一种深部煤层原位含气量测定方法

本发明涉及非常规天然气勘探和开发领域，具体涉及一种深部煤层原位含气量测定方法。

背景技术：

深部煤层气开发具有广泛的发展前景，我国1000-3000m埋深的煤层气资源量是1000m以浅煤层气资源量(14.27×10¹²m³)的2.87倍。深部煤储层物性与储层特征与浅部存在较大差异。煤层含气量是表征煤储层特征的关键参数之一，也是煤层气资源量估算和煤层气开发设计的重要依据。因此，准确测定深部煤层含气量至关重要。

目前，煤层含气量的测定方法主要依据国标gb/t19559-2008《煤层气含气量测定方法》，含气量由损失气量、自然解吸气量和残余气量三部分构成，如cn111608653a公开的一种煤层损失气量测定方法、系统、存储介质、终端。然而使用该方法测定深部煤层含气量仍存在以下问题：第一，损失气量计算不准确。损失气是指在煤心提取和地面暴露过程中煤样发生解吸、逸散的那一部分气体，目前该部分气量无法直接测定，大多采用ubsm法进行拟合计算。许多研究针对损失气量的计算方法也进行了研究和改进。然而对于深部煤储层，提取煤心时间较浅部长，煤层气解吸和逸散量大，现有的计算方法无法准确计算深部煤层含气量。第二，自然解吸气量测值偏低。深部煤层地质条件与浅部不同，具有较高的储层应力和有效应力，而自然解吸是在无围压、出口压力为大气压条件下进行的，与原位地质条件存在较大差异，因气锁造成自然解吸气量测值偏低。综上所述，当前缺少能够准确测量深部煤层含气量的方法或装置。

技术实现要素：

针对上述背景技术中存在的问题，提出一种适用范围更广、精确度更高的深部煤层原位含气量测定方法。

一种深部煤层原位含气量测定方法，方法中，按自主设计的煤层原位含气量测定管柱图，依次连接的钻铤、重型筛管、裸眼封隔器、安全密封、安全接头、测试压力计、震击器、变扣、循环阀、测试阀、监测压力计、泵开式循环阀、电磁开关井阀组成的测试工具，然后通过测试管道将上述测试工具置入待测试煤层段，并在钻井口安装高压开关阀、监测压力表及泡泡头；

测试时，裸眼封隔器将其它层段与测试层段隔开，由电磁开关井阀控制，采用二开二关井的工作制度进行煤层产出煤层气压力恢复曲线测试；一开井，释放裸眼封隔器坐封过程中引起局部超压；一关井获取初流动阶段煤层产出煤层气压力恢复曲线；二开井，井口监测初流动阶段煤层产出煤层气气体压力、流量。二关井获取终流动阶段煤层产出煤层气压力恢复曲线；测试过程中压力恢复曲线由测试压力计记录并由两次压力恢复曲线计算获得储层煤层气压力p；通过测试工具采取煤样进行朗格缪尔体积vl、朗格缪尔压力pl、水分含量mad、灰分产率aad、容重γ、孔隙度的参数测试，应用以下公式求得煤层气含量；

式中，c为煤层气含量，m³/t；vl朗格缪尔体积；pl朗格缪尔压力；p为储层煤层气压力，mpa；aad为空气干燥基灰分产率，％；mad为空气干燥基水分含量，％；为煤的孔隙度，m³/m³；γ为煤的容重，t/m³。

进一步地，所述裸眼封隔器为压缩式裸眼封隔器，将待测试煤层与裸眼封隔器上部环空隔开。

进一步地，所述安全密封，其液压安全装置具有锁紧胶筒的作用，避免了提起、下降悬重管柱造成裸眼封隔器的坐封力消失；所述安全接头采用大螺距反旋扣，正转五圈脱扣，实现钻孔内出现事故时测试工具安全取出。

进一步地，所述测试压力计，记录测试过程煤层产出煤层气压力恢复曲线及测试煤层气储层温度；所述井口监测压力表，在开井后对待测试煤层内的气体到达地面后进行压力监测。

进一步地，所述震击器，当裸眼中地层测试发生测试工具遇阻遇卡，通过震击器震击解阻解卡。

进一步地，所述循环阀，在下井时，其心轴与测试管柱通道为关闭状态，旁通与测试井环空为连通状态；当作用在循环阀的剪切销钉上的力达到4500kg-5000kg时，剪切销钉被剪断，循环阀心轴下行，旁通与测试井环空通道关闭，同时，打开测试管柱通道，与待测试煤层段连通；测试结束，上提测试管柱，循环阀心轴上行，测试管柱通道关闭，旁通与测试井环空再次连通。

进一步地，所述变扣，配合接头用于测试工具中各部件间的连接，当部件间相连螺纹规格不同时，用此作为螺纹转换。

进一步地，所述测试阀由换位机构、延时机构、取样机构三部分构成，用于测试地层内的流体(水或煤层气气体)样品采集；其中延时机构控制测试管柱延时下落，在下钻过程中，测试阀处于关闭状态；测试管道到达井底，进行加压座封时，测试阀延时机构受荷载压缩后，控制测试管道延时下落，延时结束后，测试管柱自由下落，带动取样机构心轴下行打开测试阀，进行样品采集；测试完成，上提测试管柱，当重量到自由点后，该阀取样机构心轴上行并直接关闭测试阀，实现样品采集。

进一步地，所述监测压力计，监测整个测试过程测试管道、测试工具密封情况。

进一步地，所述泵开式循环阀，在测试作业中出现漏失进液时，地面投球打压，打开泵开式循环阀旁通进行泄流。

进一步地，所述电磁开关井阀，测试时通过电脑编程控制井下开关井，实现按二开二关井的工作制度进行煤层产出煤层气压力恢复曲线测试。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明采用自主设计的煤层气原位含气量测试装置测试储层煤层气压力p，结合钻孔采取煤样实验室测试朗格缪尔体积vl、朗格缪尔压力pl、灰分产率aad、水分含量mad、容重γ和孔隙度φ，直接测定深部煤层原位含气量的方法，具有适用范围广、精确度高的特点，解决了现有的煤层含气量测定方法存在煤心提取过程中(特别是深部煤层气储层煤心)和地面暴露过程中煤层气发生解吸、逸散无法测试，损失气量只能通过推算获得，以及由于煤心自然解吸环境与深部的温度、压力等原位地质条件存在较大差异，自然解吸过程存在气锁等因素影响，导致自然解吸气量低于实际含气量等问题。

2.本发明采用井下测试阀(取样器)采集原位煤层产出的流体(水或煤层气气体)样品，还解决了现有的煤层含气量测定方法地面采取气样代表性差及无法采集原位煤层产出液体(水)样品的难题。

附图说明

图1为本发明实施例中深部煤层原位含气量测定方法的测试工具的第一部分结构图。

图2为本发明实施例中深部煤层原位含气量测定方法的测试工具的第二部分结构图。

图3为本发明实施例中深部煤层原位含气量测定方法的测试工具的第三部分结构图。

图4为本发明实施例中深部煤层原位含气量测定方法的测试工具的第四部分结构图。

图5为本发明实施例中深部煤层原位含气量测试管柱图。

图中，1-钻铤，2-重型筛管，3-裸眼封隔器，4-安全密封，5-安全接头，6-测试压力计，7-震击器，8-变扣，9-循环阀，10-测试阀，11-监测压力计，12-泵开式循环阀，13-电磁开关井阀，14-测试管道，15-监测压力表，16-高压开关阀，17-泡泡头。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种深部煤层原位含气量测定方法，自主设计了煤层气原位含气量测试装置，包括钻铤1、重型筛管2、裸眼封隔器3、安全密封4、安全接头5、测试压力计6、震击器7、变扣8、循环阀9、测试阀10、监测压力计11、泵开式循环阀12、电磁开关井阀13等工具组成，将测试管道(测试工具用钻具，可为钻杆或油管)14一起置入待测试层段，井口安装高压开关阀15、监测压力表16及泡泡头17。测试时裸眼封隔器3将其它层段与测试层段隔开，由电磁开关井阀13控制，采用二开二关井的工作制度进行煤层产出煤层气压力恢复曲线测试；一开井，释放裸眼封隔器坐封过程中引起局部超压；一关井获取初流动阶段煤层产出煤层气压力恢复曲线；二开井，井口监测初流动阶段煤层产出煤层气气体压力、流量。二关井获取终流动阶段煤层产出煤层气压力恢复曲线；测试过程中压力恢复曲线由测试压力计记录并由两次压力恢复曲线计算获得储层煤层气压力p；通过钻孔采取煤样进行朗格缪尔体积vl、朗格缪尔压力pl、水分含量mad、灰分产率aad、容重γ、孔隙度等参数测试，应用以下公式求得煤层气含量；

式中，c为煤层气含量，m³/t；vl朗格缪尔体积；pl朗格缪尔压力；p为储煤层气压力，mpa；aad为空气干燥基灰分产率，％；mad为空气干燥基水分含量，％；为煤的孔隙度，m³/m³；γ为煤的容重(视比重)，t/m³。

该法还可以通过测试阀(取样器)10采集井下原位煤层产出的流体(水或煤层气气体)样品，通过化验分析，可以获得煤层产出的气、水性质。

煤层气原位含气量测试装置如图1-4所示。

钻铤1起井底支撑作用。

重型筛管2，长度为2.5m，材质为42crmo，工作压力为70mpa，测试时煤层产出流体(水或煤层气气体)通过筛管流入测试管柱。

裸眼封隔器3为压缩式裸眼封隔器，长度为1.63m，胶桶为邵氏75°橡胶，座封膨胀力为4000-5000kg压力，加压至7000-8000kg为最佳座封压力，可将测试层与封隔器上部测试井环空隔开。

安全密封4，其液压安全装置具有锁紧胶筒的作用，避免了提起、下降悬重管柱造成封隔器的坐封力消失。

安全接头5采用大螺距反旋扣，正转五圈脱扣，避免孔内事故时测试工具无法安全取出。

测试压力计6为ddi-150-10系列存储式井下电子压力(温度)计，用于记录整个测试过程中煤层产出流体(水或煤层气)压力恢复曲线及测试煤层气储层温度。压力计参数，压力范围介于0～10000psi、压力精度0.024％(fs)、压力分辨率0.0003％(fs)、温度范围介于0～150℃、温度精度0.15％(fs)、温度分辨率0.002％(fs)、数据采集速率为1s～18h(每点)。

震击器7，当裸眼中地层测试发生测试工具遇阻遇卡，通过震击器震击解卡。

变扣8，配合接头用于测试管串中工具间的连接，即当工具间相连螺纹规格不同，可用此作为螺纹转换。

循环阀9，在下井时，其心轴与测试管柱通道为关闭状态，旁通与测试井环空为连通状态，当作用在剪切销钉上的力达到4500kg-5000kg时，销钉被剪断，循环阀9心轴下行，旁通与测试井环空通道关闭，同时，打开测试管柱通道，与测试地层连通，测试结束，上提测试管柱，循环阀心轴上行，测试管柱通道关闭，旁通与测试井环空再次连通。采用该阀既保证了整个测试过程中测试管柱没有测试井环空内钻井液进入，消除钻井液对测试的影响；又能在上提、下放测试管柱、封隔器解封作业过程中有效循环测试井环空内裸眼封隔器3上、下钻井液、平衡压差，减少背压及抽吸对孔壁的破坏作用，避免孔内事故发生。

测试阀10由换位机构、延时机构、取样机构三部分构成，用于测试煤层产出的流体(水或煤层气气体)样品采集。其中延时机构功能是控制管柱延时下落，防止下钻遇阻，测试阀误开。在下钻过程中，测试阀始终处于关闭状态。测试管柱到达井底，下放管拄进行加压座封时，测试阀液压延时机构受荷载压缩后，开始控制测试管柱延时下落，延时结束后，测试管柱自由下落，带动取样心轴下行打开测试阀，进行样品采集。测试完成，上提测试管柱，当重量到自由点后，该阀取样心轴上行并直接关闭测试阀，实现样品采集。

监测压力计11，参数同测试压力计6，监测整个测试过程测试管道、测试工具密封情况。

泵开式循环阀12，测试作业中，钻柱漏失进液，地面投球打压，打开循环阀旁通，有效对钻柱钻井液泄流。

电磁开关井阀13，全通径具有克服切换旁通等阀门流道不畅的功能，通过电脑编程控制反复开关井，开关井动作小于30s。正、反向耐压强度高，工作压力为16mpa。

测试管道14(钻杆或油管)，材质为为n80，工作压力为70mpa，打压16mpa无漏失。

井口监测压力表15，量程为0-16mpa，精度等级为0.25级，用于开井后测试层内的气体到达地面进行监测。

井口高压开关阀16，材质为不锈钢，公称通径为dn20mm，耐压为31.5mpa。

泡泡头17用来监测气体流量、显示气流。

实际测试过程中，下井过程压力计按15s、测试过程按2s录取一次数据编程，接电。电磁开关井阀按两开、两关工作制度编程，接电。

地面依次连接钻铤1、重型筛管2、裸眼封隔器3、安全密封4、安全接头5、测试压力计6、震击器7、变扣8、循环阀9、测试阀10、监测压力计11、泵开式循环阀12、电磁开关井阀13等测试工具。

连接测试管道14开始下钻。下钻过程中循环阀9旁通与测试井环空为连通状态，能对环空内，封隔器上、下部钻井液进行有效循环，消除下放测试管柱时钻井液对封隔器背压作用，减少对孔壁的破坏，同时循环阀9心轴与测试管柱通道为关闭状态，测试阀10也始终处于关闭状态，保证下井过程中整个测试管柱没有钻井液进入，消除钻井液对测试的影响。测试管柱到达井底，进行加压座封，当作用力达到4000-5000kg时裸眼封隔器3胶桶开始膨胀，循环阀9销钉被剪断，心轴下行，旁通与测试井环空通道关闭，测试管柱通道打开。测试阀10延时机构开始控制测试管柱延时下落，延时功能结束后，测试管柱自由下落，带动取样心轴下行打开测试阀，加压至7000-8000kg座封成功，测试层与裸眼封隔器3上部的测试井环空隔开，测试管柱通道与测试层相通。位于裸眼封隔器3上方的安全密封4通过液压安全装置产生锁紧胶筒的作用力，保证了整个测试过程封隔器良好的密封性能；

测试管道14及测试工具下放完成后，连接井口监测压力表15、井口高压开关阀16，泡泡头17。

开始测试，电磁开关井阀13按两开、两关工作制度程序启动，一开井，同时打开高压开关阀(井口高压球阀)16，释放钻孔封隔器下段钻井液承压，一关井，同时关闭井口高压球阀16，对煤层产出的煤层气气体进行压力平衡。二开井，井口监测压力表15有气压显示，打开井口高压球阀16，泡泡头17有气流显示，二关井，对煤层产出的煤层气气体压力再次平衡；

测试压力计6记录整个测试过程煤层产出的煤层气压力恢复曲线及测试煤层气储层温度，监测压力计11记录测试管柱压力变化曲线，测试阀10采集测试层原位产出的流体(水及煤层气气体)样品；

测试结束，上提起测试管柱，当重量到自由点后，测试阀10取样心轴上行直接关闭测试阀，完成样品采集。同时，循环阀9心轴也上行，测试管柱通道关闭，旁通与测试井环空再次连通，通过旁通平衡封隔器上、下方的压力，继续以一定拉力上提管柱，安全密封4恢复至下井状态，封隔器3解封，继续上提测试管柱，循环阀9能对测试井环空内封隔器上部钻井液压力有效泄流，消除或减少提钻封隔器抽汲力；

提起测试管道，测试工具起出地面。回放测试压力计6录取数据，计算储层煤层气压力p。回放上部监测压力计11录取数据，监测封隔器密封与测试管柱密封情况。

钻孔采取煤样按国标gb/t19560-2008《煤的高压等温吸附试验方法》以测得的煤层气储层温度进行等温吸附实验，测试朗格缪尔体积vl、朗格缪尔压力pl；钻孔采取煤样按国标gb/t212-2008《煤的工业分析方法》测试煤的灰分产率aad、水分含量mad；钻孔采取煤样按国标gb/t6949-2010《煤的视相对密度方法》、gb/t217-2008《煤的真相对密度方法》测试煤的真密度t、容重γ、计算孔隙度按下式计算含气量：

式中，c为煤层气含量，m³/t；vl朗格缪尔体积；pl朗格缪尔压力；p为储层煤层气压力，mpa；aad为空气干燥基灰分产率，％；mad为空气干燥基水分含量，％；为煤的孔隙度，m³/m³；γ为煤的容重(视比重)，t/m³。

通过测试阀10井下采集原位煤层产出的煤层气气体样品，按国标gb/t13610-2020《天然气的组成分析气相色谱法》化验分析气体组分；通过测试阀10井下采集原位煤层产出的液体(水)样品，实验室化验分析地层水的性质。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。