煤層氣含量測試工藝技術進展概述

奚 相

中石化石油物探技術研究院

煤炭是我國的主要能源之一，在一次能源的消耗中基本占到75%左右，我國不但是煤炭的消費大國，也是煤炭的生產強國，據國家統計局統計，2013年，我國煤炭總產量達到36.8 億t，較2012年增長了0.8%，較之十年前的16 億t 更是不能同日而語。而瓦斯，俗稱煤層氣，主要成分為甲烷，則是伴生于煤炭礦藏的另一種重要的潔凈新能源，它以吸附態自生自儲于煤層之中。隨著煤礦總產量的提高，煤層氣的探測儲量也在日益增加，因此如何有效的開發利用煤層氣成為了研究者們關注的問題。開發、開采、利用煤層氣，不但可以改善我國目前一次能源結構，還可以較大程度的改善我國的溫室氣體大量排放的問題，并且可以獲得較大的經濟利益。和高產出相對應，我國也是世界上煤礦相關事故最為嚴重的國家之一。2013年我國共發生煤礦安全事故604 起，死亡人數達到了1067 人，其中瓦斯爆炸事故基本占到事故總數的20%，死忙人數的50%。雖然近年來我國采用了各種先進手段去控制煤礦、瓦斯事故，我國百萬噸死亡率仍然是先進國家的20～40倍。因此，如何有效的監測治理煤礦中存在的大量瓦斯一直是我國煤炭安全生產的重中之重。

若想有效的開展該項工作，則需要準確的檢測出礦井中瓦斯的涌出量以及瓦斯的相關化學性質，這就要求我們建立起一套科學完備的煤層氣檢測工藝，對煤層氣的解吸附機理有著透徹的了解。目前對于這一機理的研究，由于我國地質環境特殊復雜，煤儲層的滲透性無法準確評價，特別是對于高應力、低滲透的儲層研究還處于起步階段，理論無法指導實際生產。但是隨著科技的發展，煤層氣測試工藝也在逐漸進步，下面我們就簡單綜述一下煤層氣測試工藝的發展歷程以及最新進展。

1 測試方法進展

我國煤層氣測試大概經歷了三個階段，分別為真空罐法，集氣法以及解析法。

真空罐法

人們對煤層氣測試方法的探索始于20 世紀30年代，最早使用的方法是真空罐法，也就是封閉容器法。測試方法如下：從礦井或者地勘鉆井中采取新鮮的待測煤礦樣，放進一個大小適宜的全封閉容器中，送入實驗室抽真空，在真空條件下對容器進行加熱，使煤礦中的煤層氣，再進行進一步的分析測定。這種技術成熟于20 世紀50年代，并得到了廣泛的應用。真空管法整體結構簡單，需要的裝置價格低廉，使用起來較為方便。由于在采樣過程中存在一個瓦斯的損失量，因此在得到測定結果后，需要予以矯正。但是由于煤礦種類不同，損失時間的不同，在不同采樣過程中損失的瓦斯量差別較為懸殊，因此造成了真空罐法的測試結果難以得到準確的校正的問題。因此，真空罐法沒有多久就被集氣法所取代。

集氣法

在20 世紀50年代中期，隨著先進地質勘探儀器的出現，如集氣式礦壓采取器，冷凍式礦巖采取器，封閉式礦巖采集器，集氣法這種測試方法得到了廣泛應用。最早采用的集氣法以封閉式礦巖采集器，先在待測礦巖上方打鉆孔，然后將采取器深入到鉆孔中，采取待測的煤芯。采集器上下端分別有兩個活門以及一些附屬結構，利用這些結構將采集出來的煤芯封閉到采集器中的煤芯管中，而后將整體煤芯管提取到孔口，保持密封狀態，在實驗室中采用真空脫氣的方法將附著在其中的煤層氣脫出，進而進行測試法分析。

但是封閉式礦巖采集器價格高昂，結構復雜，在實際生產中難以推廣使用。而后人們用集氣式礦壓采取器取代了封閉式采集器。這種集氣式礦壓采取器的煤芯提取器非常特殊，其上部安裝有一個小集氣室，配套有閥門，這個集氣室主要用來收集煤芯在開采提升過程中解吸出來的氣體。當集氣式礦壓采取器提取到地面后，只需要卸下這個特殊的煤芯提取器，在密封狀態下送到實驗室進行真空脫氣即可。這種集氣法能夠最大成熟收集在鉆井和提升過程中煤樣品解析出的大部分氣體，誤差較小，測試的值比較準確，接近實際。但是該種方法需要價格較為昂貴的復雜儀器，較為笨重，攜帶不便，并且鉆孔取樣需要一定的技術，造成一定程度上的使用不便。

解吸法

這種方法是在1979年由法國人Bertard 提出的，而后美國礦業局在實際項目使用過程中發現該方法具有獨特的優點，經過一系列的修改和完善，被美國礦業局立為行業標準，稱之為《美國礦業局直接法》。具體方法如下：采用普通的煤芯提取器從待測礦層中提取煤芯，提取出煤芯樣品后，立刻用密封罐將含有煤層氣的煤樣裝入其中，然后利用解析儀來測試整個過程中解吸時間隨著煤層氣解吸量的變化規律，然后根據煤芯樣品暴露在空氣中的時間初步估算出在整個采樣過程中損失的煤層氣量，最后將已經經過解吸過程的煤芯樣品完整的送入到實驗室中，再次煤芯中殘留的瓦斯量。該方法測試出的瓦斯量由三部分組成，即逸散氣量，殘余氣量和解吸氣量，其中自然的瓦斯解析逸散氣量是在煤層溫度下測得，更加準確。這種方法所需的儀器設備簡單，便于攜帶，成功率高，可靠性大并且精度可以達到要求，在美國得到了廣泛的推廣和應用。

在中國，政府組織了相關專家和部門，在上述《美國礦業局直接法》的基礎上進行了改進，1984年正式頒布了我國第一部煤層氣測試標準法規，稱之為國標MT/177-84。后續我國在MT/177-84 的基礎上，又進行了改進，在不同時期頒布了不同的測試法規。1994年我國頒布了國標MT/177-94，縮短了不同井深情況下開采過程中的故障停頓時間以及煤樣品在空氣中的暴露時間。2007年頒布的AQ-1046-2007 進一步縮短暴露時間到8 分鐘，并且規定了不同鉆孔介質下損失氣量時間的確定方法。2008年頒布了GB/T19559-2008 修正了氣體測量的標準狀態以及氣體的采集時間，并且提出來快速測定氣含量的方法。2009年頒布了GT/T2349-2009，修訂了瓦斯解吸速率測定的時間。經過多次修改完善以后，目前我國的煤層氣測試技術已經達到國際先進水平。

2 測試方法優化

測試類型的優化

煤層氣的測試類型主要包括以下兩類，裸眼測試和套管測試。傳統上的測試方法大多采用裸眼測試，它具有對底層損害小，能夠及時獲得煤層資料等優點。但是它的測試結果過于依賴于井眼的質量，探測半徑也比較小，資料很難完全反映全部的真實情況。因此，目前人們采用改良式的套管測試方法，能夠從下到上的進行分層測試，測試時間較長，獲得的資料較為全面。兩種方法相較，套管測試能夠明顯的提高成功率。

測試過程的優化

近年來結合實際的情況，研究表明，在常規工區，通過對作業用液以及注入參數的優化，可以有效的提高測試的準確度，取得較好的效果。由于向煤層中注入作業用液會或多或少的污染煤層，因此需要對注入液的水質加以控制，防治進一步污染，主要是控制酸堿度，和煤層一致以及減少作業用液中的固相物質。其次是要優化注入參數，前期的注入測試過程中的注入量和探測半徑都比較小，資料的診斷曲線不能真實反映流動特性，從而影響分析結果，因此需要改善注入參數，主要通過增加注入作業用液的量以及延長閉井時間。

測試工具的優化

主要包括DST 測試設備的優化以及注入/壓降測試設備優化。DST 優化主要是針對不同的煤層特質來選擇是采用MFE 還是HST 測試工具，其中MFE 保養簡單，結果可靠，成本低廉，成功率高，近年來得到了廣泛的應用。注入/壓降測試設備的優化主要是指根據實際情況對地面設備、井下設備及配套設備三部分的優化，具體包括井口裝置，電子壓力計，測試油管等。另外，對井筒管柱結構的優化也是非常關鍵，采用雙封隔器跨隔測試可以降低井儲集系數，提高測試準確性。

3 小結

隨著科學技術的發展，煤層氣測試技術也在不斷進步，傳統的真空罐法和集氣法已經不能滿足人們的需求，而解吸法通過完善和改進，測試結果已經較為準確，再結合現代測試優化方法，相信將來我們必定能夠更準確的推算煤層氣的性質以及含量。