煤层气含量是表征煤储层特征的重要参数之一,准确获取煤层气含量对于煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯防治具有重要意义。本文针对碎软煤层和低煤级煤层按现有地面井取心测试方法获取的煤层气含量比煤炭开采中获取的煤层气含量明显偏低,以及中-高煤级煤层的煤层气含量测试时间很长两大难题,依托国家自然科学青年基金“钻孔绳索取芯煤层气损失量估算方法研究”项目(4120212)和“十三五”国家科技重大专项任务“地面钻井煤层密闭取心气含量测试技术及装置”(2016ZX05045-002-002),运用煤田地质学、煤层气地质学、油气藏工程、数学物理、机械设计和钻探工程学等理论、方法和手段,开展了不同粒径系列煤样在变压或变温条件下煤层气解吸扩散规律的理论分析、模拟试验与密闭取心设备及工艺研究工作,并在典型矿区进行了现场工程试验应用,取得了如下主要研究成果和认识。(1)研究揭示了高压匀快速降压条件和常压条件下小粒径煤样的煤层气解吸速率变化规律,建立了变压条件下煤样的煤层气扩散解吸模型。模拟地面井绳索取心过程,开展了系列煤级不同粒径煤样在吸附高压甲烷气体平衡后匀快速降压解吸试验,试验结果表明:模拟提心和地面暴露阶段的煤层气解吸速率分别为解吸罐中的9~116倍和6~27倍,实测模拟损失气量是按美国USBM直接法估算的1.7~31.4倍,并且煤样粒度越小彼此差异越大,说明按现有地面井取心测试方法获取的煤层气含量偏低主要受损失气量估算不准影响。(2)提出了适合于煤储层特征(与油藏相比,埋藏较浅、压力较低、温度较低)的煤层气井密闭取心技术方案,首次研制出适用于煤层气井气含量测定的“三筒单动、球阀关闭、取心筒与解吸罐一体化”的密闭取心器。其主要组成部件包括取心外筒、取心内筒、液压推进筒、球阀、悬挂总成和辅助部件等;取心器长2.15m,外筒直径120mm,煤(岩)心直径可达38mm,保压能力达10MPa,适用于煤层埋深1000m的地面井取样;具有几何尺寸小、结构简单、使用简便、经济实用等特点。(3)发明了适合于碎软煤层的前端小径钻心--后端大径钻井的双径PDC取心钻头,减少了钻进取心过程中钻井液对碎软煤层的冲洗旋流作用,有效提高了碎软煤层的煤心采取率。(4)研发形成了地面井煤层气含量密闭取心技术工艺,得出的密闭取心钻进最佳工艺参数是:中硬煤层的钻压、转速、流量、泥浆密度分别为18~30kN、70~100r/min、90~145L/min、1.0~1.1g/cm~3;碎软煤层的钻压、转速、流量、泥浆密度分别为12~16kN、50~80r/min、40~60L/min、1.0~1.05g/cm~3。(5)建立了煤样加温、自然解吸的煤层气含量快速测定方法。结果表明,温度对煤层气的解吸速率有重要影响;将煤样在加温到50℃进行自然解吸,煤层气含量测定周期由常规储层温度下的几周~几个月缩短为几个小时~几天时间,在不影响煤层气含量测定精度情况下,大大缩短了测试时间,显著提高了工作效率。(6)研究成果在我国典型矿区进行了地面井煤层气密闭取心工程试验,取得了很好的应用效果。结果表明:安徽省淮北矿区芦岭煤矿和淮南矿区潘三煤矿的碎软煤层,由密闭取心方法获得的煤层气含量比常规取心法获得的煤层气含量高21.45~42.8%,均值为31.90%;陕西省彬长矿区文家坡煤矿的低煤级中硬煤层,由密闭心方法获得的煤层气含量比常规取心法获得的煤层气含量高16.67~41.67%,均值为29.17%。我国华北、华南和西南地区石炭-二叠纪煤田碎软煤层分布广泛,西北地区侏罗纪低煤级煤层非常发育,煤层气资源非常丰富。该论文研究成果的推广应用,对于精准快速测定地面井煤层气含量、提高煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯灾害治理水平,具有重要意义和良好应用前景。