对煤层气测试两个国标中有关问题的再认识.PDF

中国煤层气勘探开发利用技术进展 对煤层气测试两个国标中有关问题的再认识 张庆玲 煤炭科学研究总院西安分院 陕西西 安 710 0 5 4 摘 要 根据我国 煤层气勘 探开发中 试验井的解吸试脸结 果和等沮吸附实 脸数据分 析，探讨了 不同 基准下各浏试参数间的关系，分析了现行的“ 煤层气 含量刚试方法 ”和 “ 煤的高压等温吸附试验方法 客童法”两 个国 标中 存在的问 题， 指出了 在同时 采用两 标准时 要注 惫基准的一致性， 提出了对煤层气测 试技术新认识。 关键词煤气含1吸附煤层气 R e 一 u n d e rs t a n d in g o n T w oG B s ofC B ML a b o r at o ryT e s ts Z h a n g Q in g li n g X i ，a nB ran c hofR e s ea阳 hln s ti t u t eofC o a I S c i e n c e ， X i ，a n7 1 0054 ， S h aan x i A 阮如 d A 戊傲击 n gtothea I， 〕 rPl lon 俪1比sul恤Of C B M Pi l 谧叨 e l肠阴d田 过y 日 1 5曲 d a l aofi 3 o 山 e rm ab以 刃 l ti onte sts， the a u lh ord io c u 。 耐 th e 比 l at 沁 n s h i p ofv 如呻 姗t p 脚In e 魄 u n d e r the d iffl组 e ntba o el i拙。 and 即街2 闭 比 eP 功 b 】 妙i n the l w 0GBsofC B M坛 肠扭加 ryte s t s 节 h ic 卜砂 既 TestM e t】 卜 记JC B MG 阳C O 们 t. n t a l” 1 the Ex衅r lmen 以 M eth od ofbd h enn 汕即印‘ on 皿der Hi薛 P r e 朋 眠 for C 凹】 S a m P I e . 人 卜 OPul fo 饰耐 ，h a t th e 印朋iat enc yofl j朋di此 . hu l d悦加川 光 n lc dw h e nth e枷 G B 日 毗 叩目ied atl 忱 妙t i m e Fin 日 l y ，， omenew vi e 洲 I N 〕i nts on C B Ml a l如 曲 ry晚I t echool o gy毗 p r. 发ntedinthe p a p e r . K e 州。 r ds C 耐 ; 脚 伪n te nt; 田 卜 。 印tio叭 C B M 引言 煤层气含量 测试和煤的 等温吸 附试验是煤层气地面勘探开 发中 资源量计算、 储层可采 性评价的 关键技术参 数， 对于制定勘探部署和 开发规划至关 重要。 为规范 我国 煤层气含量 测定技术 方法和 煤的 高压容量法等温吸附实验技术， 统一测 定过程和实验方法， 提高测定 结果的可比 性， 促进资料共享， 在国 家质量技术监督局支持 下，中 联煤层气有限责任公司 与煤炭科学研究总院 西安分院， 结合我国 煤层气勘探试验的 实际情况， 共同制定了 “ 煤 层气 含 量 测 定方 法 ，，l ’ 〕 和 “ 煤的 高 压 等温 吸 附 试 验容 量法 ” [z]国 家 标准， 并于2 004 年6 月颁布执行。标准运 行两年来， 为我国 煤层气的 勘探、 开发发 挥了 重要的 作用， 但是标准 在具体应用时， 还存 在一些问 题， 如两个标准 采用的 基准不 一致和 在关键问 题上没有做出 明晰的规定等， 本文就两国 标在实际 应用当中一 些操作环节和存 在的向 题提出 讨论， 以引 墓金项目国家重点基础研究发展规划 “ 973 ”基金资助项目 2 仪 12 C B 2 1 17 03 。 作者简介 张庆玲， 1 2 年生，女，山西菌城人.高级工程师。E 川〕 ‘ 1 血q l， ， 993 331 26 。 om。 2 1 4 对煤层气测试两个国标中有关问题的再认识 起煤层气评价时重视。 1 国标基准问题 1 . 1 两个国标基准不一致 在 “ 煤 层气含量测试方法”国 标中，规定自 然解吸和残余气测定所测得的解吸气、 残余气体积在进行逐点气体 体积校正时， 要换算到标准状态下 20℃、1 个大气压气体 体积。而 “ 煤的高 压等温吸 附试验 方法容量法”数据处理中吸附气体总 体积和吸附量是 依据物理化学中理想气 体标准状态下的状态方程式 1 计算， 理想气体的 “ 标准状 态”是指 l m o 】 的 理想气体的三个 状态参 量分别 为TO 2 73K ， p 。 1咖 1. o l3xlo ， Pa 101 . 325 k p a ，VO二 22. 4 Umol 二 22. 4x ro“m 扮 m ol时的状态。 所以前者的温度基准为 20℃、1 个大气压， 后者温 度基准为0 ℃、 1 个大气压。 P V 刀 Z R T 1 式中 尸 压力， M Pa; 】 一气体体积， m L ;n 摩尔数; 2 气体的压缩因 子; 五 气体常 数;， ‘一温度， K 。 由上述可知， 在同一份煤层气勘探测试报告中， 采用 “ 煤层气含量测试方法”和 “ 煤的高压等温吸附试验方法 容量法”两个国 标， 得到的气含量及吸附实验数据基准不 同， 数据不能直接采用， 一定要换算为相同基准，否则会影响到煤层气的勘探、开发 工作。 1 . 2 国内外使用的 “ 标准状态. ，的差异 在我国不同的行 业， 在实际应用上对于 “ 标准状态”的定义比较混乱。 在化学热力 学 [3] 中， 对 纯 物 质 的 标 准 状 态 规 定 如 下 温 度为2 98 . 巧K 即25 ℃， 压 力 为1 01 . 3 25 k Pa; 在 环 境 保 护 与检测中 [4]， 明 确规定 “ 标准 状态” 是指 温度 为2 73 K即。 ℃， 压 力为 101 . 3 25kPa 时的状态，标准中 的各污染物标准限值均是指在该标准 状态下的 值;而天然 气行业[，]的 体积计量标准状态为20℃. 1 01. 3 k Pa， 煤气用0 O c 或2 0 “ c ， 在贸易结算中合 同 双方可协商用任何一个温度， 称为合同温度; 煤炭行业的标准状态为 0 ℃， 101 . 3 25kPa 。 总之， 在我国 标准状态中 压力都是标准大气压，即1 01. 3 25 k p a ， 但是温度 就不尽相同，有二种温度标 准， 20℃， 0 ℃ 除化学热 力学中 标准 状态温度为25℃外 。 国 际理论和应用化学 联合会16llU P A c I nt 帅at ion alU ni on ofPu ，an dAPnlied C he 而st ry 现在对 “ 标准 状态”的 定义是0O C和l b ar 即l oo k Pa绝对压力，而不是 过去的1 个大气压 即1 01 . 3 25k p a ，这有别于我国的有关定义。I U P A C的 定义已 经从 1 99 7年就开始生效T。】 n 沈 r ll a ti l〕 11 a 1 0 r g a l 】j Z a l jo nfor s tand 耐i z ation 1 5 0 ，th eUS. E nv i ro nme n 回 P r o te c 五 on A 罗 。 c y E PA 和 N at i onall ns t ituteofS t a n d aIdsa n dTec 恤0 1 0 罗 N lsT 在它 们的标 准和规 范中对 “ 标准状态”有不止 一 个的定义川[8]。美国 煤层气研究 中 标准状态压力采用1 0 1 . 3 乃k h，温 度6 0 0 F 5 2 0 0 R ， 即1 5 . 5 ℃. 。 所以 国内外目 前对 “ 标准状态”的定义没有统一的 定义。国际 和国内由于行业或习 惯的 关系， 往往规定不同的 标准参比 条件， 但这 样做有许多弊端， 不便于 相互交流。 这是 应该特别引起注意的。我国近 年来先后从美国引进了多台等温吸附 仪， 在使用前务必要明 .叶建平.朱希安，陈平等泽， 2 002 。煤层甲烷储层工程指南，42一 46。 2 1 5 中国煤层气勘探开发利用技术进展 确系统所使用的 标准。如美国Reven rid罗公司生产的等温吸附仪试验结果基准为ooC ， Terrat 吐公司 生产的 等温吸附仪试验结果基准 为2 0oC 。 1 . 3 不同基准下含气量和吸附参数的差异 煤层气含 量测 试和煤的 等温吸附试验， 实验模拟煤的储 层温 度， 在数据 处理时 要进行 体积校正， 不同温 度基准对实验结果有多大 影响呢目 前未 见文献报 道。 本文以山 西大宁 D N 001 煤层气勘探开发试验井的D N一 01一 5 一 1 煤样的 解吸 试验结果和等温吸附实验数据 为例， 采用标准大 气压为1 01. 3 25k Pa， 以3 个不同温度0 ℃、 15. 5 ℃、 20℃ 为基准 进行校 正分析， 不同温 度基准 得到的 气含量和肠卫 侣 刚i r 参数 见表1 ，吸附 等温线见图1 。 表1 不同温度葵准下 D N 刁1 占4煤样气含t测试数据和L叨脚 u i r 参数 温 度 0 O C 1 5 ， 5 ℃ 卫 0℃ 解吸气量 cm， 损失气里 。 二 3 残余气量 。 m 勺 实侧气含量 c o 3 /g矶 2 1 】 2 4 8 _ 6225 1 2 . 3 2 6 5 4 . 90 泛 6 9 氏 3 0 2 7 8 叩 21 3 盯2 82 9 4 . 67翼 二 2 1 7 3 0 862 9926 皇 叼 弓 0 4 8 44 5 1 . 1 9 5 1 . 99 注 凡单位为c m 3 傀，几单位为M 几，吸附量为。 m 3 / 90 表2 不同温度基准下DN一 01 一 5 一1煤样气含t测试和D妞9 曲亩参数误差分析 温度解吸气误差 实测气含量误差 VI误差 PL误 差 幼月比 56加比 577316 00 C 1 5 . 5 ℃ 0 ℃ 一 2 0 ℃ ] 5 ℃ 2 0 ℃ 刀15， ︵5/，日己绷窿彭 0 宜 一 051 0 压力 扮 田 a 图1 不同温度基准下同一煤样的吸附等温线 煤层气研究中 标准状态采用1 01 3 2 5 k Pa 由表1 数据和图1 曲线中可以看出， 不同 温度基准下同一煤样的气含量测试数据、 1 刀 l gtnui r 参数和吸附等温线存在明显差别。分 别以 0 ℃和 20℃为基 准时 自然解 吸气量差 1 4 5 2 . 2 4 c 扩， 总气量差 1 6 s 66 c m ， ，实测气含 量差2 . oc扩/ 9 。 ooC 一 2 0oC之间解吸气和 肠n g m uir体积误差 达7 . 3 ， 吸附 等温线也有明 显差异。 1 . 4 不同温 度基准的 换算方法 我国在煤气行业使用的标 准条件为 1 01. 3 25k Pa， ooc 。 2 创 又年前煤层气含量测试方 法使用的 标准 条件也为1 01， 3 2 5kPa， 0 ℃。 美国 ，巧. 5 ℃。自然解吸和残余气测定所测得的解吸 气、残余气体积，可 任意 换算到以某温度为 基准的 气体体积， 计算公式如下 不 飞 ， Tx 1 0 1 . 3 3x 273 . 2孔xp ox嵘 式中百号 即 标准状态下的气体体积，mL;尸 一 大气压力，k Pa; ℃; 凡 气体体积 解吸计量读数 ， m L; 爪 标准 状态温度， K 。 2 1 石 2 凡 大气温度， 对煤层气测试两个国标中有关问题的再认识 . 2 残余气测定方法 在 “ 煤层气含量测试方法”国标中，残余气的测定方法为球磨法，标准规定把样品 破碎 2 一 4 h ，但在测试时发现高煤级煤或硬度较大的煤，则需要远远超过月 h 的时间才可达 到要求，如山西沁水、阳城、郑庄等地的煤样，通常要破碎s h 以上。 另外标准对自然解吸结束开罐后，没有规定在多长时间内装人球磨罐破碎进行残余气 测定，因 残余气虽然是指自 然 解吸 结束后滞留 在煤中的 气体， 但在操作中 发现， 如果开罐 后煤样放置时间 过长， 残余 气会释 放， 这样 做可 能使得残余气 值偏低，甚至 测不出 来， 出 现残余气为0 。所以在时间上应有严格规定。 3 吸附实验压力点分布 “ 煤的 高压等温吸附试验 方法容量法”标准只 对最高实验压力的 设置和 实验压力点做 了规定，而对每个实验压力点的分布值没有详细的规定。处理分析数据实验发现，实验过 程中， 每个压力点设定值的大 小、 实验压力点的 分布不同， 对实验数据有一定的 影响。不 同变质程度的煤对甲烷具有不同的吸附特性，主要表现在高低压的吸附增量上，实验发现 压力在 1 一 4 MPa范围内，吸附量随压力增加而增加的幅度较大，此后，压力越高吸附量增 加的 幅度减小。对于高煤级的 煤尤为明 显， 等温曲 线的拐点一般在3 . S M Pa以前出现; 对 低煤级煤，吸附甲烷的速度相对较慢，吸附等温线拐点出现的较晚。标准规定把煤样分 为无烟煤和非无烟煤两种，对于无烟煤，在 3 ， S M Pa 前应有三个压力点，以后按 1 . 5- ZO MPa增量递增，直到最高压力 ; 非无烟煤在整个压力范围内增量按均匀分布原则。通 过大量实验数据和煤层气勘探试验井应用实例分析，考虑到无烟煤在低压时吸附能力较强 的特性，对于无烟煤吸附实验在2 . O M Pa 前应有三个压力点，这样能更好测定出吸附等温 线拐点，以选 10个实验点为例，压力分布值见表 3 。 表3 吸附实验中压力点分布 }一压力点分布一一一 一 一一一 煤级 无烟煤 M Pa 非无烟煤 ” 儿 0 . 5102035558 . 01 1 01 5 1 . 02 03 _ 05 . 56 . 0吕 . 01 众 01 21 4 01 6 4 结论和建议 国际和国内由于 行业或习惯的关系， 往往规定不同的标准参比条件， 不同基准下含气 量和吸附参 数有很大 差异， 对同 一个煤样的气含量和玩n gmui r 体积的计算误 差达7 . 3 。 为提高测 定结果的 可靠性和 可比性， 促进资料 共享， 变于 技术 交流， 考虑到数 据使用的延 续性，作者建议将 “ 煤层气含量测试方法”和 “ 煤的高压等温吸附试验方法 容量法”两 个国标中 “ 标准状态，， 统一制定为 0 ℃， 1 01. 3 2 5 k Pa。 “ 煤层 气含量 测试方法 ”和 “ 煤的高压等温吸附试验方法 容量法”两个国标中， 在 个别关键问 题上没有 做出明 晰的规定和明确表述，给 应用带来不 便， 建议尽快 修改国标口 2 1 7 中国煤层气勘探开发利用技术进展 参考 文献 【 1] 李小 彦， 张遂安， 王强. 2 以 ” . 煤层气含童测定方法 G B/T1 9 5 5 9 一 2 1， j 4 . 北京中国标 准 出版 社 【 2 〕张 庆玲，张遂安，崔永君. 2 以 ” . 嫌的高压等温吸附试脸方法容1法 G B/T1 9560一 2 X抖 北京中国标准出版社 〔 3 〕宋 借谈， 庄会急，王正燕. 1 卯2 ， 物理化学， 北京高等教育出 版社， 70一 1 08 〔 4 」 空气质童标准 G B3005一 1 996 .韭京中国标准出灰社 【 5 〕 流量测童仪 表 基本参数 G B / n3 14一 9 1 . 北京中国 标准出 版社 【 6]“ C O 盯 lpendi恤 ofT e rmi 耐呀” ， 2 “Edit ion， 1 997 ， n 〕p A C跳c re 俪at ， Re， 肚 吸 么Tri叨 gle l 仙 ‘ . RO . B 皿1 3 书7 ， N c ， U S A 衅 一 1 卯7 a n d ， 拍 1 一 I 997 de6 n i li 0 I拐 IU PAcc o m Pe. d 二 u 瓜 【 ， 1“ D e 苗 ，田 记U ncerta inty for aP V T t G “F I 。 ，自 助d 耐 ，， ， J oun la l ofReh ofthe N at i O 1 1all 璐‘ tute成 5 1习 11 d a 记 .朋dT e 〔 卜 n ol llgy，V oL I O S ，N l lm】x 竺r l . 2 加3N ISTJou 翻a 】 . 【 剑 “ S la ti on 呵 E nus‘ 0 一 M easom ent ofv el ，itvand v ol u me F 俪 R ate ofGas inD u c ts .. ， 15 01 0780， 且 川 c n la ti 。 耐 st 叨山 叮 山O r 月 a lli z ation，晓neva. S w ilzer 】 a 们 日Isa 2 1 8