CN103196702B - 一种密闭取心测定煤层含气量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密闭取心测定煤层含气量的方法，具体为：用密闭取心方式取得煤层样品;对取得的煤层样品进行煤层气解吸并测量煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力，其中，解吸可以分为初步解吸和后续解吸;取指定量经解吸的煤层样品进行粉粹并测量煤层样品的质量、残余气体积及读数时的环境温度及大气压力；根据煤层样品的质量及解吸气和残余气体积及读数时的环境温度及大气压力得到单位质量煤层样品所含气体在指定条件下的体积。相对于现有技术，本发明能极大地避免损失气的产生；同时增大了可用的样品量且取得不受外界影响的煤层样品，因此使煤层含气量的测定更加准确;且本方法可与现有的测定设备良好的兼容。

Description

一种密闭取心测定煤层含气量的方法

技术领域

本发明涉及煤层气勘探开发领域，特别涉及一种煤层含气量的测定方法。

背景技术

煤层含气量是煤层气勘探开发、储层研究中不可或缺的参考资料，利用煤层含气量测定系统可以确定吨煤含气量、估算煤层气储量、预测气体采收率等煤层评价的重要参数。因而对煤层含气量的准确测定是煤层气勘探开发的有力保障。

现有技术的煤层含气量测定中，一般采用由绳索（打捞索）连接的取心筒进行取心。现有技术绳索取心的流程参见图1，图1为现有技术绳索取心流程图，如图1所示，当采用由绳索（打捞索）连接的取心筒进行取心时，其步骤包括：

步骤101：下钻；

即钻至取心目的煤层后起钻更换为取心钻具，然后下钻。

步骤102：取心钻进；

取心钻头可以在钻进过程中在钻杆内部形成柱状煤层样品。柱状煤层样品随即进入投入钻杆内部由打捞索连接的取心筒中。

步骤103：割心；

待钻至一定长度（通常不超过取心筒长度的90%），通过上提或者转动钻杆使煤层样品与地层断裂开。

步骤104：下取心打捞工具；

割心后通过取心筒底部的岩心爪固定住内部煤层样品，并连接打捞索与取心筒。

步骤105：提心；

即由打捞索将取心筒提取至地面。

步骤106：出心；

即打开取心筒获取煤层样品。

图2为现有煤层取心技术的示意图。现有技术煤层含气量测定中取心如图2所示，在现有技术的取心过程中，取心筒外筒2013连接在钻杆2011上，在钻进过程中，钻井液从取心筒外筒2013与取心筒内筒2016之间的环形空间流过，并经钻头2015从取心筒外筒2013与井壁2012之间的环形空间返出地面。由于取心筒内筒2016的顶部不完全密封，在钻进时取心筒内筒2016与煤层样品2014之间的环形空间也有钻井液流动，从而对煤层样品2014造成冲刷。现有技术取心时，从钻头2015切入煤层203开始，由于环境压力由地层压力转换为外界压力，煤层样品2014中所含气体即开始解吸和逸散。此后，煤层样品2014的提取过程中亦暴露在外界环境中，直至打开取心筒内筒2016，将煤层样品2014装入解吸罐密封为止。这部分逸散损失的气体被称为损失气。

在现有技术的煤层含气量的测定中，通常包含了可以直接测定的解吸气和残余气，以及不能直接测定的损失气。现有技术对损失气的量采用计算的方法获得，以清水及泥浆为钻井介质为例，采用提升时间达到一半的时间作为时间起点，并认为在解吸早期，解吸量与时间的平方根成正比，以此进行数学拟合计算而得到损失气。然而，这只是对真实情况的一种模拟计算。

在现有技术的取心过程中，钻井液的循环会对煤层样品造成一定程度的破坏。对于破碎或不完整的煤层样品，其气体逸散更快，这进一步降低了实验数据的准确性。

现有技术中虽然也有钻杆取心等方式，但钻杆取心对实验结果造成的误差影响更大。

发明内容

本发明提供一种密闭取心测定煤层含气量的方法，以解决采用现有技术有损失气产生、取得的可用煤层样品量较小、取心过程中高速循环的钻井液对煤层样品的冲刷、浸泡和污染，从而使煤层含气量的测定不够准确的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种密闭取心测定煤层含气量的方法，包括：

用密闭取心方式取得煤层样品;

对取得的煤层样品进行煤层气解吸并测量煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力;

取指定量经解吸的煤层样品进行粉粹并测量煤层样品的质量、残余气体积及读数时的环境温度及大气压力；

根据煤层样品的质量及解吸气和残余气体积及读数时的环境温度及大气压力得到单位质量煤层样品所含气体在指定条件下的体积。

在本发明中，所述用密闭取心方式取得煤层样品包括：

钻至取心目的层后起钻,将钻具更换为取心钻具,并向取心筒内筒中罐装密闭液;

下钻至取心目的层后取心钻进,钻得的煤层样品进入取心筒内筒并被密闭液包裹;

取心钻进完成后通过割心使煤层样品与取心目的层断开;

起钻至地面打开取心筒获取煤层样品。

在本发明中，所述密闭取心方式取得煤层样品还可以包括：

将管状物与密闭液一起放置在取心筒内筒中，使取心钻进钻得的煤层样品进入取心筒内筒中的管状物内，并被密闭液包裹。

在本发明中，所述对取得的煤层样品进行煤层气解吸并测量煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力可以是：

将获得的煤层样品切割并用密封件密封；

在密封件上打孔并对煤层样品进行煤层气初步解吸直至解吸速度低于指定值并记录解吸气的体积和读数时的环境温度及大气压力；

去除密封件并清洁初步解吸后的煤层样品，将该煤层样品装入具有特定温度的解吸罐中进行后续解吸并记录煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力。

在本发明中，所述密封煤层样品的密封件包括：

放置煤层样品的管状物和端口密封件。

在本发明中，所述在密封件上打孔并对煤层样品进行煤层气初步解吸包括：

将打孔仓密封连接在所述密封件上以提供密闭打孔空间；

通过从打孔仓顶部插入打孔仓内部的打孔器来钻穿所述密封件；

钻穿密封件后煤层样品解吸的气体通过位于打孔仓上的解吸接口进入气体计量装置。

在本发明中，所述在密封件上打孔并对煤层样品进行煤层气初步解吸直至解吸速度低于指定值可以是指：

对煤层样品进行煤层气初步解吸直至解吸速度低于50立方厘米/天。

在本发明中，所述对取得的煤层样品进行煤层气解吸并测量煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力可以是：

清洁取得的煤层样品，并立即将该煤层样品装入具有特定温度的解吸罐中进行解吸并记录煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力。

在本发明中，所述将该煤层样品装入具有特定温度的解吸罐中是指：

将该煤层样品装入具有特定温度的圆柱形有接口空腔，该圆柱形有接口空腔能在内外压差为0.2MPa时保持气密性，且其底面直径与煤层样品底面直径匹配，所述接口用来连接气体计量装置。

由上述可见，本发明的包含：“用密闭取心方式取得煤层样品;对取得的煤层样品进行煤层气解吸并测量煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力;取指定量经解吸的煤层样品进行粉粹并测量煤层样品的质量、残余气体积及读数时的环境温度及大气压力；根据煤层样品的质量及解吸气和残余气体积及读数时的环境温度及大气压力得到单位质量煤层样品所含气体在指定条件下的体积。”的密闭取心测定煤层含气量的方法能在一定程度上保持煤层样品的气密性，避免了损失气的产生；同时获得相对现有技术直径更大大、长度更长、收获率更高的煤层样品，增大了可用的样品量，减少了测定误差；同时避免了钻井液对煤层样品的冲刷、浸泡和污染,取得不受外界影响的煤层样品；因此使本发明煤层含气量的测定更加准确。且本方法可以与现有的煤层含气量测定设备良好的兼容。

附图说明

图1为现有技术绳索取心流程图；

图2为现有煤层取心技术的示意图；

图3为本发明密闭取心测定煤层含气量方法流程图；

图4为本发明中的密闭取心技术的示意图；

图5为本发明初步解吸装置结构图；

图6为本发明解吸系统结构示意图；

图7为本发明密闭取心所获得的带有密闭液的煤层样品。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的核心思想是在煤层含气量测定中采用密闭取心技术，同时将煤层气解吸分为初步解吸和后续解吸。这样由于密闭液对煤层样品的保护作用，极大减少了取心过程中煤层样品中气体的逸散，同时避免了取心过程中钻井液对煤层样品的冲刷、浸泡和污染，可以取得不受外界影响的煤层样品；煤层样品取到地面后，先进行初步解吸，然后才放进解吸罐中进行后续解吸，进一步减少了气体逸散。从而克服了现有测定煤层含气量技术中只能通过估算获得损失部分气体量的缺陷；同时密闭取心可以获得相对现有技术直径更大大、长度更长、收获率更高的煤层样品，增大了可用的样品量，减少了测定误差；因此使本发明煤层含气量的测定更加准确。且本方法可以与现有的煤层含气量测定设备良好的兼容。

本发明提供一种密闭取心测定煤层含气量的方法，该方法的流程参见图3,图3为本发明密闭取心测定煤层含气量方法流程图,如图3所示,该方法包括：

步骤301：用密闭取心方式取得煤层样品;

在本发明的一个实施例中，用密闭取心方式取得煤层样品包括：

步骤3011：钻至取心目的层后起钻；

步骤3012：将钻具更换为取心钻具,同时向取心筒内筒中灌装密闭液；

用密闭取心的方式取得煤层样品时,可以根据不同的地层条件使用不同的密闭取心工具包括：自锁式密闭取心工具、机械加压式密闭取心工具、双节双筒密闭取心工具和双功能深井密闭取心工具等。为保证煤层样品的完整性，煤层为松散地层时应使用保形密闭取芯工具，煤层为硬地层时可以使用自锁式密闭取芯工具。

下面以自锁式密闭取心工具为例简单介绍密闭取心的工具的工作原理：

自锁式密闭取心工具为双筒双动式取心工具，主要由大接头、丝堵、外筒上接头、取心筒内筒及外筒、外筒下接头、内筒密封圈、卡箍岩芯爪、密闭头、剪销和取心钻头组成。

其中：大接头用于连接取心筒外筒与钻杆；丝堵用于密封取心筒内筒顶端；外筒上接头用于连接大接头，取心筒外筒用来保护取心筒内筒，联接钻具和钻头，承受钻压和扭矩。取心筒内筒用来放置密闭液和煤层样品；外筒下接头用于连接取心钻头，密闭头用来密封取心筒内筒下端，防止密闭液在取心前流出，密闭头可以在取心筒内筒中上下运动，当取心时，密闭头向上运动，密闭液流出，包裹在煤层样品上；内筒密封圈用于密封内筒与钻头的配合面；卡箍岩芯爪用来卡紧取得的煤层样品，便于完成割心和将煤层样品提取至地面；剪销用来控制密闭头的活动，当取心开始前剪销剪短后，密闭头可以上下活动。

取心前，在井口将油基密闭液灌装在取心筒内筒中，取心筒内筒上端用丝堵密封，下端用密闭活塞密封，形成密闭空间。密闭液的作用是保护煤层样品原始结构和阻隔气体逸散，密闭液可以选用蓖麻油等。如需在后续煤层含气量测定中将煤层气解吸分为初步解吸和后续解吸，还须在取心筒内筒中放置外径小于取心筒内径但内径大于煤层样品501外径的管状物503，这样，取心时，煤层样品501进入管状物503中，便于初步解吸时密封煤层样品501。为便于后续使用，要求该管状物503的材料为硬质材料，且具有良好的气密性并易于切割和钻穿。可以选用PVC（聚氯乙烯）制成管状物503。

步骤3013：下钻；

步骤3014：取心钻进；

图4为本发明中的密闭取心技术的示意图。本发明密闭取心如图4所示。取心钻进时，取心筒外筒2023及取心筒内筒2027同时随钻杆2021旋转，带动钻头2025在煤层203中钻进，形成煤层样品2024。钻井液则从取心筒外筒2023与取心筒内筒2027之间的环形空间流向钻头2025并经过取心筒外筒2023与井壁2022之间的环形空间返出地面，这就避免了钻井液对煤层样品2024的冲刷、浸泡和污染。而所取的煤层样品2024，克服了卡箍岩芯爪的磨擦力进入取心筒内筒2027（在需要初步解吸并在取心筒内筒中放置了管状物503时，进入管状物503内）。在煤层样品2024的推动下，密闭头通过卡箍岩芯爪进入内筒，密闭液2026则从其间隙流出，并均匀地涂在煤层样品2024表面上，形成一层保护膜，极大地减少了煤层样品损失气的产生。

同时，密闭取心能避免钻井液对煤层样品的冲刷，良好的保持煤层样品的原始结构。由此避免被冲刷后破碎或不完整的煤层样品中气体更快的逸散，这进一步避免了损失气的产生。因而本发明的测定煤层含气量的方法不再需要像现有技术一样对取心过程中的损失气进行计算。同时密闭取心可以获得相对现有煤层取心技术直径更大大、长度更长、收获率更高的煤层样品，增大了可用的样品量，减少了煤层含气量测定的误差。

通常取心工具可取得的煤层样品长度上限分为软地层条件下5米和硬地层条件下7.2米，且不超过取心筒长度的90%。对于机械加压式密闭取心工具，需要进行投球以堵住取心筒内筒水眼，增加泵压使底端的压缩式岩心爪收缩并卡紧煤层样品。对于自锁式密闭取心工具，则不需要进行投球，因为工具自身可以卡紧煤层样品。

步骤3015：割心；

在取得一定长度的煤层样品后卡紧（自锁式密闭取心工具可省去投球加压步骤）煤层样品并进行割心。根据情况可通过转动钻具扭断煤层样品完成割心或者在岩心爪卡紧煤层样品后起钻提升时，卡紧煤层样品的岩心爪拔断煤层样品。自锁式密闭取心工具割心时，上提钻具，岩心爪沿钻头内锥面下行，产生径向锁紧力，将岩心卡紧。当上提拉力达到岩心断面极限拉断力时，岩心即被割断。

步骤3016：起钻；

在获取煤层样品之后，最后整体起钻进行样品提取。

步骤3017：出心。

即获取煤层样品。本发明密闭取心方式所获取的煤层样品参见图7，图7为本发明密闭取心所获得的带有密闭液的煤层样品，如图7所示，本发明密闭取心方式所获的的煤层样品带有密闭液，较常规取心方式获得的煤层样品更好，且煤层样品所含气体未进入密闭液中。可见本发明密闭取心方式对煤层样品所含气体有良好的保护。

步骤302：对取得的煤层样品进行煤层气解吸并测量煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力;

对取得的煤层样品进行煤层气解吸至少有两种不同的解吸方式，其一是在取心筒取出井筒后，快速取出取心筒内筒及煤层样品，快速清洁（即去除煤层样品上的密闭液及其他杂质，一般采取用棉纱擦拭煤层样品的方式去除）煤层样品后立即装入与煤层样品底面直径适宜的解吸罐602中进行解吸。

其二先进行初步解吸再进行后续解吸。进行初步解吸的装置结构参见图5，图5为本发明初步解吸装置结构图。如图5所示,本发明的初步解吸装置包括：由管状物503和端口密封件502组成的密封煤层样品501的密封件；密封连接在密封件上提供密闭打孔空间的打孔仓504；从打孔仓504顶部插入打孔仓504内部的用来钻穿密封件的打孔器505；位于打孔仓504上的用于连接气体计量装置的解吸接口506。在取心筒取出井筒后，快速取出包含煤层样品501的PVC（聚氯乙烯）管503并将PVC（聚氯乙烯）管503及煤层样品501切割成合适的长度，然后用端口密封件502密封两端。这样，由PVC（聚氯乙烯）管503及其两端的端口密封件502一起构成的密封件就对煤层样品501进行了密封。然后将打孔仓504密封连接在密封件上适当的位置，如PVC（聚氯乙烯）管503上。打孔仓504提供一个密闭的打孔空间，防止打孔过程中气体泄漏，影响煤层含气量测定的准确性。打孔仓504上具有连接气体计量装置的解吸接口506，打孔后煤层样品501中解吸出来的气体通过解吸接口506进入气体计量装置，从而测得解吸气的体积。打孔器505从打孔仓504的顶部插入打孔仓504内部。打孔时，向下压打孔器505使其刺穿密封件，然后向上稍微收回打孔器505以形成煤层样品501解吸气的排出通道。打孔后对煤层样品501进行煤层气初步解吸直至解吸速度低于指定值，如50立方厘米/天，并记录初步解吸得到的气体体积和读数时的环境温度及大气压力。然后再去除PVC（聚氯乙烯）管503，并清洁（即去除煤层样品上的密闭液及其他杂质，一般采取用棉纱擦拭煤层样品的方式去除）初步解吸后的煤层样品501，然后立即将该煤层样品501装入与钻井方式适宜的解吸罐602中进行后续解吸。

解吸罐为圆柱形有接口空腔，要求在解吸罐在内外压差为0.2MPa时能保持气密性，并且可通过接头与气体计量装置相连接。解吸罐的底面直径与取心钻头所取煤层样品的底面直径一致,一般为120毫米、76毫米，也可以根据密闭取心实际情况加工成别的直径，确保解吸罐底面直径和煤层样品底面直径匹配。在解吸罐底面直径和煤层样品底面直径匹配的时候,既可以将煤层样品放进解吸罐内，也可以在将煤层样品放进解吸罐的过程中,利用解吸罐边沿顺便去除煤层样品上的密闭液及其他杂质。

本发明的解吸系统参见图6，图6为本发明解吸系统结构示意图，如图6所示，在将煤层样品置于密闭的解吸罐602中后，应立刻将解吸罐602置于温度保持在储层温度的恒温装置601中，并用硅胶管604通过解吸罐接口603和快速接头605连接解吸罐602与计量装置608，使煤层样品进行自然解吸并获得解吸气的体积量。计量装置通常采用带刻度的计量管606和容量杯607组成，当气体进入计量装置608后，通过调整液面获得气体体积，将测定时间与气体体积填入原始记录，并记录读数时的环境温度及大气压力。下次测定减去上次测定时的读数即为当前读数时的解吸体积。每间隔一段时间后测定一次读数，测点间隔可根据气量和压力而定，最长不超过24h。在实验过程中可以采用排水集气法采集气样，留待实验室内的气体组分分析。同时，测量解吸罐602中进行解吸的煤层样品的质量，并记录。

步骤303：取指定量经解吸的煤层样品进行粉粹并测量煤层样品的质量、残余气体积及读数时的环境温度及大气压力；

在自然解吸结束之后进行开罐，并可对煤层样品进行拍照，拍照时注明井号、深度等信息以备其他研究中使用；然后取一定量样品（通常为50g）放入连于气体计量装置的球磨罐中进行粉碎，使煤层样品中的残余气挥发出来。记录所得残余气体积、被粉碎的煤层样品的质量及测量时的环境温度及大气气压，至少应取3次样品进行粉粹测量取平均值。

步骤304：根据煤层样品的质量及解吸气和残余气体积及读数时的环境温度及大气压力得到单位质量煤层样品所含气体在指定条件下的体积。

将测得的解吸气体积（有初步解吸时包括初步解吸得到的气体体积和封入解吸罐后的后续解吸得到的气体体积）及残余气体积均换算至1个标准大气压，0摄氏度下（标准状况下）的气体体积。换算公式为：

$V_{\mathrm{STP}}=\frac{273.15\×P_m\×V_m}{101.325\×(273.15+T_m)}$

式中：

V_STP为换算至标准状况下的气体体积，单位为立方厘米（cm³）

P_m为测量气体体积时大气压力，单位为千帕（kPa）

T_m为测量气体体积时大气温度，单位为摄氏度（℃）

V_m为测得气体体积，单位为立方厘米（cm³）

将换算得到的气体体积分别除以所对应的煤层样品质量，得到1个标准大气压，0摄氏度下（标准状况下）单位质量煤层样品所含解吸气体积（有初步解吸时包括初步解吸得到的气体体积和封入解吸罐后的后续解吸得到的气体体积）和残余气体积。在有初步解吸的步骤时,应当将初步解吸得到的气体体积和封入解吸罐后的后续解吸得到的气体体积均换算至标准状况下的体积后相加,然后用二者的体积之和除以后续解吸时解吸罐中进行解吸的煤层样品的质量；没有初步解吸而直接在解吸罐中进行解吸时，应当将解吸罐内解吸得到的气体体积换算至标准状况下的体积，然后用该体积除以对应解吸罐中进行解吸的煤层样品的质量；残余气则应将其测得的体积换算成标准状况下的体积，然后用该体积除以每次被粉碎的煤层样品的质量。

将1个标准大气压，0摄氏度下（标准状况下）单位质量煤层样品所含解吸气体积（有初步解吸时包括初步解吸得到的气体体积和封入解吸罐后的后续解吸得到的气体体积）和单位质量煤层样品所含残余气体积相加，即可得到单位质量煤层样品所含煤层气在1个标准大气压，0摄氏度下（标准状况下）的体积。

测定结束后应记录1个标准大气压，0摄氏度下（标准状况下）单位质量煤层样品所含解吸气体积（有初步解吸时包括初步解吸得到的气体体积和封入解吸罐后的后续解吸得到的气体体积）和单位质量煤层样品所含残余气体积及单位质量煤层样品所含煤层气体积，供后续使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种密闭取心测定煤层含气量的方法，其特征在于，所述方法包括：

用密闭取心方式取得煤层样品；

将获得的煤层样品切割并用密封件密封；其中，所述密封煤层样品的密封件包括：放置煤层样品的管状物和端口密封件；

在密封件上打孔并对煤层样品进行煤层气初步解吸直至解吸速度低于指定值并记录解吸气的体积和读数时的环境温度及大气压力；

其中，所述在密封件上打孔并对煤层样品进行煤层气初步解吸包括：

将打孔仓密封连接在所述密封件上以提供密闭打孔空间；

通过从打孔仓顶部插入打孔仓内部的打孔器来钻穿所述密封件；

钻穿密封件后煤层样品解吸的气体通过位于打孔仓上的解吸接口进入气体计量装置；

去除密封件并清洁初步解吸后的煤层样品，将该煤层样品装入具有特定温度的解吸罐中进行后续解吸并记录煤层样品的质量、解吸气的体积及读数时的环境温度及大气压力；取指定量经解吸的煤层样品进行粉粹并测量煤层样品的质量、残余气体积及读数时的环境温度及大气压力；

根据煤层样品的质量及解吸气和残余气体积及读数时的环境温度及大气压力得到单位质量煤层样品所含气体在指定条件下的体积。

2.根据权利要求1所述的密闭取心测定煤层含气量的方法，其特征在于，所述用密闭取心方式取得煤层样品包括：

钻至取心目的层后起钻,将钻具更换为取心钻具,并向取心筒内筒中罐装密闭液；

下钻至取心目的层后取心钻进,钻得的煤层样品进入取心筒内筒并被密闭液包裹；

取心钻进完成后通过割心使煤层样品与取心目的层断开；

起钻至地面打开取心筒获取煤层样品。

3.根据权利要求2所述的密闭取心测定煤层含气量的方法，其特征在于，该方法还包括：

将管状物与密闭液一起放置在取心筒内筒中，使取心钻进钻得的煤层样品进入取心筒内筒中的管状物内，并被密闭液包裹。

4.根据权利要求1所述的密闭取心测定煤层含气量的方法，其特征在于，所述指定值为：50立方厘米/天。

5.根据权利要求1所述的密闭取心测定煤层含气量的方法，其特征在于，所述将该煤层样品装入具有特定温度的解吸罐中是指：

将该煤层样品装入具有特定温度的圆柱形有接口空腔，该圆柱形有接口空腔能在内外压差为0.2MPa时保持气密性，且其底面直径与煤层样品底面直径匹配，所述接口用来连接气体计量装置。