煤层气含量测试工艺技术进展概述

奚 相

中石化石油物探技术研究院

煤炭是我国的主要能源之一，在一次能源的消耗中基本占到75%左右，我国不但是煤炭的消费大国，也是煤炭的生产强国，据国家统计局统计，2013年，我国煤炭总产量达到36.8 亿t，较2012年增长了0.8%，较之十年前的16 亿t 更是不能同日而语。而瓦斯，俗称煤层气，主要成分为甲烷，则是伴生于煤炭矿藏的另一种重要的洁净新能源，它以吸附态自生自储于煤层之中。随着煤矿总产量的提高，煤层气的探测储量也在日益增加，因此如何有效的开发利用煤层气成为了研究者们关注的问题。开发、开采、利用煤层气，不但可以改善我国目前一次能源结构，还可以较大程度的改善我国的温室气体大量排放的问题，并且可以获得较大的经济利益。和高产出相对应，我国也是世界上煤矿相关事故最为严重的国家之一。2013年我国共发生煤矿安全事故604 起，死亡人数达到了1067 人，其中瓦斯爆炸事故基本占到事故总数的20%，死忙人数的50%。虽然近年来我国采用了各种先进手段去控制煤矿、瓦斯事故，我国百万吨死亡率仍然是先进国家的20～40倍。因此，如何有效的监测治理煤矿中存在的大量瓦斯一直是我国煤炭安全生产的重中之重。

若想有效的开展该项工作，则需要准确的检测出矿井中瓦斯的涌出量以及瓦斯的相关化学性质，这就要求我们建立起一套科学完备的煤层气检测工艺，对煤层气的解吸附机理有着透彻的了解。目前对于这一机理的研究，由于我国地质环境特殊复杂，煤储层的渗透性无法准确评价，特别是对于高应力、低渗透的储层研究还处于起步阶段，理论无法指导实际生产。但是随着科技的发展，煤层气测试工艺也在逐渐进步，下面我们就简单综述一下煤层气测试工艺的发展历程以及最新进展。

1 测试方法进展

我国煤层气测试大概经历了三个阶段，分别为真空罐法，集气法以及解析法。

真空罐法

人们对煤层气测试方法的探索始于20 世纪30年代，最早使用的方法是真空罐法，也就是封闭容器法。测试方法如下：从矿井或者地勘钻井中采取新鲜的待测煤矿样，放进一个大小适宜的全封闭容器中，送入实验室抽真空，在真空条件下对容器进行加热，使煤矿中的煤层气，再进行进一步的分析测定。这种技术成熟于20 世纪50年代，并得到了广泛的应用。真空管法整体结构简单，需要的装置价格低廉，使用起来较为方便。由于在采样过程中存在一个瓦斯的损失量，因此在得到测定结果后，需要予以矫正。但是由于煤矿种类不同，损失时间的不同，在不同采样过程中损失的瓦斯量差别较为悬殊，因此造成了真空罐法的测试结果难以得到准确的校正的问题。因此，真空罐法没有多久就被集气法所取代。

集气法

在20 世纪50年代中期，随着先进地质勘探仪器的出现，如集气式矿压采取器，冷冻式矿岩采取器，封闭式矿岩采集器，集气法这种测试方法得到了广泛应用。最早采用的集气法以封闭式矿岩采集器，先在待测矿岩上方打钻孔，然后将采取器深入到钻孔中，采取待测的煤芯。采集器上下端分别有两个活门以及一些附属结构，利用这些结构将采集出来的煤芯封闭到采集器中的煤芯管中，而后将整体煤芯管提取到孔口，保持密封状态，在实验室中采用真空脱气的方法将附着在其中的煤层气脱出，进而进行测试法分析。

但是封闭式矿岩采集器价格高昂，结构复杂，在实际生产中难以推广使用。而后人们用集气式矿压采取器取代了封闭式采集器。这种集气式矿压采取器的煤芯提取器非常特殊，其上部安装有一个小集气室，配套有阀门，这个集气室主要用来收集煤芯在开采提升过程中解吸出来的气体。当集气式矿压采取器提取到地面后，只需要卸下这个特殊的煤芯提取器，在密封状态下送到实验室进行真空脱气即可。这种集气法能够最大成熟收集在钻井和提升过程中煤样品解析出的大部分气体，误差较小，测试的值比较准确，接近实际。但是该种方法需要价格较为昂贵的复杂仪器，较为笨重，携带不便，并且钻孔取样需要一定的技术，造成一定程度上的使用不便。

解吸法

这种方法是在1979年由法国人Bertard 提出的，而后美国矿业局在实际项目使用过程中发现该方法具有独特的优点，经过一系列的修改和完善，被美国矿业局立为行业标准，称之为《美国矿业局直接法》。具体方法如下：采用普通的煤芯提取器从待测矿层中提取煤芯，提取出煤芯样品后，立刻用密封罐将含有煤层气的煤样装入其中，然后利用解析仪来测试整个过程中解吸时间随着煤层气解吸量的变化规律，然后根据煤芯样品暴露在空气中的时间初步估算出在整个采样过程中损失的煤层气量，最后将已经经过解吸过程的煤芯样品完整的送入到实验室中，再次煤芯中残留的瓦斯量。该方法测试出的瓦斯量由三部分组成，即逸散气量，残余气量和解吸气量，其中自然的瓦斯解析逸散气量是在煤层温度下测得，更加准确。这种方法所需的仪器设备简单，便于携带，成功率高，可靠性大并且精度可以达到要求，在美国得到了广泛的推广和应用。

在中国，政府组织了相关专家和部门，在上述《美国矿业局直接法》的基础上进行了改进，1984年正式颁布了我国第一部煤层气测试标准法规，称之为国标MT/177-84。后续我国在MT/177-84 的基础上，又进行了改进，在不同时期颁布了不同的测试法规。1994年我国颁布了国标MT/177-94，缩短了不同井深情况下开采过程中的故障停顿时间以及煤样品在空气中的暴露时间。2007年颁布的AQ-1046-2007 进一步缩短暴露时间到8 分钟，并且规定了不同钻孔介质下损失气量时间的确定方法。2008年颁布了GB/T19559-2008 修正了气体测量的标准状态以及气体的采集时间，并且提出来快速测定气含量的方法。2009年颁布了GT/T2349-2009，修订了瓦斯解吸速率测定的时间。经过多次修改完善以后，目前我国的煤层气测试技术已经达到国际先进水平。

2 测试方法优化

测试类型的优化

煤层气的测试类型主要包括以下两类，裸眼测试和套管测试。传统上的测试方法大多采用裸眼测试，它具有对底层损害小，能够及时获得煤层资料等优点。但是它的测试结果过于依赖于井眼的质量，探测半径也比较小，资料很难完全反映全部的真实情况。因此，目前人们采用改良式的套管测试方法，能够从下到上的进行分层测试，测试时间较长，获得的资料较为全面。两种方法相较，套管测试能够明显的提高成功率。

测试过程的优化

近年来结合实际的情况，研究表明，在常规工区，通过对作业用液以及注入参数的优化，可以有效的提高测试的准确度，取得较好的效果。由于向煤层中注入作业用液会或多或少的污染煤层，因此需要对注入液的水质加以控制，防治进一步污染，主要是控制酸碱度，和煤层一致以及减少作业用液中的固相物质。其次是要优化注入参数，前期的注入测试过程中的注入量和探测半径都比较小，资料的诊断曲线不能真实反映流动特性，从而影响分析结果，因此需要改善注入参数，主要通过增加注入作业用液的量以及延长闭井时间。

测试工具的优化

主要包括DST 测试设备的优化以及注入/压降测试设备优化。DST 优化主要是针对不同的煤层特质来选择是采用MFE 还是HST 测试工具，其中MFE 保养简单，结果可靠，成本低廉，成功率高，近年来得到了广泛的应用。注入/压降测试设备的优化主要是指根据实际情况对地面设备、井下设备及配套设备三部分的优化，具体包括井口装置，电子压力计，测试油管等。另外，对井筒管柱结构的优化也是非常关键，采用双封隔器跨隔测试可以降低井储集系数，提高测试准确性。

3 小结

随着科学技术的发展，煤层气测试技术也在不断进步，传统的真空罐法和集气法已经不能满足人们的需求，而解吸法通过完善和改进，测试结果已经较为准确，再结合现代测试优化方法，相信将来我们必定能够更准确的推算煤层气的性质以及含量。