煤層氣含量快速測定方法

1、第38卷第1期煤田地質(zhì)與勘探Vol. 38 No.1 2010 年 2 月COAL GEOLOGY & EXPLORATIONFeb. 2010收稿日期：2009-03-16文章編號:1001-1986(201001-0029-04煤層氣含量快速測定方法龐湘?zhèn)ィ禾靠茖W(xué)研究總院西安研究院,陜西西安710054摘要:煤和煤層氣地質(zhì)勘探需要在取到鉆孔煤心后的很短時間內(nèi)獲得氣含量測 值，而現(xiàn)行的煤層氣含量測定方法難以滿足此要求?；谧匀唤馕ㄔ砗头椒ǎ?以自然解吸法的測定結(jié)果為基準(zhǔn)，在保證解吸量、氣組成及其含量基本不變的前提 下，通過連續(xù)觀測、適當(dāng)提高解吸溫度等途徑，合理、有效地加速解吸。以快速測

2、 定法與自然解吸法的對比試驗結(jié)果為依據(jù)，建立了煤層氣含量快速測定方法。此方 法將煤層氣含量測定周期縮短為幾 h 幾d,可以滿足煤和煤層氣勘探的需求。關(guān) 鍵詞：煤層氣含量；連續(xù)觀測；加溫解吸；快速測定中圖分類號：P618.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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煤層氣含量測定方法已經(jīng)沿革幾十年1，現(xiàn)行的煤層氣含量測定方法標(biāo)準(zhǔn)主 要有2個：其一是國家標(biāo)準(zhǔn)煤層氣含量測定方法(GB/T19559-20082，該標(biāo)準(zhǔn)參照美國礦業(yè)局的 直接法” 3制定，也被稱之

7、為 自然解吸法”，該方法操作簡 便，測值可靠，測定結(jié)果的準(zhǔn)確度是目前公認(rèn)最好的，不足之處是測定周期長，一 般需要幾周或幾個月；其二是安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地勘時期煤層瓦斯含量測定方法 (AQ 1046-20074，該標(biāo)準(zhǔn)在我國煤田地質(zhì)勘探領(lǐng)域使用時間較早，并沿用至今， 習(xí)慣上稱之為地勘法”，該方法測定周期一般為幾d，不足之處是部分儀器設(shè)備 不便于搬運和野外操作，受鉆探工藝和取樣設(shè)備等因素影響，測值偏低。從理論上 講，這兩種方法測得的煤層氣含量值是一致的。煤和煤層氣為共伴生礦產(chǎn)，煤層氣勘探需要在取到煤樣后的數(shù)十h內(nèi)獲得氣含量測值，以便設(shè)計下一步的試井、壓裂、排采等工序；煤炭勘探有關(guān)規(guī)范也要求布置一定數(shù)量的

8、煤層氣參數(shù)井，煤和煤層氣應(yīng)同步勘探，并要求相關(guān)測試與鉆探進(jìn)度 大體同步，以縮短地質(zhì)勘探周期。然而，現(xiàn)行的自然解吸法和地勘法均不能滿足煤 和煤層氣勘探的需求。因此很有必要探索新方法，制定新標(biāo)準(zhǔn)。以自然解吸法測定結(jié)果為基準(zhǔn)，在保證氣含量和氣成分基本不變的前提下，將 煤層氣含量測定周期縮短為幾h到幾d，即為快速測定。本文概述快速測定法的建 立基礎(chǔ)，過程和依據(jù)。1實施快速測定的途徑煤層氣含量測定周期長短主要取決于煤層氣解吸速率，影響解吸速率的因素是多方面的，有煤層自身30煤田地質(zhì)與勘探 第38卷123456對比組o o o o o O5 0 5 0 5 022.1 LO.0的因素，如煤體結(jié)構(gòu)、煤級、煤

9、巖、煤質(zhì)等，也有測定方法的因素，如試驗條 件（溫度等、操作方式及有關(guān)技術(shù)規(guī)定等。通過對 200多個煤心煤樣自然解吸過程 及數(shù)據(jù)的綜合分析研究，筆者認(rèn)為解吸氣觀測頻率和解吸溫度是影響測定周期的兩 個關(guān)鍵因素，且二者均可進(jìn)行人為調(diào)控，故擇取了以下兩個快速解吸途徑。1.1連續(xù)觀測目前，煤層解吸氣的體積測定一般用量筒，采用人工觀測。按 GB/T19559- 2008規(guī)定，解吸初期8 h之內(nèi)有明確的觀測（讀數(shù)時間間隔要求，此后多為每天觀 測1次。觀測時間間隔的長短對解吸速率有明顯影響。圖1為同一煤層、煤體結(jié)構(gòu)和煤巖煤質(zhì)大體相同的不同煤樣，解吸第 1 h之內(nèi)，采用5 min讀數(shù)間隔和10 min讀數(shù) 間隔

10、測得的解吸量對比。5組煤樣對比結(jié)果表明，5 min讀數(shù)間隔測得的解吸量比 10 min讀數(shù)間隔多13倍。由此可見，縮短讀數(shù)間隔，即連續(xù)觀測可以大幅度地加 速解吸。解吸全過程均連續(xù)觀測，即可以大幅度地縮短測定時間，尤其對氣量大的 無煙煤、煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的粒煤和粉煤等。因此，連續(xù)觀測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對比細(xì)圖1 5 min與10 min讀數(shù)間隔測得的解吸氣量對比圖Fig. 1 Comparis on of the desorbed volumes measur

11、ed inevery 5 min and 10 min in tervals連續(xù)觀測使得解吸罐內(nèi)部壓力與環(huán)境氣壓保持基本平衡，煤心內(nèi)氣體解吸不受 圍壓的阻礙，得以連續(xù)不斷的逸出。讀數(shù)時間間隔長 （幾個h或1 d會造成解吸罐 內(nèi)部壓力增高，不利于氣體解吸尤其在測定初期，煤樣氣飽和度大，罐內(nèi)壓力過 大，解吸速率受到抑制，氣含量測定周期隨之加長。1.2適當(dāng)提高解吸溫度煤層氣以吸附態(tài)富存于煤層之中，氣體的吸附/解吸受溫度控制，煤層氣擴(kuò)散 率是溫度的函數(shù)3。解吸溫度是測定周期長短的主要影響因素?，F(xiàn)以晉城無煙煤 的自然解吸時間為例（圖2，煤層溫度20 C者，解吸時間長達(dá)200余d（本文的解 吸時間均不含殘

12、余氣測定時間；煤層溫度40 C者，解吸時間為比坐0 C的煤層解吸時間少1倍左右。解吸時間的長短與解吸溫度密切相關(guān)， 二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，故提高解吸溫度是快速解吸的有效途徑之一。圖2煤層溫度與解吸時間的關(guān)系Fig.2 The relatio nship betwee n coal temperatureand desorption time提高解吸溫度，需要考慮以下幾個因素：a.我國大多數(shù)煤儲層的溫度為2035 C,快速解吸溫度應(yīng)高于大多數(shù)煤儲層的溫度。b. 快速解吸應(yīng)以不改變煤的化學(xué)性質(zhì)為原則，故解吸溫度不應(yīng)高于煤的變質(zhì)溫 度。煤級不同，變質(zhì)溫度不同，解吸溫度可以根據(jù)煤級而定，也可以按低煤級煤的

13、 變質(zhì)溫度而定。為了方便操作和適于推廣，本文選擇了褐煤到長焰煤的變質(zhì)溫度 （即 50 C 。c. 煤層氣解吸要求恒溫條件3，恒溫設(shè)備一般采用水浴箱2。水浴溫度太 高，與環(huán)境溫度差別大，溫度不容易恒定，恒溫條件難以保證。d. 從安全操作考慮，水溫過高，水蒸氣也大，容易造成燙傷，不利于安全操 作。綜合考慮，快速解吸水浴溫度統(tǒng)一設(shè)定 50 C為宜。快速測定法？的樣品采取、損失氣計算、氣成分測定等與自然解吸法2相同,二者的主要差別有3點：一是初始解吸1 h后，即可將解吸溫度提高到50 C,殘 余氣也在50C水浴中測定；二是測定全過程均連續(xù)觀測解吸氣體積，觀測頻度一 般為1次/h ;三是選擇了加溫解吸匹

14、配的終止限。2快速測定法與自然解吸法的比較通過上述快速解吸途徑，對不同地區(qū)、不同煤種進(jìn)行了快速測定法與自然解吸 法的對比試驗。2.1氣含量測定結(jié)果對比表1列舉了 20組對比煤樣的測定結(jié)果。這些煤樣采自山西、河南、寧夏、內(nèi) 蒙和云南等?。▍^(qū)，含煤層氣含量快第1期龐湘?zhèn)ィ好簩託夂靠焖贉y定方法31表1快速測定法與自然解吸法氣含量測定結(jié)果對比表Table 1 Comparis on of the results measured using rapid method and n atural desorptio n氣含量/cm3 g-1序號對比樣組編號自然解吸法快速測定法準(zhǔn)確率/%快速測定增減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 無煙煤；PM 貧煤；SM 瘦煤；FM 肥煤；QM 氣煤， 以下表格同此。(中的數(shù)字為樣品數(shù)目?！?+”示快速

17、測定的氣含量高于自然解吸；”表示快速測定的氣含量低于自然解吸。煤地層涉及太原組、山西組、龍?zhí)督M和延安組等。20組對比煤樣中，無煙煤6組，貧煤7組，氣煤4組，瘦煤、肥煤、長焰煤各1組，參加對比的煤樣共75 個。每組對比煤樣中，自然解吸煤樣多少不等(17個，取其平均值參加對比；快速測定煤樣一般為1個。為使每組煤樣有較好的可比性，每個對比樣組均為同一煤 層，煤巖、煤質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)等地質(zhì)條件大體相同，以干燥無灰基為基準(zhǔn)，將快速測定法和自然解吸法測得的氣含量值相比較，并求取快速測定的準(zhǔn)確率?？焖贉y定 的準(zhǔn)確率計算公式如下：1%?=X?測-100快速定氣含量自然解吸氣含量準(zhǔn)確率自然解吸氣含量20組對比樣中，

18、快速測定的氣含量值準(zhǔn)確率高于85 %的有18組，占對比樣組的90 %;準(zhǔn)確率高于90 %的有14組，占對比樣組的70 %。20組對比煤樣中，快速測定氣含量高于自然解吸的有12組；低于自然解吸的有8組。鉆孔煤心煤樣是比較復(fù)雜的，也是無法再現(xiàn)的受測樣品，煤樣所處地質(zhì)背景、 煤層自身條件、煤樣采取方式與過程、測定儀器設(shè)備、測定操作等因素對氣含量測 定結(jié)果均有影響，對快速測定的準(zhǔn)確率也同樣有影響。根據(jù)兩種方法的對比試驗結(jié) 果，并綜合考慮多種影響因素，可見快速測定法的準(zhǔn)確率比較高。2.2解吸氣組成及其含量對比我國煤層氣的組成特征是：甲烷一般大于 80%;二氧化碳小于5%;氮氣10% 左右5。經(jīng)大量解吸氣

19、樣組成分析結(jié)果統(tǒng)計表明，快速解吸和自然解吸不同時段 采取的氣樣，其組成及其含量基本相同。表2為由兩種測定方法測得的CH 4含量對比結(jié)果。由表2可見，兩種方法的測定結(jié)果基本相似?？焖贉y定法不改變解吸氣 的組成及其含量。2.3解吸時間對比表3統(tǒng)計了氣含量快速測定與自然解吸所用時表2快速測定法與自然解吸法的CH 4含量對比表Table 2 Comparis on of CH4 contents measured usingrapid method and n atural deosrptior對比樣組編號氣樣編號解吸溫度廠C扣除空氣后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煤田地質(zhì)與勘探 第38卷間。自然解吸時間一般要幾周到幾個月，快速測定時間為幾h到幾d。同一測定方法，氣含量測定周期因煤級和煤體結(jié)構(gòu)的不同而長短不一。就快速測定而言， 低煤級煤一般為13 d，中、高煤級煤一般為37 d（表3。相同煤級，粒度越小， 解吸速率越快，測定周期越短。有些氣含量很低的碎粒煤、糜棱煤，快速測定在1d之內(nèi)或數(shù)h之內(nèi)即

21、可結(jié)束。表3快速測定法與自然解吸法解吸時間對比表Tablel 3 Comparison of desorption time using rapidmethod and natural one對比樣組 編號快速測定時間/d自然解吸時間/d對比樣組數(shù)量/組WY 37 37157 12 PM 36 3085 9 SM 26 140161 2 FM 13 5198 3 QM0.54 1666 4 CY 0.33 163結(jié)語影響煤層氣含量測定周期的地質(zhì)條件難以改變，但測定方法中的試驗條件和操 作方式等可以進(jìn)行調(diào)整。通過適當(dāng)提高解吸溫度和連續(xù)觀測，并選擇匹配的終止限，是縮短測定周期合理而有效的途徑。本文

22、以不同地區(qū)、不同 煤種的對比試驗結(jié)果為依據(jù)，建立了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)煤層氣含量快速測定方法一一加溫解吸法。該方法以自然解吸法的測定結(jié)果為基準(zhǔn)，準(zhǔn)確率一般大于90 %（誤差0 %，測值穩(wěn)定、可靠，適合于我國大多數(shù)煤層。該方法已在山西晉城、河南焦 作和陜西長武等地測試了批量煤樣，其應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。參考文獻(xiàn)1 張慧，龐湘?zhèn)?，楊杰，等地面鉆孔煤層瓦斯含量測定方法的對比研究C/中國煤炭學(xué)會煤田地質(zhì)專業(yè)委員.安全高效煤礦地質(zhì)保障技術(shù)及 應(yīng)用：中國煤炭學(xué)會煤田地質(zhì)專業(yè)委員學(xué)術(shù)年會文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007: 72-76. 2中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局.GB/T19559-2008煤層氣含量測定

23、方法S.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 1046-2007地勘時期煤層瓦斯含量測定方法S.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.李小彥，王強，杜新 峰，等.我國煤層氣成分變化及時空分布特征J.煤田地質(zhì)與勘探，2002，30 （6： 22-24.（上接第28頁程度高，鏡質(zhì)組含量較高，具備良好的生氣潛力，煤層含氣量高，具備小而肥”的資源優(yōu)勢。其中，二道嶺向斜構(gòu)造簡單，保有煤炭資源量相對較大，受小