1、煤层含气量测定方法及影响因素煤层含气量测定方法及影响因素唐书恒唐书恒中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）（一）美国矿业局（一）美国矿业局（USBM）的直接法）的直接法 1、逸散气量逸散气量 指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然气量。逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸气量。逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气体含量。体含量。2 2、解吸气量、解吸气量 指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下，自
2、然脱指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下，自然脱出的煤层气量。终止于一周内平均解吸气量小于出的煤层气量。终止于一周内平均解吸气量小于10ml/d10ml/d或在一或在一周内每克样品的解吸量平均小于周内每克样品的解吸量平均小于0.05ml/d0.05ml/d。一、煤层含气量测定方法一、煤层含气量测定方法3 3、残留气量、残留气量 指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量。指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量。二、中国的解吸法二、中国的解吸法1 1、损失气量（、损失气量（V1）2 2、现场、现场2h解吸量（解吸量（V2）3 3、真空加热脱气量（、真空加热脱气量（V3）4 4、粉碎脱气量（、粉
3、碎脱气量（V4）二者的差异：解吸时间、温度、阶段二者的差异：解吸时间、温度、阶段 一、煤层含气量测定方法一、煤层含气量测定方法直接法测定的含气量直接法测定的含气量散失气量散失气量 解吸气量解吸气量 残余气量残余气量 即损失气量，指煤心快速取出，现场直接装即损失气量，指煤心快速取出，现场直接装入解吸罐之前释放出的气量。这部分气体无入解吸罐之前释放出的气量。这部分气体无法计量，必须根据散失时间的长短及实测解法计量，必须根据散失时间的长短及实测解吸气量的变化速率进行推算。吸气量的变化速率进行推算。指煤心装入解吸罐之后解吸出的气体总量。指煤心装入解吸罐之后解吸出的气体总量。实验过程中需要求出气量随时间
4、的变化规律，实验过程中需要求出气量随时间的变化规律，结合一些基础数据计算解吸气量。解吸过程结合一些基础数据计算解吸气量。解吸过程一般延续两周至四个月，根据解吸气量的大一般延续两周至四个月，根据解吸气量的大小而定。一般在一周内平均解吸速度小于小而定。一般在一周内平均解吸速度小于10cm3/d时可终止解吸。时可终止解吸。指终止解吸后仍留在煤中的那部分气体。需指终止解吸后仍留在煤中的那部分气体。需将煤样装入球磨罐中密封，破碎后，放入恒将煤样装入球磨罐中密封，破碎后，放入恒温装置中，待恢复到储层温度后按规定的时温装置中，待恢复到储层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸，直至连续间间隔反复进行气体解吸
5、，直至连续7 天解天解吸的气体量平均小于或等于吸的气体量平均小于或等于10cm3/d，测定，测定其残余气量其残余气量。一、煤层含气量测定方法一、煤层含气量测定方法损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响 不同结构类型煤样的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响测试样品选择的影响散失时间的影响散失时间的影响温度、压力影响温度、压力影响 球磨时间的影响球磨时间的影响其它外在影响因素其它外在影响因素 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响目前计算煤层含气量测试过程中采样损失量目前计算煤层含气量测试过程中采样损失量的方法包括：的方法包
6、括：法、幂函数法、负指数函数法、幂函数法、负指数函数法等，其中法等，其中 法是最常用的计算方法。法是最常用的计算方法。tt二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素式中：式中：V煤样自暴露开始时起一定时间段内煤层气解煤样自暴露开始时起一定时间段内煤层气解吸量，吸量，mL；a，b待定常数，它可以根据装罐煤样在解吸初期待定常数，它可以根据装罐煤样在解吸初期的解吸煤层气量与时间平方根，大致呈直线关系的各测的解吸煤层气量与时间平方根，大致呈直线关系的各测定坐标，用最小二乘法求出；定坐标，用最小二乘法求出；t1装罐前煤样暴露解吸煤层气时间，装罐前煤样暴露解吸煤层气时间，min；t2装罐后煤样解
7、吸煤层气时间，装罐后煤样解吸煤层气时间，min。（1）法法t 它是半经验计算方法，根据煤样在解吸初它是半经验计算方法，根据煤样在解吸初期，解吸煤层气量期，解吸煤层气量V0与与 的线性关系，的线性关系，求取煤层气损失量，即：求取煤层气损失量，即：21tt 21tt V=a+b 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素负指数函数法是我国科研人员在采集钻孔煤屑测试煤层气负指数函数法是我国科研人员在采集钻孔煤屑测试煤层气含量时常用的计算损失量的方法，该方法认为钻孔煤屑解含量时常用的计算损失量的方法，该方法认为钻孔煤屑解吸煤层气速率与解吸时间之间为负指数函数关系。即：吸煤层气速率与解吸时间之
8、间为负指数函数关系。即：式中式中 r解吸时间为解吸时间为t1时的煤层气解吸速率，时的煤层气解吸速率，mL/s；r0解吸时间开始解吸时间开始(t=0)时刻煤的煤层气解吸速时刻煤的煤层气解吸速 率，率，mL/s；k常数。常数。从从 t0到到t1时间间隔内损失煤层气量为：时间间隔内损失煤层气量为：（2）负指数函数法）负指数函数法 kt0err）（1ekrrdtQ110kt0tt二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素 对于这两种方法，虽然对于这两种方法，虽然 法是最为常法是最为常用的，但对于构造煤，采用负指数函数法用的，但对于构造煤，采用负指数函数法计算损失气量，误差更小。计算损失气量，
9、误差更小。t二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响 不同结构类型煤样的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响测试样品选择的影响散失时间的影响散失时间的影响温度、压力影响温度、压力影响 球磨时间的影响球磨时间的影响其他外在影响因素其他外在影响因素 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素（1）不同结构煤样暴露时间与解吸量的关系）不同结构煤样暴露时间与解吸量的关系两种结构类型煤样两种结构类型煤样用用 法计算的煤层气解吸量值都有随煤样暴露时间增大法计算的煤层气解吸量值都有随煤样暴露时间增大而变小的趋势。而变小的趋势。用用 法
10、计算煤层气含量时，法计算煤层气含量时，应尽量缩短煤样暴露时间。应尽量缩短煤样暴露时间。尤其在测定构造煤尤其在测定构造煤的煤层气含量时，更应设法减少煤样暴露时间，否则会造成比较大的误差的煤层气含量时，更应设法减少煤样暴露时间，否则会造成比较大的误差 tt二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素（2）不同结构类型煤样采用不同解吸时间段对计算损失量的影响）不同结构类型煤样采用不同解吸时间段对计算损失量的影响 不同结构类型煤样，采用不同的解吸时间段计算煤层气损失不同结构类型煤样，采用不同的解吸时间段计算煤层气损失量，有不同结果。对于煤层气解吸速率快的煤样，量，有不同结果。对于煤层气解吸速率
11、快的煤样，在计算损失在计算损失量时采用的解吸时间段应该短一些；而对于煤层气解吸速率慢量时采用的解吸时间段应该短一些；而对于煤层气解吸速率慢的煤样，在计算损失量时解吸时间段可以适当取长一些。的煤样，在计算损失量时解吸时间段可以适当取长一些。原生结构煤解吸时间段原生结构煤解吸时间段/s2160180015001200900600300240原生结构煤瓦斯损失量原生结构煤瓦斯损失量/mL72.3183.6990.3194.68101.35114.43119.65124.56构造煤解吸时间构造煤解吸时间/s618.5558.5498.5438.5378.5318.5258.5198.5构造煤瓦斯损失量
12、构造煤瓦斯损失量/mL14.7233.6355.1380.609112.16148.69194.69247.79表表2 不同结构类型煤样采用不同解吸时间段计算的瓦斯损失量不同结构类型煤样采用不同解吸时间段计算的瓦斯损失量二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素（3）不同损失量计算方法下的数据对比）不同损失量计算方法下的数据对比不同计算方法下构造煤煤样煤不同计算方法下构造煤煤样煤层气解吸速率变化曲线层气解吸速率变化曲线 对于煤层气初期解吸速率较快的构造煤煤样，对于煤层气初期解吸速率较快的构造煤煤样，采用负指数函数法计算煤样损失量，比采用采用负指数函数法计算煤样损失量，比采用 法计算煤
13、样损失量的结果更符合实际情况法计算煤样损失量的结果更符合实际情况 t二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响 不同结构类型煤样的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响测试样品选择的影响散失时间的影响散失时间的影响温度、压力影响温度、压力影响 球磨时间的影响球磨时间的影响其他外在影响因素其他外在影响因素 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素测试样品的选择测试样品的选择（1）对自然解吸量的影响）对自然解吸量的影响煤心、煤屑样品解吸速率对比图煤心、煤屑样品解吸速率对比图 统计发现，煤心样品的解吸持续时间统计发现，煤心样品的
14、解吸持续时间是煤屑样品的是煤屑样品的25倍，总气含量煤心倍，总气含量煤心样品为煤屑样品的样品为煤屑样品的1.53倍，吸附时倍，吸附时间煤心样品为煤屑样品的间煤心样品为煤屑样品的215倍。倍。粒度大的块状样品，煤体暴露的比表粒度大的块状样品，煤体暴露的比表面积小，气体扩散、运移的路径相对长，面积小，气体扩散、运移的路径相对长，气体克服扩散阻力大，采样时逸散气量气体克服扩散阻力大，采样时逸散气量小，装罐后解吸气量大，解吸结束束缚小，装罐后解吸气量大，解吸结束束缚在煤中的气量大，磨后残余气量也大。在煤中的气量大，磨后残余气量也大。二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素测试样品的选择测试
15、样品的选择（2）对损失气量计算的影响）对损失气量计算的影响 煤心样品：煤心样品：在清水钻进时，岩心管提至井深一半处的时间为在清水钻进时，岩心管提至井深一半处的时间为零时间，假设此时气体压力大于储层压力开始解吸。从零时间零时间，假设此时气体压力大于储层压力开始解吸。从零时间到样品装罐密封的时间为损失气时间。到样品装罐密封的时间为损失气时间。煤屑样品：煤屑样品：如为清水钻进，停钻后开泵循环至煤屑到筛时间如为清水钻进，停钻后开泵循环至煤屑到筛时间的的1/4为零时间，零时间与到筛时间的和为损失气时间。为零时间，零时间与到筛时间的和为损失气时间。大量测试表明，大量测试表明，同一煤层的煤屑样品损失气量大约
16、是煤心样同一煤层的煤屑样品损失气量大约是煤心样品的品的23倍。倍。二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响 不同结构类型煤样的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响测试样品选择的影响散失时间的影响散失时间的影响温度、压力影响温度、压力影响 球磨时间的影响球磨时间的影响其他外在影响因素其他外在影响因素 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素散失时间的影响散失时间的影响 把含气量测定数据与吸附等把含气量测定数据与吸附等温线结合可计算临界解吸压力，温线结合可计算临界解吸压力，并换算到取心起钻时气体开始解并换算到取心起钻时气体
17、开始解吸的深度，作为散失时间的计时吸的深度，作为散失时间的计时起点来计算散失气，这样做更为起点来计算散失气，这样做更为科学科学。煤层号煤层号15号号深度（深度（m）630VL（ml/g）25.94PL(MPa)2.35实测含气量实测含气量Vme（ml/g）11.37实测储层压力实测储层压力（Mpa）3.82施工时液柱压力施工时液柱压力P液液（Mpa）6.24临界解吸压力临界解吸压力Pcd（MPa）2.50山西长子县山西长子县15-2号煤芯样品等温吸附数据号煤芯样品等温吸附数据二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素15-2煤芯样品煤芯样品提钻时间：提钻时间：120min装样暴露时间
18、：装样暴露时间：5min散失时间：散失时间：65min根据临界解吸压力求得根据临界解吸压力求得气体在气体在H=252.57m处开处开始解吸，进而校正损失始解吸，进而校正损失时间为时间为53.11min损失量：损失量：2378.1ml损失量：损失量：1963.5ml损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响 不同结构类型煤样的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响测试样品选择的影响散失时间的影响散失时间的影响温度、压力影响温度、压力影响 球磨时间的影响球磨时间的影响其他外在影响因素其他外在影响因素 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素温度、压力的影响温度、压力的影响气体解
19、吸量是温度、压力、时间的函数。采样时周气体解吸量是温度、压力、时间的函数。采样时周围环境温度、压力变化使得解吸气体积膨胀或收缩；围环境温度、压力变化使得解吸气体积膨胀或收缩；样品本身的温度、压力的变化决定着气体从煤基质样品本身的温度、压力的变化决定着气体从煤基质的扩散速率及通过微孔、裂隙的解吸速率。的扩散速率及通过微孔、裂隙的解吸速率。Mavor等人研究表明，将两个组成和煤级相似的等人研究表明，将两个组成和煤级相似的样品分别在接近储层温度和低于储层温度下自然解样品分别在接近储层温度和低于储层温度下自然解吸，发现低于储层温度的样品损失气低估吸，发现低于储层温度的样品损失气低估57%，气，气含量低
20、估含量低估29%，吸附时间缩短了，吸附时间缩短了3 倍多。倍多。二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素温度、压力的影响温度、压力的影响随温度升高，解吸速率加快；反之，解吸速度降低。随温度升高，解吸速率加快；反之，解吸速度降低。由于季节由于季节及昼夜温差的变化会影响解吸速率，给实验结果带来误差。即及昼夜温差的变化会影响解吸速率，给实验结果带来误差。即使样品罐恒温解吸，但煤心从地层到地面再移入恒温池的过程使样品罐恒温解吸，但煤心从地层到地面再移入恒温池的过程中，温度变化也会影响解吸速率。所以中，温度变化也会影响解吸速率。所以应尽量消除温差变化对应尽量消除温差变化对解吸的影响，实测解吸
21、气时，应将解吸样品罐放置于恒温池中，解吸的影响，实测解吸气时，应将解吸样品罐放置于恒温池中，温度应接近地层温度。温度应接近地层温度。实际解吸过程中，实际解吸过程中，储层温度和压力高的煤层，气体扩散、储层温度和压力高的煤层，气体扩散、解吸速率也高。需要记录环境温度和压力数据，将实测的解解吸速率也高。需要记录环境温度和压力数据，将实测的解吸数据校正到标准条件下才可使用。吸数据校正到标准条件下才可使用。二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响 不同结构类型煤样的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响测试样品选择的影响散失时间的影响散失时间
22、的影响温度、压力影响温度、压力影响 球磨时间的影响球磨时间的影响其他外在影响因素其他外在影响因素 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素球磨时间的影响球磨时间的影响测试时，恒定的球磨时间是实验结果可比的前提条件。一测试时，恒定的球磨时间是实验结果可比的前提条件。一般华北石炭二叠纪低中煤级煤球磨般华北石炭二叠纪低中煤级煤球磨2h，样品的大部分可达到，样品的大部分可达到60目以下，高煤级煤或硬度较大的煤，则需要目以下，高煤级煤或硬度较大的煤，则需要4h或更长的或更长的时间才可达到该效果。时间才可达到该效果。对不同时代、不同地区煤样，球磨时间的再探索是必要的，对不同时代、不同地区煤样，
23、球磨时间的再探索是必要的，可考虑它们的岩石学组成、变质作用类型等地质因素。可考虑它们的岩石学组成、变质作用类型等地质因素。二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素损失气量计算方法的影响损失气量计算方法的影响 不同结构类型煤样的影响不同结构类型煤样的影响测试样品选择的影响测试样品选择的影响散失时间的影响散失时间的影响温度、压力影响温度、压力影响 球磨时间的影响球磨时间的影响其他外在影响因素其他外在影响因素 二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素其他外在影响因素其他外在影响因素（1）提钻速度）提钻速度 一般来说，逸散量随提钻速度增大而减小。一般来说，逸散量随提钻速度增大而
24、减小。经拟合，逸散量和提钻速度满足如下关系：经拟合，逸散量和提钻速度满足如下关系：式中：式中：QL为逸散量，为逸散量，cm3/g，A，B为煤层特为煤层特征系数，不同煤层煤样具有不同的征系数，不同煤层煤样具有不同的A，B值，但此值，但此处处B值越大提钻速度对逸散量的影响也越大。值越大提钻速度对逸散量的影响也越大。BvLAeQ二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素其他外在影响因素其他外在影响因素（1）提钻速度）提钻速度 以前的研究认为：提钻速度快，煤芯煤层气逸散以前的研究认为：提钻速度快，煤芯煤层气逸散时间缩短，逸散量就会降低。时间缩短，逸散量就会降低。这种观点不是很全这种观点不是很
25、全面的。面的。某样品某样品13mm子样模拟提钻速子样模拟提钻速度与逸散量关系度与逸散量关系 提高提钻速度，是减小了逸散提高提钻速度，是减小了逸散时间，但最终的压降是相同的。时间，但最终的压降是相同的。构造煤扩散系数较大，压降造成构造煤扩散系数较大，压降造成的煤层气解吸量可能是相似的，的煤层气解吸量可能是相似的，并没有因提钻速度的变化而有效并没有因提钻速度的变化而有效变化。变化。二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素其他外在影响因素其他外在影响因素（2）钻井液密度）钻井液密度 提高钻井液的密度，可以在一定程提高钻井液的密度，可以在一定程度上减小逸散量的损失。度上减小逸散量的损失。在
26、极限条件在极限条件下，如果有一种介质密度足够大，那下，如果有一种介质密度足够大，那么可以保证煤样在临近地表时才开始么可以保证煤样在临近地表时才开始解吸。解吸。二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素模拟地层条件模拟地层条件设法减少散失气量设法减少散失气量完善损失气计算方法完善损失气计算方法最优化其他外在因素最优化其他外在因素提高残余气量的准确性提高残余气量的准确性措施措施减少暴露时间，区分性选择不同减少暴露时间，区分性选择不同解吸时间段，采用煤心样品。解吸时间段，采用煤心样品。储层温度条件储层温度条件根据结构类型选择计算方法根据结构类型选择计算方法球磨法（时间要求）球磨法（时间要求）提钻速度适中，钻井液密度提钻速度适中，钻井液密度二、煤层含气量测定影响因素二、煤层含气量测定影响因素测定方法的改进建议测定方法的改进建议谢谢各位专家，谢谢各位专家，请提出宝贵意见！请提出宝贵意见！
