張 群，降文萍，姜在炳，孫四清，李彬剛，杜新鋒，巫修平，趙繼展，范 耀，范章群，韓保山，許耀波，劉柏根

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣是煤在煤化作用過程中生成并主要以吸附狀態(tài)儲集于煤層中的一種非常規(guī)天然氣，煤礦俗稱瓦斯，其主要成分是甲烷。煤層氣是一種新型高效的潔凈能源，也是造成煤礦瓦斯爆炸、煤巖體突出、威脅煤礦安全生產(chǎn)的災害性氣體，以及能引起全球氣候變暖的強烈溫室性氣體。開發(fā)利用煤層氣，對于充分利用潔凈能源、改善煤礦安全生產(chǎn)條件、保護大氣環(huán)境，具有“一舉三得”的重大意義。自20 世紀80 年代以來，在“六五”?“十三五”國家科技計劃系列項目和國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的大力支持下，我國煤層氣勘探開發(fā)技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了長足進步，成績斐然[1-7]。截至2020 年底，全國累計施工煤層氣井21 217 口(直井19 540 口、水平井1 677 口)，測算出埋深2 000 m 以淺煤層氣資源量超過30 萬億m3，累計探明煤層氣地質(zhì)儲量9 302 億m3，在地質(zhì)構造相對簡單、煤儲層條件較好的山西沁水煤田和河東煤田，建成了兩大煤層氣生產(chǎn)基地，實現(xiàn)了煤層氣規(guī)模化商業(yè)化開發(fā)，2020 年全國煤層氣產(chǎn)量67 億m3，2021 年產(chǎn)量為104.7 億m3[8]。

鑒于煤層氣地質(zhì)?儲層條件特點，及致力于能源開發(fā)和煤礦安全生產(chǎn)的目的不同，我國煤層氣開發(fā)已呈現(xiàn)出兩種不同的發(fā)展路徑：一是以獲取非常規(guī)資源為主要目的經(jīng)濟性煤層氣開發(fā)；二是以防治瓦斯災害為主要目的煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)。前者是通過勘探評價，尋找煤層氣地質(zhì)?儲層條件好、單井氣產(chǎn)量高、儲量規(guī)模大的“有利區(qū)”“甜點”，建設商業(yè)化煤層氣生產(chǎn)基地，通過售氣獲取直接經(jīng)濟效益；后者是煤層氣開發(fā)地點無選擇性，不論煤礦區(qū)煤層氣地質(zhì)?儲層條件好壞、開發(fā)難度大小，為了防治煤礦瓦斯災害，需要在采煤前通過地面開采煤層氣，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，保障后期安全高效采煤，實現(xiàn)包含安全在內(nèi)的綜合效益。

經(jīng)過30 多年攻堅克難、不懈努力，我國煤礦區(qū)煤層氣地面開發(fā)技術研究、工程試驗和產(chǎn)業(yè)發(fā)展均取得了可喜的成績，“十二五”以來更是突飛猛進[9]，不僅在山西晉城礦區(qū)首次取得國內(nèi)外無煙煤的煤層氣開發(fā)成功，實現(xiàn)了煤層氣規(guī)?；虡I(yè)化生產(chǎn)；而且在安徽淮北礦區(qū)取得了碎軟低滲煤層水平井開發(fā)煤層氣技術的重大突破，成功實現(xiàn)了碎軟低滲煤層煤層氣水平井單井產(chǎn)量的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[10]。此外，在煤礦采動區(qū)煤層氣井開發(fā)方面也形成了獨具特色的技術工藝[11]，已在安徽淮北、淮南，山西晉城等礦區(qū)實現(xiàn)了規(guī)模化工程應用。筆者僅回顧由我國主要煤炭生產(chǎn)企業(yè)組織實施和合作開展的煤礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)進程，重點總結(jié)中煤科工西安研究院(集團)有限公司(簡稱西安研究院)及部分單位取得的相關研究成果和進展，并對今后發(fā)展趨勢進行展望。

1 我國煤礦區(qū)煤層氣地面勘探開發(fā)現(xiàn)狀

我國高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井眾多，一般都具有煤層破碎松軟、滲透率低、瓦斯含量大且難抽采特點，煤礦瓦斯治理難度大，嚴重影響了煤炭安全高效生產(chǎn)。為了有效治理礦井瓦斯、利用煤層氣資源，多年來煤炭企業(yè)一直堅持開展地面煤層氣開發(fā)技術研究和工程試驗，積極探索地面井抽采治理瓦斯的新途徑。

1.1 煤礦區(qū)早期煤層氣開發(fā)探索

1980?1985 年，原煤炭部和原地礦部主要從煤礦安全生產(chǎn)目的出發(fā)，先后在遼寧撫順、山西陽泉、河南焦作和河北開灤等煤礦區(qū)施工了24 口煤層氣抽放鉆孔，探討了水力壓裂、水力沖孔洞穴法等強化增產(chǎn)措施，單孔平均氣產(chǎn)量195～613 m3/d，未達到預期效果。

1.2 煤礦區(qū)煤層氣資源評價工作

1992?1996 年，聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)通過全球環(huán)境基金會資助我國開展“中國煤層氣資源開發(fā)”項目，西安研究院(原煤炭科學研究總院西安分院)承擔了4 個子項目之一“中國煤礦區(qū)煤層氣資源評價”。通過國際煤層氣專家培訓，學習掌握了煤層氣基礎理論，培養(yǎng)了一批煤層氣專業(yè)技術人才。引進了國外煤層氣含量解吸測試、高壓等溫吸附實驗、注入/壓降試井、泥漿氣錄井等成套裝備以及儲層模擬軟件。分別在遼寧鐵法，河南鶴壁、安陽、焦作、平頂山，山西晉城，安徽淮南、淮北8 個煤礦區(qū)施工了10 口煤層氣井，進行了取心和氣含量測試、等溫吸附實驗、試井及煤巖煤質(zhì)分析等，取得了氣含量、等溫吸附曲線、滲透率、儲層壓力、原地應力等參數(shù)的大量數(shù)據(jù)。在此基礎上，形成了煤層氣資源評價技術和方法，并對全國17 個煤礦區(qū)的煤層氣資源開發(fā)潛力進行了評價，提交了《中國煤礦區(qū)煤層氣資源評價》綜合研究報告和17 個礦區(qū)專題研究報告。該項目的實施和研究成果，對推動我國煤層氣開發(fā)進程起到了重要作用。

1.3 煤礦區(qū)地面煤層氣開發(fā)工作

我國高瓦斯、煤與瓦斯突出的大型礦井主要分布在山西、河南、安徽、陜西、貴州省等地，其中，開展地面煤層氣開發(fā)工作較多的主要為山西晉城礦區(qū)、河南焦作礦區(qū)、安徽淮北和淮南礦區(qū)，陜西彬長、焦坪和韓城礦區(qū)，貴州省盤江礦區(qū)等。

1.3.1 山西晉城礦區(qū)

早在20 世紀90 年代初，晉煤集團就開始著手潘莊新區(qū)礦井的籌建工作。潘莊新區(qū)是無煙煤、高瓦斯區(qū)，煤層氣含量高達16.6～28.7 m3/t。為了解決新區(qū)內(nèi)寺河煤礦的安全高效采煤問題，立足從源頭治理礦井瓦斯，率先開展了無煙煤地面煤層氣開發(fā)試驗工作。1991 年，晉煤集團與美國美中能源公司合作，在寺河東五盤區(qū)施工了2 口煤層氣勘探開發(fā)試驗井。1995 年，兩家單位合資成立了山西晉丹能源研究開發(fā)公司，并于1997 年完成了潘莊7 口煤層氣開發(fā)試驗井組，單井最髙日氣產(chǎn)量12 000 m3，單井穩(wěn)定日氣產(chǎn)量500～3 000 m3，其中潘1 井連續(xù)4 年日氣產(chǎn)量穩(wěn)定在2 000 m3[12-14]。2003 年8 月，晉煤集團成立了沁水藍焰煤層氣有限責任公司，專門開展煤層氣地面開發(fā)利用工作，并于同年在潘莊7 口試驗井基礎上修建了日壓縮能力為2 萬m3的煤層氣壓縮站，開始向古書院煤礦100 多戶居民試供氣。至2004 年底，沁水藍焰公司在潘莊井田建成了30 口井地面煤層氣開發(fā)示范工程，平均單井日氣產(chǎn)量達到1 500～2 000 m3，其中SH-003 井還罕見地出現(xiàn)了自噴現(xiàn)象，產(chǎn)氣效果遠遠超出預期。截至2005 年底，寺河煤礦東五盤區(qū)施工的煤層井數(shù)已達到134 口，并在此后相繼向成莊、胡底和趙莊等煤礦拓展。到2013 年，晉城礦區(qū)已施工地面煤層氣井5 030 余口，煤層氣年產(chǎn)量高達14 億m3，約占當年全國總量的50%，成為當時國內(nèi)最大的煤層氣產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用示范基地，也為晉城礦區(qū)高瓦斯煤礦安全高效生產(chǎn)提供了有力保障[15-16]。隨后，煤層氣地面開發(fā)技術由晉城礦區(qū)推廣應用到山西潞安、陽泉、西山等礦區(qū)，實現(xiàn)了山西省煤礦區(qū)煤層氣規(guī)?；虡I(yè)化開發(fā)利用[17]。

1.3.2 遼寧鐵法礦區(qū)

1994 年，在聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)組織資助下，鐵法礦區(qū)開展了采空區(qū)地面垂直井開發(fā)煤層氣技術研究及工程試驗。到2005 年在大興礦、曉明礦共施工了21 口地面采空區(qū)直井，單井氣產(chǎn)量1.3～2.8 萬m3/d，甲烷體積分數(shù)78.3%～92.2%，單井累計氣產(chǎn)量最高達520 萬m3[18]。至2012 年底，鐵法礦區(qū)累計施工97 口地面采動卸壓井，單井累計氣產(chǎn)量45～309 萬m3，平均甲烷體積分數(shù)為57%。同時，積極開展了地面壓裂井工程試驗，共施工了34 口井，氣產(chǎn)量4 萬m3/d 以上，其中，最早施工的DT3、DT4 井平均氣產(chǎn)量穩(wěn)定在5 000 m3/d 以上，最高氣產(chǎn)量達14 000 m3/d[19]。

1.3.3 河南焦作等礦區(qū)

1995 年，焦作礦務局與中原油田合作，在古漢山井田中深部進行了煤層氣開發(fā)試驗，施工試驗井4 口，進行了參數(shù)測試，并對4 口井進行裸眼造穴和水力壓裂完井、排水采氣試驗，日氣產(chǎn)量40～190 m3。2006?2010 年，河南能源化工集團焦作煤業(yè)公司與河南省煤層氣開發(fā)利用公司合作，先后施工了36 口煤層氣井(其中，恩村井田18 口、位村煤礦6 口、九里山礦8 口、中馬村1 口、古漢山1 口)，并對其中34 口井進行水力加砂壓裂，壓裂井中2/3 井進行了排采，單井氣產(chǎn)量最大為1 400 m3/d，一般為300～600 m3/d[20-21]。2010 年，中石油煤層氣公司在新河礦、九里山礦及安陽龍山礦各施工1 口井，最高日氣產(chǎn)量177.8～183.8 m3。2011 年，河南能源化工集團研究院在焦作中馬村礦施工了1口U 型水平井，通過分段水力噴射加砂壓裂后，氣產(chǎn)量最高達到2 275 m3/d，累計氣產(chǎn)量23.5 萬m3[22]。2012 年，河南省煤層氣開發(fā)利用公司在鶴壁礦區(qū)六礦低滲透突出松軟煤層，施工了3 口U 型水平井，采用水力噴砂射孔分段壓裂技術進行儲層改造，單井氣產(chǎn)量最高1 341.7～3 600.0 m3/d，一般為800～1 000 m3/d[23]。2012 年、2018 年，義馬礦區(qū)孟津礦施工了2 口煤層水平井進行水力掏煤強化抽采試驗[24]，具體氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)未見報道。

1.3.4 安徽淮北礦區(qū)

1994 年，淮北礦務局開始探索地面采動區(qū)井抽采煤層氣技術，分別在桃園礦和蘆嶺礦施工了1 口地面采動區(qū)井[25]。2004 年，蘆嶺礦Ⅱ1048 工作面施工的采動區(qū)井抽采291 d，最高日氣產(chǎn)量46 656 m3，單井總氣產(chǎn)量248.5 萬m3。隨后，在海孜礦3 個工作面施工了6 口采動區(qū)井，都取得了很好的產(chǎn)氣效果。截至2021 年，淮北礦區(qū)先后施工煤層氣地面采動區(qū)井163 口，其中，直井150 口，頂板高位水平井13 口。截至目前，采動區(qū)井數(shù)量達到285 口。

2007?2008 年，淮北礦務局開始地面壓裂井的抽采試驗，在蘆嶺井田東側(cè)Ⅲ101 采區(qū)施工了7 口垂直壓裂井，單井最高日氣產(chǎn)量1 600 m3，平均日氣產(chǎn)量600 m3。2010 年4 月?2012 年5 月，依托“十一五”國家科技重大專項示范工程項目，淮北礦業(yè)集團與西安研究院合作在蘆嶺礦實施了5 口垂直壓裂井組，單井最高日氣產(chǎn)量3 100 m3、平均日氣產(chǎn)量1 466 m3、平均年氣產(chǎn)量達到55 萬m3。2013 年，在“十二五”國家科技重大專項示范工程項目支持下，淮北礦業(yè)集團與西安研究院繼續(xù)合作，在蘆嶺煤礦首次成功實施了碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂開發(fā)煤層氣技術示范工程，單井最高日氣產(chǎn)量10 760 m3、連續(xù)92 d 日氣產(chǎn)量穩(wěn)定在10 000 m3以上、連續(xù)512 d 平均日產(chǎn)氣量高達7 075 m3，創(chuàng)造了國內(nèi)外碎軟低滲煤層水平井單井氣產(chǎn)量的新記錄，取得了碎軟低滲突出煤層地面煤層氣開發(fā)的重大技術突破。此后，兩家單位又分別于2017 年、2021 年在蘆嶺煤礦先后施工了2 組煤層頂板水平井。2019?2022 年，皖北煤電集團與西安研究院合作在祁東礦也相繼施工了4 組煤層頂板水平井，均取得了比較好的產(chǎn)氣效果。

1.3.5 安徽淮南礦區(qū)

1998?2000 年，依托“九五”國家科技攻關項目 “新集淺層煤層氣示范開發(fā)工藝技術及專用裝備研究”，國投新集能源股份有限公司與西安研究院合作，在新集煤礦施工了3 口煤層氣開發(fā)試驗井，進行煤儲層參數(shù)測試、壓裂和排采試驗，單井日氣產(chǎn)量最高3 278 m3，平均200～1 200 m3。

2002 年之后，淮南礦業(yè)集團積極開展低透煤層群開采條件下地面鉆井抽采采動區(qū)瓦斯技術及工程試驗研究[26]，在潘一2352(1)工作面施工地面采動區(qū)井，抽采保護層11-2 煤層開采過程中上覆13-1 強突煤層的卸壓瓦斯，抽采瓦斯中甲烷體積分數(shù)50%～95%，累計抽采純甲烷量292 萬m3[27]。至2020 年，淮南礦區(qū)已在謝一礦、潘一礦、潘三礦、顧橋礦、謝橋礦、丁集礦、張集礦和朱集東礦等礦井共52 個工作面，施工了376 口地面采動區(qū)井，形成了非常成熟的抽采技術，地面鉆井結(jié)構由最初的Ⅰ型結(jié)構發(fā)展到現(xiàn)在的Ⅳ型，成為淮南礦區(qū)瓦斯治理的主要手段之一[28]。

2011 年，依托“十二五”國家科技重大專項示范工程項目，淮南礦業(yè)集團與西安研究院合作在顧橋礦開展了5 口壓裂井的開發(fā)試驗，單井日氣產(chǎn)量最大1 900 m3，平均200～800 m3。2018 年，淮南礦業(yè)集團明確提出要全力推進煤層氣開發(fā)與瓦斯治理協(xié)同技術攻關，大力開展碎軟低滲突出煤層頂板水平井分段壓裂開發(fā)煤層氣工程試驗，積極探索地面井治理煤礦瓦斯災害的新路徑，在潘謝區(qū)塊施工了6 口L 型頂板分段壓裂水平井，2021 年2 月分別在顧橋礦、潘二礦、朱集礦各施工了4 口L 型頂板水平井，2022 年在潘三礦、朱集東礦各施工了4 口U 型頂板水平井；到2022 年12 月8 日，2021 年施工的12 口L 型頂板水平井中已有3 口井氣產(chǎn)量超過4 000 m3/d、1 口井超過3 000 m3/d、1 口井超過2 000 m3/d、2 口井超過1 000 m3/d，合計氣產(chǎn)量超過2.58 萬m3/d。

1.3.6 陜西焦坪、彬長和韓城礦區(qū)

2009?2016 年，陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司為了從地面治理礦井瓦斯，與西安研究院合作，在焦坪礦區(qū)下石節(jié)煤礦分三期施工了7 口煤層氣開發(fā)試驗井，單井穩(wěn)定日氣產(chǎn)量超千方。2009?2010 年，彬長新生能源有限公司在彬長礦區(qū)大佛寺井田施工了2 組V 型煤層氣試驗井，2014 年實施了“大佛寺地面煤層氣井開發(fā)‘26+1’項目”(26 口直井及1 組多分支水平井的地面煤層氣開發(fā)工程)。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2022 年11 月，在彬長礦區(qū)共計施工82 口(組)井(直井、水平井、多分支水平井)，主要集中在大佛寺井田；大佛寺井田2009?2015 年實施的43 口井中，12 口水平井組累計氣產(chǎn)量5 950 萬m3，31 口直井累計氣產(chǎn)量2 565 萬m3，水平井組產(chǎn)能貢獻占43 口井總產(chǎn)能的71%，其中，DFS-C02 多分支水平井最高日氣產(chǎn)量為30 537 m3，穩(wěn)定日氣產(chǎn)量10 000 m3[29-31]。

韓城礦區(qū)王峰煤礦是高瓦斯突出礦井，2019 年陜煤韓城礦業(yè)公司與陜西省煤層氣開發(fā)利用公司合作實施了首采區(qū)地面井治理瓦斯工程項目，開展了頂板L 型水平井分段壓裂開發(fā)煤層氣工程試驗，截至2022 年11 月，在煤礦副井區(qū)域共布置6 個井場，完成了23 口井鉆井、4 口井壓裂，4 口井正常排采，單井日氣產(chǎn)量最高10 000 m3以上；其中，1 號井場截至2022 年7 月末累計氣產(chǎn)量1 132 萬m3，平均甲烷體積分數(shù)92.6%。

1.3.7 貴州盤江等礦區(qū)

貴州省高瓦斯突出礦井眾多，為了治理煤礦瓦斯，貴州省多年來致力于地面井開發(fā)煤層氣工作。2012?2014 年，貴州盤江煤層氣公司在土城向斜的松河煤礦完成2 個井組9 口叢式井的地面煤層氣開發(fā)工程，單井最高日氣產(chǎn)量900～2 200 m3。在響水煤礦、火燒鋪煤礦、金佳煤礦共施工參數(shù)井15 口，在金沙林華礦區(qū)施工3 口煤層氣預探井，單井日氣產(chǎn)量突破1 000 m3。2014?2016 年，重慶能源(貴州)煤電公司在官寨煤礦、對江南煤礦先后施工了6 口井，單井最高日氣產(chǎn)量1 200 m3；2016?2021 年，在大方縣對江南煤礦實施12 口生產(chǎn)試驗井，垂直井和定向井最高日氣產(chǎn)量突破1 603 m3，穩(wěn)產(chǎn)800～1 200 m3，水平井最高日氣產(chǎn)量3 108 m3。2016?2019 年，山東能源集團在大方縣綠塘鄉(xiāng)綠塘煤礦實施地面瓦斯抽采井33 口(其中，直井30 口，水平壓裂井2 口，多分支井1 口)，直井日氣產(chǎn)量400～1 600 m3，水平壓裂井最高日氣產(chǎn)量約2 600 m3，多分支水平井最高日氣產(chǎn)量1 800 m3。2020?2022 年，貴州豫能投資公司在黔西市新田煤礦實施2 口頂板水平井，最高日氣產(chǎn)量均突破5 000 m3[32-33]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全國主要煤礦區(qū)已施工各類地面煤層氣井約9 097 口(表1)。如若依據(jù)我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)試驗起步時間先后、資源勘查程度、開發(fā)試驗產(chǎn)氣效果、開發(fā)規(guī)模大小等，將煤礦區(qū)煤炭未采區(qū)煤層氣勘探開發(fā)進程劃分為早期探索試驗、資源評價、開發(fā)試驗、規(guī)模化且商業(yè)化開發(fā)4 個階段，到目前為止，只有在煤層氣地質(zhì)?儲層條件相對較好的山西晉城、陜西彬長等少數(shù)礦區(qū)，煤礦區(qū)煤炭未采區(qū)煤層氣開發(fā)進入了商業(yè)化、規(guī)?；_發(fā)階段；其余以碎軟低滲突出煤層為主的絕大多數(shù)礦區(qū)，煤層氣單井氣產(chǎn)量低、開發(fā)效果不理想，煤炭未采區(qū)煤層氣開發(fā)尚處于試驗階段。令人可喜的是，目前正在開展煤炭未采區(qū)碎軟低滲煤層地面煤層氣井開發(fā)試驗的煤礦區(qū)，如安徽淮南、淮北、皖北礦區(qū)，陜西韓城礦區(qū)以及貴州部分礦區(qū)等，已由以前的地面垂直壓裂井開發(fā)方式全面轉(zhuǎn)向以碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂高效開發(fā)試驗方式，煤層氣開發(fā)工作如火如荼，目前已施工或正在施工的頂板水平井有60 余口，其中，有多口頂板水平井的日氣產(chǎn)量穩(wěn)定在4 000 m3以上，前景看好，令人鼓舞。另外，煤炭采動區(qū)煤層氣地面井開發(fā)，在安徽淮南、淮北礦區(qū)，山西晉城、大同礦區(qū)，遼寧鐵法礦區(qū)，貴州盤江礦區(qū)等，產(chǎn)氣效果也很好，已形成一定的開發(fā)規(guī)模。

表1 我國煤炭企業(yè)施工的煤礦區(qū)煤層氣井統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 1 Statistical data of CBM wells in coal mining areas constructed by coal enterprises in our country

2 煤礦區(qū)煤層氣地面開發(fā)理論與技術研究進展

2.1 煤層氣吸附機理及溫壓綜合吸附模型

煤層氣主要以吸附狀態(tài)儲集于煤層中，吸附特性是研究煤層氣儲集機理、氣含量預測、煤層氣資源評價與產(chǎn)能評估等重要依據(jù)。“十二五”期間，引入了量子化學計算和研究方法，從分子微觀角度計算煤大分子結(jié)構與H2O、CO2、CH4、N2分子之間的吸附作用能(圖1)，發(fā)現(xiàn)其大小順序為H2O>CO2>CH4>N2，從而在本質(zhì)上揭示了煤吸附CO2、CH4、N2氣體差異的機理(圖2)，解釋了干燥條件下煤吸附甲烷量高于含水分條件的現(xiàn)象[34]。

圖1 煤對H2O、CO2、CH4 和N2 吸附勢能曲線Fig.1 Adsorption potential energy curves of coal for H2O,CO2,CH4 and N2

圖2 同一煤結(jié)構模型對不同氣體的吸附勢能Fig.2 Adsorption energy of same coal structure model for different gases

多年來，人們習慣用Langmuir 等溫吸附模型來描述煤對氣體的等溫吸附曲線。然而在實際工作中，無論煤層氣資源勘探開發(fā)，還是煤礦瓦斯災害防治，都需要利用已知深度煤層一定溫度下的甲烷吸附特性預測深部或淺部不同溫度、壓力下的甲烷吸附量，顯然Langmuir 等溫吸附模型不具有這種功能。為此，開展了煤吸附甲烷的溫度和壓力綜合模型研究，采集了氣煤、焦煤、貧煤、無煙煤等有代表性煤階的系列煤樣，進行了20、30、40、50℃等不同溫度下的高壓等溫吸附實驗；應用吸附勢理論，研究獲得了煤對甲烷的吸附特征曲線(圖3)，推導出煤吸附甲烷的溫度?壓力綜合吸附模型，并給出了模型中特征常數(shù)的求取方法；利用大量高壓等溫吸附實驗數(shù)據(jù)對該模型的預測結(jié)果進行驗證，并與Langmuir 等溫吸附模型進行比較。結(jié)果表明，溫壓綜合模型的預測結(jié)果與吸附實驗數(shù)據(jù)非常吻合，平均相對偏差小于5%。溫壓綜合吸附模型能夠很好地描述包括特低煤階暗褐煤和特高煤階超無煙煤在內(nèi)的全部煤階煤對甲烷的吸附特性，比Langmuir等溫吸附模型的功能更強，適用范圍更寬[35]。

圖3 不同變質(zhì)程度煤的甲烷吸附特征曲線Fig.3 Methane adsorption characteristic curves of coal in different ranks

煤吸附甲烷的溫度?壓力綜合吸附模型如下：

式中：V為甲烷吸附量，m3/t；D、m為吸附特征常數(shù)；t為吸附平衡溫度，K；pc、tc分別為甲烷的臨界壓力(4.59 MPa)、臨界溫度(?82.6℃)；R為理想氣體常數(shù)，取值8.31 J/mol/K；k為經(jīng)驗參數(shù)，取值2.7。

此外，利用該溫壓綜合吸附模型，基于煤的某一溫度甲烷等溫吸附實驗結(jié)果，結(jié)合地溫梯度和儲層壓力梯度數(shù)據(jù)，可以預測深部任一深度、溫度、壓力條件下煤對甲烷的吸附量(圖4)，進而可以預測煤層氣含量和瓦斯含量，估算深部煤層氣資源量。這對深部煤層氣資源評價與勘探開發(fā)、煤礦瓦斯防治都具有重要的應用價值。

圖4 基于某煤樣30℃條件下等溫吸附實驗數(shù)據(jù)的t-p 綜合吸附模型預測的甲烷吸附曲線Fig.4 Methane adsorption curve predicted by t-p comprehensive adsorption model based on the isothermal adsorption test data of a coal sample at 30℃

2.2 煤層氣含量精準測定技術與裝備

1) 煤層氣損失量測定

煤層氣含量是表征煤層氣儲層特征的關鍵參數(shù)之一，準確獲取氣含量對于煤層氣資源勘探開發(fā)和煤礦瓦斯災害防治都具有重要意義?！笆晃濉逼陂g，依托國家科技重大專項，開展了模擬地面繩索取心過程煤層氣損失量測試研究，研發(fā)了地面井常規(guī)繩索取心過程損失氣量模擬測試裝置(圖5a)，進行了不同粒度不同煤級煤的損失氣量模擬實驗[36-37]。研究發(fā)現(xiàn)，在模擬鉆孔提心階段，1～3 mm 煤樣、30～50 mm 煤樣、?89 mm 柱狀煤樣的解吸氣平均解吸速率比值分別為2.91∶2.01∶1(圖5b)；模擬實驗實測的損失氣量是美國礦業(yè)局直接法估算結(jié)果的8～16 倍，且煤樣粒級越小、兩者的差異越大，表明煤樣粒級大小對損失氣量影響很大，也說明采用美國礦業(yè)局直接法估算的破碎煤樣損失氣量遠低于實際損失氣量，這必將會影響氣含量測試結(jié)果的準確性。

圖5 煤層氣損失氣量模擬測試裝置與測試結(jié)果Fig.5 Simulation test device and test results of gas loss of coalbed methane

2)煤層氣井密閉取心技術及專用設備

針對地面井常規(guī)取心方法獲取的煤層氣含量比實際結(jié)果明顯偏低(碎軟煤層和低煤階低氣含量煤層尤其突出)問題，“十三五”期間，研究提出了適合于碎軟煤層和低煤階低氣含量煤層的地面井密閉取心方法。根據(jù)煤儲層特征(與油氣儲層相比：埋藏較淺、壓力較小、溫度較低)，設計并研制出適用于地面井煤層氣含量測定的“三筒單動、球閥關閉、取心筒與解吸罐一體化”的密閉取心器(圖6)和“前端小徑鉆心、后端大徑鉆井”的碎軟煤層雙徑PDC 密閉取心鉆頭[38-39]。密閉取心器外筒直徑120 mm，煤(巖)心采取直徑可達38 mm、密閉保壓能力達10 MPa 以上，可用于煤層埋深1 000 m以淺的地面井密閉取心。雙徑PDC 密閉取心鉆頭減少了取心鉆進過程中鉆井液對煤心的沖洗旋流作用，提高了碎軟煤層的煤心采取率。在淮南潘三煤礦和淮北蘆嶺煤礦碎軟煤層中開展了2 口煤層氣井密閉取心和常規(guī)繩索取心應用對比試驗，密閉取心法獲得的煤層氣含量比常規(guī)取心法高20.23%～40.34%、平均27.22%，從而顯著提高了煤層氣含量測試精度，測試結(jié)果也更接近儲層真實情況。該技術設備可為碎軟煤層和低煤階煤層的煤層氣資源勘探開發(fā)、煤礦瓦斯災害治理提供更準確的煤層氣含量參數(shù)。

圖6 煤層氣井密閉取心設備及其結(jié)構Fig.6 Sealed coring equipment and its structure for CBM well

2.3 碎軟低滲煤層煤層氣開發(fā)技術

我國煤礦區(qū)煤層氣地面開發(fā)面臨的主要問題是碎軟低滲煤層廣泛分布、常規(guī)煤層氣開發(fā)技術不適用、地面單井氣產(chǎn)量低，嚴重制約著我國煤礦區(qū)煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖侔l(fā)展與煤礦瓦斯災害區(qū)域化防治。為了破解這一技術問題，先后開展了多項研究攻關，厘定了碎軟煤層的內(nèi)涵，形成了相關開發(fā)技術。

2.3.1 碎軟低滲煤層及其特征

所謂碎軟煤層，就是通常說的松軟煤層、構造煤，主要是由于煤層在地質(zhì)構造演化過程中遭受了強烈的構造擠壓、褶皺變形和層間滑動揉皺等作用，煤層整體或者其中的一個、多個分層被破碎成碎片狀、碎塊狀、碎粒狀、粉末狀、鱗片狀，煤中原有的天然裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)被毀壞甚至消失。碎軟煤層普遍彈性模量小、泊松比大，在原地條件下受上覆地層壓力和構造應力作用，被擠壓密實，粒間孔隙閉合，因而滲透率很低，通常小于0.1×10?3μm2[40]。由于碎軟煤層塑性較強，水力壓裂過程中壓裂縫兩側(cè)附近容易形成一定厚度的塑性變形區(qū)，導致裂縫擴展壓力升高，難以向前擴展，形成的裂縫大多短而寬，導致壓裂增產(chǎn)難以達到預期效果。

2.3.2 垂直井強化壓裂增產(chǎn)與精細排采技術

淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦是典型的高瓦斯突出礦井，地質(zhì)構造復雜，主采煤層為石炭?二疊系下石盒子組8 號煤層，厚度8～10 m，煤體主要為粉狀和碎粒狀結(jié)構，屬于低滲透性、難抽采煤層，煤礦井下瓦斯抽采難度很大。為了探索采煤前地面井預抽治理瓦斯的新途徑，2007?2008 年，淮北礦業(yè)集團施工了7 口地面開發(fā)試驗井，單井最高日氣產(chǎn)量1 600 m3、平均600 m3；2009 年，又施工了5 口地面開發(fā)試驗井，單井日氣產(chǎn)量最高800 m3、一般200 m3，產(chǎn)氣效果總體不好。

2010 年，依托“十一五”國家科技重大專項，淮北礦業(yè)集團與西安研究院合作，在蘆嶺礦開展了地面垂直井開發(fā)技術工藝研究，開發(fā)出適合于碎軟低滲透巨厚煤層的大排量、中砂比、投球、活性水伴注N2和CO2泡沫強化壓裂增產(chǎn)技術，每米加砂量接近10 m3，砂比平均15%、最高達22%。活性水伴注N2、CO2泡沫壓裂，大大增加了壓裂液攜砂能力，提高了有效支撐縫長；壓裂過程中，投入尼龍球封堵已壓開層段的孔眼，使其他層段壓開更多新裂縫，提高了巨厚煤層的壓裂改造效果。開發(fā)了井底流壓智能實時監(jiān)測系統(tǒng)，提出了適合碎軟煤層的慢、控、穩(wěn)、低套壓的分階段精細排采技術工藝，通過調(diào)整排水強度嚴格控制井底流壓、套壓、產(chǎn)氣速度，避免了煤層吐砂、吐煤粉現(xiàn)象，保證煤層氣井處于最佳工作狀態(tài)[41]。研究結(jié)果應用于蘆嶺礦5 口煤層氣井開發(fā)示范工程，取得了很好的效果。2011 年12 月?2012 年5 月連續(xù)排采183 d，其中，4 口井的單井日氣產(chǎn)量為449～2 179 m3，4 口井平均日氣產(chǎn)量1 466 m3(圖7)。產(chǎn)氣結(jié)果也顯示，加砂量大、砂比高、實施N2或CO2泡沫伴注和投球壓裂的井，煤層氣產(chǎn)量更好(表2)。

表2 安徽淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦5 口直井壓裂工程參數(shù)Table 2 Fracturing engineering parameters of 5 vertical wells in Luling coal mine,Huaibei mining area,Anhui Province

圖7 安徽淮北蘆嶺煤礦4 口直井產(chǎn)氣曲線Fig.7 Gas production curves of 4 vertical wells in Luling coal mine,Huaibei mining area,Anhui Province

2.3.3 碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂高效開發(fā)技術

我國絕大多數(shù)石炭?二疊紀煤田或含煤區(qū)，地質(zhì)構造復雜、煤層破碎松軟突出、滲透率很低，如何實現(xiàn)這類煤層地面煤層氣的高效開發(fā)，成為多年來制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和煤礦瓦斯防治工作的重大技術難題。2013 年，依托“十二五”國家科技重大專項項目，以淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦8 號碎軟低滲煤層為研究對象，淮北礦業(yè)集團與西安研究院合作開展了煤巖層物性分析測試、水力壓裂物理模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程試驗等研究工作，開發(fā)了煤層頂板水平井分段壓裂高效開發(fā)煤層氣技術體系[40,42-43]，取得了碎軟低滲煤層的煤層氣地面開發(fā)理論和技術的重大突破，為推動我國煤礦區(qū)碎軟低滲煤層地面煤層氣開發(fā)快速發(fā)展提供了新的技術支撐，也為“以孔代巷”區(qū)域預抽煤巷掘進條帶瓦斯開辟了新的技術途徑。

1) 提出了碎軟低滲煤層頂板巖層水平井分段壓裂高效開發(fā)煤層氣技術模式

針對在碎軟煤層施工水平井中容易出現(xiàn)垮塌埋鉆[44]、下套管困難、固井質(zhì)量不好，尤其是在相對塑性的碎軟煤層中直接壓裂增產(chǎn)效果不好等問題，提出了煤層頂板水平井分段壓裂高效開發(fā)煤層氣技術模式(圖8)，即采用遠端對接直井的U 型水平井，將水平井水平段布置在距離煤層2 m 左右的頂板巖層中，并下套管固井；采用泵送橋塞+向下定向射孔聯(lián)作的分段壓裂工藝，實施大液量、大排量、中砂比的高強度壓裂作業(yè)；最后在垂直井進行排水產(chǎn)氣。

圖8 煤層頂板巖層水平井分段壓裂高效開發(fā)煤層氣技術模式Fig.8 Efficient development technology model of CBM by staged fracturing of horizontal well in roof strata of coal seam

2) 揭示了碎軟低滲煤層頂板水平井水力壓裂裂縫的擴展延伸規(guī)律，提出了通過壓裂頂板能夠使碎軟低滲煤層獲得高效壓裂改造增產(chǎn)的新認識

淮北蘆嶺煤礦8 號煤層聲波測井、巖石力學性質(zhì)測試、水力壓裂物理模擬研究結(jié)果顯示：地層的垂向主應力大于水平最小主應力，頂板巖層的水平最小主應力、彈性模量、脆性遠大于煤層。因此，在頂板水平井進行套管射孔和水力壓裂，壓裂縫能夠從頂板進入下部煤層，并在煤巖界面處發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，壓裂縫擴展速率在相對脆性頂板中快于碎軟煤層。水力壓裂數(shù)值模擬結(jié)果顯示(圖9)，頂板壓裂時，煤層中形成的壓裂縫長度達到168.4 m，而直接在碎軟煤層中壓裂的裂縫長度僅為25.1 m，前者是后者的5.9 倍。由此可見，在頂板中壓裂產(chǎn)生垂直壓裂縫，壓裂縫在地應力梯度作用下從頂板向下切入煤層；頂板的相對脆性使壓裂縫沿橫向擴展延伸更快，由此產(chǎn)生的撕裂、拉扯作用使得煤層中壓裂縫隨其一起擴展延伸，在碎軟煤層中造出更長的高導流壓裂縫，從而使原本直接壓裂改造效果差的碎軟煤層能夠獲得很好的壓裂改造和增產(chǎn)效果。

圖9 碎軟煤層水平井和碎軟煤層頂板巖層水平井水力壓裂數(shù)值模擬裂縫垂向剖面Fig.9 Vertical fracture profile of hydraulic fracturing numerical simulation of horizontal wells in broken soft coal seam and roof strata of broken soft coal seam

3) 建立了碎軟煤層頂板水平井分段壓裂高效開發(fā)工作流程，形成了成套開發(fā)技術工藝

煤層頂板水平井分段壓裂開發(fā)流程，依次包括：(1) 首先設計遠端水平對接U 型井組的井身結(jié)構及鉆井參數(shù)。(2) 優(yōu)選確定水平井段布置的目標煤層頂板巖層層位。(3) 施工遠端垂直井，并進行取心測試、聲波測井，獲取煤儲層參數(shù)、頂?shù)装辶W參數(shù)、巖層地應力曲線。(4) 在水平井直井段施工導眼井鉆穿煤層，測井獲取自然伽馬和視電阻率曲線，確定水平井段鉆進跟蹤的頂板巖層層位。(5) 采用地質(zhì)導向鉆井技術施工水平井段，下套管固井。(6)泵送可鉆式橋塞分段分隔，采用向下定向射孔方式誘導壓裂縫優(yōu)先向下延伸穿透煤層。(7) 實施光套管、大液量、大排量、中砂比的高強度壓裂作業(yè)。(8) 在垂直井進行井底流壓實時監(jiān)測，低套壓、慢控穩(wěn)的精細排采。

應用該研究成果，建成了淮北蘆嶺煤礦碎軟低滲煤層頂板LG01 水平井分段壓裂高效開發(fā)煤層氣示范工程。目標8 號煤層深度744 m、厚度10.09 m，煤體破碎，氣含量6.19 m3/t，滲透率0.08×10?3μm2。水平井水平段位于頂板砂質(zhì)泥巖層，長度586 m，距離下部8 號煤層0～1.5 m(圖10)[45]。壓裂液為清水+1% KCl+0.05%殺菌劑，支撐劑為蘭州石英砂。采用泵送可鉆式橋塞+向下定向射孔聯(lián)作工藝，分7 段進行水力壓裂，累計注入壓裂液6 627 m3、石英砂542.5 m3，加砂強度77 m3/段，平均砂比11.59%，平均加砂完成率105.7%(表3)。該井最高日氣產(chǎn)量突破1 萬m3，連續(xù)3、6、12 個月平均日氣產(chǎn)量分別高達10 000、9 000、8 000 m3(圖11a)，抽采4.5 年累計氣產(chǎn)量700 萬m3，創(chuàng)造了碎軟低滲突出煤層地面煤層氣井氣產(chǎn)量的最新紀錄[40]，受到業(yè)界廣泛關注。

圖10 安徽蘆嶺煤礦LG01 水平井組井身結(jié)構垂向剖面Fig.10 Vertical profile of borehole structure of LG01 horizontal well group in Luling coal mine,Anhui Province

表3 安徽蘆嶺煤礦LG01 水平井分段壓裂施工主要參數(shù)Table 3 Staged fracturing engineering parameters of LG01 horizontal well in Luling coal mine,Huaibei mining area,Anhui Province

截至2022 年11 月，煤層頂板水平井分段壓裂開發(fā)技術已在安徽、山西、貴州、陜西等省9 個礦區(qū)的煤層氣開發(fā)和礦井區(qū)域瓦斯超前治理中得到推廣應用，已施工60 余口頂板水平井，產(chǎn)氣效果良好。其中，山西潞安礦區(qū)余吾煤礦碎軟煤層頂板U 型水平井，氣產(chǎn)量高且長期保持穩(wěn)定，自2020 年5 月至今，日氣產(chǎn)量一直穩(wěn)定在6 000～9 000 m3。截至2022 年11 月30 日，累計氣產(chǎn)量746 萬m3(圖11b)，成為國內(nèi)煤層氣井排采和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的楷模。

圖11 碎軟低滲煤層頂板分段壓裂水平井排采曲線Fig.11 Gas drainage curve of stage-fractured horizontal well in roof of broken soft coal seam with low permeability

2.3.4 非固井水力噴射分段壓裂技術

對于軟硬復合型煤層，當滿足2 種條件時可將水平井布置在煤層中：其一，軟硬煤分層疊合關系簡單，堅硬煤分層延伸穩(wěn)定且厚度較大(2 m 以上)；其二，軟硬復合型煤層中碎軟煤分層厚度雖占比較大、與堅硬煤分層疊合關系復雜，但局部發(fā)育的堅硬煤層連續(xù)延伸長度較長、厚度較大(2 m 以上)。2017 年，依托“十三五”國家科技重大專項項目，開發(fā)了適合于軟硬復合型煤層的煤層水平井非固井分段壓裂技術(圖12)[46]，即將水平井水平段布置于堅硬煤分層中，為了避免水平段固井時水泥漿污染煤層，采用下套管、不固井、套管加外封隔器防竄流等方法，開發(fā)了水平井液壓定向噴射壓裂一體化設備；提出了油管(噴射)+環(huán)空(壓裂)聯(lián)合注入的大排量壓裂工藝，具有定點壓裂及防竄流效果好、成本低、壓裂排量及加砂規(guī)模大、施工安全性高的優(yōu)點。

圖12 非固井水平井油管+環(huán)空聯(lián)合注入分段壓裂模式與水平井液壓定向噴射壓裂工具Fig.12 Staged fracturing model of tubing+combined annulus injection in non-cementing horizontal wells and hydraulic directional jet fracturing tool of horizontal well

采用油管(噴射)+環(huán)空(壓裂)聯(lián)合注入壓裂工藝技術，在晉城礦區(qū)寺河礦進行了工程示范，目標煤層為15 煤，煤層埋深335.47～337.61 m，煤厚2.14 m，氣含量18 m3/t。采用帶底封的油管拖動水力噴砂射孔與壓裂聯(lián)作方式施工，水平段長820.53 m，射孔壓裂8 段，段間加密補射孔8 段，累計加砂350.0 m3，累計用液6 500 m3，平均加砂比超過11.6%(表4)。自2020 年4 月14 日開始排采，6 月1 日開始產(chǎn)氣，8 月25 日產(chǎn)氣突破5 000 m3/d，最高日氣產(chǎn)量突破9 100 m3，穩(wěn)定日氣產(chǎn)量7 000～8 000 m3(圖13)。

圖13 山西晉城礦區(qū)寺河礦15 煤層水平井產(chǎn)氣曲線Fig.13 Gas production curve of No.15 coal seam horizontal well in Sihe mine,Jincheng mining area,Shanxi Province

表4 山西晉城礦區(qū)寺河礦煤層水平井各段壓裂工程數(shù)據(jù)Table 4 Engineering data of fracturing in each interval of coal seam horizontal well in Sihe mine,Jincheng mining area,Shanxi Province

2.3.5 多煤層分層控壓合層排采技術

多煤層地區(qū)往往是我國煤層氣資源集中賦存區(qū)，煤層氣開發(fā)前景可觀。近年來，國內(nèi)多個煤層氣地面開發(fā)工程實踐顯示，碎軟煤層群煤層氣井產(chǎn)氣效果并不理想，甚至要低于單一煤層抽采效果。依托“十二五”“十三五”國家科技重大專項，開展了多煤層地面煤層氣排采技術的基礎理論研究，發(fā)現(xiàn)了碎軟低滲煤層地面煤層氣井氣產(chǎn)量隨液面下降呈現(xiàn)的異常變化現(xiàn)象，揭示了碎軟低滲煤層群氣產(chǎn)量提高的控制機理：多煤層地面井排采時應將各產(chǎn)氣層封隔成各個獨立的壓力系統(tǒng)，用不同的動液面對各目標煤層進行分層管理。在此基礎上，開發(fā)出多煤層井分層控壓合層排采的兩種技術：適用于雙煤層的雙泵三通道分層控壓排采技術(圖14a)、適用于多煤層的雙套管分層控壓排采技術(圖14b)[47]。采用該技術在河南平頂山礦區(qū)、貴州黔北礦區(qū)分別進行現(xiàn)場試驗應用，實現(xiàn)了不同產(chǎn)層分層控壓的目的，提高了單井煤層氣產(chǎn)量。

圖14 多煤層分層控壓合層排采技術Fig.14 Stratified pressure control and multilayer gas drainage technology in multi-seam

2.4 侏羅紀低煤階低氣含量煤層的煤層氣開發(fā)技術

陜西黃隴侏羅紀煤田煤層主要為低煤階(Rmax<0.65%)、低氣含量(空氣干燥基氣含量1～3 m3/t)的長焰煤、不黏煤，這類煤層在我國西北侏羅紀煤田分布廣泛，資源量豐富。由于煤層巨厚、煤礦開采強度大、礦井瓦斯涌出量非常大，出現(xiàn)了低瓦斯煤層高瓦斯礦井。2008 年，為了探索通過地面井開發(fā)煤層氣治理礦井瓦斯災害的新途徑，陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司與西安研究院合作，在焦坪礦區(qū)下石節(jié)礦開展了低煤階低氣含量煤層的煤層氣開發(fā)潛力和開發(fā)技術研究。

研究結(jié)果表明，與高階煤相比，低階煤吸附能力較弱、解吸能力較強，在低氣含量、低廢棄壓力條件下可以解吸產(chǎn)氣；數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當煤層厚度足夠大(>10 m)、滲透率足夠高(>3×10?3μm2)時，即使煤層的氣含量低至3 m3/t，單井穩(wěn)定期氣產(chǎn)量仍能夠達到1 000 m3/d 以上，由此提出低煤階、低氣含量、厚度大、滲透率高的煤層具有工業(yè)性產(chǎn)氣潛力的新認識[48]，開發(fā)出前置液加粉砂降濾失、大排量、高砂比的大規(guī)模壓裂增產(chǎn)工藝技術，形成了雙壓力計實時監(jiān)測井底流壓、分階段調(diào)整工作制度和泵掛深度、低套壓等精細排采技術。研究成果在焦坪礦區(qū)下石節(jié)礦三期共7 口垂直壓裂井以及彬長礦區(qū)煤層氣開發(fā)試驗工程項目中進行了應用，產(chǎn)氣效果良好，單井最高日氣產(chǎn)量超過1 800 m3，單井日氣產(chǎn)量都穩(wěn)產(chǎn)在1 000 m3以上(圖15)。

圖15 陜西焦坪礦區(qū)4 口垂直井產(chǎn)氣特征Fig.15 Gas production characteristics of 4 vertical wells in Jiaoping mining area,Shaanxi Province

2.5 煤層氣井極小半徑多孔旋轉(zhuǎn)射流側(cè)鉆水平井技術

高壓水射流極小半徑鉆井技術(TRD)是實現(xiàn)煤層氣資源低成本、高效開發(fā)的重要技術手段[49]。2016 年，依托“十三五”國家科技重大專項，開展了煤層氣井極小半徑鉆井增產(chǎn)技術理論、裝備與技術工藝研究。揭示了多噴孔旋轉(zhuǎn)射流破煤與大孔徑鉆進成孔機制，建立了射流鉆進的水力參數(shù)計算模型，設計研制出具有三次分級成孔、二次碎屑、防失速、控轉(zhuǎn)速等結(jié)構特點的多噴孔旋轉(zhuǎn)射流自進鉆頭，研發(fā)出臂長可延伸、就位狀態(tài)可測控的支撐臂式井下轉(zhuǎn)向裝置，開發(fā)出適合外徑139.7 mm 套管的煤層氣井極小半徑射流鉆井成套設備及配套施工技術工藝(圖16)，轉(zhuǎn)向曲率半徑550 mm，泵最大排量227 L/min、最高壓力100 MPa，絞車最大拉力80 kN，具有對埋深1 000 m 以淺煤層的煤層氣井側(cè)鉆徑向水平分支井的施工能力。研究成果在陜西彬長礦區(qū)進行了現(xiàn)場試驗應用，在1 口煤層氣井完成了4 個水平分支井的鉆進，最大鉆進長度80.36 m，累計進尺265.75 m，鉆進速度0.51～1.03 m/min。設備性能穩(wěn)定，應用效果良好[50]。

圖16 煤層氣井極小半徑多孔旋轉(zhuǎn)射流側(cè)鉆水平井與關鍵部件及設備Fig.16 Multi-hole rotary jet sidetracked horizontal CBM well with tight radius,the key components and equipment of CBM well

2.6 采動區(qū)地面井煤層氣開發(fā)產(chǎn)能預測技術

采動區(qū)地面井是煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)的特有方式，抽采前的產(chǎn)能預測是其工程部署科學合理性、投資經(jīng)濟性的設計依據(jù)。依托“十二五”國家科技重大專項項目，收集分析淮南、淮北礦區(qū)大量的采動區(qū)地面抽采井數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采動區(qū)井日氣產(chǎn)量與回采工作面到井之間的距離普遍呈良好的相關性，其關系曲線呈“單尖峰拖長尾”的典型形態(tài)特征(圖17)，即當回采工作面推進到超過煤層氣井5 m 左右時，氣產(chǎn)量才呈陡壁式急劇增加，超過煤層氣井50 m 左右時氣產(chǎn)量達到最大峰值，然后隨工作面繼續(xù)推進氣產(chǎn)量呈陡坡式快速下降，直至工作面超過煤層氣井約280 m 位置時停止下降，并且在約1 000 m 后仍維持較高氣產(chǎn)量[51]。

圖17 安徽淮南礦區(qū)采動區(qū)地面井氣產(chǎn)量與井位到回采工作面距離的關系Fig.17 Relationship between gas production of surface well and distance from well to working face in Huainan mining area,Anhui Province

基于黑盒子理論和Boltzmann 函數(shù)擬合，提出了采動區(qū)上部煤層視滲透率隨工作面推進位置到煤層氣井之間距離變化的數(shù)學表達式，可等效反映煤炭開采擾動下采動區(qū)上部煤層滲透率對煤層氣井產(chǎn)能的實際影響；建立了采動區(qū)煤層氣井產(chǎn)能模擬的概化地質(zhì)模型、數(shù)學模型和數(shù)值模型，并給出了邊界處理、數(shù)值求解和關鍵參數(shù)擬合的方法；開發(fā)了采動區(qū)煤層氣井產(chǎn)能數(shù)值模擬軟件CCGS v1.0，實現(xiàn)了采動區(qū)煤層氣單井產(chǎn)能的數(shù)值模擬[51](圖18)。研究成果應用于淮南礦區(qū)多口采動區(qū)煤層氣井的歷史擬合和產(chǎn)能預測，取得了良好應用效果。

圖18 煤礦采動區(qū)井煤層氣抽采產(chǎn)能模擬軟件Fig.18 Productivity simulation software for CBM wells gas drainage in active mining area

3 煤礦區(qū)地面煤層氣開發(fā)攻關方向

1) 穿淺部采空區(qū)/采動區(qū)深部煤層氣與煤炭資源協(xié)調(diào)開發(fā)

我國煤層埋深1 000～2 000 m 范圍煤層氣資源約為22.5 萬億m3，占總資源量的61.2%[52-53]。對于大多數(shù)煤礦區(qū)來說，隨著淺部可采煤炭資源的減少，煤炭開采逐漸向深部煤層過渡，不可避免地將面臨深部地應力高、儲層壓力大、氣含量高等問題，這些都可能導致煤炭開采效率降低、安全隱患增加。因此，深部煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)應是未來一段時間煤礦區(qū)煤炭開采重點關注的方向，這其中包括煤層氣開發(fā)中穿淺部采空區(qū)工藝技術研究、深部煤儲層異常特性對開發(fā)的影響機制研究、與深部煤炭資源協(xié)同開采技術研究等，及早開展相應的基礎理論、技術與裝備研究及儲備，避免或最大程度降低以往煤炭開采中的資源浪費、效率低下、事故頻發(fā)等隱患，保障煤與煤層氣兩種資源的最優(yōu)化開發(fā)利用。

2) 低煤階低氣含量厚煤層礦區(qū)煤層氣與煤炭資源的協(xié)調(diào)開發(fā)

低階煤層在我國西北地區(qū)分布廣，煤層氣資源豐富，近年來雖在鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、海拉爾盆地和二連盆地等取得了產(chǎn)氣突破，但在全國煤層氣產(chǎn)量中占比仍然很低，2021 年僅為1.8%。此外，低階煤層雖然氣含量低，但煤層厚度大、煤體結(jié)構完整、天然裂隙發(fā)育、滲透率大，煤礦生產(chǎn)中也存在瓦斯涌出量高、治理難度大等問題。隨著低煤階煤礦區(qū)煤層開采深度的逐漸加大，瓦斯隱患問題也必將加重，因此，應盡快開展這類煤礦區(qū)煤層氣與煤炭資源的協(xié)調(diào)開發(fā)、井上下煤層氣聯(lián)合抽采等技術研究與攻關，一方面保障煤炭安全高效開采，另一方面實現(xiàn)低階煤煤層氣清潔、有效利用，助力提高低階煤煤層氣產(chǎn)量在全國的占比。

3) 廢棄/關閉礦井煤層氣資源開發(fā)

廢棄/關閉礦井煤層氣經(jīng)歷了大規(guī)模煤炭開采擾動，賦存空間及特征都發(fā)生了根本改變，并且隨煤炭開采程度和規(guī)模的不同，其特征和變化規(guī)律也存在很大差異。目前，關于廢棄/關閉礦井涉及的很多研究基本處于探索階段，包括所蘊含的煤層氣資源是否具有工業(yè)價值、煤層氣可采性如何、常規(guī)地面開發(fā)技術是否可行等。據(jù)相關資料，2030 年我國廢棄/關閉礦井將達到15 000 處，賦存煤層氣近1 萬億m3，加快廢棄/關閉礦井煤層氣資源開發(fā)的攻關研究，不僅有助于實現(xiàn)煤礦區(qū)全方位、全時段的煤層氣資源高效利用，更有助于我國碳達峰碳中和(“雙碳”)目標任務的有效踐行。

4 結(jié)論

a.回顧了我國煤礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)歷程及主要煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)工作。認為我國煤礦區(qū)煤炭未開采區(qū)的煤層氣地面開發(fā)，除了煤層氣地質(zhì)?儲層條件相對較好的山西晉城、陜西彬長等少數(shù)礦區(qū)實現(xiàn)了商業(yè)化、規(guī)?；_發(fā)；其余以碎軟低滲突出煤層為主的絕大多數(shù)礦區(qū)，煤層氣單井氣產(chǎn)量低、開發(fā)效果不理想，尚處于開發(fā)試驗階段。令人可喜的是，開發(fā)試驗技術已由以前的地面垂直壓裂井開發(fā)技術全面轉(zhuǎn)向以碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂高效開發(fā)技術，目前開發(fā)試驗工作正在安徽淮南、淮北、皖北礦區(qū)，陜西韓城礦區(qū)以及貴州新田礦區(qū)等如火如荼展開，已有多口頂板水平井的日氣產(chǎn)量穩(wěn)定在4 000 m3以上，前景看好，令人鼓舞。

b.“十一五”?“十三五”期間，依托國家科技重大專項項目，我國煤礦區(qū)煤層氣地面開發(fā)技術取得了比較系統(tǒng)、突破性的研究成果，包括未采區(qū)地面煤層氣測試與開發(fā)技術：煤層密閉取心?氣含量測試技術與裝備、碎軟低滲煤層地面煤層氣開發(fā)技術體系(垂直井強化壓裂增產(chǎn)與精細排采技術、煤層頂板水平井分段壓裂技術、煤層水平井分段壓裂技術、多煤層分層控壓合層排采技術)、低煤階低氣含量煤層地面煤層氣開發(fā)技術、煤層氣井極小半徑多孔旋轉(zhuǎn)射流側(cè)鉆水平井技術，采動區(qū)煤層氣開發(fā)產(chǎn)量預測技術等。研究成果為煤礦區(qū)煤層氣地面開發(fā)和瓦斯抽采提供了有效技術手段，已在工程實踐和推廣應用中取得了實質(zhì)性效果，應用前景良好。

c.根據(jù)煤礦區(qū)發(fā)展趨勢和需求，認為今后煤礦區(qū)煤與煤層氣工作者應重點在3 個方面開展基礎與技術攻關研究：穿淺部采空區(qū)/采動區(qū)的深部煤層氣與煤炭資源協(xié)調(diào)開發(fā)、低煤階低氣含量厚煤層礦區(qū)的煤層氣與煤炭資源協(xié)調(diào)開發(fā)、廢棄/關閉礦井煤層氣開發(fā)等。

致謝：論文撰寫過程中，得到山西晉煤集團、潞安礦業(yè)集團、焦煤集團、陽煤集團、蘭花集團、大同集團，河南能源集團、平煤神馬集團，遼寧鐵法集團，安徽淮南礦業(yè)集團、淮北礦業(yè)集團、皖北煤電集團，陜西煤業(yè)化工集團，貴州盤江煤電集團，國家能源集團，重慶市能源投資集團，黑龍江龍煤集團以及甘肅窯街煤電集團等煤炭企業(yè)的大力支持，幫助統(tǒng)計并提供相關煤礦區(qū)煤層氣地面井開發(fā)數(shù)據(jù)和資料，在此深表謝意。