地勘时期煤层瓦斯与煤层气测试标准对比研究

潘海洋，程爱国，赵 欣，殷榕蔚，陈美英

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.山东科技大学，山东青岛 266590)

0 引言

地勘时期测定的煤层瓦斯含量和煤层气勘探测定的煤层气含量含义一致[1]。我国地勘时期煤层瓦斯含量测试方法大致经历了真空罐法、集气法和解吸法三个阶段[2]，先后制定了《解吸法测定瓦斯含量暂行操作规程》、《煤层瓦斯含量和成分测定方法(解吸法)》(MT77-84)，《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(AQ1046-2007)、《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T23249-2009)等。我国煤层气测试方法采用美国矿业局法(USBM)。基于此方法，先后颁布《煤层气含量测定方法(解吸法)》(MT77-94)、《煤层气含量测定方法》(GB/T19559-2008)、《煤层气含量测定加温解吸法》(GB/T28753-2012)等[2-4]。煤层瓦斯、煤层气测试标准的颁布，为我国煤层含气量标准化测定提供了详细的技术要求，也为煤炭、煤层气勘查标准化体系建设提供有效支撑。《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T23249-2009)适用于地质勘探过程中对煤层采取煤心测定瓦斯含量及瓦斯成分[5]。《煤层气含量测定方法》(GB/T19559-2008)适用于煤炭和煤层气勘探中获取的烟煤和无烟煤的煤心样品在自然状态下进行煤层气含量测定[6]。对两个标准进行对比研究，能够为准确测定煤层瓦斯含量提供依据，并为利用大量煤田瓦斯资料评价煤层气资源提供依据。

1 现行测试标准及可对比基础

《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T23249-2009)与《煤层气含量测定方法》(GB/T19559-2008)均为国家质量监督检验检疫局与国家标准化委员会联合发布的现行测试标准，且均用于煤样中的煤层含气量直接测定。两个标准存在可对比的基础。

(1)测试的基本原理一致，《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T 23249-2009)、《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559-2008)解吸法都是从美国矿业局(USBM)的直接法(Kissel等，1973)中演变而来，其测试依据煤层作为煤层气(煤层瓦斯)的自生自储岩层，吸附于煤层裂隙、孔隙中，因压力、温度等条件改变发生解吸。

(2)含气量测试组成部分及阶段一致，在测定过程中，煤层气(煤层瓦斯)含量均是按照损失气量、解吸气量和残余气量3部分进行测试，其中损失气依据前期解吸气进行估算。

(3)测试过程中气体解吸零点时间一致，两个测试标准中设定的解吸零点时间均依据钻探过程中循环介质设置，即当循环介质为液体时，均假定煤样提至钻孔深度的1/2时气体开始解吸；当循环介质为泡沫、气体时，假定在钻至煤样时开始解吸。

(4)推断损失气的方法原理相同，在解吸初期，解吸气量与解吸时间的平方根成正相关线性关系，根据线性方程和损失时间推算损失气量。

(5)残余气量测定的基本方法相同，均是在解吸测定结束后粉碎煤样真空加温测定残余气量。

(6)气体的测定状态一致，煤层瓦斯、煤层气在测定过程中所有体积均需换算到标准状态0℃、101.325kPa的体积。

2 煤层瓦斯与煤层气含量测定标准差异对比

煤层气(煤层瓦斯)含量测定环节多、周期长、数据量大，影响试验数据准确性的因素多，包括循环介质、提心速度、煤心破碎程度、暴露时间、样品质量、计量频次、环境温度、设备气密性、损失气计算数据点选择、残余气样品选择等因素。《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T23249-2009)与《煤层气含量测定方法》(GB/T19559-2008)主要在煤样采取、解吸温度选择、残余气测定要求等方面存在差异(表1)。

表1 煤层气(煤层瓦斯)测定过程中相关要求对比表

2.1 测定方法适用范围差异对比

《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559-2008)、《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T 23249-2009)用于测定煤层气(煤层瓦斯)气体含量及气体成分。两个标准均适用于勘探阶段，测定样品均来源于钻孔煤心；其中，煤层气测试标准主要针对烟煤和无烟煤样品测试，褐煤样品参照执行；煤层瓦斯测试标准未限定煤类。

2.2 采样要求差异对比

《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559-2008)与《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T23249-2009)采样要求主要在提钻时间、装样时间、采样重量三个方面差异；煤层气测试采样要求井深每100m提心时间不超过2min，样品到达地面后，在10min内装入解吸罐密封；煤样重量不少于800g，当采样不足时，最低也不少于300g，且采样只有300g样品作为解吸气测定样；煤层瓦斯测试采样要求使用普通煤心管钻取煤心，只要求一次取心不低于0.4m，取心直径不小于50mm，规定煤样重量约400g左右。通过提升钻具将煤心提升至井口，要求提钻过程中反灌冲洗液，对样品暴露在空气中时间不超过8min，孔深<200m停顿时间不超过5min，孔深200～500m，停顿时间<10min，孔深500～1 000m，停顿时间<20min，孔深>1 000m，停顿时间<30min，停顿必须是在水或泥浆为循环介质钻孔中1/2孔深以下。

比较两者采样时间指标要求，煤层气测试钻孔的钻探采样工艺必须采用绳索取心技术，区别于煤层瓦斯采样钻孔中的普通煤心管钻取煤心。绳索取心时间短，500m井深取心时间最长为10min，1 000m井深最长为20min。钻杆取心速度较慢，500m井深在30min以上，1 000m井深在60min以上。绳索取心速度约是钻杆取心速度的3倍，可有效减少煤层气(煤层瓦斯)在取心过程中的逸散损失；在样品封装方面，煤层样品与煤层瓦斯样品从井口到装罐密封在8～10min，差别不大；在样品重量方面，煤层气测定明确要求样品质量大于800g；煤层瓦斯瓦斯测定标准要求解吸罐体积能够容纳400g以上煤样，样品到罐口留10mm左右孔隙，一般可装350g左右。

2.3 仪器设备差异对比

(GB/T 23249-2009)与(GB/T 19559-2008)中对煤层气(煤层瓦斯)样品采样、含量测定过程中用到的仪器设备作了详细的规定，包括解吸罐(采样罐)、计量器(解吸仪)、气压计等、电子秤、球磨机等仪器。总体上测试仪器配置、技术规格、精度参数基本相同，但是解吸罐(采样罐)容积、密封性，解吸仪(计量器)的最小刻度，电子秤的感重等存在一定差异，可对测试数值的精度存在一定影响。具体仪器、技术参数对比见表2。

表2 (GB/T23249-2009)与(GB/T19559-2008)主要仪器参数对比表

2.4 解吸过程差异对比

《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559-2008)对记录间隔原则上根据密封罐内压决定，并给出了大致的时间间隔，第一记录点在装罐5min内记录，之后1h内，每10min记录一次，1h后每15min记录一次；连续7d，平均每天解吸量不大于10ml时结束。自然解吸后，进入残留气测定阶段。《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T 23249-2009)中记录第一点到第三点间隔1～2min，之后1h内每2～5min记录一次，第2h内，10～20min记录一次。要求连续观测120min为止。真空脱气阶段，煤层瓦斯测试第一、二步直接在密封罐内进行真空脱气，温度分别选取30℃和95～100℃，通过人为制造真空和提高温度加快瓦斯解吸，当解吸气量小于10mL/30min时停止真空解吸，通常总的时间大约为360min。

比较煤层气与煤层瓦斯测试要求，煤层气测试对记录间隔要求比煤层瓦斯测试大，解吸时间长，更接近于地下自然状态；煤层瓦斯测试对记录间隔要求密集，自然解吸时间偏短，通过真空、高温的方法强制煤心样品中煤层瓦斯尽快完成解吸。

2.5 残留气获取差异对比

煤层气(煤层瓦斯)测试时，残留气获取过程的起始点为开启密封罐，取煤心样并破碎。煤层气测定要求将密封罐的煤样预破碎到2～3cm之后，取300～500g装入球磨罐，球磨2～4h之后进行解吸。储层温度下、常压自然解吸，气体解吸小于10mL/7d时完成测试。煤层瓦斯测试要求将密封罐的煤样全部预破碎到25mm之后装入球磨罐，球磨到粒径小于0.25mm的样品量达到总样品量的80%为合格，之后分别进行30℃常温真空脱气和95～100℃真空脱气，当解吸气量小于10mL/30min时停止。

2.6 损失气量计算差异对比

《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559-2008)损失气计算主要用直接法(即图解法)；《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T 23249-2009)给出了图解法(直接法)和解析法2种方法，且解析法也要求先按图解法作图，建立含气量与解吸时间线性关系求取。煤层瓦斯测定时观测点分散或解吸气量较大时可选择解析法。煤层气、煤层瓦斯测定时的损失气计算运用的图解法基本原理来自于美国USGM方法，损失气数据点选取是根据解吸气与时间的关系曲线图判断大致线性关系点，不同实验对象对损失气量的结果有不同的影响。前期观测时间间隔不同，图解法选择的解吸观测点不同导致前期解吸线性关系的斜率存在差异。

3 煤层瓦斯与煤层气含量测定差异分析

3.1 损失气差异分析

煤层气(煤层瓦斯)测试过程中，采样质量、采样时间为影响煤层气(煤层瓦斯)中损失气量推算的两个重要因素。

(1)煤层气(瓦斯)测试样品质量、长度要求上，煤层瓦斯测试标准规定了250g的采样重量，煤层气测试标准规定煤样质量应不小于800g，且不能低于300g；低于800g样品只能做解吸气测定，总体上看，煤层气含量测定对样品量的要求更大一些，大重量的煤样能够降低测试误差，降低采样气体散失，增加测试数据的准确性。

(2)采样时间计算过程中，煤层气(煤层瓦斯)均以1/2孔深处为煤层气(瓦斯)解吸的推算时间起点。煤层瓦斯采样时间只规定了以水或是泥浆为循环介质的钻孔中，1/2孔深以下因机械故障停机时间，未对煤样从起钻到井口的总时间进行限定：煤层气样从起钻至井口井深每100m不超过2min，瓦斯采样过程中因故障停顿时间(1/2钻孔深度以下)与煤层气采样时间要求基本相当，但瓦斯采样从起钻至井口的总时间应远高于煤层气采样时间；因此，煤层瓦斯样品的损失量高于煤层气样品的损失量，必然导致煤层瓦斯测试精度低于煤层气测试精度。

3.2 解吸气差异分析

煤层气(煤层瓦斯)解吸气测定主要差异在解吸温度、现场解吸时间及数据观测时间间隔三方面。

(1)煤层瓦斯解吸温度要求低于煤层气解吸储层温度要求，煤层瓦斯样品解吸受到解吸地点温度影响较大。

(2)煤层瓦斯测试现场解吸设定2h，使得测试结果受到煤样、现场温度等变化和干扰较大，煤层气现场解吸设定为解吸量不大于10cm3/7d停止的要求更加科学。

(3)煤层瓦斯含气量测试解吸观测时间相比较煤层气观测时间更为密集，可有效降低观测误差，误差的降低可有效增加损失气计算精度。

3.3 残余气差异分析

因煤层气(煤层瓦斯)测试目的不同，导致残余气测试的温度存在较大差异。煤层瓦斯测试基于瓦斯为煤炭开采有害因素，需测试出煤层中全部的甲烷与重烃量，煤层瓦斯测试对残余气测定预抽真空—常温(30℃)脱气—加热(95～100℃)恒温脱气。煤层气测试基于资源开采，需要掌握其在储层状态下最大的解吸量，煤层气测试的脱气过程均在储层温度下进行。两者比较，煤层瓦斯测试在残余气测试方面更加精确。

4 煤层气(煤层瓦斯)测试结果差异原因分析

《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T 23249-2009)、《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559-2008)均为现行的煤层瓦斯(煤层气)测试标准，标准中对采样时间、测试温度、测试过程、精度等要求存在差异，导致煤层瓦斯与煤层气测试数据结果存在差异。通过选择新疆某矿区的115组同煤层以及临近点煤层气、瓦斯测试数据对比，结果表明，煤层气测试含量平均高出煤层瓦斯30%～50%(图1)；选取15组同煤层以及相邻采样位置的煤层瓦斯、煤层气测试数据进行对比，煤层气测试的损失气含量平均高于同等条件下煤层瓦斯测试的损失气量约70%(图2)；选取该区38个煤层气测试样，分析损失时间与损失量关系，结果表明，同一区内损失气量与时间总体上呈现正相关，选择同煤层样品进行分析，相同的损失时间，损失气量差异明显(图3-图6)。

图1 新疆某矿区煤层气、煤层瓦斯测试结果对比图Figure 1 Contrast diagram of CBM and coal seam gastested results in a Xinjiang coalmine area

图2 新疆某矿区煤层气、煤层瓦斯测试损失气含量对比图Figure 2 Contrast diagram of CBM and coal seamtest gas lost gas contents in a Xinjiang coalmine area

图3 新疆某矿区煤层气损失气量与损失时间关系图Figure 3 Relationship between CBM lost gas volumeand lost time in a Xinjiang coalmine area

图4 新疆某矿区煤层1煤层气损失气量与损失时间关系图Figure 4 Relationship between CBM lost gas volume andlost time of coal No.1 in a Xinjiang coalmine area

图5 新疆某矿区煤层2煤层气损失气量与损失时间关系图Figure 5 Relationship between CBM lost gas volume andlost time of coal No.2 in a Xinjiang coalmine area

图6 新疆某矿区煤层3煤层气损失气量与损失时间关系图Figure 6 Relationship between CBM lost gas volume andlost time of coal No.3 in a Xinjiang coalmine area

5 结论

(1)煤层瓦斯与煤层气测试目的不同导致测试标准及测试方法手段存在差异。

(2)测试标准差异导致测试过程中，煤层气(煤层瓦斯)各有优缺点，致使单个数据之间无可对比性。

(3)采样方法、采样时间是导致损失气量存在较大误差的主要原因。煤层气(煤层瓦斯)含量测定因具有环节多、周期长、数据量大等特点，影响试验数据准确性的因素主要包括循环介质、提芯速度、煤心破碎程度、暴露时间、样品质量、环境温度、设备气密性、损失气计算数据点选择、残余气样品选择等因素，其中，损失气是对测试结果影响较大，建议可改进煤层瓦斯采样工艺，统一选取绳索取心工艺，能够大大降低采样时间，缩小煤层气与煤层瓦斯间测试误差。