煤層透氣性系數(shù)測定方法應用探討_彭齊中

1、煤層透氣性系數(shù)測定方法應用探討彭齊中(神火集團薛湖煤礦,河南 476600摘 要:和煤層瓦斯壓力一樣,煤層透氣性系數(shù)也是很重要的煤層瓦斯基本參數(shù)。目前而言,煤層透氣性系數(shù)的測定主要采用中國礦大提出的建立在煤層鉆孔瓦斯流動屬于徑向不穩(wěn)定流動基礎上的方法。本文利用薛湖煤礦2303風巷測壓鉆孔對二2煤煤層透氣性系數(shù)進行了測定,對徑向不穩(wěn)定法測定煤層透氣性系數(shù)的應用進行了較深入的探討。本次測定煤層透氣性系數(shù)結果為K =1114386m 2/(MPa 2#d。通過本次應用探討,結合永夏礦區(qū)煤層賦存特點,為徑向不穩(wěn)定法測定透氣性系數(shù)在永夏礦區(qū)的推廣和應用奠定了良好的基礎。關鍵詞:徑向不穩(wěn)定流動 瓦斯流量

2、測壓孔 透氣性系數(shù)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 薛湖礦是神火煤電股份有限公司所屬的礦井,設計生產能力為120萬t/a 。該礦井南臨陳四樓煤礦和城郊煤礦,為全覆蓋式煤田。礦井水文地質條件簡單,煤層不易自燃,煤塵有爆炸性。地勘資料表明,靠近南部井田邊界處,由于靠近煤層露頭,瓦斯釋放較為充分,在-

6、600m 以淺為瓦斯風化帶,-700m 以深瓦斯含量一般大于10ml/g,為高瓦斯帶,二2煤層瓦斯含量最大達19171ml/g,為高瓦斯礦井。隨著礦井的開采深度進入600m 以深,煤層埋深的增加使礦井地應力和瓦斯壓力增大、瓦斯含量增高,需要采取預抽煤層瓦斯的防突措施以保證礦作者簡介 彭齊中,現(xiàn)就職于河南神火集團薛湖煤礦,主要從事瓦斯治理方面工作。第9卷第3期 中國煤層氣Vol 19NO 132012年6月 C HINA COALBED METHANEJune 12012井的安全生產和采掘工作面的順利接替。因此有必要對煤層透氣性系數(shù)進行及時的測定和考察,為瓦斯防治提供準確和必要的依據(jù)。煤層透氣性

7、系數(shù)是煤層瓦斯流動難易程度的標志,測定煤層透氣性系數(shù)與測定瓦斯壓力、流量一樣,都是很重要的。本次測定煤層透氣性系數(shù)采用了中國礦大提出的,建立在煤層鉆孔瓦斯流動屬于徑向不穩(wěn)定流動的基礎上的一種方法。利用徑向不穩(wěn)定流動法測定煤層透氣性系數(shù)有以下幾個基本假設條件:(1在鉆孔瓦斯流動范圍內,煤層均質且各向同性。(2鉆孔垂直煤層(至少偏斜角不超過30b貫穿煤層,在瓦斯流動場內厚度不變。(3煤層頂?shù)装宀宦馇也缓型咚埂?4打開鉆孔之前,鉆孔內瓦斯壓力為原始瓦斯壓力,打開后則始終保持大氣壓力。(5瓦斯在煤層中的流動為等溫過程,且溫度等于煤層溫度。(6瓦斯在煤層中的流動符合達西定律。1測定步驟和過程(1施工

8、鉆孔從2303風巷預定位置向煤層打鉆,孔徑沒有限制,本次測定壓力孔孔徑為94mm。測定透氣性系數(shù)要求測壓鉆孔與煤層的夾角盡量接近90b,本次測壓孔與煤層夾角為80b,與煤層的偏斜角遠小于30b的基本假設條件。記錄有鉆孔的方位角、傾角和鉆孔穿煤長度。同時記錄了鉆孔見煤和煤止的時間(年、月、日、時、分,并取兩個時間點的平均值作為鉆孔開始排放瓦斯時間的起點。(2封孔本次封孔做到了嚴密不漏氣,巖孔封孔長度為20m。測定煤層透氣性系數(shù)要求測壓導管直徑不應太小,可使用內徑大于10mm的鋼管,以保證測定流量時不致產生過大的壓力損失。本次測壓導管采用了內徑為15mm的四分鐵管,完全符合要求。(3測定流量壓力表

9、讀數(shù)穩(wěn)定后卸下壓力表大量排放瓦斯一天,之后測定鉆孔累計一天的瓦斯流量。在實際操作中,為了安全卸表和排氣,使用了帶有排氣孔的壓力表絲扣逐漸退出壓力表接頭,使測壓導氣管與排氣孔溝通而控制排氣量。為了防止因卸表時大量瓦斯的排出而造成巷道瓦斯?jié)舛瘸?實際操作時在壓力表接頭的排氣孔上焊上了一段小管,用膠管將排出的瓦斯引入了瓦斯管路。一般來說,測定流量的儀器,當流量大時可選用小型孔板流量計或浮子流量計;而流量小時可選用015m3/h的濕式氣體流量計(煤氣表,也可以用排水集氣法測定氣體流量。本次流量的測定采用了015m3/h的濕式氣體流量計(煤氣表來測定,最小流量達到014L/min時就可帶動煤氣表。上壓

10、力表之前測定的流量也可以用來計算煤層透氣性系數(shù)。2透氣性系數(shù)計算在鉆孔瓦斯流動屬于徑向不穩(wěn)定流動的條件下,求出其流動方程的解析解是困難的。中國礦業(yè)大學在實驗室用相似模型試驗的方法進行試驗,并以相似準數(shù)表達了試驗的結果。徑向不穩(wěn)定流動的計算公式為:Y=aF b0式中:Y流量準數(shù),無因次;F0時間準數(shù),無因次;a,b無因次系數(shù)。其中:Y=qr1K(P20-P21F0=4K P115tar21式中:P0煤層原始絕對瓦斯壓力(表壓力加011,MPa;P1鉆孔中的瓦斯壓力,一般為011MPa;K煤層透氣性系數(shù),m2/(MPa2#d;r1鉆孔半徑,m;q在排放時間為t時、鉆孔煤壁單位面積的瓦斯流量,m3/

11、(m2#d;q=Q2P r1LQ在時間為t時測出的鉆孔流量,m3/d;L鉆孔見煤長度,一般為煤層厚度,m;t從鉆孔卸壓到測定鉆孔瓦斯流量的時間,d;28中國煤層氣第3期a煤層瓦斯含量系數(shù),m3/(m2(MPa015; a=X/PX煤的瓦斯含量,m3/t;P確定煤瓦斯含量時的瓦斯壓力,MPa。Y=AK F0=B K其中:A=qr1P20-P21B=4P1150tar21由于流量準數(shù)與時間準數(shù)的關系難以用簡單的公式表達,故按時間準數(shù)F0分段表示,得出以下專門計算透氣件系數(shù)的公式:F0=10-21K=A1161B0161F0=110K=A1139B01391F0=10102K=111A1125B01

12、25F0=102103K=1183A1114B01137F0=103105K=211A1111B01111F0=105107K=3114A1107B0107表1時間準數(shù)和系數(shù)關系表時間準數(shù)F0=B K系數(shù)a系數(shù)b 010111-013811011-01281011020193-012010210301588-011210310501512-011010510701344-01065由于計算透氣性系數(shù)公式式子較多,須采用試算法來確定選取的計算式。即先選用其中任一個式子計算出K值,然后將算出的K值代入公式,校驗F0是否在選用公式的適用范圍內。如在試用范圍,則選式正確,算出的K值即為煤層透氣性系數(shù);

13、如不在適用范圍,則需重新選公式計算K值,更新校驗F0值是否在選用公式的適用范圍內。一般t<1d時先用F0=110的公式;t>10d,可先用F0=102>103公式進行試算。時間準數(shù)F0和系數(shù)a、b值之間的關系如表1所示。3計算透氣性系數(shù)311透氣性系數(shù)計算所需參數(shù)本次煤層透氣性系數(shù)測定和計算所需參數(shù)如表2所示。表2透氣性計算所需參數(shù)匯總表參數(shù)類型參數(shù)數(shù)值大小鉆孔終孔孔徑(mm58測壓孔孔深(m2218鉆孔穿煤長度(m315煤層平均厚度(m310上表前一天的累計流量(m3121584鉆孔卸壓到測定瓦斯流量的間隔時間(d01375所測煤層瓦斯壓力(MPa1116測壓鉆孔方位角(b

14、右58測壓鉆孔傾角(b80本次采用封孔后上壓力表之前所測流量值來計算煤層透氣性系數(shù)。由于排放時間比較短,鉆孔煤孔長度取鉆孔實際穿煤長度,而不取煤層厚度。312計算過程(1由上表可知t=01375d,P1=011MPa,r1= 01058m。由公式計算:X=a*p015y1017411=a* 1116015=a*11077y a=919732m3/(m2(MPa015。(3再選用F0屬于110公式K=A1139*B01391 =0100148*915626=1114386。代入校驗公式:F0 =B K y F0=415573,大小在F0屬于110的范圍內,公式適用,結果正確。4測定說明(1由于卸

15、表大量排瓦斯一天后所測瓦斯流量極小,本次煤層透氣性系數(shù)的測定實際上是采用封孔后上壓力表之前測得的流量來計算。該鉆孔從開始排放瓦斯到測定流量的中間間隔時間很短,鉆孔瓦斯流量場的范圍還比較小。理論和現(xiàn)場都證明,當鉆孔排放瓦斯的時間較短時,由于鉆孔與煤層之間不垂直或者由于鉆孔成孔質量不好會導致卸壓區(qū)的存在,影響測定結果的準確性和代表性;隨著鉆(下轉第15頁29第3期煤層透氣性系數(shù)測定方法應用探討不一樣。利用鉆具帶動翼片旋轉刮削井壁達到擴大井徑的目的。泵壓減除后,翼片在彈簧作用下收回體內。313循環(huán)介質煤層本身由于孔隙裂隙割理比較發(fā)育,且煤儲層一般是低壓儲層,具有應力敏感性,容易吸附外來大分子等特征,

16、這就決定了煤層氣井采用裸眼完井,必須選擇低傷害或無傷害的鉆井循環(huán)介質。目前,大多數(shù)煤層氣鉆井使用KCL清水溶液?？椩?井采用3%KCL水溶液作為擴孔循環(huán)介質。同時根據(jù)煤層水呈堿性的特征,在加入KCL之前,用NaOH或Na2C O3調整水的PH值到910,最大限度的保護好煤儲層。314擴孔工藝31411擴孔方案采用水力或液壓式擴孔工具,從井深269100m 開始擴孔,主要對煤層進行擴孔,直至井深486100m,擴孔段擴孔直徑不小于350mm。31412鉆具組合擴孔鉆具組合為:導向鉆具/鉆頭+擴孔器+ SUB短接+鉆鋌+鉆桿。導向鉆具或鉆頭的作用主要是用來引導擴孔器。若使用鉆頭,應使用略小于標準尺

17、寸的鉆頭,以降低擴孔過程中的額外扭矩;擴孔器采用液壓式井下擴孔器,該擴孔器本體直徑為5175d (146105mm,可將井眼直徑擴至14d(35516mm; SUB為變徑短接,主要是使鉆鋌與擴孔器之間成功連接。31413擴孔作業(yè)擴孔作業(yè)前配制2%3%KCl鹽水泥漿,然后組合擴孔鉆具:PDC鉆頭(未裝水眼+擴孔器+鉆鋌+鉆桿,下鉆至井底。用2%3%KCl鹽水循環(huán)清洗井筒,并把所替換出的井筒內的泥漿導入泥漿池。將鉆頭上提至井深269100m,開始擴孔。根據(jù)所用工具類型和井下實際情況確定合理的鉆壓、轉速、排量、扭矩等作業(yè)參數(shù),出現(xiàn)異常情況及時采取處理措施。對擴孔返出的煤/巖屑進行收集、標記。擴孔結束

18、后,上提擴孔鉆具組合,下入常規(guī)鉆具循環(huán)洗井,清理擴孔煤屑。4完井管串擴孔施工作業(yè)完畢后采用井口懸掛完井管串的方式完井。管串結構(由下至上為:引鞋+篩管管串(485268m+17718mm8105mmJ55套管串+套管懸掛器。篩管直徑為17718mm,孔型為圓孔,孔密為每米60孔,孔徑1/2d。完井管串下到預定位置后,井口接聯(lián)頂節(jié),開泵循環(huán)洗井2周,采用清水作為循環(huán)介質。5結論織試1井于11月30日完井管串下至預定位置后順利完井,目前正在進行排采。該井織金區(qū)塊第一口采用多煤層擴孔篩管完井的煤層氣井,從工程工藝的角度來看,多煤層擴孔篩管完井工藝不僅能夠滿足該區(qū)塊地質要求,而且豐富了煤層氣井的勘探開發(fā)手段。但從地質的角度來看,該完井方式是否適應該區(qū)塊的煤層特點,還有待進一步的驗證。參考文獻1孫建平1煤層氣井鉆井液特點的探討J1中國煤田地質,2003,15(4:6162,711(責任編輯劉馨(上接第29頁孔排放時間的增大,瓦斯流動場的范圍也會相應的增大,而隨著瓦斯流量場的擴大會大大消除上述不利因素的影響,提高透氣性系數(shù)測定的準確性。由于本次測定中鉆孔