煤层含气量测定方法课件

煤层含气量测定方法及影响因素唐书恒

中国地质大学（北京）煤层含气量测定方法及影响因素唐书恒

中国地质大学（北京）1（一）美国矿业局（USBM）的直接法

1、逸散气量

指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然气量。逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气体含量。2、解吸气量指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下，自然脱出的煤层气量。终止于一周内平均解吸气量小于10ml/d或在一周内每克样品的解吸量平均小于0.05ml/d。

一、煤层含气量测定方法（一）美国矿业局（USBM）的直接法1、逸散气量一、煤层含23、残留气量指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量。

二、中国的解吸法1、损失气量（V1）

2、现场2h解吸量（V2）3、真空加热脱气量（V3）4、粉碎脱气量（V4）二者的差异：解吸时间、温度、阶段

一、煤层含气量测定方法3、残留气量二、中国的解吸法1、损失气量（V1）一、煤层含3直接法测定的含气量散失气量

解吸气量

残余气量

即损失气量，指煤心快速取出，现场直接装入解吸罐之前释放出的气量。这部分气体无法计量，必须根据散失时间的长短及实测解吸气量的变化速率进行推算。

指煤心装入解吸罐之后解吸出的气体总量。实验过程中需要求出气量随时间的变化规律，结合一些基础数据计算解吸气量。解吸过程一般延续两周至四个月，根据解吸气量的大小而定。一般在一周内平均解吸速度小于10cm3/d时可终止解吸。

指终止解吸后仍留在煤中的那部分气体。需将煤样装入球磨罐中密封，破碎后，放入恒温装置中，待恢复到储层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸，直至连续7天解吸的气体量平均小于或等于10cm3/d，测定其残余气量。一、煤层含气量测定方法直接法测定的含气量散失气量解吸气量残余气量即损失气量，4损失气量计算方法的影响

不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其它外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素5损失气量计算方法的影响目前计算煤层含气量测试过程中采样损失量的方法包括：法、幂函数法、负指数函数法等，其中法是最常用的计算方法。二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响目前计算煤层含气量测试过程中采样损失量6式中：V——煤样自暴露开始时起一定时间段内煤层气解吸量，mL；a，b——待定常数，它可以根据装罐煤样在解吸初期的解吸煤层气量与时间平方根，大致呈直线关系的各测定坐标，用最小二乘法求出；t1——装罐前煤样暴露解吸煤层气时间，min；t2——装罐后煤样解吸煤层气时间，min。（1）法

它是半经验计算方法，根据煤样在解吸初期，解吸煤层气量V0与的线性关系，求取煤层气损失量，即：V=a+b

二、煤层含气量测定影响因素式中：（1）法它是半经验计算方法，根据煤样在解吸初7负指数函数法是我国科研人员在采集钻孔煤屑测试煤层气含量时常用的计算损失量的方法，该方法认为钻孔煤屑解吸煤层气速率与解吸时间之间为负指数函数关系。即：式中r——解吸时间为t1时的煤层气解吸速率，mL/s；r0——解吸时间开始(t=0)时刻煤的煤层气解吸速率，mL/s；k——常数。从t0到t1时间间隔内损失煤层气量为：

（2）负指数函数法

二、煤层含气量测定影响因素负指数函数法是我国科研人员在采集钻孔煤屑测试煤层气含量时常用8对于这两种方法，虽然法是最为常用的，但对于构造煤，采用负指数函数法计算损失气量，误差更小。二、煤层含气量测定影响因素对于这两种方法，虽然法是最为常用的，但对于9损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素10（1）不同结构煤样暴露时间与解吸量的关系两种结构类型煤样用法计算的煤层气解吸量值都有随煤样暴露时间增大而变小的趋势。

用法计算煤层气含量时，应尽量缩短煤样暴露时间。尤其在测定构造煤的煤层气含量时，更应设法减少煤样暴露时间，否则会造成比较大的误差

二、煤层含气量测定影响因素（1）不同结构煤样暴露时间与解吸量的关系两种结构类型煤样用11（2）不同结构类型煤样采用不同解吸时间段对计算损失量的影响

不同结构类型煤样，采用不同的解吸时间段计算煤层气损失量，有不同结果。对于煤层气解吸速率快的煤样，在计算损失量时采用的解吸时间段应该短一些；而对于煤层气解吸速率慢的煤样，在计算损失量时解吸时间段可以适当取长一些。

原生结构煤解吸时间段/s2160180015001200900600300240原生结构煤瓦斯损失量/mL72.3183.6990.3194.68101.35114.43119.65124.56构造煤解吸时间/s618.5558.5498.5438.5378.5318.5258.5198.5构造煤瓦斯损失量/mL14.7233.6355.1380.609112.16148.69194.69247.79表2不同结构类型煤样采用不同解吸时间段计算的瓦斯损失量二、煤层含气量测定影响因素（2）不同结构类型煤样采用不同解吸时间段对计算损失量的影响12（3）不同损失量计算方法下的数据对比不同计算方法下构造煤煤样煤层气解吸速率变化曲线对于煤层气初期解吸速率较快的构造煤煤样，采用负指数函数法计算煤样损失量，比采用法计算煤样损失量的结果更符合实际情况二、煤层含气量测定影响因素（3）不同损失量计算方法下的数据对比不同计算方法下构造煤煤样13损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素14测试样品的选择（1）对自然解吸量的影响煤心、煤屑样品解吸速率对比图

统计发现，煤心样品的解吸持续时间是煤屑样品的2～5倍，总气含量煤心样品为煤屑样品的1.5～3倍，吸附时间煤心样品为煤屑样品的2～15倍。粒度大的块状样品，煤体暴露的比表面积小，气体扩散、运移的路径相对长，气体克服扩散阻力大，采样时逸散气量小，装罐后解吸气量大，解吸结束束缚在煤中的气量大，磨后残余气量也大。

二、煤层含气量测定影响因素测试样品的选择（1）对自然解吸量的影响煤心、煤屑样品解吸速率15测试样品的选择（2）对损失气量计算的影响煤心样品：在清水钻进时，岩心管提至井深一半处的时间为零时间，假设此时气体压力大于储层压力开始解吸。从零时间到样品装罐密封的时间为损失气时间。煤屑样品：如为清水钻进，停钻后开泵循环至煤屑到筛时间的1/4为零时间，零时间与到筛时间的和为损失气时间。大量测试表明，同一煤层的煤屑样品损失气量大约是煤心样品的2～3倍。二、煤层含气量测定影响因素测试样品的选择（2）对损失气量计算的影响煤心样品：在清水16损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素17散失时间的影响

把含气量测定数据与吸附等温线结合可计算临界解吸压力，并换算到取心起钻时气体开始解吸的深度，作为散失时间的计时起点来计算散失气，这样做更为科学。煤层号15号深度（m）630VL（ml/g）25.94PL(MPa)2.35实测含气量Vme（ml/g）11.37实测储层压力（Mpa）3.82施工时液柱压力P液（Mpa）6.24临界解吸压力Pcd（MPa）2.50山西长子县15-2号煤芯样品等温吸附数据二、煤层含气量测定影响因素散失时间的影响把含气量测定数据与吸附等温线结合可1815-2煤芯样品提钻时间：120min装样暴露时间：5min散失时间：65min根据临界解吸压力求得气体在H=252.57m处开始解吸，进而校正损失时间为53.11min损失量：2378.1ml损失量：1963.5ml15-2煤芯样品根据临界解吸压力求得损失量：2378.1ml19损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响

球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素20温度、压力的影响气体解吸量是温度、压力、时间的函数。采样时周围环境温度、压力变化使得解吸气体积膨胀或收缩；样品本身的温度、压力的变化决定着气体从煤基质的扩散速率及通过微孔、裂隙的解吸速率。

Mavor等人研究表明，将两个组成和煤级相似的样品分别在接近储层温度和低于储层温度下自然解吸，发现低于储层温度的样品损失气低估57%，气含量低估29%，吸附时间缩短了3倍多。二、煤层含气量测定影响因素温度、压力的影响气体解吸量是温度、压力、时间的函数。采样时周21温度、压力的影响随温度升高，解吸速率加快；反之，解吸速度降低。由于季节及昼夜温差的变化会影响解吸速率，给实验结果带来误差。即使样品罐恒温解吸，但煤心从地层到地面再移入恒温池的过程中，温度变化也会影响解吸速率。所以应尽量消除温差变化对解吸的影响，实测解吸气时，应将解吸样品罐放置于恒温池中，温度应接近地层温度。实际解吸过程中，储层温度和压力高的煤层，气体扩散、解吸速率也高。需要记录环境温度和压力数据，将实测的解吸数据校正到标准条件下才可使用。二、煤层含气量测定影响因素温度、压力的影响随温度升高，解吸速率加快；反之，解吸速度降低22损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素23球磨时间的影响测试时，恒定的球磨时间是实验结果可比的前提条件。一般华北石炭二叠纪低中煤级煤球磨2h，样品的大部分可达到60目以下，高煤级煤或硬度较大的煤，则需要4h或更长的时间才可达到该效果。对不同时代、不同地区煤样，球磨时间的再探索是必要的，可考虑它们的岩石学组成、变质作用类型等地质因素。二、煤层含气量测定影响因素球磨时间的影响测试时，恒定的球磨时间是实验结果可比的前提条件24损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素25其他外在影响因素（1）提钻速度

一般来说，逸散量随提钻速度增大而减小。经拟合，逸散量和提钻速度满足如下关系：式中：QL为逸散量，cm3/g，A，B为煤层特征系数，不同煤层煤样具有不同的A，B值，但此处B值越大提钻速度对逸散量的影响也越大。二、煤层含气量测定影响因素其他外在影响因素（1）提钻速度一般来说，逸散量26其他外在影响因素（1）提钻速度

以前的研究认为：提钻速度快，煤芯煤层气逸散时间缩短，逸散量就会降低。这种观点不是很全面的。

某样品1～3mm子样模拟提钻速度与逸散量关系

提高提钻速度，是减小了逸散时间，但最终的压降是相同的。构造煤扩散系数较大，压降造成的煤层气解吸量可能是相似的，并没有因提钻速度的变化而有效变化。二、煤层含气量测定影响因素其他外在影响因素（1）提钻速度以前的研究认为：27其他外在影响因素（2）钻井液密度

提高钻井液的密度，可以在一定程度上减小逸散量的损失。在极限条件下，如果有一种介质密度足够大，那么可以保证煤样在临近地表时才开始解吸。二、煤层含气量测定影响因素其他外在影响因素（2）钻井液密度提高钻井液的密28模拟地层条件设法减少散失气量完善损失气计算方法最优化其他外在因素提高残余气量的准确性措施减少暴露时间，区分性选择不同解吸时间段，采用煤心样品。储层温度条件根据结构类型选择计算方法球磨法（时间要求）提钻速度适中，钻井液密度二、煤层含气量测定影响因素测定方法的改进建议模拟地层条件设法减少散失气量完善损失气计算方法最优化其他外在29谢谢各位专家，

请提出宝贵意见！谢谢各位专家，

请提出宝贵意见！30煤层含气量测定方法及影响因素唐书恒

中国地质大学（北京）煤层含气量测定方法及影响因素唐书恒

中国地质大学（北京）31（一）美国矿业局（USBM）的直接法

1、逸散气量

指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然气量。逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气体含量。2、解吸气量指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下，自然脱出的煤层气量。终止于一周内平均解吸气量小于10ml/d或在一周内每克样品的解吸量平均小于0.05ml/d。

一、煤层含气量测定方法（一）美国矿业局（USBM）的直接法1、逸散气量一、煤层含323、残留气量指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量。

二、中国的解吸法1、损失气量（V1）

2、现场2h解吸量（V2）3、真空加热脱气量（V3）4、粉碎脱气量（V4）二者的差异：解吸时间、温度、阶段

一、煤层含气量测定方法3、残留气量二、中国的解吸法1、损失气量（V1）一、煤层含33直接法测定的含气量散失气量

解吸气量

残余气量

即损失气量，指煤心快速取出，现场直接装入解吸罐之前释放出的气量。这部分气体无法计量，必须根据散失时间的长短及实测解吸气量的变化速率进行推算。

指煤心装入解吸罐之后解吸出的气体总量。实验过程中需要求出气量随时间的变化规律，结合一些基础数据计算解吸气量。解吸过程一般延续两周至四个月，根据解吸气量的大小而定。一般在一周内平均解吸速度小于10cm3/d时可终止解吸。

指终止解吸后仍留在煤中的那部分气体。需将煤样装入球磨罐中密封，破碎后，放入恒温装置中，待恢复到储层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸，直至连续7天解吸的气体量平均小于或等于10cm3/d，测定其残余气量。一、煤层含气量测定方法直接法测定的含气量散失气量解吸气量残余气量即损失气量，34损失气量计算方法的影响

不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其它外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素35损失气量计算方法的影响目前计算煤层含气量测试过程中采样损失量的方法包括：法、幂函数法、负指数函数法等，其中法是最常用的计算方法。二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响目前计算煤层含气量测试过程中采样损失量36式中：V——煤样自暴露开始时起一定时间段内煤层气解吸量，mL；a，b——待定常数，它可以根据装罐煤样在解吸初期的解吸煤层气量与时间平方根，大致呈直线关系的各测定坐标，用最小二乘法求出；t1——装罐前煤样暴露解吸煤层气时间，min；t2——装罐后煤样解吸煤层气时间，min。（1）法

它是半经验计算方法，根据煤样在解吸初期，解吸煤层气量V0与的线性关系，求取煤层气损失量，即：V=a+b

二、煤层含气量测定影响因素式中：（1）法它是半经验计算方法，根据煤样在解吸初37负指数函数法是我国科研人员在采集钻孔煤屑测试煤层气含量时常用的计算损失量的方法，该方法认为钻孔煤屑解吸煤层气速率与解吸时间之间为负指数函数关系。即：式中r——解吸时间为t1时的煤层气解吸速率，mL/s；r0——解吸时间开始(t=0)时刻煤的煤层气解吸速率，mL/s；k——常数。从t0到t1时间间隔内损失煤层气量为：

（2）负指数函数法

二、煤层含气量测定影响因素负指数函数法是我国科研人员在采集钻孔煤屑测试煤层气含量时常用38对于这两种方法，虽然法是最为常用的，但对于构造煤，采用负指数函数法计算损失气量，误差更小。二、煤层含气量测定影响因素对于这两种方法，虽然法是最为常用的，但对于39损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素40（1）不同结构煤样暴露时间与解吸量的关系两种结构类型煤样用法计算的煤层气解吸量值都有随煤样暴露时间增大而变小的趋势。

用法计算煤层气含量时，应尽量缩短煤样暴露时间。尤其在测定构造煤的煤层气含量时，更应设法减少煤样暴露时间，否则会造成比较大的误差

二、煤层含气量测定影响因素（1）不同结构煤样暴露时间与解吸量的关系两种结构类型煤样用41（2）不同结构类型煤样采用不同解吸时间段对计算损失量的影响

不同结构类型煤样，采用不同的解吸时间段计算煤层气损失量，有不同结果。对于煤层气解吸速率快的煤样，在计算损失量时采用的解吸时间段应该短一些；而对于煤层气解吸速率慢的煤样，在计算损失量时解吸时间段可以适当取长一些。

原生结构煤解吸时间段/s2160180015001200900600300240原生结构煤瓦斯损失量/mL72.3183.6990.3194.68101.35114.43119.65124.56构造煤解吸时间/s618.5558.5498.5438.5378.5318.5258.5198.5构造煤瓦斯损失量/mL14.7233.6355.1380.609112.16148.69194.69247.79表2不同结构类型煤样采用不同解吸时间段计算的瓦斯损失量二、煤层含气量测定影响因素（2）不同结构类型煤样采用不同解吸时间段对计算损失量的影响42（3）不同损失量计算方法下的数据对比不同计算方法下构造煤煤样煤层气解吸速率变化曲线对于煤层气初期解吸速率较快的构造煤煤样，采用负指数函数法计算煤样损失量，比采用法计算煤样损失量的结果更符合实际情况二、煤层含气量测定影响因素（3）不同损失量计算方法下的数据对比不同计算方法下构造煤煤样43损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素44测试样品的选择（1）对自然解吸量的影响煤心、煤屑样品解吸速率对比图

统计发现，煤心样品的解吸持续时间是煤屑样品的2～5倍，总气含量煤心样品为煤屑样品的1.5～3倍，吸附时间煤心样品为煤屑样品的2～15倍。粒度大的块状样品，煤体暴露的比表面积小，气体扩散、运移的路径相对长，气体克服扩散阻力大，采样时逸散气量小，装罐后解吸气量大，解吸结束束缚在煤中的气量大，磨后残余气量也大。

二、煤层含气量测定影响因素测试样品的选择（1）对自然解吸量的影响煤心、煤屑样品解吸速率45测试样品的选择（2）对损失气量计算的影响煤心样品：在清水钻进时，岩心管提至井深一半处的时间为零时间，假设此时气体压力大于储层压力开始解吸。从零时间到样品装罐密封的时间为损失气时间。煤屑样品：如为清水钻进，停钻后开泵循环至煤屑到筛时间的1/4为零时间，零时间与到筛时间的和为损失气时间。大量测试表明，同一煤层的煤屑样品损失气量大约是煤心样品的2～3倍。二、煤层含气量测定影响因素测试样品的选择（2）对损失气量计算的影响煤心样品：在清水46损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素47散失时间的影响

把含气量测定数据与吸附等温线结合可计算临界解吸压力，并换算到取心起钻时气体开始解吸的深度，作为散失时间的计时起点来计算散失气，这样做更为科学。煤层号15号深度（m）630VL（ml/g）25.94PL(MPa)2.35实测含气量Vme（ml/g）11.37实测储层压力（Mpa）3.82施工时液柱压力P液（Mpa）6.24临界解吸压力Pcd（MPa）2.50山西长子县15-2号煤芯样品等温吸附数据二、煤层含气量测定影响因素散失时间的影响把含气量测定数据与吸附等温线结合可4815-2煤芯样品提钻时间：120min装样暴露时间：5min散失时间：65min根据临界解吸压力求得气体在H=252.57m处开始解吸，进而校正损失时间为53.11min损失量：2378.1ml损失量：1963.5ml15-2煤芯样品根据临界解吸压力求得损失量：2378.1ml49损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响

球磨时间的影响其他外在影响因素

二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响二、煤层含气量测定影响因素50温度、压力的影响气体解吸量是温度、压力、时间的函数。采样时周围环境温度、压力变化使得解吸气体积膨胀或收缩；样品本身的温度、压力的变化决定着气体从煤基质的扩散速率及通过微孔、裂隙的解吸速率。

Mavor等人研究表明，将两个组成和煤级相似的样品分别在接近储层温度和低于储层温度下自然解吸，发现低于储层温度的样品损失气低估57%，气含量低估29%，吸附时间缩短了3倍多。二、煤层含气量测定影响因素温度、压力的影响气体解吸量是温度、压力、时间的函数。采样时周51温度、压力的影响随温度升高，解吸速率加快；反之，解吸速度降低。由于季节及昼夜温差的变化会影响解吸速率，给实验结果带来误差。即使样品罐恒温解吸，但煤心从地层到地面再移入恒温池的过程中，温度变化也会影响解吸速率。所以应尽量消除温差变化对解吸的影响，实测解吸气时，应将解吸样品罐放置于恒温池中，温度应接近地层温度。实际解吸过程中，储层温度和压力高的煤层，气体扩散、解吸速率也高。需要记录环境温度和压力数据，将实测的解吸数据校正到标准条件下才可使用。二、煤层含气量测定影响因素温度、压力的影响随温度升高，解吸速率加快；反之，解吸速度降低52损失气量计算方法的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响散失时间的影响温度、压力影响球磨时间