煤层气损失气量计算的全脱分析法

发布于:2021-07-25 01:20:30

第 41 卷 第 1 期 2013 年 2 月

煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY & EXPLORATION

Vol. 41 No.1 Feb. 2013

文章编号: 1001-1986(2013)01-0020-05
煤层气损失气量计算的全脱分析法

李忠城 1,唐书恒 2,吴敏杰 2,郭东鑫 2,陈 江 2,吕建伟 2
(1. 中联煤层气有限责任公司,北京 100011;2. 中国地质大学能源学院,北京 100083)

摘要: 针对目前煤层气损失气量无法计算煤层的溶解气和游离气含量问题,根据烃类气体进入钻

井液的方式和分布状态理论,基于气测录井资料,提出了计算煤层气损失气量的新方法——全脱

分析法。通过沁水盆地枣园区块 3 号煤层的实际应用,发现该方法计算的损失气量明显高于常规

煤心样品的回归结果,前者一般为后者的 1.5~4.5 倍。该方法不仅能有效地解决煤层气损失气量计 算中忽视的溶解气和游离气问题,而且还能消除损失时间的影响,同时也可以按不同部位计算煤

层气损失气量。该方法适用于不同煤级、各种结构的煤岩,数据易采集,计算过程简单,有很好

的应用前景。

关 键 词:气测录井;随钻全烃;全脱全烃;损失气量

中图分类号:P618.13 文献标识码:A

DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.01.004

A new method for calculation of lost coalbed methane
LI Zhongcheng1, TANG Shuheng2, WU Minjie2, GUO Dongxin2, CHEN Jiang2, LYU Jianwei2
(1. China United Coalbed Methane Co. Ltd, Beijing 100011, China; 2. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)
Abstract: Aiming at the problem that dissolved gas content and free gas content can not be calculatd by lost gas content, based on gas logging data, a new method, named total degassed hydrocarbon analysis, was proposed for computing lost coalbed methane. In the practical application of the method for the No.3 coal seam in Qinshui basin, it was found that the lost gas content obtained by this method was significantly higher than that by conventional coal core sample regression method, and the former is generally 1.5 to 4.5 times higher than the later. In one hand this method can not only effectively solve the problem ignoring of dissolved gas and free gas in coalbed gas content calculations, but also eliminate the impact of lost time. In addition this method is able to calculate the lost gas for different coal seam parts. This method is promising in lost gas calculation because it is easy to collect data, has simple calculation process and is widely applicable in coal with different rank and various structures. Key words: gas logging; total hydrocarbon while drilling; total degassed hydrocarbon; lost gas

煤层的含气量由损失气、解吸气和残余气 3 部分 组成,其中解吸气和残余气可以用实验方法直接测定, 而损失气的计算是假设煤样在解吸初期累计气量与时 间*方根成正比的数学模型成立情况下,利用回归方 法算出的。即使数学模型成立,但损失时间段的确定、 回归过程中测量点的选取、煤岩结构特征、煤的变质 程度等因素[1-6]都将影响计算结果。另外,目前计算损 失气量时仅包括解吸的损失气,并未包含煤层的游离 气和溶解气;然而,部分高煤阶和多数低煤阶煤层中 则含有游离气和溶解气[7],这将导致计算的含气量往 往低于煤层实际含气量;而以钻井现场实际气测资料

为基础的全脱分析法可以较好地弥补这方面的不足。 全脱分析法是指利用热真空蒸馏器对一定数量的钻井 液进行加热、搅拌、抽真空,使钻井液中的气体全部 脱离出来,然后注入色谱仪内分析,求出气体各种组 分的体积分数的方法。
1 烃类气体进入钻井液的形式和分布状态
1.1 烃类气体进入钻井液的形式 在煤层气井施工中,煤层气进入钻井液有 4 种形式。 首先是被破碎煤岩颗粒中的煤层气进入钻井液,
即破碎气,主要是破碎煤岩中的解吸气、溶解气和游

收稿日期: 2011-08-31 基金项目: 国家重大基础研究发展计划(973 计划)项目(2009CB219604);国家科技重大专项课题(2011ZX05034-003);
国家自然科学基金项目(40972108) 作者简介: 李忠城(1971—),男,河北唐山人,高级工程师,博士研究生, 专业方向为油气地质与开发.

第1期

李忠城等: 煤层气损失气量计算的全脱分析法

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离气。 其二是揭开煤层后,当煤层压力大于钻井液柱压
力时,在压差作用下,井筒周围煤层中的溶解气和游 离气,通过渗透作用进入钻井液,即压差气。但在实 际钻进过程中,为了维持井壁稳定,循环钻井液的压 力通常略大于煤储层压力,此时产生的压差气较少。 而在接单根、起下钻时,由于井筒液柱压力减少,可 能会出现压差气,压差气量取决于煤层中游离气和溶 解气的含量以及压差大小。
第三是扩散气。由于煤储层气体浓度高于钻井液 中的气体浓度,促使煤层中的气体在扩散作用下,进 入钻井液。扩散作用相对漫长,气量较少,主要由富 含溶解气和游离气的煤储层产生。
第四是破碎煤屑在上返过程中,当液柱压力低于 解吸压力后,解吸气进入钻井液。 1.2 烃类气体进入钻井液的分布状态
煤层气进入钻井液后的分布状态呈 3 种形式。第 1 部分是煤层气溶解于钻井液中,溶解程度取决于两 者的接触面积、接触时间和溶解度;第 2 部分煤层气 以游离状态、呈气泡形式与钻井液混合;第 3 部分是 被钻碎的岩屑(包括煤屑、砂屑、泥屑等)或钻井液添

加剂所吸附的煤层气,并与钻井液相混合。 综上所述,钻遇煤层后,钻井液中不仅包含破碎
的煤颗粒中的游离气、溶解气和解吸气,还包括通过 渗透和扩散作用的来自于井筒周围煤层的游离气和溶 解气(由于煤层钻时小,渗透和扩散作用较慢,这方面 的气量很少)。所以,钻煤岩所用钻井液中包含的煤层 气基本是含气量计算中要考虑的全部损失气量。因此, 如果能够合理计算钻井液中的含气量,就能很好地弥 补目前煤层含气量计算方面的不足,而气测录井中使 用的钻井液真空蒸馏器就可以对钻井液样品进行完全 脱气,并定量测定钻井液中所含有的气体浓度(包括烃 类、二氧化碳和氢气),进而进行损失气量的测定。
2 气测录井及钻井液真空蒸馏器简介
气测录井广泛应用于石油天然气的勘探开发中, 其资料不仅对解释评价油气层起着重要作用,而且还 可以准确计算地层含气量[8-9]。该方法的主要原理是利 用脱气器将揭开油气地层时进入到钻井液中的气体脱 出,进行色谱柱分离,再利用鉴定器分析地层中油气 组分和含量(图 1)。气测录井不仅可以快速分析钻井液 中气体成分,而且可以定量分析钻井液中气体含量。

图 1 气测录井流程图 Fig.1 Gas logging flowchart

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钻井液真空蒸馏器(图 2)是气测录井中重要设备 之一,它主要是通过降压、增温方法,促使钻井液中 的游离气体逸出,溶解气体脱出,脱气效果视钻井液 类型不同而有所差别,一般在 96%以上[10]。钻井液真 空蒸馏器具有定量、稳定及彻底脱气的特点,可以对 随钻连续气测分析资料进行校正。

图 2 钻井液真空蒸馏器结构图 Fig.2 The structure of fluid vacuum distiller

3 全脱分析法计算煤层气损失气量

3.1 合理选取气测全烃资料 气测全脱全烃数据可以定量评价钻井液中的含
气量,当每米煤层均有取样分析数据时,直接采用全 脱全烃资料进行计算。如全脱全烃资料较少,应考虑 利用数据齐全的随钻全烃进行计算。但是,由于受脱 气器电机转速、集气室容量、钻井液粘度[11]、钻速大 小以及泥浆槽液面波动等因素影响,随钻全烃不能真 正反映钻井液中的气体含量。因此,需要利用已获得 的两种全烃数据绘制相关图版,建立关系方程,然后 计算对应全脱全烃值。 3.2 确定气体逸散系数
钻井液中气量较大时,气体不能被全部溶解,会 有一部分呈游离状态随钻井液上返至井口。由于井口 至导管口之间不是一个全封闭系统,因此会导致部分 气体逸散到大气中。此时测得的全脱全烃值不能完全 反映钻井液中含气量,需要开展相关实验,确定气体 逸散系数。 3.3 损失气量的计算
首先,根据煤层测量间隔、实际钻时以及泵排量 3 项参数,采用式(1)计算出钻遇煤层时钻井液的总体 积;然后,根据全脱全烃、逸散系数、体积系数以及 钻头参数,利用式(2)、式(3)计算钻井液中的气体量(损 失气量)和破碎煤岩质量;最后,利用式(4)计算损失气 量。计算公式如下:

Vz=tQH

(1)

Vq=k1k2 VzTJ

(2)

My=ρπR2H

(3)

Vs=Vq/My

(4)

式中 H 为随钻全烃深度间隔,m;Q 为钻井液排量,

L/min;t 为钻时,min/m;k1 为逸散系数;k2 为体积系 数,即每 250 mL 钻井液中脱出的气体体积;TJ 为全脱 全烃,%;Vz 为钻井液体积,L;Vq 为校正损失气量, L;My 为破碎煤岩质量,t;R 为钻头半径,m;ρ 为煤 岩密度,g/cm3;Vs 为损失气含量,L/t。 3.4 损失气量的校正

测量全脱全烃时,若温度、压力与标准状态相差

较大时,需要将式(4)计算出的损失气含量进行逐点气

体体积校正,校正为标准状态 (温度 20 ℃、压力

101.33 kPa)下的气体体积,即标准损失气量:

VSTP

=

293.2 × P ×VS 101.33× (273.2 + T )

(5)

4 全脱分析法应用实例
现以沁水盆地枣园区块 3 号煤层为例,用全脱分 析法计算该煤层的损失气量。由于沁水盆地枣园区块 全脱全烃资料相对较少,需要利用随钻全烃资料计算 全脱全烃。通过对多口煤层气井随钻、全脱全烃数据 的统计,绘制了两者的关系图(图 3),建立了二者的关 系式:y=1.31x+5.75。由于目前没有在煤层气钻井现场 开展过井口取样和钻井液出口槽内取样进行对比的全 脱实验,同时考虑到煤层气钻井和石油钻井施工方面 具有一定的相似性,本文借鉴大庆油田现场实验得出 的逸散系数为 1.48;但是钻井液粘度越大,越易吸附 气体;硅酸盐钻井液和油基钻井液比水基钻井液更易 溶解吸附气体。因此,由于煤层气钻井施工主要采用 水基钻井液体系,其粘度和固相含量明显比油井低, 这样会导致更多的气体逸散,使得煤层气井的逸散系 数高于油井[12]。

图 3 随钻全烃和全脱全烃的关系图 Fig.3 The relation of total hydrocarbon while drilling and total
degassed hydrocarbon

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根据上文提出的计算损失气量的方法和步骤以 及基本在标准状态下采集各项气测资料,分别计算了 QN-001、QN-003、QN-005 等 3 口井 3 号煤层的校正

损失气量、煤岩质量和吨煤损失气含量(表 1)。依据煤 心解吸资料回归(表 2),得出这 3 口井的吨煤损失气量 分别为 0.27 m3/t、1.82 m3/t 和 0.71 m3/t。

井号 QN-001 QN-003 QN-005

表 1 全脱分析法计算的煤岩质量和损失气量结果 Table 1 Coal quality and lost gas calculated by the method of total degassed hydrocarbon analysis

深度间隔/m

全脱全烃/%

校正损失气量/L

破碎煤岩质量/t

吨煤*均损失气量/(m3·t-1)

0.89

23.61

37.32

0.102

1.00

81.94

218.29

0.115

1.00

97.21

155.38

0.115

1.00

96.56

102.89

0.115

1.21

1.00

95.34

203.19

0.115

1.00

61.63

125.88

0.115

0.97

47.95

113.98

0.112

0.40

32.68

139.31

0.046

1.00

56.21

598.99

0.116

1.00

73.22

455.10

0.116

1.00

85.03

302.03

0.116

2.75

1.00

69.89

173.77

0.116

1.00

58.94

157.01

0.116

1.00

52.39

213.99

0.116

0.20

88.30

62.73

0.024

1.00

96.02

255.78

0.121

1.00

93.89

150.08

0.121

1.00

91.49

97.49

0.121

1.80

1.00

94.05

200.44

0.121

1.00

97.85

199.84

0.121

1.00

95.60

390.51

0.121

表 2 常规回归法损失气量计算结果 Table 2 The calculation results of lost gas by conventional
regression method

井号



品 重量/g 损失气量



/mL

井号



品 重量/g 损失气量



/mL

1 1 720 524.87

1 1 260 603.46

2 1 720 510.2

2 1 660 695.71

3 1 530 332.67

3 1 560 609.05

4 1 630 721.97

4 1 780 1 447.75

5 1 800 571.68

5 640 345.1

6 1 660 287.24 QN-001
7 740 210.73

6 1 180 396.16 7 1 440 394.41

8 1 730 460.09

8

QN-005

9 1 820 282.26

9

1830 1 640

609.51 905.19

10 1 480
吨煤*均 损失气量 /(m3·t-1)
1 2 190

QN-003

2 1 950
吨煤*均 损失气量 /(m3·t-1)

310.79 0.27 3 808 3 724 1.82

10 1 260 1 191.73 11 1 760 3703.8 12 970 1 291.26

吨煤*均

损失气量

0.71

/(m3·t-1)

由表 1 和表 2 对应井*均损失气量数据可以看 出,全脱分析法的损失气量计算结果明显高于回归方 法,前者一般为后者的 1.5~4.5 倍。3 种原因可能造 成这种情况:首先,由于煤层本身可能含有一定量的 游离气和溶解气;其次是新方法计算将整个煤层作为 计算对象,而常规方法是以有限测量点的计算来代 表整个煤层;第三可能是由于煤层破碎后初期的解 吸量偏大。由于新方法以实际分析资料为基础,不 存在人为因素,其计算的损失气量应更接*于地层 真实含气情况。
5 全脱分析法计算煤层气损失气量的注意事项
a. 钻井施工过程中,钻遇煤层时要在钻井液出口 (靠*井口处)大量取样进行全脱分析,最好每 0.5 m 取 一次样,同时要准确记录取样点的钻时、排量,加密 测量随钻全烃。取样后, 应及时进行全脱分析,记录 色谱分析时的温度和压力,获取煤层甲烷、氢气和二 氧化碳气体相关数据。
b. 目前,受沁水盆地枣园区块资料限制,建立的 随钻全烃和全脱全烃两者之间的关系方程只适用于随 钻全烃小于 72%的情况;当随钻全烃超过 72%时,得 出的全脱全烃将大于 100%,此时全脱全烃按 100%参

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与计算。 c. 由于在煤层气钻井施工过程采用的钻井液体
系、密度和添加剂不同于油井施工,因此应开展相关 实验研究,确定逸散系数。一般情况下,密度和固相 含量越低的钻井液的逸散系数越高,即煤层气井钻井 液逸散系数应高于 1.48。
d. 由于在气测录井过程中只能分析氢气和二氧 化碳两类非烃类气体,不能分析氮气。因此, 煤层中 氮气含量的高低将影响损失气量的计算,氮气浓度越 高,结果偏差越大。
e. 在欠*衡钻井施工过程中,当煤层中含有较 多的溶解气和游离气时,进入钻井液的压差气会增 加,此时计算的损失气量会偏大。另外,目前空气泡 沫钻井中样品采集仍面临许多困难,无法进行损失气 量计算[13]。
6 结论
a. 利用全脱分析法计算煤层气损失气量,尽管目 前还处在探索阶段,但在理论和技术上是可行的,它 不仅可以有效地解决目前煤层含气量测试中无法计算 溶解气和游离气含量的问题,同时也可以消除损失时 间的影响。
b. 通过对沁水盆地枣园区块 3 口井 3 号煤层损失 气量的计算表明,用全脱分析法计算的煤层气损失气 量是常规方法的 1.5~4.5 倍,可能更加接*真实情况。
c. 全脱分析法不仅可以计算整个煤层的损失气 量,还可以有针对性地计算煤层不同部位的损失气量。 该方法所需数据容易采集,计算过程简单,不受煤级

和煤岩类型限制,有很好的应用前景。
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(上接第 19 页)
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