煤层透气性系数测定方法应用探讨_彭齐中

1、煤层透气性系数测定方法应用探讨彭齐中(神火集团薛湖煤矿,河南 476600摘 要:和煤层瓦斯压力一样,煤层透气性系数也是很重要的煤层瓦斯基本参数。目前而言,煤层透气性系数的测定主要采用中国矿大提出的建立在煤层钻孔瓦斯流动属于径向不稳定流动基础上的方法。本文利用薛湖煤矿2303风巷测压钻孔对二2煤煤层透气性系数进行了测定,对径向不稳定法测定煤层透气性系数的应用进行了较深入的探讨。本次测定煤层透气性系数结果为K =1114386m 2/(MPa 2#d。通过本次应用探讨,结合永夏矿区煤层赋存特点,为径向不稳定法测定透气性系数在永夏矿区的推广和应用奠定了良好的基础。关键词:径向不稳定流动 瓦斯流量

2、测压孔 透气性系数Permeability Coefficient of Coal SeamPeng Qizhong(Xiehe Coal Mine,Shenhuo Group,Henan 476600Abstract:Same as the gas pressure of coal seam,the permeability c oefficient is also an important basic CB M parameter.C urrently,we mainly adopt the method proposed by China University of Mining Tec

3、hnology for de -termination of permeability coefficient of coal seam,which is based on the concept that gas flow in a borehole drilled in coal seam belongs to radial unstable flow.The paper makes a further to -the -depth discussion on the application of the permeability coefficient of No2-2seam obta

4、ined from a pressure measure ment borehole in No 12303airway in Xuehu Coal Mine.The seam permeability coefficient measured is K =1114386m2/(MPa21d.Taking into consideration of the seam occurrence character in Yongxia mine area this has laid a good foundation for spreading and application of the radi

5、al unstable flo w method for measurement of permeabil-i ty coefficient in Yongxia mine area.Keywords:Radial unstable flow;gas flow quantity;pressure tap;permeability coefficient 薛湖矿是神火煤电股份有限公司所属的矿井,设计生产能力为120万t/a 。该矿井南临陈四楼煤矿和城郊煤矿,为全覆盖式煤田。矿井水文地质条件简单,煤层不易自燃,煤尘有爆炸性。地勘资料表明,靠近南部井田边界处,由于靠近煤层露头,瓦斯释放较为充分,在-

6、600m 以浅为瓦斯风化带,-700m 以深瓦斯含量一般大于10ml/g,为高瓦斯带,二2煤层瓦斯含量最大达19171ml/g,为高瓦斯矿井。随着矿井的开采深度进入600m 以深,煤层埋深的增加使矿井地应力和瓦斯压力增大、瓦斯含量增高,需要采取预抽煤层瓦斯的防突措施以保证矿作者简介 彭齐中,现就职于河南神火集团薛湖煤矿,主要从事瓦斯治理方面工作。第9卷第3期 中国煤层气Vol 19NO 132012年6月 C HINA COALBED METHANEJune 12012井的安全生产和采掘工作面的顺利接替。因此有必要对煤层透气性系数进行及时的测定和考察,为瓦斯防治提供准确和必要的依据。煤层透气性

7、系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志,测定煤层透气性系数与测定瓦斯压力、流量一样,都是很重要的。本次测定煤层透气性系数采用了中国矿大提出的,建立在煤层钻孔瓦斯流动属于径向不稳定流动的基础上的一种方法。利用径向不稳定流动法测定煤层透气性系数有以下几个基本假设条件:(1在钻孔瓦斯流动范围内,煤层均质且各向同性。(2钻孔垂直煤层(至少偏斜角不超过30b贯穿煤层,在瓦斯流动场内厚度不变。(3煤层顶底板不漏气且不含有瓦斯。(4打开钻孔之前,钻孔内瓦斯压力为原始瓦斯压力,打开后则始终保持大气压力。(5瓦斯在煤层中的流动为等温过程,且温度等于煤层温度。(6瓦斯在煤层中的流动符合达西定律。1测定步骤和过程(1施工

8、钻孔从2303风巷预定位置向煤层打钻,孔径没有限制,本次测定压力孔孔径为94mm。测定透气性系数要求测压钻孔与煤层的夹角尽量接近90b,本次测压孔与煤层夹角为80b,与煤层的偏斜角远小于30b的基本假设条件。记录有钻孔的方位角、倾角和钻孔穿煤长度。同时记录了钻孔见煤和煤止的时间(年、月、日、时、分,并取两个时间点的平均值作为钻孔开始排放瓦斯时间的起点。(2封孔本次封孔做到了严密不漏气,岩孔封孔长度为20m。测定煤层透气性系数要求测压导管直径不应太小,可使用内径大于10mm的钢管,以保证测定流量时不致产生过大的压力损失。本次测压导管采用了内径为15mm的四分铁管,完全符合要求。(3测定流量压力表

9、读数稳定后卸下压力表大量排放瓦斯一天,之后测定钻孔累计一天的瓦斯流量。在实际操作中,为了安全卸表和排气,使用了带有排气孔的压力表丝扣逐渐退出压力表接头,使测压导气管与排气孔沟通而控制排气量。为了防止因卸表时大量瓦斯的排出而造成巷道瓦斯浓度超限,实际操作时在压力表接头的排气孔上焊上了一段小管,用胶管将排出的瓦斯引入了瓦斯管路。一般来说,测定流量的仪器,当流量大时可选用小型孔板流量计或浮子流量计;而流量小时可选用015m3/h的湿式气体流量计(煤气表,也可以用排水集气法测定气体流量。本次流量的测定采用了015m3/h的湿式气体流量计(煤气表来测定,最小流量达到014L/min时就可带动煤气表。上压

10、力表之前测定的流量也可以用来计算煤层透气性系数。2透气性系数计算在钻孔瓦斯流动属于径向不稳定流动的条件下,求出其流动方程的解析解是困难的。中国矿业大学在实验室用相似模型试验的方法进行试验,并以相似准数表达了试验的结果。径向不稳定流动的计算公式为:Y=aF b0式中:Y流量准数,无因次;F0时间准数,无因次;a,b无因次系数。其中:Y=qr1K(P20-P21F0=4K P115tar21式中:P0煤层原始绝对瓦斯压力(表压力加011,MPa;P1钻孔中的瓦斯压力,一般为011MPa;K煤层透气性系数,m2/(MPa2#d;r1钻孔半径,m;q在排放时间为t时、钻孔煤壁单位面积的瓦斯流量,m3/

11、(m2#d;q=Q2P r1LQ在时间为t时测出的钻孔流量,m3/d;L钻孔见煤长度,一般为煤层厚度,m;t从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量的时间,d;28中国煤层气第3期a煤层瓦斯含量系数,m3/(m2(MPa015; a=X/PX煤的瓦斯含量,m3/t;P确定煤瓦斯含量时的瓦斯压力,MPa。Y=AK F0=B K其中:A=qr1P20-P21B=4P1150tar21由于流量准数与时间准数的关系难以用简单的公式表达,故按时间准数F0分段表示,得出以下专门计算透气件系数的公式:F0=10-21K=A1161B0161F0=110K=A1139B01391F0=10102K=111A1125B01

12、25F0=102103K=1183A1114B01137F0=103105K=211A1111B01111F0=105107K=3114A1107B0107表1时间准数和系数关系表时间准数F0=B K系数a系数b 010111-013811011-01281011020193-012010210301588-011210310501512-011010510701344-01065由于计算透气性系数公式式子较多,须采用试算法来确定选取的计算式。即先选用其中任一个式子计算出K值,然后将算出的K值代入公式,校验F0是否在选用公式的适用范围内。如在试用范围,则选式正确,算出的K值即为煤层透气性系数;

13、如不在适用范围,则需重新选公式计算K值,更新校验F0值是否在选用公式的适用范围内。一般t<1d时先用F0=110的公式;t>10d,可先用F0=102>103公式进行试算。时间准数F0和系数a、b值之间的关系如表1所示。3计算透气性系数311透气性系数计算所需参数本次煤层透气性系数测定和计算所需参数如表2所示。表2透气性计算所需参数汇总表参数类型参数数值大小钻孔终孔孔径(mm58测压孔孔深(m2218钻孔穿煤长度(m315煤层平均厚度(m310上表前一天的累计流量(m3121584钻孔卸压到测定瓦斯流量的间隔时间(d01375所测煤层瓦斯压力(MPa1116测压钻孔方位角(b

14、右58测压钻孔倾角(b80本次采用封孔后上压力表之前所测流量值来计算煤层透气性系数。由于排放时间比较短,钻孔煤孔长度取钻孔实际穿煤长度,而不取煤层厚度。312计算过程(1由上表可知t=01375d,P1=011MPa,r1= 01058m。由公式计算:X=a*p015y1017411=a* 1116015=a*11077y a=919732m3/(m2(MPa015。(3再选用F0属于110公式K=A1139*B01391 =0100148*915626=1114386。代入校验公式:F0 =B K y F0=415573,大小在F0属于110的范围内,公式适用,结果正确。4测定说明(1由于卸

15、表大量排瓦斯一天后所测瓦斯流量极小,本次煤层透气性系数的测定实际上是采用封孔后上压力表之前测得的流量来计算。该钻孔从开始排放瓦斯到测定流量的中间间隔时间很短,钻孔瓦斯流量场的范围还比较小。理论和现场都证明,当钻孔排放瓦斯的时间较短时,由于钻孔与煤层之间不垂直或者由于钻孔成孔质量不好会导致卸压区的存在,影响测定结果的准确性和代表性;随着钻(下转第15页29第3期煤层透气性系数测定方法应用探讨不一样。利用钻具带动翼片旋转刮削井壁达到扩大井径的目的。泵压减除后,翼片在弹簧作用下收回体内。313循环介质煤层本身由于孔隙裂隙割理比较发育,且煤储层一般是低压储层,具有应力敏感性,容易吸附外来大分子等特征,

16、这就决定了煤层气井采用裸眼完井,必须选择低伤害或无伤害的钻井循环介质。目前,大多数煤层气钻井使用KCL清水溶液。织试1井采用3%KCL水溶液作为扩孔循环介质。同时根据煤层水呈碱性的特征,在加入KCL之前,用NaOH或Na2C O3调整水的PH值到910,最大限度的保护好煤储层。314扩孔工艺31411扩孔方案采用水力或液压式扩孔工具,从井深269100m 开始扩孔,主要对煤层进行扩孔,直至井深486100m,扩孔段扩孔直径不小于350mm。31412钻具组合扩孔钻具组合为:导向钻具/钻头+扩孔器+ SUB短接+钻铤+钻杆。导向钻具或钻头的作用主要是用来引导扩孔器。若使用钻头,应使用略小于标准尺

17、寸的钻头,以降低扩孔过程中的额外扭矩;扩孔器采用液压式井下扩孔器,该扩孔器本体直径为5175d (146105mm,可将井眼直径扩至14d(35516mm; SUB为变径短接,主要是使钻铤与扩孔器之间成功连接。31413扩孔作业扩孔作业前配制2%3%KCl盐水泥浆,然后组合扩孔钻具:PDC钻头(未装水眼+扩孔器+钻铤+钻杆,下钻至井底。用2%3%KCl盐水循环清洗井筒,并把所替换出的井筒内的泥浆导入泥浆池。将钻头上提至井深269100m,开始扩孔。根据所用工具类型和井下实际情况确定合理的钻压、转速、排量、扭矩等作业参数,出现异常情况及时采取处理措施。对扩孔返出的煤/岩屑进行收集、标记。扩孔结束

18、后,上提扩孔钻具组合,下入常规钻具循环洗井,清理扩孔煤屑。4完井管串扩孔施工作业完毕后采用井口悬挂完井管串的方式完井。管串结构(由下至上为:引鞋+筛管管串(485268m+17718mm8105mmJ55套管串+套管悬挂器。筛管直径为17718mm,孔型为圆孔,孔密为每米60孔,孔径1/2d。完井管串下到预定位置后,井口接联顶节,开泵循环洗井2周,采用清水作为循环介质。5结论织试1井于11月30日完井管串下至预定位置后顺利完井,目前正在进行排采。该井织金区块第一口采用多煤层扩孔筛管完井的煤层气井,从工程工艺的角度来看,多煤层扩孔筛管完井工艺不仅能够满足该区块地质要求,而且丰富了煤层气井的勘探开发手段。但从地质的角度来看,该完井方式是否适应该区块的煤层特点,还有待进一步的验证。参考文献1孙建平1煤层气井钻井液特点的探讨J1中国煤田地质,2003,15(4:6162,711(责任编辑刘馨(上接第29页孔排放时间的增大,瓦斯流动场的范围也会相应的增大,而随着瓦斯流量场的扩大会大大消除上述不利因素的影响,提高透气性系数测定的准确性。由于本次测定中钻孔