《煤炭科学技术》“煤层气勘探开发”研究领域 | 热文精选

“十四五”以来，我国煤层气勘探开发进入了新阶段，随着地质、钻井、完井、压裂、排采和提高采收率等方面关键技术进步，我国煤层气老气田低效区、薄煤层、深煤层等多个领域实现产气量突破，助力创新起主导作用的“新质生产力”发展。为了协助读者了解煤层气勘探开发研究领域内的研究热点和前沿问题，促进学术交流与合作，编辑部根据论文在中国知网的下载、引用等指标，整理了20篇《煤炭科学技术》2022年至今刊出的“煤层气勘探开发”研究领域最受关注论文，以飨读者。以刊期排序。

行业视野: 煤层气
类别; 86个
关键词; 115位
专家; 20篇
论文; 6000IP
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阳泉―晋城矿区关闭煤矿煤层气资源特征及抽采模式

作者(Author)：王阳, 向杰, 秦勇, 陈尚斌, 朱炎铭, 黄曼莉, 石莹

摘要：受资源枯竭、淘汰落后、过剩产能等因素影响，山西省关闭煤矿数量逐年增多，关闭/废弃煤矿煤层气资源评价和开发逐渐受到重视。本文以阳泉―晋城矿区关闭煤矿为研究对象，通过资料整理、实验测试、数值模拟等手段，探究了关闭煤矿煤层气资源特征，预测了煤层气资源量，总结了抽采模式。研究表明，阳泉―晋城矿区2009年兼并重组前和兼并重组中关闭煤矿共153座，基本为低瓦斯煤矿。2016―2020年去产能关闭37座煤矿，阳泉矿区分布较为集中，以高瓦斯矿为主；晋城矿区分布相对零散，以低瓦斯矿井为主。关闭煤矿煤层气资源由采空区煤层气资源与原位煤层气资源组成。采空区煤层气以游离态为主赋存于采空区孔隙―裂隙中，厚煤层采空区垮落带与裂隙带孔隙体积之和与工作面体积的比值I介于0.53～0.73，而中厚煤层采空区I值通常大于0.90。原位煤层气主要以吸附态赋存于煤基质孔隙中，15号煤孔隙度介于3.69%～5.45%，微孔比表面积介于97.58～120.76 m2/g，微孔体积介于0.017～0.022 cm3/g，微孔最为发育。煤层埋深和局部构造控制原位煤层含气性，而甲烷浓度作为采空区含气性的重要指标，受控于煤层、储气空间结构及封闭条件。根据资源与关闭煤矿特征将关闭煤矿煤层气资源分为3类：低瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源、高瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源和高瓦斯关闭煤矿原位煤层气资源。构建了关闭煤矿采空区煤层气资源量预测数学模型，预测了采空区煤层气资源量；采用体积法预测了原位煤层气资源量。在资源预测范围内，阳泉―晋城矿区关闭煤矿采空区煤层气资源量合计46074.01×104 m3，原位煤层气资源量达146388.12×104 m3，其中，阳泉三矿的资源量最大。此外，总结了4种关闭煤矿煤层气抽采模式，分别为地面直井抽采、L型井抽采、采空区煤层气与水平邻近原位煤层气合采及过采空区下部煤层气抽采，并针对各关闭煤矿提出了利用方向。

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煤炭科学技术

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深部煤储层孔裂隙结构对煤层气赋存的影响——以鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块为例

作者(Author)：邓泽, 王红岩, 姜振学, 丁蓉, 李永洲, 王涛

摘要：（目的）深部煤储层孔隙-裂缝结构对深部煤层气资源潜力评价和勘探开发具有重要意义。本文选取鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块井本溪组5个煤岩样品为研究对象，在煤岩煤质参数测试的基础上，（方法）采用气体吸附法、高压压汞法和微米CT扫描等测试手段，对深部煤储层中的纳米级孔隙－微米级裂缝进行多尺度定量表征，综合评价不同尺度的孔裂隙结构特征。再结合渗透率和甲烷等温吸附实验，探讨了微观孔裂隙对深部煤储层中煤层气的赋存和渗流的影响。（结果）研究结果表明：基于多种孔隙表征方法对深部煤储层孔裂隙进行多尺度定量表征，其孔裂隙体积分布类型主要以“U”型为主，呈现出微孔与微裂缝并存双峰态，主要集中在0.3～1.5 nm和>100 μm的范围内。其中，微孔（<2 nm）、介孔（2～50 nm）、宏孔（50 nm～10 μm）和微裂缝（>10 μm）体积平均分别占总孔裂体积的80.18%、6.70%、1.65%和11.47%。（结论）随着微孔发育而吸附气量呈增大的趋势，微孔可以提供大量吸附点位，为深部煤层气的吸附和赋存提供场所。随着微裂缝发育而游离气量呈增大的趋势，微裂缝可以提供大量储集空间，为深部煤层气的富集提供空间条件。此外，微裂缝在三维空间中相互连通，形成网状结构，连通性强。随着微裂缝越发育，煤储层渗透率越大，微裂缝增强了煤层气的渗流能力。纳米级孔隙和微米级裂隙发育特征分别控制着深部煤层气吸附能力和开发潜力。

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煤炭科学技术

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中国煤层气储层地质与表征技术研究进展

作者(Author)：刘大锰, 贾奇锋, 蔡益栋

摘要：我国煤层气资源丰富，发展煤层气储层地质学理论与技术有助于我国煤层气勘探开发的进一步突破。基于对文献调研与分析，阐述了煤层气储层地质与表征技术的研究内容及进展，分析了前缘发展方向。研究认为，煤层气储层地质学研究正在从宏观向微观、从定性向定量、从单学科到多学科协同发展，研究内容涉及煤储层成因类型、沉积环境、构造作用、应力特征、物性特征、几何形态、井网布置方式、储层改造及保护、井网调整及优化等产业全过程；煤层气运聚动力分为2类，一类是在气体浓度差作用下的扩散-渗流机制，另一类是压差或势差作用下的水动力-浮力机制；构造挤压应力主要通过骨架岩石的变形改变含水层与隔水层，并影响到流体渗流网络的疏导能力；沉积压实主要影响孔-裂隙空间及喉道，沉积物沉降速度过快容易形成异常高压带，不利于储层流体流动；流体在三维空间中所处的温度不同，温差效应常会引起流体发生瑞利和非瑞利对流驱动，一般浅部低温、密度较大的流体会向下运动，而深部高温、密度较小的流体会向上运动；渗透率研究经历了4个阶段，包括表观现象与经验推测定性分析、多种理化效应与细化各因素作用影响机制、数学模型与数值分析等多种模拟手段定量表征以及精细完善储层微米尺度传输介质渗透率动态变化。研究指出，未来需要精细研究深部构造煤和热改造煤储层纳米级孔隙气体的赋存状态与扩散运移机理，建立健全煤系非常规天然气合采技术制度，根据纳米孔隙超量吸附的聚散过程厘定不同温压条件下煤储层微纳米孔隙中气体凝聚与游离空间变化。

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煤炭科学技术

2022年第01期

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晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

作者(Author)：孟召平, 李国富, 田永东, 王宇红, 李超, 陈浩越, 吴迪

摘要：废弃矿井煤层气资源丰富，抽采废弃矿井煤层气，已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际，系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展，分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题，提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容。研究结果表明，煤炭开采形成的冒落-断裂带，为采空区煤层气赋存提供了储集空间。废弃矿井采空区煤层气主要来源于煤柱及残留煤层、临近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气，基于体积法对废弃矿井采空区吸附气和游离气资源分别进行计算和评价。为有效解决采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性及抽采效果的影响，将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构，优先采用压缩空气潜孔锤钻井技术，用氮气取代空气作为循环介质安全揭露含气断裂带的井工艺技术；根据晋城矿区废弃矿井采空区煤层气井抽采过程中压力和日产气量的变化特征，将采空区煤层气井抽采划分为自由放喷、气量快速下降、稳压产气和定量产气4个阶段，并提出了适用于废弃矿井采空区煤层气抽采的“四段制”抽采控制方法；最后，指出了目前面临“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理和废弃矿井煤层气抽采条件评价及抽采参数优化方法”2个关键科学问题和“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理、废弃矿井煤层气资源评价模型与方法和废弃矿井采空区煤层气抽采技术”等研究内容。

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煤炭科学技术

2022年第01期

620

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临兴地区深部煤储层地应力场及其对压裂缝形态的控制

作者(Author)：高向东, 孙昊, 王延斌, 倪小明, 邓泽

摘要：地应力是煤储层压裂改造的关键控制因素。基于电成像测井和水力压裂数据，结合Abaqus软件模拟，查明了研究区深部煤储层地应力空间展布规律，探讨了地应力对压裂裂缝延展的影响。结果表明，临兴地区最大水平主应力方向近似呈EW向。地应力的垂向分布具有明显分带性，存在1 200 m 和2 000 m两个临界转换深度。1 200 m以浅，地应力以垂直主应力为主；埋深介于1 200～2 000 m 时，水平主应力占据主导；当埋深超过2 000 m时，地应力再次转换为以垂直主应力为主。研究区深部煤储层地应力主要表现为最大水平主应力＞垂直应力＞最小水平主应(σhmax>σV>σhmin)。地应力的平面分布受埋深和构造2方面控制，埋深导致地应力整体呈南高北低、西高东低的特征；褶皱和断层使得研究区北部地应力呈条带状分布，背斜核部水平地应力较大，向斜核部及断层发育区水平地应力较小。研究区地应力组合特征决定了煤储层压裂裂缝以垂直裂缝为主，局部容易形成一些复杂缝。在天然裂隙存在的情况下，水平主应力差小于3 MPa时，压裂裂缝沿天然裂隙扩展；当水平主应力差超过6 MPa时，压裂裂缝沿最大水平主应力方向扩展；当水平主应力差超过10 MPa时，压裂裂缝基本为沿最大主应力方向的单缝。压裂实例分析表明，压裂裂缝的延伸方向和扩展特征受地应力控制明显。该研究成果以期为深部煤储层的压裂改造提供理论指导。

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煤炭科学技术

2022年第08期

263

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煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制模式及发展趋势

作者(Author)：孙海涛, 舒龙勇, 姜在炳, 胡健

摘要：煤层气与煤炭协调开发的关键在于协调煤炭开采与煤层气开发的时空关系。"十一五"至"十三五”期间，依托国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目的总体实施，煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制取得巨大进展。煤矿区煤层气开发由最初为保障煤矿安全生产的“瓦斯抽排”“煤层气抽采""地面开发和井下抽采相结合"等形成"煤矿区煤层气与煤炭协调开发"的技术开发新机制。通过界定煤层气与煤炭协调开发范围、建立煤层气与煤炭协调开发评价方法、形成煤层气与煤协调开发优化决策平台，提出基于"协调开发、提质增效、技术支撑、平台决策、集成示范"的煤矿区煤层气与煤炭协调开发理念，依托煤层气与煤炭协调开发技术体系等成套技术系列，形成山西矿区煤层气“四区联动”全域协调开发模式、两淮矿区煤层群煤层气立体联合开发模式、松藻矿区复杂松软煤层超前增透协调开发模式、新疆矿区大倾角多煤组”三位一体”协调开发模式、进而带动全国煤矿区信尽气开发实践。煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制、模式与应用引领了我国煤矿区煤层气行业科技创新，显著提升煤矿区煤层气开发利用水平。随着国家能源战略的调整，“双碳”战略的实施和生态文明建设等新形势新要求，煤矿区煤层气发展面临新需求新挑战，指出需重点推进煤矿区煤层气地质精细探查、并下煤层气高效开发、废弃矿井煤层气抽采、煤系气协同共采等技术研发，构建煤矿区煤层气与煤炭清洁高效开发的新技术体系。

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煤炭科学技术

2022年第12期

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煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式与技术体系

作者(Author)：李国富, 张遂安, 季长江, 李军军, 王朝帅

摘要：为了更好地实现高瓦斯矿区煤炭与煤层气2种资源的安全高效协调开发，在"十一五""十二五”研发的煤层气“三区联动”立体抽采模式基础上，依托“十三五”国家科技重大专项持续攻关，并紧密结合山西重点煤矿区生产实际，创新研发了全矿区、全层位、全时段的煤矿区煤层气"四区（规划区、准备区、生产区、采空区）联动"并上下联合抽采模式（新晋城模式）和系列技术体系，在山西重点煤矿区得到广泛应用并取得了良好效果。煤矿规划区煤层气地面抽采技术早期主要采用垂直井、定向井、水平井等技术，现已发展至以分段压裂水平井为主导的井工厂化集约开发模式与技术。经十五年的地面超前预拍，晋能控股寺河矿东五盘区3号煤层平均降幅超过55%，该盘区的5310、5311工作面已顺利完成安全高效采煤，实现了高瓦斯煤层的低瓦斯开采。准备区煤层气井上下联合抽采技术充分利用了压裂影响区渗透率大幅提升和井下开放空间抽采生产压差增大的优势，构建了立体抽采网络，提高了煤层气抽采效率，有效缓解了矿井抽掘采接替紧张，促进了高产高效。基于生产区采动活动剧烈和井下工程全开放特点，运用定向钻机精准完成区域递进式顺层钻孔、穿层钻孔、高位定向长钻孔等，精准均衡抽采生产区煤层气，有效解决了常规钻孔轨迹不可控、易形成抽采盲区、抽采效果差等难题，实现了生产区井下抽采精准达标，确保万无一失。针对煤炭采空区煤层气资源赋存规律不清、资源量评估困难、安全钻采技术缺乏等难题，创建了采空区煤层气资源量计算方法，研发了煤矿采空区地面钻采系列技术，已在晋城、西山、阳泉等山西重点煤矿区完成了129口井的示范推广，累计抽采利用煤层气1.28亿m³，相当于减排二氧化碳192万t。“四区联动”井上下联合抽采模式和系列技术体系在山西重点煤矿区的成功，有效实现了煤层气“减少温室气体排放、保障煤矿安全生产、补充绿色气体能源”三重功效，为我国煤层气产量由2006年的25.8亿m³提升到2020年的191.7亿m³提供了有力的支撑，同时也为山西重点煤矿区煤炭采深逐年加深、矿井生产条件日趋复杂、生产矿井数量持续减少、煤炭总产量稳步增长提供了有效的保障。

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煤炭科学技术

2022年第12期

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煤层气异常成分的界定、分布及其成因研究进展

作者(Author)：傅雪海, 许行行, 王强, 陈义林, 兰凤娟, 康俊强, 张宝鑫, 卢杰林

摘要：前期对不同煤层气组分异常的成因进行了大量研究，但对不同组分异常浓度的界定尚无统一标准。为了阐明我国煤层气成分的分布特征及煤层气异常成分的浓度界限，基于实测和收集各煤阶储层煤层气成分(含气量达到煤层气储量评估规范DZ/T 0216—2020下限要求的煤层气井与煤田勘探钻孔)测试数据4 654个。统计表明我国煤层气中CH4、重烃气(C2+)、CO2、N2平均浓度分别为91.82%、0.85%、2.04%、5.19%，其中CH4浓度≥90%占77.44%。将煤层气中重烃气浓度大于5%、氮气/二氧化碳浓度大于10%、有害气体浓度超过《煤矿安全规程》规定的上限标准和稀有气体超过空气组成时划分为异常气体成分。基于此划分标准，统计表明我国煤层气中重烃气浓度>5%占5.16%、CO2浓度>10%占4.00%、N2浓度>10%占13.26%，准噶尔盆地南缘煤层气中氦气最高浓度达到0.97%。在上述研究的基础上，归纳总结了煤层气中异常成分/浓度的成因主要有煤化作用的阶段性、煤岩组分的差异性、硫酸盐还原作用、古风化壳及煤系外源气体迁入等。建议在今后的煤层气勘探中测全气体成分，开展CO2、N2异常煤层的气体解吸研究，确定煤系氦源岩，探讨烃-氦同源同储规律，分析煤系有机气与无机气的相互作用，综合研究地质构造、地下水流动、微生物及岩浆活动对气组分的改造作用，揭示不同气组分在不同地区运移、富集及保存的演化机制。研究成果对煤层气的开采工艺、煤矿安全生产和煤层气的利用均具有指导意义。

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煤炭科学技术

2023年第01期

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