过干燥和氧化对低阶煤岩瓦斯含量和吸附能力的影响
(中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007)
摘要:低阶煤岩长期暴露在空气中，导致有机质和矿物质氧化和过干，导致含气量和吸附量偏离真实值，影响煤层气资源的地质评价和计算。为了定量研究氧化和过干燥对低阶煤含气性和吸附特性的影响，选取了吐哈盆地某井的4个低阶新鲜煤样品，分别在空气中暴露1天、7天、15天和30天进行测试。分析表明,( 1)低阶煤样干燥时间越长，失水越大，平衡含水量无法恢复到初始状态，导致原位基瓦斯含量和原位基密度计算结果偏大，高估了资源量；(2)过度干燥和氧化导致煤岩原有孔隙结构重新分布，中孔与大孔的比值较大，降低了煤岩的吸附能力，但同时水分的减少增强了煤岩的吸附能力。两者的综合作用使得煤岩的吸附量整体较大，导致吸附饱和度和降压解吸前景被低估。基于此，提出两点建议:(1)对于低煤阶勘探中的取芯和测试各工序，应制定严格的样品处理、制备和储存标准，坚决防止煤岩氧化和过干；(2)在评价低阶地质和计算煤层气资源量时，要充分了解煤岩测试的全过程，分清数据的真实性和可靠性，慎重取值。
关键词:低阶煤岩试验、氧化和过干地质评价、煤层气资源量计算
基金项目:国家科技重大专项33号项目《煤层气富集规律及有利区块预测评价研究》(项目号2011zx05033)是05号子项目《中国煤层气评价与勘探部署建议》(项目号2011zx05033-005)。
作者简介:邓泽，1982出生，男，工程师，山西运城人，2008年获得中国石油大学地质工程硕士学位，主要从事煤层气地质评价及实验研究工作。邮箱:邓泽@中石油。com。cn。联系电话:(010) 69213353。
低阶煤测试与资源评价的不确定性——以吐哈盆地为例
邓泽孙奋金陈耿平曾刘萍
(中国石油廊坊分公司石油勘探开发研究院，河北兰芳，065007)
摘要:低阶煤对干燥和氧化更加敏感，这可能会影响近似、等温吸附、表面积测试等测试结果的准确性，造成对煤层气资源的严重误解。为了定量地研究这种影响，对来自中国吐哈盆地的四种低阶煤分别进行了24小时、7天、65±05天和30天的空气干燥。结果表明:(1)当低阶煤的水分损失超过最小值(平衡水分)时，不可能再平衡回到初始值，导致原位瓦斯含量、原位密度增加，煤的表面积减小，工业分析和元素分析的不确定性增加。(b)在没有保护程序的较长时间内，资源将被高估，并且由于较高的吸附容量和较低的饱和度估计，解吸容量将被低估。这些结果提醒我们在低阶煤的采样、制备和保存中应采用严格的煤保护程序，在资源评价中应仔细选择数据。
关键词:低秩；烘干；氧化；资源评估
1前言
目前，我国煤层气开发已从试验阶段进入小规模商业化生产阶段，但大部分勘探开发工作集中在沁水盆地和鄂尔多斯东部边缘的中高煤阶地区，低煤阶地区的勘探开发仍处于起步阶段。但低煤阶地区煤层厚、渗透性好、资源量大以及常规油气和煤层气赋存的特点，加上美国汾河盆地、澳大利亚苏拉特盆地等国外低煤阶盆地的成功勘探开发经验，使得低煤阶煤层气的开发前景更加广阔，有望成为我国下一步煤层气勘探开发重点[1 ~ 4]。正确认识低煤阶煤储层和煤层气资源特征是低煤阶煤突破的前提和基础。由于低阶煤岩具有热演化程度低、含水量高、易氧化的特点，常规测试过程可能导致有机质和矿物质的氧化和过干，从而导致含气性和吸附能力偏离真实值，影响煤层气资源的地质评价和计算[5]。目前，人们普遍意识到低阶煤岩测试的特殊性，但关于测试结果不确定性的报道很少。因此，迫切需要定量研究和评价氧化和过干燥对低阶煤岩含气性和吸附能力的影响，并在此基础上建立严格的实验测试程序和规范，以提高低阶煤岩测试的准确性。
2实验
2.1实验方案
实验样品取自吐哈盆地沙尔湖地区一口井的解吸样品，煤阶为褐煤(见表1)。自然解吸完成后，将样品分成5份，其中1份作为参比样品(样品编号为CS3A-0H)，在实验室惰性气体干燥器中干燥至肉眼观察不到表面有游离水；另外4个样品分别在实验室环境中风干1天、7天、15天和30天(样品编号为CS3A-24h、CS3A-7d、CS3A-15d、CS3A-30d)，然后进行煤岩测试分析。通过对比试验结果，定量分析了氧化和过干燥对瓦斯含量、密度、孔隙结构、发热量和吸附量等关键参数的影响程度，为建立更完善的低阶煤岩试验工艺和系统提供了依据。
2.2实验结果
(1)平衡湿度Em(最高内部湿度)
平衡水分Em(最大内部水分)是指煤样在温度为30℃、相对湿度为96%的条件下与环境大气平衡时所保持的内部水分，是将其他基准下的测试数据结果转化为原位基准的关键[6，7]。低阶煤的高孔隙度、高含水量以及失水和再平衡的不可逆性决定了平衡水试验的敏感性和不稳定性。如图1所示，平衡水分Em与干燥时间呈负相关。与参比样品相比，随着持续风干时间的延长，平衡水分Em测试结果逐渐低于理论值，变化率即实验测试误差为5.07% ~ 18.82%。
表1 CS3A-0h详细参数
* ad:风干基；Daf:干无灰基；Mmmf:含水无矿物基；原地:原地组。
图1氧化和过度干燥对最大内部湿度的影响
(2)气体含量
含气量数据是煤层气测试的核心数据之一，煤层气含气量的测定是通过钻井取心、绳索取心煤样或测井煤屑测试获得的。测试方法可分为两类:直接法和间接法。本试验采用美国矿务局提出的USBM直接法。氧化和过干燥对瓦斯含量影响的不确定性主要体现在水分蒸发和饱和最大内水共同作用下煤样质量的变化。从图2可以看出，风干时间越长，风干基和原位基的含气量越大。原位基瓦斯含量变化率为1.36% ~ 5.03%，呈现先快后慢的趋势，说明风干初期瓦斯含量变化较大，误差增大较快，合理控制风干初期时间可有效提高数据精度。
(3)真表观密度
根据测定方法的不同，密度可分为表观密度和真密度两种表现形式。测量视密度时，体积包括内部毛细管和裂隙体积，而真密度则相反。在实际工作中，视密度的应用非常广泛，如在计算煤和煤层气储量时，必须使用该参数。公式(1)可用于将风干基础密度转换为现场基础密度。如图3所示，
氧化和过干燥对不同参考气体含量的影响。
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
其中，ρ原位为ρ原位基础密度，g/cm3；ρad为空气干燥基础密度，g/cm3；Mad是风干基水分；Em是平衡水分。
从图3可以看出，风干时间越长，由于水分的不断蒸发，风干的表观密度越低，而原位风干的表观密度越高，这主要是由于风干基水与平衡水Em的差值越来越大造成的。原位基础视密度变化率为1.70% ~ 4.23%，呈对数增长趋势。
图3氧化和过干对密度的影响
(4)原地资源
采用容积法计算原地资源量，公式如下:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
其中:GIP为原位资源，108 m3；a是面积，km2h是煤层厚度，m；是平均表观密度，g/cm3；是平均含气量，m3/t
需要注意的是，公式(2)的每一个参数都应选择或换算成相同基准条件下的试验数据，如风干基、干无灰基或原位基。为了便于比较，选取现场数据参与计算。从图4可以看出，干氧化对低煤阶煤层气资源量的计算影响较大，资源量变化率呈对数增长趋势。假设区块面积为1000km2，煤层厚度为20m，密度和瓦斯含量如上，计算出的资源量变化范围为3.65，438+0% ~ 9.5%，其实质是密度和瓦斯含量不确定性的组合。
图4氧化和过度干燥对资源的影响。
(5)吸附特性
煤岩等温吸附线是评价吸附容量、吸附饱和度和临界解吸压力的基础。通常用Langmuir模型来表征，其主要影响因素包括煤质特征、显微组分、孔隙结构、温度和压力。本文讨论的低阶煤岩的过干燥和氧化主要是通过改变平衡含水率和孔隙结构来影响煤岩的吸附特性。如图5所示，过干氧化时间越长，吸附量越大，变化率为12% ~ 72%。相应的吸附饱和度降低，变化率为7% ~ 22%；临界解吸压力降低，变化率为11% ~ 22%。
图5氧化和过干对吸附能力的影响
3讨论
3.1过干燥是影响低阶煤岩测量的主要因素，其次是氧化。
长时间暴露在空气中的低阶煤岩会被氧化和过干燥，使得测试结果误差较大。其中，过干是主要影响因素，氧化仅对元素分析结果有较大影响。低阶煤以中孔和大孔为主，大量的微孔可以吸附和凝结高水分。风干时间越长，水分蒸发越大，平衡水分的实测值与理论值偏差越大，导致原位基础的含气量和密度测试结果偏大，含气量计算结果过于乐观。
低阶煤岩容易与空气中的氧气发生反应。大量的化学实验证实，煤分子的非芳香结构在煤与氧气接触过程中首先被破坏。非芳香结构主要包括桥键和侧链，此外还有环烷烃和杂环。根据有机化学理论，分析煤分子的非芳香结构，可知环烷烃和杂环化合物化学性质稳定，常温常压下不易与空气中的氧气反应。与桥键相比，侧链比侧链更容易被氧化，因为桥键受芳环和其他基团或结构的影响很大。据此推测氧化对低阶煤的显微组分和发热量有较大影响，但氧化作为单一因素的影响在本研究中未涉及，有待于今后进一步研究。
3.2平衡水分的变化是影响其吸附能力的主要因素，其次是孔隙结构。
一般认为，在不考虑其他因素的情况下，煤岩的吸附量与平衡含水率成反比，与比表面积成正比。在干燥和氧化过程中，孔隙中水分的流失和氧化反应的协同作用改变了煤岩的孔隙结构和形貌，使比表面积不断减小。
表2对比样品的比表面测试结果
图6氧化和过干对孔径分布的影响
4结论
过干燥和氧化对低阶煤的含气性和吸附能力有很大影响，主要表现在以下几个方面:
(1)煤表面分子中一些具有非芳香结构的烷基侧链、桥键和含氧官能团，容易与空气中的氧气产生氧化热，破坏煤分子的原有结构，改变煤的煤质特征和孔隙特征。
(2)低阶煤样干燥时间越长，失水越大，导致原位基气含量和原位基密度计算结果越大，资源量被高估。
(3)过度干燥和氧化导致煤岩原有孔隙结构重新分布，中孔与大孔的比值较大，降低了煤岩的吸附能力，但同时水分的减少增强了煤岩的吸附能力。两者的综合作用使得煤岩的吸附量整体较大，导致吸附饱和度和降压解吸前景被低估。
为了提高低阶煤岩测试的准确性，建议:
(1)对于低煤阶勘探中取芯和测试的每一个过程，都应制定严格的样品处理、制备和储存规范，坚决防止煤岩氧化和过干。
(2)在评价低阶地质和计算煤层气资源量时，要充分了解煤岩测试的全过程，分清数据的真实性和可靠性，慎重取值。
参考
钱凯，，林，，张光武。2009.中国煤层气产业化进程及发展建议[J].天然气地球科学(06)
[2]汪鸿雁，刘洪林，赵清波等。2005.煤层气富集与聚集规律[M].北京:石油工业出版社。
、陈春芳、蒋、、邓虎成、。2009.中国低煤阶煤层气地质特征及最新进展[J].煤炭科学与技术，(08)
赵清波等人1999。煤层气地质与勘探开发技术。北京:石油工业出版社[M]
[5]戴蒙德·W·P和莱文·J·r . 1981。煤中气体含量的直接测定法:程序和结果。调查报告8515，美国内政部矿业局，华盛顿特区，
[6] Mavor M J，Pratt T J和Britton R N1994。。测定总气体含量的改进方法，第一卷，罐气体解吸数据总结，气体研究所报告号GRI - 93 /0410，伊利诺伊州芝加哥，2005年5月。
[7] Testa SM和Pratt TJ 2003。煤和页岩气资源评价的样品制备；论文0356，2003年国际煤层气研讨会，阿拉巴马州塔斯卡卢萨，12 p