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 710054）
作者简介：张庆玲，1962年生，女，山西芮城人，高级工程师。E-mail：zhql7799333@126.com。
基金项目：国家重点基础研究发展规划“973”基金资助项目（2002CB211703）。
摘要 根据我国煤层气勘探开发中试验井的解吸试验结果和等温吸附实验数据分析，探讨了不同基准下各测试参数间的关系，分析了现行的“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”两个国标中存在的问题，指出了在同时采用两标准时要注意基准的一致性，提出了对煤层气测试技术新认识。
关键词 煤 气含量 吸附 煤层气
Re-understanding on Two GBs of CBM Laboratory Tests
Zhang Qingling
（Xi'an Branch of Research Institute of Coal Science，Xi'an 710054，Shaanxi）
Abstract：According to the adsorption test results of CBM pilot wells and analysis on data of isotherm absorption tests，the author discussed the relationship of various test parameters under the different baselines and analyzed the problems in the two GBs of CBMlaboratory tests which are the Test Method of CBMGas Content and the Experimental Method of Isotherm Absorption under High Pressure for Coal Sample.Also put forward that the consistency of baseline should be concerned when the two GBs are applied at the same time.Finally，some new viewpoints on CBM laboratory test technology are presented in the paper.
Keywords：Coal；gas content；adsorption；CBM
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”[1]和“煤的高压等温吸附试验 容量法”[2]国家标准，并于2004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问题提出讨论，以引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：1mol的理想气体的三个状态参量分别为T0=273K，P0=1atm=1.013×105Pa=101.325kPa，V0=22.4L/mol=22.4×10-3m3/mol 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。
PV=nZRT （1）
式中：P——压力，MPa；V——气体体积，mL；n——摩尔数；Z——气体的压缩因子；R——气体常数；T——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298.15 K即25℃，压力为101.325kPa；在环境保护与检测中[4]，明确规定“标准状态”是指：温度为 273K 即 0℃，压力为101.325kPa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[5]的体积计量标准状态为20℃，101.3kPa，煤气用0°C或20°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℃，101.325kPa。总之，在我国标准状态中压力都是标准大气压，即101.325 kPa，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[6]IUPAC（International Union of Pure and Applied Chemistry）现在对“标准状态”的定义是0°C和1 bar（即100 kPa）绝对压力，而不是过去的1个大气压（即101.325kPa），这有别于我国的有关定义。IUPAC的定义已经从1997年就开始生效了。International Organization for Standardization（ISO），the U.S.Environmental Protection Agency（EPA）和National Institute of Standards and Technology（NIST）在它们的标准和规范中对“标准状态”有不止一个的定义[7][8]。美国煤层气研究中标准状态压力采用101.325 kPa，温度60OF=520OR，即15.5℃。
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，在使用前务必要明确系统所使用的标准。如美国Reven ridge 公司生产的等温吸附仪试验结果基准为0°C，Terratek公司生产的等温吸附仪试验结果基准为20°C。
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DN001煤层气勘探开发试验井的DN-01-5-1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101.325 kPa，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Langmuir参数见表1，吸附等温线见图1。
表1 不同温度基准下DN-01-5-1煤样气含量测试数据和Langmuir参数
注：VL单位为cm3/g，PL单位为MPa，吸附量为cm3/g。
表2 不同温度基准下DN-01-5-1煤样气含量测试和Langmuir参数误差分析
图1 不同温度基准下同一煤样的吸附等温线
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、Langmuir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1482.24cm3，总气量差1686.6cm3，实测气含量差2.0cm3/g。0°C～20°C之间解吸气和Langmuir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101.325kPa，0oC。2004年前煤层气含量测试方法使用的标准条件也为101.325kPa，0℃。美国煤层气研究中标准状态采用101.325kPa，15.5℃。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：
中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集
式中：VSTP——标准状态下的气体体积，mL；P——大气压力，kPa；Tm——大气温度，℃；Vm——气体体积（解吸计量读数），mL；Tx——标准状态温度，K。
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2～4h，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4h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8h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入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1～4MPa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3.5MPa 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3.5MPa 前应有三个压力点，以后按1.5～2.0MPa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2.0MPa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
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Langmuir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℃，101.325kPa。
“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。
参考文献
[1]李小彦，张遂安，王强.2004.《煤层气含量测定方法》（GB/T 19559-2004）.北京：中国标准出版杜
[2]张庆玲，张遂安，崔永君.2004.《煤的高压等温吸附试验方法 容量法》（GB/T 19560-2004）.北京：中国标准出版杜
[3]宋世谟，庄公惠，王正烈.1992.物理化学.北京：高等教育出版杜，70～108
[4]《空气质量标准》（GB3095-1996）.北京：中国标准出版杜
[5]《流量测量仪表 基本参数》（GB/T1314-91）.北京：中国标准出版杜
[6]“Compendium of Terminology”，2nd Edition，1997，IUPAC Secretariat，Research Triangle Park，P.O.Box 13757，NC，USA（pre-1997 and post-1997 definitions）IUPAC Compendium.
[7]“Design and Uncertainty for a PVTt Gas Flow Standard”，Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology，Vol.108，Number 1，2003 NIST Journal.
[8]“Stationary Emissions-Measurement of Velocity and Volume Flow Rate of Gas in Ducts”，ISO 10780，International Standards Organization，Geneva，Switzerland ISO.
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(二)国内外煤层气资源勘探开发现状
答：1977年至1982年间,美国将煤层气勘探开发列入天然气开采计划,对13个含煤-煤层气盆地,面积158×104km2,埋深1829m(6000ft)以浅的含煤地层进行了远景资源评价。这些沉积盆地主要分布在东部的阿巴拉契亚褶皱带、西部的科迪勒拉褶皱带与中部陆块之间的相对稳定区。东部区有北阿巴拉契亚、中阿巴拉契亚、伊利诺斯、沃里尔、...
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