关于石嘴山矿区煤层气含量测试中损失量计算的探讨

时间：2024-08-31

牛国斌赵宇星马凯

(宁夏回族自治区煤炭地质调查院，宁夏 750000)

煤层气含量测试贯穿了勘探开发的整个过程，其准确性、可靠程度直接影响到勘探开发的规划和决策。煤层气含量测试中自然解吸量和残余量测试方法较为直观、准确，而损失量无法测得，只能按照一些经验方式估算得出，导致估算损失量与实际损失量偏差较大，也是目前国内煤层气含量测试值普遍低于实际值的主要因素。

1 石嘴山矿区煤储层基本特征

石嘴山矿区位于宁夏石嘴山市惠农区，属于华北陆块鄂尔多斯西缘坳陷成矿带，处于煤与瓦斯高突地带。区内地质构造较复杂，断层分布较密集，多以逆断层为主。煤层赋存于山西-太原组地层，共有9层煤层，其中2号、3号、6号煤层属于主采煤层，厚度分别到达了3.19m、 7.02m和11.07m。煤层镜质组反射率为0.98%～1.07%，以1/3焦煤为主，气煤和肥煤次之，属中等变质程度。煤岩类型以亮煤为主、暗煤次之，煤层割理较发育。煤层煤体结构较破碎(图1)，多以碎块和粉状存在，宏观裂隙发育，各裂隙间连通性较好。可采煤层平均含气量为3.4～12.6m3/t，瓦斯压力为0.14～4.8MPa，煤的瓦斯放散初速度为3.5～16mmHg，钻孔流量衰减系数为0.073～0.99d-1，煤层渗透率为0.002～0.177×10-3μm2，煤坚固性系数为0.47～0.99，属于松软低渗透性煤层。自上世纪50年代开始采煤至今，在垂深430m处曾发生过一次较大的煤与瓦斯突出事故，这说明该地区煤层受扰动后，煤中的煤层气初始释放量较大，煤层气的瞬间释放能力也较强。

图1 石嘴山矿区3号和6号煤层的煤心

2 煤层气损失量计算方法及存在的问题

2.1 损失量的影响因素

损失量主要是在钻探取心和煤样装罐过程中因自然解吸产生的散逸气体，其解吸散逸量受到多种因素的影响，主要有以下几种：①煤中含气量和瓦斯压力越大，损失量越大。②煤的原生结构越破碎，粒径越小，损失量越大。③煤的透气性越好，损失量越大。④煤对煤层气的放散初速度越大，损失量越大。⑤提心时间越长，损失量越大。⑥煤心出岩心筒时扰动破坏越大，损失越大。⑦装罐时间越长，损失量越大。⑧解吸罐的气密性越差，损失量越大。⑨取心现场气压越低，损失量越大。⑩取心现场气温越高，损失量越大。

范章群等通过模拟试验发现，煤样的自然解吸分为三个阶段进行，第一个阶段是自提钻之时就开始解吸煤层气，出井口时解吸速率达到最大值，属于解吸速率最快的一阶段，随后呈现逐渐衰减态势(图2)；第二阶段是装罐过程中的地面暴露阶段，属于解吸速率第二快的阶段；第三阶段是装罐后的漫长解吸阶段，是解吸速率最慢的一个阶段。同时发现煤心解吸压力从最高降至常压的时间约为13min，且过程基本保持匀速下降。这一观点与煤的自然解吸曲线特征和Langmuir方程原理异曲同工，均反映出了煤样暴露初期放散速率最大。通常情况下，从提心到装罐结束，一般需要10～20min，说明在装罐完成之前，煤心解吸压力已降至常压，期间发生了大量的煤层气解吸散逸，而且这个损失量发生的速率远远大于装罐后的解吸速率。

图2 甲烷在不同三个阶段的解吸速率

2.2 损失量的计算方法及存在的问题

图3 装罐前10min内损失量曲线斜率对比

煤层气损失量计算方法有多种，目前国内通常采用GB/T 19559—2008中的USBM直接法(这里称直线法)，这一方法是将符合自然对数解吸规律的初期阶段进行了直线化处理得出的结果，而实际上自然解吸曲线初期阶段的曲线斜率较大。实际情况中应该是损失量依旧遵守自然解吸规律中的累积解吸量与解吸时间成自然对数的关系，而非简单的直线关系。从石嘴山矿区6号煤层实测自然解吸曲线函数与时间平方根直线函数的各自前10min曲线斜率可知(图3)，以自然解吸曲线为规律，推算其在装罐前10min内的损失量变化曲线的斜率K为464.16，而以损失量与时间平方根成正比为规律，推算其在装罐前10min内的损失量变化规律曲线的斜率K=286.35，前者是后者的1.62倍,这就说明目前采用的时间平方根直线法估算出的损失量远远小于自然解吸规律下的实际损失量。这一问题其实很好理解，因为直线法采用的是解吸罐内的解吸速率，而罐内的解吸速率远远小于装罐前的解吸速率。

范章群和孙齐等的实验结果也证明了直线法估算的损失量远远小于实际损失量这一问题，尤其是对于破碎、小粒径的煤与瓦斯突出的煤层，偏差更大。经大量数据推演表明，自然对数法更符合石嘴山矿区的煤层气损失量计算。

3 遵循自然解吸规律的损失量计算方法

3.1 自然对数法

这里先设定提心过程中煤心开始解吸到出井口的这段时间为T0，将出井口到装罐完成这段时间设定为T1，损失量的累积时间设定为T2(T2=T0+T1)，装罐后自然解吸时间为T3，设定T2时间对应的累积解吸量Q2即为损失量。

煤心中的煤层气自然解吸现象自提心过程中就已经发生(图2)，而在实际记录的自然解吸曲线上是缺少装罐前(损失时间内)的观测点。我们在损失量计算时，需要在自然解吸累积曲线的最前端按一定的趋势和规律拟合补充上损失时间内的曲线形态，以拟合后的曲线函数(模型)为准，将累积解吸时间T=45s时对应的Q2值定为损失量。这里要说明为什么取T=45s，根据瓦斯放散初速度测定过程数据显示，通常在初始45s内的累积解吸量是相当小的，多数都在0.01cm3/g级别，对气含量值的影响十分小(图4)，但在45s后的解吸量发生了大幅增加，接近1cm3/g的级别，这就是取T=45s的原因。

图4 石嘴山矿区6煤瓦斯放散量曲线

在确定损失量计算模型之前，我们要明确一点，那就是模型的时间起算点。在测试获得的自然解吸曲线中，时间为零时对应的解吸量为零，但这个零时间仅仅为罐内自然解吸的时间起点，并非煤样实际发生的自然解吸时间点，也就是说煤样的实际自然解吸时间起点应该为T2，只是我们观测到的解吸量为零而已。所以在拟合损失量计算模型时，自然解吸量为零时对应的时间应该是T2。按这个规律，在所有解吸量不变的情况下，将罐内的自然解吸曲线沿着时间轴右移T2后进行曲线拟合分析，并得出相应的损失量计算模型，最后将时间T2带入模型中得出的负数值，即为损失气量Q2。

图5 添加T2后6煤7号样品的自然解吸曲线

3.2 计算结果分析

以石嘴山矿区某孔6煤的煤心为例，按照实际提心时间和装罐时间，并结合本区6煤储层压力和临界解吸压力，确定T0=5min，T1=4min，T2=T0+T1=9min。最后将自然解吸数据中的累积时间全部加9min后生成曲线，采用线性回归分析法得出自然解吸曲线函数，即为6煤损失量计算模型，如图4所示。

从图5可知，6煤7号样品的损失量计算模型为Q=1639.5ln(T)-5465,拟合度R2=0.9887，模型可靠度较高。将T=45s带入上述模型中，得出Q=-5936.65cm3即为损失气含量。按照以上方法分别对每个样品进行损失量的建模计算，得出6煤样品损失量计算结果如表1所示。

表1 石嘴山矿区6煤样品自然对数法计算结果

将表1中自然对数法计算的损失量数据处理后，得出6号煤平均总含气量为13.20cm3/g，比化验测试的总含气量9.45cm3/g增加了39.67%。这与浅部地段矿井开采中井下实测6煤平均含气量约为12cm3/g比较相近，加之此次取样深度比以往矿井开采深度增加了约350m，理论上煤层气含量应该大于以往6煤开采中井下实测值12cm3/g，这一计算结果恰好吻合这一规律，说明自然对数法估算损失量的方法更加符合本地区煤层特征。