【正文】 第五章 煤儲層含氣性及其地質(zhì)控制含氣量是確定煤層氣資源量必不可少的參數(shù)，與儲層壓力和吸附等溫線結(jié)合起來使用，還可以預(yù)測煤層氣的產(chǎn)能。值得注意的是，并不是每個含煤區(qū)，每個煤層都賦存有可供開采的煤層氣。因此，必須預(yù)先測定煤層的含氣量。第一節(jié) 煤儲層含氣量的構(gòu)成 煤層含氣量測定方法目前為大多數(shù)人所接受的是美國礦業(yè)局（USBM）的直接法（Kissel等，1973）。我國在此基礎(chǔ)上作了大量修改，由撫順分院等單位制定了“煤層瓦斯含量和成分測定方法”（MT778MT7794）。新的煤層氣含量測定方法（GB/T 19559—2004）見附錄五。一、階段含氣量USBM直接法USBM直接法測定的煤層含氣量是由三階段實測氣量構(gòu)成，即逸散氣量、解吸氣量和殘留氣量。逸散氣量：指從鉆頭鉆至煤層到煤樣放入解吸罐以前自然析出的天然氣量。這部分氣體無法直接測得，通常依據(jù)前兩小時的解吸資料推測。逸散氣的體積取決于鉆孔揭露煤層到把煤樣密封于解吸罐的時間、煤的物理特性、鉆井液特性、水飽和度和游離態(tài)氣體含量。縮短取心時間是準(zhǔn)確計算逸散氣的有效途徑之一，如采用繩索取心對于600m的井深只需幾分鐘，這就大大降低了逸散氣的體積。不同物理特性的煤具有不同的解吸速率，如碎粉煤、糜棱煤由于擴散距離短造成逸散氣體積大。鉆井液的比重較大時對于煤層氣的逸散有阻滯作用。如果煤儲層被水飽和，游離態(tài)煤層氣含量低，則逸散氣體積??；相反如果煤儲層未被水飽和，游離態(tài)煤層氣含量高，則逸散氣體積較大。解吸氣量：解吸氣是指煤樣置于解吸罐中在正常大氣壓和儲層溫度下，自然脫出的煤層氣量。終止于一周內(nèi)平均解吸氣量小于10ml/，實測的解吸氣量只是總解吸氣量的一部分，總解吸氣量應(yīng)包括逸散氣量。殘留氣量：是指充分解吸結(jié)束后殘留在煤樣中的氣量。將樣品罐加入鋼球后密封，放在球磨機上磨2h，然后按測試解吸氣的程序測殘留氣。殘留氣或者是由于擴散速率極低所致，或者是在一個大氣壓下煤層氣處于吸附平衡狀態(tài)，不再解吸。根據(jù)Diamond對美國1500個煤樣的統(tǒng)計，殘留氣體積在低煤級煤中可占總含氣量的40%50%，而中高變質(zhì)煙煤的殘留氣僅占總含氣量的10%以下。%~%之間，%。在煤層氣開發(fā)中要特別注意殘留氣的含量，因為這部分氣體是目前經(jīng)濟技術(shù)條件下難以回收的。MT7784解吸法我國MT7784測定的煤層含氣量由四部分組成，包括損失氣量（V1）、現(xiàn)場2h解吸量（V2）、真空加熱脫氣量（V3）以及粉碎脫氣量（V4）。國內(nèi)、外解吸氣中逸散氣量（損失氣量）所指部分是相同的，但國內(nèi)2h解吸氣量只是美國解吸氣量的一部分，且不是在儲層溫度下進行的，盡管氣體體積校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，但不同溫度條件下，煤層氣的解吸速度不同。因此，由2h解吸氣量推算的逸散氣量（損失氣量）也存在差別。解吸溫度低時，逸散氣量（損失氣量）偏少；解吸溫度高時，逸散氣量（損失氣量）偏大。在現(xiàn)場把出井的煤心或煤屑立即裝罐密封，以樣品罐密封起計時測量。解吸氣量的測定及求取過程中需要進行精確的時間記錄。包括：開始鉆遇煤層時間（t0）、開始取芯時間（t1）、開始起鉆時間（t2）、煤芯提至井深一半時間（t3）、煤芯提出井口時間（t4）、完成煤心封罐時間（t5）、開始解吸時間（t6）。USBM法測試要求解吸開始按每小時計量4~5次，壓力不超過28~34KPa，含氣量高的樣品計量要求加密，幾天過后氣量已經(jīng)很小，氣壓發(fā)生波動，要防止發(fā)生倒吸現(xiàn)象，當(dāng)解吸速率降為一周內(nèi)平均每天低于10ml時，停止現(xiàn)場解吸。國內(nèi)煤層瓦斯解吸儀進行解吸測定時要求煤芯提出井口時間(t4)與完成煤芯封罐時間(t5)間隔小于15min，密封時間與解吸時間間隔小于2min，現(xiàn)場解吸2小時后，停止解吸。在美國應(yīng)用USBM法測定含氣量時一般不測定殘余氣量，因為解吸周期長，殘余氣體難以解吸，對采收率幾乎沒有影響。國內(nèi)進行現(xiàn)場2h解后，必須測定殘余氣量。將經(jīng)過解吸測定的煤樣，在密封狀態(tài)下盡快送到試驗室進行加熱脫氣，加熱脫氣后將煤樣粉碎，再進行一次脫氣（簡稱粉碎脫氣）。即要經(jīng)過以下兩個步驟： 加熱脫氣：開罐之前抽真空，加熱至95186。C，一直進行到每半小時內(nèi)脫出氣量小于10ml為止（一般持續(xù)5h左右）。粉碎脫氣：煤樣密封在球磨罐中到球磨機上粉碎4~5h，然后再進行抽真空、加熱脫氣5h左右。二、逸散氣量（損失氣量）的計算逸散氣量（損失氣量）與取心至樣品密封解吸罐中所需時間有關(guān)，取心、裝罐所需時間越短，則計算的逸散氣量（損失氣量）越準(zhǔn)確。當(dāng)逸散氣量（損失氣量）不超過總含氣量的20%時，直接法所測的含氣量比較準(zhǔn)確。解吸氣和逸散氣（損失氣量）是煤層氣的可采部分，因此準(zhǔn)確測定逸散氣（損失氣量）至關(guān)重要。美國礦業(yè)局采用的直接法計算逸散氣的理論依據(jù)是：煤體內(nèi)的空隙是球形的，且孔徑的分布是單峰的，氣體在孔隙中的擴散是等溫的且服從菲克第一定律，所有孔隙中氣體的初始濃度相同，球體的邊界處濃度為零。則解吸最初幾個小時釋放出的氣體與解吸時間的平方根成正比，總的解吸量可由下式表示： （51）式中：—總解吸量，ml；—逸散氣量，ml；—系數(shù)；—解吸罐解吸時間，min；—逸散時間，min。令，則上式寫為： （52） 其中實測解吸氣量。由此在解吸氣量與時間的平方根的圖中（一般取前10個點），反向延長到計時起點，即可估算出逸散氣量（圖51）。直接法的計時起點與鉆井液類型有關(guān)，對于氣相或霧相取心，假設(shè)取心筒穿透煤層即開始解吸，損失時間（逸散時間）為取心時間、起鉆時間和樣品到達地面后密封在解吸罐中之前時間的總和。對于清水取心，假設(shè)當(dāng)巖心提到距井口一半時開始解吸，這種情況下，損失時間為起鉆時間的一半加上地面裝罐之前的時間。圖51 逸散氣量的估算三、史密斯－威廉斯法原理與方法計算逸散氣量的直接法以孔隙單峰分布為前提，即假設(shè)所有孔隙大小都是相同的。1972年以來，對煤層中甲烷擴散作用的研究表明，煤的孔隙結(jié)構(gòu)為“雙峰型”。測定逸散氣量的史威法正是把這種雙峰分布的孔隙結(jié)構(gòu)作為前提，通過實驗對比表明，雙峰分布的孔隙擴散模型成功地說明了解吸特征。史威法是史密斯和威廉斯（Smith amp。 Williams，1981）建立的，使用鉆井巖屑測定煤層含氣量。在井口收集鉆屑裝入解吸罐中，解吸方法與直接法相同。該方法假設(shè)巖屑在井筒上升過程中壓力線性下降，直至巖屑到達地面，通過求解擴散方程，將其分解成兩個無因次時間的形式： （53） 　　（54）式中 STR—地面時間比，無因次；LTR—損失時間比，無因次； —實測被解吸出全部氣體體積（STD）的25％所需的時間。由兩個無因次時間比查表或讀圖得到校正因子（圖52），用校正因子乘以實測解吸氣量即得到總解吸氣量，總含氣量減解吸氣量，得逸散氣量。逸散氣量與總含氣量的比值小于50％時，史威法是準(zhǔn)確的，即校正因子最大值是2。另外，雖然史威法是根據(jù)鉆井巖屑解吸建立的，也適用于取心樣品含氣量的確定。圖52 史密斯和威廉斯計算逸散氣量（Smith amp。 Williams，1981）四、相態(tài)含氣量原位狀態(tài)下煤層含氣量是吸附氣、游離氣和水溶氣動平衡的結(jié)果（直接測量煤層氣初始含量幾乎是不可能的）。吸附氣占80~92%（表32），水溶氣、游離氣在低煤級煤和高煤級煤中占有較高的比例。煤層氣的三種賦存狀態(tài)往往由于鉆井和采樣過程中外界條件的改變而發(fā)生變化。所以，在測定煤樣含氣量時并不是按這三種狀態(tài)去測定的。測定含氣量時，通常只測其游離氣和吸附氣含量，且必須注意，煤層氣在地下的三種賦存狀態(tài)和樣品狀態(tài)下分別測定的階段含氣量不能等同而論。吸附氣可由等溫吸附實驗來模擬（見第四章），溶解氣可由溶解度實驗來模擬，游離氣可按理想氣體狀態(tài)方程來計算。溶解氣甲烷溶解度實驗表明：礦化度相同的水樣（模擬離子濃度，如NaHCO3）甲烷溶解度隨壓力增加而增大；當(dāng)溫度低于80℃時，甲烷溶解度隨溫度的升高而降低。根據(jù)不同的儲層溫度、壓力在不同礦化度系列圖上量出相應(yīng)的水溶甲熔含量，建立不同儲層壓力、　　　　圖 53 甲烷溶解度與礦化度的關(guān)系溫度條件下，礦化度與水溶甲烷的量板（圖53），通過此量板可得出不同溫度、壓力和礦化度條件下的水溶甲烷含量。甲烷在煤層水中的溶解度大于去離子水中的溶解度，去離子水中的溶解度又大于相同礦化度水中的溶解度，壓力越高越明顯（表51），可見煤層水中的有機質(zhì)隨壓力增加對甲烷具有較強的吸附作用。因此，水溶氣還應(yīng)包括有機質(zhì)微粒的吸附氣（不同煤級的有機質(zhì)微粒的吸附能力相差很大）。煤儲層中水溶氣的含量可由煤層水樣在原位溫、壓條件下的溶解度實驗，結(jié)合煤儲層原位含水量得出。 表51 甲烷溶解度實驗成果 單位：m3甲烷/m3水溫度/℃壓力/ MPa潘莊煤層氣井水樣等量礦化度水樣去離子水溶液*2051402214036*據(jù)鄭大慶，等（1996）在100℃、相同壓力下去離子水溶液中溶解度的線性插值，潘莊煤層氣井水樣礦化度為1756mg/L，等量礦化度水樣是指含1756mg/L NaHCO3的水樣。游離氣存在于煤孔隙和裂隙空間的自由氣體，稱為游離氣。對于氣體在壓力不超過20MPa，溫度不低于20℃時，游離氣含量通常按理想氣體狀態(tài)方程式進行計算，即： 或 （55）式中，P0 、V0、T0，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下游離氣壓力、游離氣體積（煤層總孔隙體積減去被水占據(jù)的孔隙體積）和絕對溫度；P 、V、T，儲層狀態(tài)下游離氣壓力、游離氣體積（可由煤巖體三軸壓縮實驗得總孔隙體積，再減去被水占據(jù)的孔隙體積或