低煤阶煤样解吸曲线数学模型及解吸气量测试新方法_王磊.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 低煤阶煤层气主要指赋存在镜质体反射率小于 0.65的煤岩中的煤层气[1]。我国低煤阶煤层气资源 丰富， 资源量达到 10.31012m3， 主要分布在准噶尔、 二连、 吐哈、 三塘湖、 鄂尔多斯和海拉尔等盆地[2]。其 中，二连盆地低煤阶煤层气资源丰富，但煤层气富 集和主控因素认识不足，制约了开发实践。许多学 者对二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气富集高 产区评价及产能影响因素进行了研究[3-7]。李磊等研 究了低煤阶煤样的解吸速率，认为在自然解吸状态 下不同煤体结构对解吸速率具有影响[8]。陈振宏研 究了高低煤阶煤岩解吸速率差异，认为高煤阶煤层 气储层含气量高， 平均解吸速率大[9]。上述研究均是 对解吸速率定性的研究， 定量研究较少。因此， 基于 煤样自然解吸数据得到解吸速率与解吸时间定量经 低煤阶煤样解吸曲线数学模型及解吸气量 测试新方法 王磊 1， 吕亚辉1， 王 聪 2 （1.华北油田分公司勘探开发研究院， 河北 任丘 062552； 2.黑龙江省煤田地质测试研究中心 黑龙江 哈尔滨 150000） 摘要 为了定量评价煤样的解吸速率， 减少煤样解吸气量测试时长， 基于吉尔嘎郎图凹陷煤样 解吸实验数据， 建立了解吸速率与解吸时间之间的定量关系， 进而得到了解吸时间与累积解吸 气量的定量关系， 并据此提供了新的解吸气量测试方法。结果表明 煤样解吸速率随解吸时间增 加而降低， 初始解吸速率越大、 解吸速率指数越小， 煤样解吸速率越大； 煤样不同时刻累计解吸 气量可以用公式定量表征。 关键词 低煤阶； 解吸气量； 解吸速率； 解吸曲线； 数学模型 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0012-05 Mathematical Model of Desorption Curve and Desorption Gas Content Test for Low-rank Coal Samples WANG Lei1, LYU Yahui1, WANG Cong2 （1.Exploration and Development Research Institute of Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, China;2.Coal Field Geological Test Research Center of Heilongjiang Province, Harbin 150000, China） Abstract The gas content and desorption rate of coal reservoir have important influence on the high and stable production of CBM well. In order to quantitatively uate the desorption rate of coal samples, and to reduce the test time of desorption gas content, this paper builds a quantitative relationship between absorption rate and desorption time based on desorption experiment data of coal samples from Jiergalangtu Sag of Erlian Basin. And the quantitative relationship between desorption time and cumulative desorption gas content is established, based on this, a new desorption gas testing s is proposed also. The results show that the desorption rate of coal sample decreases with the increase of desorption time. The larger the initial desorption rate value, the smaller the desorption rate, the larger the desorption rate of coal ation. The desorption curve of coal sample can be quantitatively characterized by ula. Key words low coal rank; desorption gas content; desorption rate; desorption curve; mathematic model DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.003 王磊， 吕亚辉， 王聪.低煤阶煤样解吸曲线数学模型及解吸气量测试新方法 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7 ） 12-16. WANG Lei，LYU Yahui，WANG Cong. Mathematical Model of Desorption Curve and Desorption Gas Con－ tent Test for Low-rank Coal Samples ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 12-16.移动扫码阅读 基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05041- 003） 12 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 验公式，进而通过积分得到累积解吸气量计算公 式，为降低解吸气量测试时间，提高测试精度进而 精确评价煤层气储层含气量和解吸效率奠定基础。 1地质概况 吉尔嘎朗图凹陷位于二连盆地乌尼特坳陷西南 端，北东、南西分别与包尔果吉、布朗沙尔凹陷相 连，西北与苏尼特隆起相接，东南与大兴安岭隆起 相邻[10]。吉尔嘎郎图凹陷主要沉积盖层为下白垩统 含煤含油气碎屑岩系，其直接基底为侏罗系。上白 垩统及新生界基本上缺失，仅见几米厚的第四系松 散沉积物[11]。研究区主要发育 2、 3和 4煤， 煤层普 遍埋深较浅， 为 100～900 m 之间[11]。以 4煤层为主 要研究对象，最大反射率为 0.34～0.36，为低煤 阶煤层气储层。 甲烷含量为 0.80～2.66 cm3/g， 平均为 1.68 cm3/g。气成分中甲烷含量为 80.87～85.14， 平均 82.59；二氧化碳含量为 11.20～12.73， 平 均为 11.84；氮气含量为 3.10～7.78，平均为 5.51；乙烷及重烃含量为 0.05～0.08，平均为 0.06。甲烷碳同位素较轻， 为-59.42‰～-55.69‰。 空气干燥基 Langmuir 体积 1.89～2.92 cm3/g，平均 2.59 cm3/g； Langmuir 压力 2.05～2.34 MPa， 平均 2.16 MPa。显微组分以镜质组为主， 镜质组含量为 68.8 ～78.8， 平均为 73.8； 惰质组含量为 3.6～8.0， 平均为 5.8；壳质组含量为 3.2～5.4，平均为 4.3。 矿物质含量为 14.4～17.8， 平均为 6.1， 其 中黏土矿物含量为 14.4～17.0， 平均为 15.7； 硫 化物类 0～0.8， 平均为 0.4。 2数学模型 在钻井过程中选取 4煤层 8 块煤样， 煤样埋深 在 405～417 m 之间， 以碎粒煤和糜棱煤为主。 气含量测定遵照 GB/T 19559-2008煤层气含 量测定方法 。先在储层温度条件 （15 ℃） 下进行自 然解吸测试 48 h，然后将温度升至 50 ℃进行快速 解吸测试。 2.1解吸速率数学模型 不同煤样解吸速率曲线如图 1。 由图 1 可知，不同煤样解吸速率与累积解吸时 间关系如下 rat-b（1） 式中 r 为煤样解吸速率， cm3/ （min g） ； t 为累积 解吸时间， min； a 为初始解吸速率， cm3/ （min g） ； b 为解吸速率指数。 图 1 表明，煤样解吸速率随着解吸时间增加而 降低， 在解吸初期解吸速率较高， 8 块煤样的初始解 吸速率在 0.066 2～0.310 2 cm3/ （min g） 之间，初始 解吸速率差异较大。不同煤样解吸速率下降速度不 同， 解吸速率指数越大， 下降速度越快， 8 块煤样解 吸速率指数在 1.087～1.313 之间。不同煤样解吸速 率拟合参数见表 1。表 1 表明， 利用式 （1 ） 可以有效 拟合不同煤样解吸速率，拟合程度均高于 0.95。 2.2解吸曲线数学模型 将煤样累积解吸气量与累积解吸时间组成的曲 图 1不同煤样解吸速率曲线 Fig.1Desorption rate curves for different coals 13 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 线称为解吸曲线，则利用解吸速率对累积解吸时间 积分可得不同煤样的解吸曲线定量关系 Qde＝ t 0 ∫at -b dt（2） Qde＝ a 1-b t （1－b） c（3） 式中 Qde为不同时刻累积解吸气量 cm3/g； c 为 积分常数。 则式 （3） 可以定量表征低煤阶煤样解吸曲线。 由式 （3） 可得 c 值计算方法 c＝ a 1-b t （1－b） －Qde（4） 根据式 （4） 可以得到不同时间对应的不同 c 值， 然后取平均值作为式 （4） 中的最终 c 值。 以煤样 1 为例，将表 1 中煤样 1 解吸速率拟合 参数和不同解吸时间对应的累积产气量实验值代入 式 （4） ， 得到不同解吸时间对应的不同的 c 值， 然后 取平均值 0.430 5 作为最终值。将 c0.430 5 和表 1 中煤样 1 解吸速率拟合参数 a0.226 5， b1.313 代 入式 （3） ， 计算得到煤样 1 不同解吸时间对应的累 积解吸气量。部分煤样计算解吸曲线与实验解吸曲 线对比如图 2。由图 2 发现二者基本重合，表明式 （3） 能够很好的拟合实验数据， 可以定量描述煤样 解吸曲线。 3分析与讨论 3.1煤样解吸气量测试新方法 采用自然解吸法测试煤样解吸气量时，按照 GB/T 195592008 煤层气含量测定方法 要求[12] 分 别以 5、 10、 15、 30、 60、 120 min 为间隔共测定 8 h 以 上， 然后测定间隔改为小于 24 h， 直至连续 7 d 日平 均解吸气量小于 10 cm3， 这样测试实验耗时长、 工作 量大。利用式 （3） 提供的计算公式， 只需要短时间内 少量的数据即可通过拟合得到解吸速率参数 a、 b 和 c， 然后利用式 （1 ） 对后期不同时间的解吸速率进行 预测， 利用式 （3） 对后期不同时间累积解吸气量进 行预测， 直至连续 7 d 日平均解吸气量小于 10 cm3， 这样可以大幅缩短解吸气量测试时间，并大幅降低 劳动强度。 需要指出的是由式 （3） 可知煤样累积解吸气量 随着解吸测试时间增加而持续增加，因此预测煤样 最终的解吸气量需要确定最终解吸时间作为预测截 止时间， 最终解吸时间参照 GB/T 195592008 煤 层气含量测定方法 确定， 即以连续 7 d 日平均解吸 气量小于 10 cm3的解吸时间作为定量预测的最终 图 2部分煤样计算解吸曲线与实验解吸曲线对比 Fig.2Comparison between the calculated desorption curves and the experimental desorption curves of coal samples 表 1不同煤样解吸速率拟合参数 Table 1Fitting parameters for desorption rate curves of different coal samples 煤样 1 2 3 4 5 6 7 8 abR2 0.226 5 0.206 8 0.066 2 0.130 1 0.242 4 0.310 2 0.217 8 0.214 0 1.313 1.225 1.139 1.087 1.233 1.297 1.250 1.236 0.968 3 0.949 9 0.971 2 0.962 7 0.953 0 0.948 7 0.983 2 0.961 9 14 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 解吸时间， 由式 （1） 可知煤样解吸速率随解吸时间 增加而持续下降， 而在 1 d 中解吸速率变化较小， 可 以单位样品的瞬时解吸速率估算全部实验样品的日 解吸气量， 因此最终解吸时间计算如下 t144aq b ■（5） 式中 q 为测试时采用的样品质量， 一般要求大 于 800 g。 以煤样 1 为例，将 q1 250， a0.226 5 和 b 1.313 代入式 （5） 得到 t3 245.66。则对于煤样 1 而 言解吸时间大于 3 245.66 min 时，平均日解吸气量 才小于 10 cm3， 利用式 （3） 计算得到煤样 1 的解吸量 计算曲线，得到煤样 1 的解吸气量为 0.373 cm3/g。 实际测量煤样 1 的自然解吸气量需要测试 54 h 以 上， 而利用式 （3） 预测仅需要几个小时内的数据即 可， 大大降低了解吸气量预测时间和劳动量。 煤样 1 解吸量计算曲线如图 3。 3.2加热快速解吸累积解吸气量偏大 为了快速获得煤样的解吸气量，目前通常采用 提高解吸温度的方法[13]。为了验证该方法对低煤阶 煤层气储层的适用行，在测试后期将温度由储层温 度 （15 ℃） 提升至 50 ℃， 使吸附态的甲烷快速解吸。 以煤样 1、 煤样 2 为例， 计算解吸气量与增温快速解 吸结果对比如图 4。 图 4 表明， 煤样自然解吸得到的 解吸气量小于加热快速解吸得到的解吸气量，煤样 1、煤样 2 自然解吸测得的解吸气量分别为 0.373、 0.522 cm3/g，而加热快速解吸测试得到的解吸气量 分别为 0.434、 0.628 cm3/g，分别为自然解吸气量的 1.16 倍和 1.20 倍， 误差相对较大。这主要是由于提 高解吸温度能够增加甲烷气体的动能，降低煤基质 孔隙的吸附能力，使储层温度下不能产出的部分气 体产出，从而提高了煤层气的解吸气量。因此加热 快速解吸法虽然能够有效降低测试时间, 但是测试 精度却相对较低，这表明测试方法和计算公式在降 低测试时间和保持较高的测试精度上具有优越性。 4结论 1） 煤样解吸速率随解吸时间增加而降低， 在解 吸初期解吸速率较高，解吸速率与累积解吸时间满 足公式 rat-b， 初始解吸速率 a 越大、 解吸速率指数 b 越小， 煤样解吸速率越大。 2） 煤样解吸曲线可以用式 （3） 定量表征。利用 上述公式只需测试少量解吸数据即可以求出 a、 b、 c 的值，进而可以求出任意解吸时间对应的累积解吸 气量。根据式 （5） 可以计算出最终解吸时间， 进而求 出煤样的自然解吸气量。该方法可以大幅降低煤样 解吸气量测试时间和劳动强度。 3） 加热快速解吸法测试得到的解吸气量数值偏 大， 误差相对较大， 利用解吸气量测试方法既能减少 测试时间又能保持较高的测试精度。 参考文献 ［1］ 穆福元， 王红岩， 吴京桐， 等.中国煤层气开发实践与 建议 ［J］ .天然气工艺， 2018， 38 （9） 10-18. ［2］ 孙粉锦， 田文广， 陈振宏， 等.中国低煤阶煤层气多元 成藏特征及勘探方向 ［J］ .天然气工艺， 2018， 38 （6） 10-18. ［3］ 孙粉锦， 李五忠， 孙钦平， 等.二连盆地吉尔嘎朗图凹 陷低煤阶煤层气勘探 ［J］ .石油学报， 2017， 38 （5） 图 4计算解吸气量与增温快速解吸结果对比 Fig.4Calculated desorption volume compared with the results of rapid desorption 图 3煤样 1 解吸量计算曲线 Fig.3Calculation curve of desorption of coal sample 1 15 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 （上接第 11 页） ［22］ 曹树刚， 鲜学福.煤岩固-气耦合的流变力学分析 ［J］ .中国矿业大学学报， 2001 （4） 42-45. ［23］ 赵颖， 陈勉， 张广清.各向异性双重孔隙介质有效应 力定律 ［J］ .科学通报， 2004 （21） 2252-2255. ［24］ Quanlin Liu， Enyuan Wang, Xiangguo Kong, et al. Nu－ merical simulation on the coupling law of stress and gaspressure in the uncovering tectonic coal by cross- cut ［J］ . International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018, 103 33-42. 作者简介 张伟 （1996） ， 安徽六安人， 在读硕士研 究生， 主要从事矿井瓦斯防治方面的研究工作。 （收稿日期 2019-09-20； 责任编辑 王福厚） 作者简介 王磊 （1983） ， 河北衡水人， 工程师， 学 士， 2007 年毕业于西安工程大学，现任华北油田分公司勘 探开发研究院项目经理， 主要从事煤层气地质实验。 （收稿日期 2019-10-12； 责任编辑 王福厚） 485-492. ［4］ 孙钦平， 王生维， 田文广， 等.二连盆地吉尔嘎朗图凹 陷低煤阶煤层气富集模式 ［J］ .天然气工艺， 2018， 38 （4） 59-66. ［5］ 王帅， 邵龙义， 孙钦平， 等.二连盆地吉尔嘎朗图凹陷 煤层气储层特征及勘探潜力 ［J］ .煤田地质与勘探， 2017， 45 （4） 63-69. ［6］ 鲍清英， 东振， 张义， 等.低煤阶应力敏感性机理及其 对产气的影响-以二连盆地为例 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （3） 671-679. ［7］ 东振， 鲍清英， 张继东， 等.低煤阶厚煤层水平井方位 及选层-以吉尔嘎朗图地区为例 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （S2） 417-427. ［8］ 李磊， 李惠林， 李恒.低煤阶煤纳米孔特征及其对吸附 解吸影响 ［J］ .中国煤炭， 2018， 44 （9） 33-37. ［9］ 陈振宏， 王一兵， 宋岩， 等.不同煤阶煤层气吸附、 解吸 特征差异对比 ［J］ .天然气工业， 2008， 28 （3） 30-32. ［10］ 王帅， 邵龙义， 闫志明， 等.二连盆地吉尔嘎朗图凹陷 下白垩统赛汉塔拉组层序地层及聚煤特征 ［J］ .古地 理学报， 2015， 17 （3） 393-403. ［11］ 吴昕， 吴冲龙， 毛小平， 等.吉尔嘎郎图凹陷赛汉塔拉 组沉积特征与超厚煤层异地成因分析 ［J］ .沉积学 报， 2016， 34 （6） 1155-1164. ［12］ 丁安徐， 廖顺舟， 叶建国， 等.测定煤层气含量的四种 解吸法对比分析［J］ . 煤炭科学技术， 2013， 41 （S） 194-196. ［13］ 庞湘伟.煤层气含量快速测定方法 ［J］ .煤田地质与勘 探， 2010， 38 （1） 29-32. 16 ChaoXing