煤层气含量快速测定方法

1、第38卷第1期煤田地质与勘探Vol. 38 No.1 2010 年 2 月COAL GEOLOGY & EXPLORATIONFeb. 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

2、 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：A DOI: 10.3969/j.iss n.1001-1986.2010.01.007Rapid determ ination of coalbed methane contentPANG Xia ngwei(Xi an Branch, China Coal Research Institute, Xi an 710054, ChinaAbstract: I

3、t is usually required that the gas content determ ined on coal cores is delivered rapidly in the course of coal and coalbed methane (CBM exploration. However, the existi ng method of CBM content determ in ati on is hard to meet the requireme nt. Based on the principle and methodology of CBM natural

4、desorption, on the basis of the result of n atural desorpti on, and un der rema ining the desorbed volume, gas compositi on and its content basically un cha nged, the gas desorpti on rate is sped up reas on ably and effectively by the use of con ti nu ous measuri ng and appropriately rais ing desorp

5、ti on temperature. Taking the determ in ati on an alog betwee n the rapid method and con- yen ti onal n atural desorpti on as a basis, the method of the rapid CBM content determ in ati on is built up. Compara-tively, the applicati on of rapid method will shorte n the determ ining period to several d

6、ays or eve n several hours, which is able to meet the dema nd for coal and CBM explorati on.Key words: CBM content; con ti nu ous measureme nt; desorpti on by rais ing temperature; rapid determ in ati on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/T19559-20082，该标准参照美国矿业局的 直接法” 3制定，也被称之

7、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 (AQ 1046-20074，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

8、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123456对比组o o o o o O5 0 5 0 5 022.1 LO.0的因素，如煤体结构、煤级、煤

9、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8 h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 1 h之内，采用5 min读数间隔和10 min读数 间隔

10、测得的解吸量对比。5组煤样对比结果表明，5 min读数间隔测得的解吸量比 10 min读数间隔多13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。o o o o o o O5 0 5 0 5 0 53 3 2 2 1- 1- O0.00m 5 min日 10 min1234对比细图1 5 min与10 min读数间隔测得的解吸气量对比图Fig. 1 Comparis on of the desorbed volumes measur

11、ed inevery 5 min and 10 min in tervals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1 d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 C者，解吸时间长达200余d（本文的解 吸时间均不含残

12、余气测定时间；煤层温度40 C者，解吸时间为比坐0 C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.2 The relatio nship betwee n coal temperatureand desorption time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2035 C,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

13、 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 。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 C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1 h后，即可将解吸温度提高到50 C,残 余气也在50C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

14、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Table 1 Comparis on of the results measured using rapid method and n atural desorptio n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1 W

15、Y1 27.93H(3 28.70 97.24 + 2 WY2 20.64(5 23.16 87.79 + 3 WY3 32.10(3 30.81 95.98 4 WY4 16.68(2 18.01 92.03 + 5 WY5 18.29(2 19.19 95.11 + 6 WY6 25.90(3 29.40 86.49 + 7 PM1 15.27(1 14.67 96.61- 8 PM2 14.48(1 13.75 94.96 9 PM3 13.43(1 12.52 93.22 10 PM4 19.50(4 22.33 85.49 + 11 PM5 14.76(3 15.43 95.46 +

16、 12 PM6 13.08(1 12.38 94.65 13 PM7 14.40(1 13.68 95.00 14 SM1 15.70(2 14.08 89.68 15 FM1 4.60(6 5.66 76.96 + 16 QM1 3.27(7 3.38 96.64 + 17 QM2 0.50(1 0.51 98.00 + 18 QM3 1.84(3 1.96 93.48 + 19 QM4 3.25(2 3.93 79.08 + 20 CY1 0.28(4 0.27 96.40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。“ +”示快速

17、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(17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%?=X?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，

18、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

19、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CH 4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CH 4含量对比表Table 2 Comparis on of CH4 contents measured usingrapid method and n atural deosrptior对比样组编号气样编号解吸温度厂C扣除空气后CH 4/%QZF-ZJ(323 96.701 WY7 QZF-K

20、J(250 96.554 QZF-ZJ(322 96.011 SM1 QZF- KJ(150 97.812 QZF-ZJ(229 82.780 FM1 QZF-KJ(150 82.271 QZF-ZJ(225 5.634 QM3QZF-KJ(150 5.88632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13 d，中、高煤级煤一般为37 d（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

21、可结束。表3快速测定法与自然解吸法解吸时间对比表Tablel 3 Comparison of desorption time using rapidmethod and natural one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WY 37 37157 12 PM 36 3085 9 SM 26 140161 2 FM 13 5198 3 QM0.54 1666 4 CY 0.33 163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

22、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一一加温解吸法。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0 %，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。参考文献1 张慧，庞湘伟，杨杰，等地面钻孔煤层瓦斯含量测定方法的对比研究C/中国煤炭学会煤田地质专业委员.安全高效煤矿地质保障技术及 应用：中国煤炭学会煤田地质专业委员学术年会文集.北京：煤炭工业出版社，2007: 72-76. 2中华人民共和国国家质量监督检验检疫局.GB/T19559-2008煤层气含量测定

23、方法S.北京：中国标准出版社，2008. 3 MCLENNAN J D, SCHAFER P S, PRATT T J. A guid to deter-mi ning coalbed gas con te ntR. Chicago Gas Research In stitute, 1995.4国家安全生产监督管理总局.AQ 1046-2007地勘时期煤层瓦斯含量测定方法S.北京：煤炭工业出版社，2004.李小彦，王强，杜新 峰，等.我国煤层气成分变化及时空分布特征J.煤田地质与勘探，2002，30 （6： 22-24.（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