(中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北廊坊065007)
摘要:低階煤巖長期暴露在空氣中，導致有機質和礦物質氧化和過幹，導致含氣量和吸附量偏離真實值，影響煤層氣資源的地質評價和計算。為了定量研究氧化和過幹燥對低階煤含氣性和吸附特性的影響，選取了吐哈盆地某井的4個低階新鮮煤樣品，分別在空氣中暴露1天、7天、15天和30天進行測試。分析表明,( 1)低階煤樣幹燥時間越長，失水越大，平衡含水量無法恢復到初始狀態，導致原位基瓦斯含量和原位基密度計算結果偏大，高估了資源量；(2)過度幹燥和氧化導致煤巖原有孔隙結構重新分布，中孔與大孔的比值較大，降低了煤巖的吸附能力，但同時水分的減少增強了煤巖的吸附能力。兩者的綜合作用使得煤巖的吸附量整體較大，導致吸附飽和度和降壓解吸前景被低估。基於此，提出兩點建議:(1)對於低煤階勘探中的取芯和測試各工序，應制定嚴格的樣品處理、制備和儲存標準，堅決防止煤巖氧化和過幹；(2)在評價低階地質和計算煤層氣資源量時，要充分了解煤巖測試的全過程，分清數據的真實性和可靠性，慎重取值。
關鍵詞:低階煤巖試驗、氧化和過幹地質評價、煤層氣資源量計算
基金項目:國家科技重大專項33號項目《煤層氣富集規律及有利區塊預測評價研究》(項目號2011zx05033)是05號子項目《中國煤層氣評價與勘探部署建議》(項目號2011zx05033-005)。
作者簡介:鄧澤，1982出生，男，工程師，山西運城人，2008年獲得中國石油大學地質工程碩士學位，主要從事煤層氣地質評價及實驗研究工作。郵箱:鄧澤@中石油。com。cn。聯系電話:(010) 69213353。
低階煤測試與資源評價的不確定性——以吐哈盆地為例
鄧澤孫奮金陳耿平曾劉萍
(中國石油廊坊分公司石油勘探開發研究院，河北蘭芳，065007)
摘要:低階煤對幹燥和氧化更加敏感，這可能會影響近似、等溫吸附、表面積測試等測試結果的準確性，造成對煤層氣資源的嚴重誤解。為了定量地研究這種影響，對來自中國吐哈盆地的四種低階煤分別進行了24小時、7天、65±05天和30天的空氣幹燥。結果表明:(1)當低階煤的水分損失超過最小值(平衡水分)時，不可能再平衡回到初始值，導致原位瓦斯含量、原位密度增加，煤的表面積減小，工業分析和元素分析的不確定性增加。(b)在沒有保護程序的較長時間內，資源將被高估，並且由於較高的吸附容量和較低的飽和度估計，解吸容量將被低估。這些結果提醒我們在低階煤的采樣、制備和保存中應采用嚴格的煤保護程序，在資源評價中應仔細選擇數據。
關鍵詞:低秩；烘幹；氧化；資源評估
1前言
目前，我國煤層氣開發已從試驗階段進入小規模商業化生產階段，但大部分勘探開發工作集中在沁水盆地和鄂爾多斯東部邊緣的中高煤階地區，低煤階地區的勘探開發仍處於起步階段。但低煤階地區煤層厚、滲透性好、資源量大以及常規油氣和煤層氣賦存的特點，加上美國汾河盆地、澳大利亞蘇拉特盆地等國外低煤階盆地的成功勘探開發經驗，使得低煤階煤層氣的開發前景更加廣闊，有望成為我國下壹步煤層氣勘探開發重點[1 ~ 4]。正確認識低煤階煤儲層和煤層氣資源特征是低煤階煤突破的前提和基礎。由於低階煤巖具有熱演化程度低、含水量高、易氧化的特點，常規測試過程可能導致有機質和礦物質的氧化和過幹，從而導致含氣性和吸附能力偏離真實值，影響煤層氣資源的地質評價和計算[5]。目前，人們普遍意識到低階煤巖測試的特殊性，但關於測試結果不確定性的報道很少。因此，迫切需要定量研究和評價氧化和過幹燥對低階煤巖含氣性和吸附能力的影響，並在此基礎上建立嚴格的實驗測試程序和規範，以提高低階煤巖測試的準確性。
2實驗
2.1實驗方案
實驗樣品取自吐哈盆地沙爾湖地區壹口井的解吸樣品，煤階為褐煤(見表1)。自然解吸完成後，將樣品分成5份，其中1份作為參比樣品(樣品編號為CS3A-0H)，在實驗室惰性氣體幹燥器中幹燥至肉眼觀察不到表面有遊離水；另外4個樣品分別在實驗室環境中風幹1天、7天、15天和30天(樣品編號為CS3A-24h、CS3A-7d、CS3A-15d、CS3A-30d)，然後進行煤巖測試分析。通過對比試驗結果，定量分析了氧化和過幹燥對瓦斯含量、密度、孔隙結構、發熱量和吸附量等關鍵參數的影響程度，為建立更完善的低階煤巖試驗工藝和系統提供了依據。
2.2實驗結果
(1)平衡濕度Em(最高內部濕度)
平衡水分Em(最大內部水分)是指煤樣在溫度為30℃、相對濕度為96%的條件下與環境大氣平衡時所保持的內部水分，是將其他基準下的測試數據結果轉化為原位基準的關鍵[6，7]。低階煤的高孔隙度、高含水量以及失水和再平衡的不可逆性決定了平衡水試驗的敏感性和不穩定性。如圖1所示，平衡水分Em與幹燥時間呈負相關。與參比樣品相比，隨著持續風幹時間的延長，平衡水分Em測試結果逐漸低於理論值，變化率即實驗測試誤差為5.07% ~ 18.82%。
表1 CS3A-0h詳細參數
* ad:風幹基；Daf:幹無灰基；Mmmf:含水無礦物基；原地:原地組。
圖1氧化和過度幹燥對最大內部濕度的影響
(2)氣體含量
含氣量數據是煤層氣測試的核心數據之壹，煤層氣含氣量的測定是通過鉆井取心、繩索取心煤樣或測井煤屑測試獲得的。測試方法可分為兩類:直接法和間接法。本試驗采用美國礦務局提出的USBM直接法。氧化和過幹燥對瓦斯含量影響的不確定性主要體現在水分蒸發和飽和最大內水共同作用下煤樣質量的變化。從圖2可以看出，風幹時間越長，風幹基和原位基的含氣量越大。原位基瓦斯含量變化率為1.36% ~ 5.03%，呈現先快後慢的趨勢，說明風幹初期瓦斯含量變化較大，誤差增大較快，合理控制風幹初期時間可有效提高數據精度。
(3)真表觀密度
根據測定方法的不同，密度可分為表觀密度和真密度兩種表現形式。測量視密度時，體積包括內部毛細管和裂隙體積，而真密度則相反。在實際工作中，視密度的應用非常廣泛，如在計算煤和煤層氣儲量時，必須使用該參數。公式(1)可用於將風幹基礎密度轉換為現場基礎密度。如圖3所示，
氧化和過幹燥對不同參考氣體含量的影響。
中國煤層氣技術進展:2011煤層氣學術討論會論文集。
其中，ρ原位為ρ原位基礎密度，g/cm3；ρad為空氣幹燥基礎密度，g/cm3；Mad是風幹基水分；Em是平衡水分。
從圖3可以看出，風幹時間越長，由於水分的不斷蒸發，風幹的表觀密度越低，而原位風幹的表觀密度越高，這主要是由於風幹基水與平衡水Em的差值越來越大造成的。原位基礎視密度變化率為1.70% ~ 4.23%，呈對數增長趨勢。
圖3氧化和過幹對密度的影響
(4)原地資源
采用容積法計算原地資源量，公式如下:
中國煤層氣技術進展:2011煤層氣學術討論會論文集。
其中:GIP為原位資源，108 m3；a是面積，km2h是煤層厚度，m；是平均表觀密度，g/cm3；是平均含氣量，m3/t
需要註意的是，公式(2)的每壹個參數都應選擇或換算成相同基準條件下的試驗數據，如風幹基、幹無灰基或原位基。為了便於比較，選取現場數據參與計算。從圖4可以看出，幹氧化對低煤階煤層氣資源量的計算影響較大，資源量變化率呈對數增長趨勢。假設區塊面積為1000km2，煤層厚度為20m，密度和瓦斯含量如上，計算出的資源量變化範圍為3.65，438+0% ~ 9.5%，其實質是密度和瓦斯含量不確定性的組合。
圖4氧化和過度幹燥對資源的影響。
(5)吸附特性
煤巖等溫吸附線是評價吸附容量、吸附飽和度和臨界解吸壓力的基礎。通常用Langmuir模型來表征，其主要影響因素包括煤質特征、顯微組分、孔隙結構、溫度和壓力。本文討論的低階煤巖的過幹燥和氧化主要是通過改變平衡含水率和孔隙結構來影響煤巖的吸附特性。如圖5所示，過幹氧化時間越長，吸附量越大，變化率為12% ~ 72%。相應的吸附飽和度降低，變化率為7% ~ 22%；臨界解吸壓力降低，變化率為11% ~ 22%。
圖5氧化和過幹對吸附能力的影響
3討論
3.1過幹燥是影響低階煤巖測量的主要因素，其次是氧化。
長時間暴露在空氣中的低階煤巖會被氧化和過幹燥，使得測試結果誤差較大。其中，過幹是主要影響因素，氧化僅對元素分析結果有較大影響。低階煤以中孔和大孔為主，大量的微孔可以吸附和凝結高水分。風幹時間越長，水分蒸發越大，平衡水分的實測值與理論值偏差越大，導致原位基礎的含氣量和密度測試結果偏大，含氣量計算結果過於樂觀。
低階煤巖容易與空氣中的氧氣發生反應。大量的化學實驗證實，煤分子的非芳香結構在煤與氧氣接觸過程中首先被破壞。非芳香結構主要包括橋鍵和側鏈，此外還有環烷烴和雜環。根據有機化學理論，分析煤分子的非芳香結構，可知環烷烴和雜環化合物化學性質穩定，常溫常壓下不易與空氣中的氧氣反應。與橋鍵相比，側鏈比側鏈更容易被氧化，因為橋鍵受芳環和其他基團或結構的影響很大。據此推測氧化對低階煤的顯微組分和發熱量有較大影響，但氧化作為單壹因素的影響在本研究中未涉及，有待於今後進壹步研究。
3.2平衡水分的變化是影響其吸附能力的主要因素，其次是孔隙結構。
壹般認為，在不考慮其他因素的情況下，煤巖的吸附量與平衡含水率成反比，與比表面積成正比。在幹燥和氧化過程中，孔隙中水分的流失和氧化反應的協同作用改變了煤巖的孔隙結構和形貌，使比表面積不斷減小。
表2對比樣品的比表面測試結果
圖6氧化和過幹對孔徑分布的影響
4結論
過幹燥和氧化對低階煤的含氣性和吸附能力有很大影響，主要表現在以下幾個方面:
(1)煤表面分子中壹些具有非芳香結構的烷基側鏈、橋鍵和含氧官能團，容易與空氣中的氧氣產生氧化熱，破壞煤分子的原有結構，改變煤的煤質特征和孔隙特征。
(2)低階煤樣幹燥時間越長，失水越大，導致原位基氣含量和原位基密度計算結果越大，資源量被高估。
(3)過度幹燥和氧化導致煤巖原有孔隙結構重新分布，中孔與大孔的比值較大，降低了煤巖的吸附能力，但同時水分的減少增強了煤巖的吸附能力。兩者的綜合作用使得煤巖的吸附量整體較大，導致吸附飽和度和降壓解吸前景被低估。
為了提高低階煤巖測試的準確性，建議:
(1)對於低煤階勘探中取芯和測試的每壹個過程，都應制定嚴格的樣品處理、制備和儲存規範，堅決防止煤巖氧化和過幹。
(2)在評價低階地質和計算煤層氣資源量時，要充分了解煤巖測試的全過程，分清數據的真實性和可靠性，慎重取值。
參考
錢凱，，林，，張光武。2009.中國煤層氣產業化進程及發展建議[J].天然氣地球科學(06)
[2]汪鴻雁，劉洪林，趙清波等。2005.煤層氣富集與聚集規律[M].北京:石油工業出版社。
、陳春芳、蔣、、鄧虎成、。2009.中國低煤階煤層氣地質特征及最新進展[J].煤炭科學與技術，(08)
趙清波等人1999。煤層氣地質與勘探開發技術。北京:石油工業出版社[M]
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[6] Mavor M J，Pratt T J和Britton R N1994。。測定總氣體含量的改進方法，第壹卷，罐氣體解吸數據總結，氣體研究所報告號GRI - 93 /0410，伊利諾伊州芝加哥，2005年5月。
[7] Testa SM和Pratt TJ 2003。煤和頁巖氣資源評價的樣品制備；論文0356，2003年國際煤層氣研討會，阿拉巴馬州塔斯卡盧薩，12 p