步骤如图1所示。
1.3 模拟实验结果分析
不同粒度样品地面绳索取心全过程煤层气解吸实验结果如图2所示。煤层气含量测试样品自孔底原位采样提至井口，地面装罐，直至解吸罐解吸全过程甲烷气体解吸量随时间呈现3段型，样品孔内提升过程曲线斜率明显高于后两者，同一煤层样品随着粒度的增大解吸速率不断降低。
采用USBM直接法，根据煤样在罐中的自然解吸数据，分别估算了各个煤样的模拟损失气量；
基于地面绳索取心损失气量全过程模拟获得了实验实测损失气量数据。通过数据对比(表1)可知，模拟实验损失气量0.37～13.55cm3/g，随着粒度的增大，损失气量大幅降低，1～3mm碎软粒度煤层损失气量是30～50mm煤样和块样的18.07和36.62倍。与美国USBM直接法估算结果相比实验模拟结果明显较大，后者是前者的8.0～31.4倍，并且样品粒级越小差异越大。由以上分析可知采用美国USBM气含量测试方法进行煤层损失气量估算偏差大是引起煤层气含量测试不准的根本原因。
表1 煤层气损失量模拟结果
2.1 密闭取心装置功能设置
通过以上分析可知，地面钻井煤层气含量测试失准的关键原因是损失气量估算偏差，提高煤层气含量测试精度的关键途径是规避损失气估算，全过程直接有效封存煤层解吸气，在地面室内一体化测试。煤层损失气量主要包括钻进过程中逸散、样品提升变压解吸逸散、地面装罐逸散三个过程。钻进过程中逸散主要依靠地面钻进过程中静液柱压力进行密封，阻止煤层气(瓦斯)由吸附态向游离态转化，保证煤储层处于煤层气(瓦斯)吸附平衡状态，从而抑制游离态煤层气的逸散，后两者主要通过USBM等估算方法进行计算，对后两者损失气量的准确计算或测试是保证煤层气含量测试精确度的关键。基于此，提出了地面钻井煤层密闭取心装置设想，其应具有以下功能：①装置能够实现煤样的原位密闭取心，避免样品提升变压过程气体逸散；
②样品密封采取后，装置能够保证密封压力大于10MPa(常规取心深度保压密封)；
③装置应具备“取心-解吸”一体化功能，避免地面装罐气体逸散。
2.2 密闭取心装置工作原理
地面钻进煤层密闭取心装置由动力关闭机构、取心内筒、外筒、钻头、上下密封球阀及解吸阀门等关键部件组成[19]。当密闭取心装置下入孔底，煤样前端雏形形成，并伴随钻进完成样品进入取心内筒中，完成钻进后，利用动力机构实现取心内筒上、下端球阀同步旋转密闭，此时球阀及取心内筒形成独立密封系统，实现煤样的完全密闭，确保煤样气体不发生逸散。样品提升至地面后，直接可在现场解吸，也可送往实验室进行解吸测量，最终将煤层气含量测试简化为解吸气和残余气测试两部分，降低了测试难度，提高气含量测试精度。装置结构及密闭取心原理如图3所示。
2.3 密闭取心装置密闭性能检测
室内利用高压注水泵向由上下球阀和取心内筒组成的密封系统注入一定压力的液体，稳压至设计值后切断高压补充，通过机械压力表和电子压力传感记录器两种方式监测密封压力变化，结果见表2。通过密封压力检测装置密封性能达到11.5MPa以上。
表2 密闭取心装置密闭性能检测结果
地面煤层密闭取心工艺关键参数直接决定取心装置取心钻探效率、取心质量及样品密闭效果，其主要包括钻压、转速、泥浆液流量等。为了获取最优密闭取心工艺技术参数组合，以地面黄土相似模拟碎软煤层取心过程，开展了地面模式试验。
3.1 试验平台搭建
试验平台由起吊设备采用预制混凝土块体堆砌，并固定，搭建平台可实现2m以上开孔空间，满足密闭取心装置实验条件，现场根据水电位置，合理布设了水箱、钻机、操作台位置。
3.2 试验方案设计
试验采用差异性流量转速及钻压参数交叉组合进行密闭取心工艺参数研究。根据试验方案，选取了ZDY3200S地面钻机、可控流量多档位注浆泵、优化的QMB-120-38DM-2地面钻井煤样原位密闭取心装置等试验装备(见表3)。为了保证黄土层密闭取心试验的有效性，对QMB-120-38DM-2型密闭取心器进行了优化处置：①缩小钻头与取心内筒端部流水通道间隙，并补充安装了密封圈；
②增大钻头侧向水眼与钻头中心轴线夹角，达到泥浆液的孔底侧喷效果。最终规避了钻头侧向水流和钻头内部间隙水流对黄土的冲刷。
表3 地面密闭取心试验装备参数
3.3 试验结果分析
通过7次地面钻井密闭取心试验数据可知，取心装置能够顺利实现密闭系统的有效密闭，黄土取心率为69.7%～100%，样品呈块柱状。利用测试数据绘制了取心流量、钻压、钻速与取心率之间的相关性，如图4所示。由图4可知，当取心过程中流量为0L/min(干钻)时，取心率最高，最高可达100%，流量在0～60L/min之间时取心率达到了80%以上，当流量为145L/min时，取心率更是仅达到23%。实际地面钻井进行煤层样品采取过程中，尤其是碎软煤层，为了避免煤样在钻头与煤层摩擦生热条件下发生烧钻、堵心等问题，一般规定不采用干钻(0L/min)进行煤样的采取，综合研究可知地面钻井煤层密闭取心器流量优选40～60L/min。当地面密闭取心试验中钻机转速为67r/min时，黄土样品采取率最高，伴随着钻机转速的加大，黄土样品采取率逐渐降低，当转速为82r/min时，黄土采取率降低至低于80%，因此，地面密闭合理取心转速应为50～80r/min。当钻压为15.5kN时，黄土样品采取率最高，随着钻进钻压的进一步提高，黄土样品采取率逐步降低。钻压在14～16kN之间取心效果较好，黄土采取率均达到80%以上，密闭取心钻压参数应优选在14～16kN。
4.1 试验区煤层气地质概况
淮南矿区潘三煤矿位于煤田中部，从地质构造角度地处淮南复向斜潘集背斜的南翼西部，在印支运动变形作用下，发生全区褶皱上隆的强烈活动，煤层整体碎软[17]。矿井现主采13-1煤层，煤层坚固系数为0.30～0.70，均值为0.52。煤层结构分级明显，顶部以碎粒煤为主，底部主要为糜棱煤，为典型煤与瓦斯突出煤层，煤层厚度0.94～6.83m，均值为3.73m。地质勘探期间煤层瓦斯含量测试结果在1.19～7.75m3/t之间，均值为5.25m3/t。其生产期间实测煤层瓦斯含量在4.78～7.80m3/t之间，均值为6.66m3/t。地面勘探煤层气(瓦斯)含量测试结果与井下实际揭露情况，平均相差1.41m3/t，数据的误差性对井下瓦斯防治工程设计、布置和煤层气资源有利开发区的优选易造成误导，严重甚至会诱发灾害的发生。
4.2 地面井密闭取心工程应用试验
利用研制的QMB-120-38DM-2型地面钻井煤样原位密闭取心装备，依托淮南地面大直径取心钻井，基于地面钻井煤层密闭取心工艺技术参数研究结果，开展了多回次的碎软煤层密闭取心工程应用试验。本次共进行4次密闭取心试验，其中密闭取心3次，样品编号分别为YP-1、YP-2及YP-3，常规取心1次，样品编号为PSK-4号样品，取心深度为736.44～740.69m。YP-1、YP-2样品实现了上、下两端球阀的联动密闭，完全实现样品和瓦斯密封，直接快速与气含量测试装置连接进行测试，结果见表4。其中YP-3样品未实现密闭，气含量按照常规取心计算。煤层密闭取心长度0.45～0.89m，取心率在70.06%～75.00%之间，平均72.02%。
表4 潘三矿密闭取心工程应用试验结果对比
由表4可知，密闭取心成功样品气含量测试结果在7.19～7.87m3/t之间。常规样品气含量为5.92～6.04m3/t，平均为5.98m3/t 。密闭取心样品气含量与常规取心测试值相比提高了20.23%～31.61%，均值为25.92%。
1)利用绳索取心煤层气损失气量模拟实验平台，开展了典型矿区不同粒度煤心地面取心煤层解吸-扩散模拟试验，揭示了煤样提升、装罐和解吸全过程呈现“3段型”特征，煤层损失气量估算偏差大是引起煤层气含量测试不准的根本原因。
2)针对煤层气含量测试失准技术难题，提出了地面煤层原位密闭取心模式构想，设计了上、下球阀协同关闭、解吸与取心一体化地面钻井煤层密闭取心装置结构，装置密闭能力达11.5MPa，满足1000m井深地面煤层气含量测试样品采取需求。
3)搭建了地面煤层密闭取心工艺技术参数研究模拟试验平台，采用流量、转速及钻压参数正交组合试验，优选了密闭取心流量40～60L/min、取心转速50～80r/min钻压在14～16kN之间为最优密闭取心参数组合。
4)在碎软煤层典型矿区潘三煤矿开展了应用，测试数据表明，密闭取心装置可实现煤心样品原位采取，上、下两端球阀的联动关闭，可实现煤样和瓦斯的有效密闭，煤样取心率在70.06%～75.00%之间，平均72.02%，密闭取心含量与常规取心测试结果相比提高了20.23%～31.61%。
猜你喜欢 煤样气量煤层气 新疆首批煤层气探矿权成功挂牌出让矿山安全信息(2022年29期)2022-11-252025 年全国煤层气开发利用量将达100 亿m3煤化工(2022年3期)2022-11-21煤中水分存在形式及不同能量作用下的脱除机理探究煤(2022年8期)2022-08-08真三轴动静组合加载饱水煤样能量耗散特征煤炭学报(2022年5期)2022-06-03不同蠕变作用声发射特征及对煤岩力学性能试验研究低温建筑技术(2022年3期)2022-04-20做人要有气量，交友要有雅量新传奇(2020年40期)2020-10-23MATLAB GUI在表征煤层气解吸行为过程的应用软件(2020年3期)2020-04-20气量可以学习吗意林·全彩Color(2019年8期)2019-11-13王旦的气量小天使·五年级语数英综合(2019年6期)2019-06-27新形势下煤层气地质特点与勘探开发战略科技与创新(2018年15期)2018-11-30