重点推荐：“煤层气勘探开发技术研究进展”学术专题
编者按
我国煤层气产业发展已进入规模化生产阶段，初步形成了适宜于沁水盆地高阶煤煤层气、鄂尔多斯盆地中阶煤煤层气的勘探开发技术体系，有力支撑了我国煤层气的勘探开发。新疆准噶尔盆地和伊兰盆地低阶煤煤层气、滇东—黔西地区多煤层煤层气、煤系地层致密砂岩气和深层煤层气也取得了很好的开发效果。2018年，地面煤层气开发产量达54.12亿ｍ３、利用量达49.00亿ｍ３。截至2018年底，累计钻井17 000多口，建成沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘两大煤层气产业基地，煤层气井产量占全国的95%。目前国内煤层气产业总体进展缓慢，低阶煤煤层气高效开发、已开发区增产提效和深部煤层气及煤系气综合开发等技术瓶颈还未突破，地面煤层气井普遍产量低、不稳定，现有技术难以支撑产业快速发展的问题亟待解决。
作为全国煤炭行业的一个重要科技窗口和学术交流平台，《煤炭科学技术》一直非常关注并积极跟踪 道国内外煤层气勘探开发成果，自2015年与中国煤炭学会煤层气专业委员会首次合作以来，已经连续４年协办“全国煤层气学术研讨会”,并合作开展“煤层气勘探开发技术研究进展”专题论文的征集与出版工作,得到了广大专家和学者的积极响应。本次共征集到论文100余篇，审稿录用30余篇，限于篇幅，此次专题刊登16篇。专题内容涵盖低阶煤 煤层气勘探开发理论与技术、煤层气储层评价理论与方法、深部煤层气勘探开发技术、煤层气高效开发与煤矿瓦斯抽采技术和煤系非常规天然气共探共采技术等方面的研究成果，以促进我国煤层气勘探开发新进展、新技术、新认识的推广交流。衷心感谢各位专家学者为专题撰稿！
“煤层气勘探开发技术研究进展”学术专题
国内外低阶煤煤层气储层特征对比研究
■王涛，邓泽，胡海燕，曹明亮，张宝鑫，焦鹏飞，余喆
摘要：中国低阶煤煤层气资源丰富，但勘探和认识程度较低，煤层气成藏条件、煤储层特征和资源潜力等方面研究不足。首先分析了中国低阶煤分布特点和煤层气成因，基于二连盆地、海拉尔盆地、准东地区、吐哈盆地与美国粉河盆地和澳大利亚苏拉特盆地的煤层气地质资料，探讨了国内外盆地地质构造演化，对比分析了国内外盆地煤阶和煤岩组成、含气量、孔隙度、渗透率和水文地质条件等特征，指出了国内外低阶煤盆地在煤层气含量构成、储层物性条件及水文地质条件等方面的差异，并全方面地阐明了国内外低阶煤盆地含气量差异性的原因。研究结果表明：国内外低阶煤盆地地质构造特征和煤岩特征相似，且煤层气主要是次生生物成因气，国内外低阶煤盆地煤层含气量随埋深总体呈现为先增加后降低的趋势；国内低阶煤盆地与粉河盆地含气量介于0～4 m3/t，但是含气量梯度差异大，埋深相同的条件下，国内低阶煤盆地煤岩含气量低于粉河盆地和苏拉特盆地的含气量。水文地质条件是影响低阶煤煤层气含气量差异的最为重要的因素之一，国内低阶煤盆地水文地质条件差，导致煤层含气量低，粉河盆地和苏拉特盆地水文地质条件好，则含气量高。国内外低阶煤盆地渗透率差异大；国内低阶煤盆地渗透性差，一般小于1.0×10-3μm2，粉河盆地和苏拉特盆地渗透性好，要比国内低阶煤盆地高1～2个数量级，导致了国内低阶煤盆地与美国粉河盆地和澳大利亚苏拉特盆地在低阶煤煤储层特征方面的巨大差异。
基于多物理场耦合求解的煤层CO2-ECBM数值模拟研究
■刘世奇，方辉煌，桑树勋，吴建光，张守仁，张兵
摘要：数值模拟技术是在煤层中注入CO2提高煤层CH4采收率（CO2-ECBM）工程方案优化设计与增产效果评价的有效方法。考虑温度效应和有效应力影响下的CO2与CH4竞争吸附、扩散与渗流作用，以及煤层孔隙度与渗透率的动态演化特征，建立了CO2注入煤储层结构演化-流体运移-储存能力THM（thermo-hydro-mechanical）全耦合数学模型，并采用有限元法进行多物理场全耦合求解。通过对沁水盆地3号煤层典型五井式CO2-ECBM开发井网开展模拟，探讨了不同注入压力条件下CO2注入与CH4产出特征。模拟结果显示，数学模型具有较高的准确性，证实了CO2-ECBM过程中煤层渗透率总体呈降低趋势，注入井附近渗透率主要受CH4与CO2竞争吸附的影响；注CO2对提高CH4累计产出量具有积极作用，增大注气压力可提高CO2注入及CH4产出的效率。
温度/压力对甲烷超临界吸附能量参数的影响机制
■吴双，汤达祯，李 松，李翔
摘要：煤层气在储层高温高压环境中主要以超临界吸附状态赋存，温度和压力是影响煤储层含气性的重要外部控制因素，温压条件改变意味着煤-甲烷吸附体系的原始平衡状态被打破，体系能量发生变化。基于无烟煤等温吸附试验数据，通过Gibbs方程对比了甲烷超临界与亚临界吸附的差异，从吸附热力学和吸附动力学角度，分析了温度和压力对甲烷超临界吸附过程中的能量参数的影响规律。结果表明：超临界条件下的煤-甲烷吸附体系绝对吸附量大于过剩吸附量，二者间的差异随平衡压力增大而增大，随温度升高而减小。对于特定的煤-甲烷吸附体系，吸附势与吸附空间在任意温压条件下呈现单一吸附特征曲线关系，且平衡压力增加引起吸附势减小，吸附空间增大，而温度升高引起吸附势增大，吸附空间减少。甲烷分子主要以菲克型扩散方式在煤岩中传质，由于分子平均自由程受温压控制，扩散系数随压力增大而减小，随温度升高而增大。气体分子吸附活化能本质为分子动能的体现，不受体系压力影响，但受体系温度影响，温度越高，吸附活化能越大。
深部低阶煤瓦斯吸附特性核磁共振试验研究
■刘佳佳，贾改妮， 陈守奇，马 权
摘要：为了研究深部低阶煤瓦斯吸附特性，采集新疆艾维尔沟矿深部低阶煤样，采用低场核磁共振技术（NMR）对原煤煤样进行瓦斯吸附试验，并提出了以核磁共振T2（横向弛豫）谱积分面积值作为吸附瓦斯含量的定量表征。试验结果表明：深部低阶煤瓦斯吸附过程T2谱曲线有3个特征峰（吸附峰、游离峰、自由态瓦斯峰）；不同瓦斯压力下，瓦斯吸附总量均随吸附时间的增加而增加，直至保持不变，瓦斯吸附速度先增加后减小；不同瓦斯压力下，深部低阶煤吸附孔的瓦斯吸附量随着吸附时间的增加先增加后保持不变，吸附态瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲线函数分布，瓦斯压力越大，低阶煤中瓦斯达到吸附平衡时间越长。研究成果对深部低阶煤的煤层气勘探开发和瓦斯抽采具有重要指导意义。
不同煤阶煤热解过程中孔隙结构变化规律研究
■尹振勇，许 浩，汤达祯，陈艳鹏，赵天天
摘要：为了研究不同煤阶煤样品在热解过程中的孔隙变化规律，采用自制的煤炭热模拟装置对内蒙古褐煤、新疆长焰煤和韩城烟煤进行热模拟试验，并用ASAP2020M型全自动比表面积分析仪分析了煤焦样品在热解过程中孔隙结构变化。N2吸附解吸试验表明：3种煤焦样品的吸附脱附曲线之间没有或存在较小的回线，孔隙形态较为单一，主要由连通性差的半开孔组成（单侧封闭的楔形、圆柱形和狭缝状孔），孔隙体积对应的孔径呈多峰分布，内蒙古褐煤的孔体积主要来自过渡孔的贡献，新疆长焰煤孔体积主要来自过渡孔和微孔的贡献，韩城烟煤的孔体积主要来自微孔的贡献，3种煤焦的比表面积主要由孔直径为2～3 nm的孔贡献，随着煤化程度的增加，其吸附量、比表面积和总孔容呈现减小趋势，总孔容和比表面积成正相关；煤化程度高，有利于微孔的发育，煤化程度低则有利于过渡孔的发育。随热解温度升高，煤中挥发分剧烈析出，更多的孔隙开放，煤焦的吸附量增加。当温度过高时，煤焦碳骨架发生熔融坍塌，部分微孔转化为过渡孔和中孔从而使吸附量下降。随热解温度的升高，内蒙古褐煤的吸附量呈增高的趋势，新疆长焰煤的吸附量先增高后降低，韩城烟煤的吸附量呈降低的趋势，对比不同阶煤样品的孔径随热解温度的变化规律可知，内蒙古褐煤孔隙更加发达，有利于煤中气化剂和气体产物的输送。
西山煤田构造-水文地质对煤层气成藏的控制作用
■曾 玲，孙晓光，崔少华，眭晋阳
摘要：煤层气富集成藏受构造、沉积环境、水文地质条件、岩浆活动等多方面因素控制，为了研究西山煤田煤层气富集的主控因素及其成藏规律，通过资料收集整理、采样分析研究，发现西山煤田煤层气成藏的主控因素为构造及水文地质条件。利用多口西山煤田水文孔的资料，分别对太原组含水层及山西组含水层的水动力场和水化学场进行研究；利用煤层气井的含气量等资料，找出对煤层气有利的构造、水动力、水化学因素，提出3种构造-水动力成藏模式；最后基于前面的研究提出构造-水动力控制下的煤层气富集区识别标准，对研究区进行富集区识别。研究表明：①西山煤田煤系地层水动力场可以分为三部分地下水流动系统：西北部系统Ⅰ、中南部系统Ⅱ和东部系统Ⅲ；其中屯兰矿东曲矿南部、原相地区以及西部水峪贯向斜核部、杜儿坪断层附近，水动力活动相对较弱，有利于煤层气成藏；②有利于煤层气富集的水化学类型为重碳酸钠型；③提出构造-水动力作用有利于煤层气聚集成藏的3种模式：单斜-水动力成藏、向斜-水动力成藏、断层-水动力成藏；④对西山煤田进行煤层气富集区识别,识别出邢家社附近和杜儿坪南部2个富集区。用上述方法将构造-水文地质条件对煤层气成藏的控制作用定量化和标准化，有利于其他区块参考和利用。
临兴区块深部煤层气潜在可采地质模式分析
■高丽军，逄建东，谢英刚，周龙刚
摘要：鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带临兴中部区块深部煤层气资源潜力大，基于区内煤层气地质评价和单井试采效果，从试采井生产特征入手，分析深部煤层气井气水产出特征。重点从裂缝展布和应力特征方面，浅析深部煤层气井控产地质因素，同时结合煤系气多类型气层（致密气层、煤层）匹配关系，探讨了区内深部煤层气潜在可采地质模式。结果表明：①临兴区块煤层气资源潜力巨大，具有“煤层厚、含气量高、煤岩煤质较好、煤岩顶底板封盖好、滞留水环境”特征，煤层埋深较深，高应力、低孔低渗是制约区内煤层气开采的主要地质因素。②深煤层应力较大，以常规清水压裂为主的直井单压煤层模式难以有效压裂煤层、气井生产效果较差；“兼压砂层差气层、主采煤层气”模式可改善深部煤层气开发效果，且直井产气曲线仍以煤层气典型形态为主，具有“单井见气快、产水多,易应力敏感、气产量上升缓慢”的特点；③煤系地层微裂缝发育区为深煤层单井突破的潜力区。依据临兴区块现有气井开发经验，临兴区块深部煤层气可划分出2种潜力地质开发模式，其中“内生外储型”的Ⅰ型可采地质模式是目前深部煤层气开发现实可行的优选地质模式。“内生外储型”Ⅱ型可采地质模式、“内生内储”的Ⅰ型可采地质模式是后期深部煤层气开发的潜力接替模式。
低阶煤不同宏观煤岩组分润湿性及影响因素研究
■陈 跃，马东民，夏玉成，郭 晨,杨 甫,邵 凯
摘要：随着我国低阶煤煤层气勘探开发的深入，低含气量、低储层压力、高含水性等问题逐渐凸显。为研究低阶煤不同宏观煤岩组分润湿性差异及影响因素，以黄陇煤田大佛寺煤矿4号煤为研究对象，采集全层煤样、镜煤样和暗煤样，通过测定接触角，对比分析润湿性差异并详细探讨工业组分、化学结构、孔隙特征等因素对润湿性的影响。结果表明：大佛寺煤矿4号煤的接触角为45.8°～60.4°，均小于90°，表现出较强的亲水性，镜煤的接触角大于暗煤，暗煤的润湿性更好，并且润湿性与层理方向有关，润湿性由高到低依次为：垂直层理方向、斜交层理方向、平行层理方向。表面活性剂6501可以有效增强煤的润湿性，其对镜煤的改性作用大于暗煤，并且对平行层理方向改性作用大于垂直层理方向。煤的物质组成和孔隙结构对其润湿性具有显著影响。无机矿物（灰分）具有亲水性，灰分越高，煤的润湿性越好，而挥发分通常具疏水性，挥发分越高，煤的润湿性越差。相对于暗煤，镜煤的灰分更低，挥发分更高，因而润湿性更差。H元素含量高，润湿性变差，C、O元素对润湿性的影响较为复杂，主要取决于含氧官能团的类型，暗煤含有更多的羟基和羧基等极性含氧官能团，而镜煤则含醚氧基和酯键较多，故暗煤的润湿性更好。相较于暗煤，镜煤的孔隙以半封闭孔为主，连通性差、分选差、孔径小、比表面积大、表面更粗糙，使得润湿性更差。
沁水盆地深部复杂结构煤储层钻完井及压裂工艺研究
■王海，杨兆中，李岳，高海滨，张 坤，胡皓，孔 鹏
摘要：为了探求适于深部复杂结构的煤储层中煤层气高效开发工艺，以沁水盆地柿庄北区块为例，基于水源钻机定向井组开发过程中，实施的PDC钻头+螺杆钻技术、低固相聚合物钻井液、煤层段“低排量、低转速、低泵压”钻进、小井组同步水力波及压裂等工艺实践，探讨了构造复杂的深部煤层钻进过程中，引起井内煤壁段坍塌的主要因素，优化了钻完井、水力压裂工艺参数。研究表明钻井液入侵与压力波动是影响煤壁垮塌的主要原因，分段钻井液性能和煤层段最佳钻进参数：钻压20～30 kN，转速25～30 r/min，排量16～18 L/s；采用小井组同步水力波及压裂工艺可以形成有效的裂缝延伸，有效裂缝长度为250～350 m。研究认为，施工至复杂煤体结构的煤层段时在调整好钻井液性能的基础上，采用“低转速、低泵压、低排量”平稳钻进，且可根据井距采用单井压裂+同步水力波及压裂的组合施工，以获得最佳的压裂效果。
延川南煤层气田深部煤层气成藏规律与开发技术
■陈贞龙，郭 涛，李 鑫，肖 翠，金晓波
摘要：位于鄂尔多斯盆地东南缘的延川南煤层气田从勘探发现到效益开发经历了近10年，其产能建设和开发上产的整个历程，在我国深部煤层气领域的勘探开发探索中具有很强的代表性和示范作用，气田突破了800 m以浅的经济开发极限深度，实现了规模效益开发。基于对延川南煤层气田的地质特征、成藏规律以及开发生产动态的综合分析，研究了其富集高产要素以及勘探开发技术。大量实践证实了研究区煤层气藏具有三大地质特征：①埋深大、煤阶高、含气量高，资源条件较为有利；②孔隙度低、渗透率低、微孔发育有利于吸附，但孔隙连通性较差不利于产出；③储层压力系数低，开发难度较大。在深入分析深部煤层气地质成果的基础上，总结提出了“沉积控煤、构造控藏、水动力控气、地应力控缝、物性控产”的延川南深部煤层气田成藏富集高产的五要素协同控制理论，形成了适用于深部煤层气勘探开发的四大关键技术体系：①构建了以“串枝化”、“井工厂”为特色的集约化大平台钻完井技术；②形成了适用于深煤层开发的有效增产改造技术；③制定了基于解吸理论的智能化精细排采控制技术；④集成了适宜于复杂地貌的地面集输以及气田数字化技术，为同类型的深部煤层气的产能建设和经济有效开发提供了技术支撑。
基于修正库萨金公式的煤层气井井间干扰定量评价
■王文升，张海锋，张亚飞，段宝江，刘灵童，倪小明，冯毅
摘要：我国煤层气直井的排采是经过储层改造后进行的，且不同的排采阶段，水相渗透率的值不同。为了更加准确地定量评价煤储层改造后煤层气直井排采的井间干扰程度，基于沃伦-茹特渗流模型，结合压裂时的压降曲线，构建了压裂后渗透率预测模型；根据排采过程中气/水所占比例的差异，分别构建了气/水两相流低产阶段和稳产阶段水相相对渗透率模型；把不同排采阶段的水相渗透率模型嵌入经典的无越流补给的库萨金水压影响模型中，得出了不同排采阶段水压传播距离的数学模型。以柿庄南区块典型井组的干扰试井及勘探资料为基础，验证了理论模型的准确性。根据数学模型建立了渗透率-压力梯度-影响距离图版。结果表明：储层压力梯度不变的情况下，随着渗透率的增加，影响距离呈指数型增加；渗透率不变的情况下，随着储层压力的增加，影响距离呈线性增加。当储层压力梯度为0.5 MPa/hm，压裂后渗透率一般为(0.5～8.0)×10-3μm2时，长轴影响距离一般为95～120 m，短轴影响距离一般为56～75 m，该储层条件下井网应小于240 m×150 m。该方法可以为无越流补给且煤体结构为原生或碎裂煤储层条件下井网优化提供理论依据。当煤体结构为碎粒煤或糜棱煤为主或有越流补给时，该方法的计算结果仅能作为一种参考。
煤层气合层排采井产能影响因素分析
■王少雷，王有坤，张祝平，李哲远，冯云飞
潘河区块煤层气L型水平井排采工艺及配套技术研究
■秦绍锋,王若仪
摘要：L 型水平井在开发低渗煤层气田上具有很大的技术优势，但由于沁南盆地潘河示范区煤层气田储层浅（500～650 m），致使L型水平井具有井斜角大、全角变化率大、斜井段长且水平位移大的特点，加上水平段具有出煤粉严重、井筒气液比高、微含硫化氢的特点，给后期投产排采带来很大难度。为充分发挥L型水平井钻完增产一体化的技术优势，提出了以携带煤粉能力强的特定螺杆泵技术为主体，配套减阻、扶正、防偏磨、井下气液分离、地面注水、智能自控的技术对策。通过现场22口井试验，有效降低偏磨、卡泵和气体影响，消除了硫化氢安全影响，正常运行时率达92.4%，解决了在埋深浅的大井斜大位移井内的有效排采问题，因此建议煤层气L型水平井排采工艺设计中，强携带煤粉能力作为选泵的必要条件，同时应不断完善配套技术，实现工艺运行得更加平稳。研究结果为L型水平井技术在沁南煤层气田的大规模应用奠定了基础，同时也为其他煤层气区块的开发提供了借鉴经验。
基于气举的煤层气/致密砂岩气同井合采可行性研究
■丁万贵，朱森，林亮，綦耀光，朱洪迎，张晧
摘要：在我国鄂尔多斯盆地等地存在多个煤系气富集区，具有煤层气与致密砂岩层垂向上叠置分布的特点，但多数煤系气井单采致密砂岩气或煤层气存在资源利用率低，经济效益差，而两气合层开采可提升开发效益。针对上部高压致密砂岩气层下部低压煤层气的储层叠置关系，提出了一种气举同井合采的工艺管柱结构，基于闭式气举管柱的改进，利用上部高压致密砂岩气的能量，将下部煤层气储层的井液举升至地面，实现煤层气储层降压、解吸、产气，达到两气合采的目的。根据气举动态方程，分析煤储层不同产液量、储层深度条件下致密砂岩气的气量、压力等的关系，得出了井口油压、套管压力、气举深度、环空气量、油管直径等气举同井合采关键参数的选择依据。结合典型井例，给出了设计验证和应用的适应性条件，气举同井合采管柱适用于上部煤层气与下部致密砂岩气合层开采，为气举同井合采提供一种有效、经济的排采管柱。
基于原子力显微镜的煤岩微尺度力学性质研究
■杨江浩，李勇，吴翔，吴鹏，韩文龙，赵石虎
摘要：为了研究微观尺度下煤岩力学特性以及影响因素，以保德地区烟煤样品（Ro=0.80%）为研究对象，使用原子力显微镜的力学性能量化模块，通过测量煤岩表面不同位置的杨氏模量与黏附力，利用NanoScope Analysis软件对所测得的数据进行处理分析，得到煤岩表面形貌图、杨氏模量图、黏附力图和形变量图，并进一步分析表面力学性质的影响因素。研究结果表明：整个扫描区域的杨氏模量平均值为7.62 GPa，测量结果大于传统岩石力学测试方法的试验结果，其中有机质的弹性模量约为2 GPa，黏土矿物的弹性模量平均值在15 GPa左右；黏附力范围在10～40 nN，影响杨氏模量和黏附力的主要因素为粗糙度，同时孔隙的分布也影响着黏附力的大小，其所在的位置有较大的黏附力。
煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制
■李彦明，郭小阳，李称心，刘 璐
摘要：为解决在煤矿采空区施工煤层气井时出现的钻井液恶性漏失、掉块卡钻、下套管遇阻等问题，以采空区覆岩特征为研究基础，通过对比激活剂、悬浮剂及降失水剂的不同添加量对堵漏液性能的影响，确定了各添加剂的最优添加量，形成了一种具有固化功能的无机胶凝材料钻井堵漏液，其配方为：100%水+5%激活剂+0.5%悬浮剂+ 3%降失水剂+54%矿渣。该堵漏液在30 ℃条件下流动度为21 cm，稠化时间在61 min以内，1 d抗压强度大于6 MPa，其性能指标满足煤矿区煤层气浅井堵漏要求。为进一步分析该堵漏液的作用机理，采用扫描电镜、X-射线及热重分析等现代测试分析方法对形成的固化体进行测试，结果表明：堵漏液中的胶凝材料与水接触后发生水化反应生成C—S—H凝胶，随着时间的增加，C—S—H凝胶越来越多，最终水化产物的结构越来越致密形成了较高的抗压强度。宏观表征即：具有良好流动性的堵漏液通过泵送进入地层裂缝，浆液填充裂缝直至裂缝被充满，随着水化反应的进行堵漏液逐步失去流动性，最终原裂隙发育地层形成一个胶结具有承压能力的整体，实现了堵漏。
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