煤層氣含量快速測(cè)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(hào):1001-1986(201001-0029-04煤層氣含量快速測(cè)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(shí)間內(nèi)獲得氣含量測(cè) 值，而現(xiàn)行的煤層氣含量測(cè)定方法難以滿足此要求?；谧匀唤馕ㄔ砗头椒?， 以自然解吸法的測(cè)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(guò)連續(xù)觀測(cè)、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(cè)

2、 定法與自然解吸法的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，建立了煤層氣含量快速測(cè)定方法。此方 法將煤層氣含量測(cè)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(cè)；加溫解吸；快速測(cè)定中圖分類號(hào)：P618.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)定方法已經(jīng)沿革幾十年1，現(xiàn)行的煤層氣含量測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)主 要有2個(gè)：其一是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)煤層氣含量測(cè)定方法(GB/T19559-20082，該標(biāo)準(zhǔn)參照美國(guó)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(jiǎn) 便，測(cè)值可靠，測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度是目前公認(rèn)最好的，不足之處是測(cè)定周期長(zhǎng)，一 般需要幾周或幾個(gè)月；其二是安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法 (AQ 1046-20074，該標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)煤田地質(zhì)勘探領(lǐng)域使用時(shí)間較早，并沿用至今， 習(xí)慣上稱之為地勘法”，該方法測(cè)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(yùn)和野外操作，受鉆探工藝和取樣設(shè)備等因素影響，測(cè)值偏低。從理論上 講，這兩種方法測(cè)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(cè)值，以便設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)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(cè)定周期縮短為幾h到幾d，即為快速測(cè)定。本文概述快速測(cè)定法的建 立基礎(chǔ)，過(guò)程和依據(jù)。1實(shí)施快速測(cè)定的途徑煤層氣含量測(cè)定周期長(zhǎng)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(duì)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(jí)、煤

9、巖、煤質(zhì)等，也有測(cè)定方法的因素，如試驗(yàn)條 件（溫度等、操作方式及有關(guān)技術(shù)規(guī)定等。通過(guò)對(duì) 200多個(gè)煤心煤樣自然解吸過(guò)程 及數(shù)據(jù)的綜合分析研究，筆者認(rèn)為解吸氣觀測(cè)頻率和解吸溫度是影響測(cè)定周期的兩 個(gè)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(gè)快速解吸途徑。1.1連續(xù)觀測(cè)目前，煤層解吸氣的體積測(cè)定一般用量筒，采用人工觀測(cè)。按 GB/T19559- 2008規(guī)定，解吸初期8 h之內(nèi)有明確的觀測(cè)（讀數(shù)時(shí)間間隔要求，此后多為每天觀 測(cè)1次。觀測(cè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)短對(duì)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(cè)得的解吸量對(duì)比。5組煤樣對(duì)比結(jié)果表明，5 min讀數(shù)間隔測(cè)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(cè)可以大幅度地加 速解吸。解吸全過(guò)程均連續(xù)觀測(cè)，即可以大幅度地縮短測(cè)定時(shí)間，尤其對(duì)氣量大的 無(wú)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(cè)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(duì)比細(xì)圖1 5 min與10 min讀數(shù)間隔測(cè)得的解吸氣量對(duì)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(cè)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(shí)間間隔長(zhǎng) （幾個(gè)h或1 d會(huì)造成解吸罐 內(nèi)部壓力增高，不利于氣體解吸尤其在測(cè)定初期，煤樣氣飽和度大，罐內(nèi)壓力過(guò) 大，解吸速率受到抑制，氣含量測(cè)定周期隨之加長(zhǎng)。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(cè)定周期長(zhǎng)短的主要影響因素?，F(xiàn)以晉城無(wú)煙煤 的自然解吸時(shí)間為例（圖2，煤層溫度20 C者，解吸時(shí)間長(zhǎng)達(dá)200余d（本文的解 吸時(shí)間均不含殘

12、余氣測(cè)定時(shí)間；煤層溫度40 C者，解吸時(shí)間為比坐0 C的煤層解吸時(shí)間少1倍左右。解吸時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)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(gè)因素：a.我國(guó)大多數(shù)煤儲(chǔ)層的溫度為2035 C,快速解吸溫度應(yīng)高于大多數(shù)煤儲(chǔ)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(jí)不同，變質(zhì)溫度不同，解吸溫度可以根據(jù)煤級(jí)而定，也可以按低煤級(jí)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(zhǎng)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(guò)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?？焖贉y(cè)定法？的樣品采取、損失氣計(jì)算、氣成分測(cè)定等與自然解吸法2相同,二者的主要差別有3點(diǎn)：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(cè)定；二是測(cè)定全過(guò)程均連續(xù)觀測(cè)解吸氣體積，觀測(cè)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(cè)定法與自然解吸法的比較通過(guò)上述快速解吸途徑，對(duì)不同地區(qū)、不同煤種進(jìn)行了快速測(cè)定法與自然解吸 法的對(duì)比試驗(yàn)。2.1氣含量測(cè)定結(jié)果對(duì)比表1列舉了 20組對(duì)比煤樣的測(cè)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(cè)定方法31表1快速測(cè)定法與自然解吸法氣含量測(cè)定結(jié)果對(duì)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(hào)對(duì)比樣組編號(hào)自然解吸法快速測(cè)定法準(zhǔn)確率/%快速測(cè)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(wú)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(cè)定的氣含量高于自然解吸；”表示快速測(cè)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(duì)比煤樣中，無(wú)煙煤6組，貧煤7組，氣煤4組，瘦煤、肥煤、長(zhǎng)焰煤各1組，參加對(duì)比的煤樣共75 個(gè)。每組對(duì)比煤樣中，自然解吸煤樣多少不等(17個(gè)，取其平均值參加對(duì)比；快速測(cè)定煤樣一般為1個(gè)。為使每組煤樣有較好的可比性，每個(gè)對(duì)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(wú)灰基為基準(zhǔn)，將快速測(cè)定法和自然解吸法測(cè)得的氣含量值相比較，并求取快速測(cè)定的準(zhǔn)確率?？焖贉y(cè)定 的準(zhǔn)確率計(jì)算公式如下：1%?=X?測(cè)-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(duì)比樣中，

18、快速測(cè)定的氣含量值準(zhǔn)確率高于85 %的有18組，占對(duì)比樣組的90 %;準(zhǔn)確率高于90 %的有14組，占對(duì)比樣組的70 %。20組對(duì)比煤樣中，快速測(cè)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(wú)法再現(xiàn)的受測(cè)樣品，煤樣所處地質(zhì)背景、 煤層自身?xiàng)l件、煤樣采取方式與過(guò)程、測(cè)定儀器設(shè)備、測(cè)定操作等因素對(duì)氣含量測(cè) 定結(jié)果均有影響，對(duì)快速測(cè)定的準(zhǔn)確率也同樣有影響。根據(jù)兩種方法的對(duì)比試驗(yàn)結(jié) 果，并綜合考慮多種影響因素，可見快速測(cè)定法的準(zhǔn)確率比較高。2.2解吸氣組成及其含量對(duì)比我國(guó)煤層氣的組成特征是：甲烷一般大于 80%;二氧化碳小于5%;氮?dú)?0% 左右5。經(jīng)大量解吸氣

19、樣組成分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，快速解吸和自然解吸不同時(shí)段 采取的氣樣，其組成及其含量基本相同。表2為由兩種測(cè)定方法測(cè)得的CH 4含量對(duì)比結(jié)果。由表2可見，兩種方法的測(cè)定結(jié)果基本相似?？焖贉y(cè)定法不改變解吸氣 的組成及其含量。2.3解吸時(shí)間對(duì)比表3統(tǒng)計(jì)了氣含量快速測(cè)定與自然解吸所用時(shí)表2快速測(cè)定法與自然解吸法的CH 4含量對(duì)比表Table 2 Comparis on of CH4 contents measured usingrapid method and n atural deosrptior對(duì)比樣組編號(hào)氣樣編號(hào)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(shí)間一般要幾周到幾個(gè)月，快速測(cè)定時(shí)間為幾h到幾d。同一測(cè)定方法，氣含量測(cè)定周期因煤級(jí)和煤體結(jié)構(gòu)的不同而長(zhǎng)短不一。就快速測(cè)定而言， 低煤級(jí)煤一般為13 d，中、高煤級(jí)煤一般為37 d（表3。相同煤級(jí)，粒度越小， 解吸速率越快，測(cè)定周期越短。有些氣含量很低的碎粒煤、糜棱煤，快速測(cè)定在1d之內(nèi)或數(shù)h之內(nèi)即

21、可結(jié)束。表3快速測(cè)定法與自然解吸法解吸時(shí)間對(duì)比表Tablel 3 Comparison of desorption time using rapidmethod and natural one對(duì)比樣組 編號(hào)快速測(cè)定時(shí)間/d自然解吸時(shí)間/d對(duì)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(yǔ)影響煤層氣含量測(cè)定周期的地質(zhì)條件難以改變，但測(cè)定方法中的試驗(yàn)條件和操 作方式等可以進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)適當(dāng)提高解吸溫度和連續(xù)觀測(cè)，并選擇匹配的終止限，是縮短測(cè)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(duì)比試驗(yàn)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(cè)定方法一一加溫解吸法。該方法以自然解吸法的測(cè)定結(jié)果為基準(zhǔn)，準(zhǔn)確率一般大于90 %（誤差0 %，測(cè)值穩(wěn)定、可靠，適合于我國(guó)大多數(shù)煤層。該方法已在山西晉城、河南焦 作和陜西長(zhǎng)武等地測(cè)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(cè)定方法的對(duì)比研究C/中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)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(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤田地質(zhì)專業(yè)委員學(xué)術(shù)年會(huì)文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007: 72-76. 2中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局.GB/T19559-2008煤層氣含量測(cè)定

23、方法S.北京：中國(guó)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(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 1046-2007地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法S.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.李小彥，王強(qiáng)，杜新 峰，等.我國(guó)煤層氣成分變化及時(shí)空分布特征J.煤田地質(zhì)與勘探，2002，30 （6： 22-24.（上接第28頁(yè)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(shì)。其中，二道嶺向斜構(gòu)造簡(jiǎn)單，保有煤炭資源量相對(duì)較大，受小