煤層氣快速解吸方法研究

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(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

目前，國內外對于煤層氣含量的測定方法主要有兩種：間接方法和直接方法，間接方法有等溫吸附法、測井解釋法、井下解吸系數法等，直接方法包括地勘解吸法、井下解吸法、自然解吸法和加溫解吸法[1]。地勘解吸法、井下解吸法、自然解吸法和加溫解吸法4種方法的測試原理基本一致，但測試流程區別較大，4種方法各有優缺點，相對其他3種方法，自然解吸法的測定結果相對準確、可靠，但是測定周期過長，一般需要1～3個月的時間。臨興區塊解吸試驗結果顯示，解吸時間在60～70 d不等。而煤層氣地質勘探需要在取心后的很短時間內獲得氣含量數據，然后進行其他試驗工作。煤層氣含量作為地層儲量評價的一個重要參數，其測試的準確性對于煤層氣資源量計算、儲層模擬、預測氣井產能、開發靶區優選和井網布置具有重要意義[2]，是決定一個區塊煤層氣資源能否進行商業化勘探開發的先決條件，其測試結果將直接影響到煤層氣田進一步的勘探開發。

由于現行的自然解吸法測定周期長，不能滿足相關需求，因此有必要探索新方法，充分分析影響含氣量測定周期的各個影響因素，進行含氣量快速測定方法的研究，在保證測試數據準確性(自然解吸)的基礎上，降低測試周期，盡快提供煤層氣含量及其他相關數據(等溫吸附試驗、Ro、工業分析、煤巖元素分析、煤巖密度、氣體組分和煤巖力學等)。

1 快速解吸方法簡介

煤層氣快速解吸方法研究的建立是基于自然解吸方法，針對快速解吸方法還研究了一套配套儀器設備，其密閉性好，便于搬運，適合野外作業。經過試驗對比發現，快速解吸法和自然解吸法完全可以并行應用，其測試精度都能滿足勘探階段的需求。本文詳細地介紹了煤層氣快速解吸試驗流程和試驗設備優化改進，通過提高解吸溫度、增加解吸頻率、提前破碎等試驗手段達到快速解吸效果。

每次裝罐的煤樣質量不應少于800 g。并擦干樣品表面泥漿及水分，裝完煤樣后，通過向解吸罐中填充鋼球使罐內空體積小于體積的1/4。樣品裝罐第一次5 min內測定，然后以10 min間隔測滿1h，以15 min間隔測滿1 h……累計測滿8 h后，進入快速解吸階段。

將解吸罐迅速置于儲層溫度的恒溫裝置中，提高解吸溫度。快速解吸前3 h測定時間間隔為10 min，3 h后測定間隔為20 min。快速解吸初期，可視出氣量大小適當縮短測量時間間隔，提高觀測頻率。當快速解吸累計20 h或連續2次平均解吸量小于或等于300 mL時，提前破碎。解吸罐在不用開罐的情況下，直接放在球磨機上破碎10～20 min(保證了氣體不會溢散，提高了測量精度)，并放入恒溫裝置，待恢復儲層溫度后測量氣體逸出量，若兩次破碎后的出氣量平均小于10 mL，解吸結束。

2 快速解吸方法研究

在研究快速解吸試驗方法的過程中發現解吸溫度、觀測頻率、破碎時間對解吸出氣量的快慢有很大的影響。根據這一發現提出了相應的改進措施，利用提高解吸溫度、增加解吸頻率和提前破碎等方式來提高煤層氣解吸速率，縮短解吸氣測定周期。

2.1 提高解吸溫度

根據快速解吸以不改變煤的化學性質為原則，煤級不同，變質溫度不同，解吸溫度不應高于煤的變質溫度[3-5]，所以解吸溫度依據煤級而定。臨興地區煙煤自然解吸時間顯示，煤層溫度小于30 ℃的樣品，自然解吸時間長達180余天；35 ℃以上的煤層樣品自然解吸時間多為55～70 d；煤層溫度大于42 ℃的樣品，自然解吸時間為35～45 d[2](圖1)，可見解吸時間的長短與解吸溫度具有良好的負相關性。因此，可以通過調整解吸試驗溫度縮短測定周期。

圖1 溫度與解吸時間的關系Fig.1 Relationship between temperature and desorption time

2.2 增加解吸頻率

按照《煤層氣含量測定方法》(GB/T 19559—2008)，煤層氣進行自然解吸的時間間隔為樣品裝罐第一次5 min內測定，然后以10 min間隔測得1 h，以15 min間隔測得1 h，以30 min間隔測得1 h，60 min間隔測試一次，以間隔120 min每次測定2次，累計測試8 h，連續解吸8 h后，每天測定1次。

通過大量的解吸數據發現，測量時間間隔越長，出氣量越小；測量間隔越短，出氣量越大。選取臨興地區同一層位、煤體結構和煤巖煤質大體相同的不同煤樣，在解吸8 h后，利用10 min解吸間隔和20 min解吸間隔對煤樣進行解吸2 h[6]，并將測得的解吸量進行對比。研究結果顯示，10 min讀數間隔測得的解吸量比20 min讀數間隔多1～2倍，因此，增加解吸頻率可以大幅度縮短解吸周期(圖2)。

2.3 提前破碎

煤層氣包括解吸氣、殘余氣和損失氣。而煤巖總含氣量相當于解吸氣+殘余氣+損失氣。自然解吸含氣量測定是煤樣在地層取出后迅速裝入解吸罐中進行測量，在解吸終止后進行開罐，把煤樣放入殘余氣罐內進行殘余氣測定，進行總含氣量計算。

圖2 10 min與20 min讀數間隔測得的解吸氣量Fig.2 Desorption gas volume measured at 10 min and 20 min reading intervals

本次采用一種新型設備，解吸罐在不用開罐的情況下直接在破碎機上進行破碎。煤樣從地層取出后選取沒有被泥巖污染且干燥的塊狀煤，迅速裝入罐內后進行測量，根據單次出氣量的多少提前進行破碎。本次選取了破碎要求出氣量值為300 mL、150 mL、80 mL、30 mL進行測試。研究結果顯示，破碎前含氣量與破碎后含氣量相加，得到的總含氣量沒有太大變化，證明了煤樣在后期出氣量僅占總含量的1/10左右，所以沒有必要等到連續7 d平均小于10 mL后再進行殘余氣測定，大幅度地節省解吸時間(表1)。

表1 提前破碎解吸與自然解吸對比Table 1 Contrast of early fragmentation with natural desorption

3 試驗效果對比分析

結果分析表明，新方法進行的快速解吸試驗與自然解吸試驗所得氣含量結果誤差≤15%。煤層自身條件、煤樣采取方式與過程、測定儀器設備、測定操作等因素對氣含量測定結果均有影響[7-8]，對快速測定的準確率也同樣有影響。根據兩種方法的對比試驗結果，證明了快速解吸方法時間短(5～10 d)，且準確性高(表2)。

表2 自然解吸法與快速解吸法含氣量測定結果對比Table 2 Comparison of gas determination results between natural desorption method and rapid desorption method

續表

4 結論

該研究從試驗出發，在無法改變煤層自身因素的條件下進行，對測定方法中的試驗條件和操作方式均進行了適當調整，通過大量試驗數據得出了結論：

(1)適度提高解吸溫度是縮短測定周期合理而有效的途徑；

(2)適度增加解吸頻率，出氣速率要比自然解吸方法快1～2倍；

(3)出氣量達到300 mL時可提前進行破碎，大幅度降低了測試周期；

(4)煤層氣快速解吸方法與自然解吸方法對比結果顯示，快速解吸方法時間短(5～10 d)，且準確性高。