守护矿工生命 重振新疆煤层开发信心

——“阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研发与应用”创新攻关纪实

2018年06月08日19:14  来源:科技日报
 

新疆煤层气资源量巨大,2000m 以浅为 9.51 万亿m3; ,占全国总量的26%,开发前景看好。

但在“阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研发与应用”项目实施前的13年间(2000—2013年),在新疆多个盆地完成的50多口煤层气井,无一井获得商业产量,严重打击了新疆煤层气商业开发的信心,滞缓了国家煤层气产业西部转移的战略进程。

更为紧迫的是,新疆煤矿瓦斯灾害多次发生,10年间在阜康矿区西部神龙矿和东部豫新煤业,两次发生瓦斯爆炸,共造成100人丧生!

一万年太久,只争朝夕。为治理新疆煤矿瓦斯灾害和成功开发煤层气,新疆自治区果断决策,设立科技重大专项,通过科技创新解决这一久攻不破的技术难题。项目以地质构造和储层特征具有典型代表的阜康矿区为先导试验区,研发大倾角厚煤层的煤层气高产开发地质理论和关键技术,以期获得产量和技术的重大突破,为新疆煤层气开发和瓦斯治理的双重需求提供技术支撑,意义重大而深远。

苟日新,日日新,又日新。2012—2017年的6年间,该项目在阜康复杂构造区块发现并优选出煤层气开发甜点高产区段;在国际上第一次揭示了大倾角厚煤层水力压裂裂缝扩展机理和规律,在阜康矿区完成的第一批煤层气水平井相继三次刷新了新疆煤层气开发史上的单井最高产量,两次刷新了全国煤层气开发历史的直井日产纪录……

项目成果为新疆通过地面煤层气开发和治理煤矿瓦斯提供了关键技术体系,在新疆煤层气开发和瓦斯治理领域具有方向引领作用和工程示范意义,一举双得,社会效益巨大。

由于贡献突出,日前,“阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研发与应用”荣获2017年度中国煤炭工业协会科技进步奖一等奖。

瓦斯灾害频发 地质构造复杂

新疆煤层气开发现实残酷信心严重受挫

新疆阜康矿区是高瓦斯矿区,历史上发生多次瓦斯灾害。

2005年7月11日,阜康矿区西部神龙煤矿发生瓦斯爆炸,造成83人丧生,是新疆煤矿开采历史上最为惨重的安全事故。

2014年7月7日,阜康矿区东部豫新煤业发生瓦斯爆炸事故,造成17人丧生。

阜康矿区乃至新疆地区的煤矿瓦斯治理形势严峻,任务艰巨。

与此同时,作为一种优质高效清洁能源,煤层气的大规模开发利用前景诱人。新疆煤层气就是一个待开采的巨大的能源宝藏。据预测,新疆2000m 以浅的煤层气资源量为9.51万亿m3; ,占全国总量的26%,开发前景看好。

而且,新疆煤层气具有煤层厚度大、层数多、煤阶低、气含量较低、渗透率高、资源丰度大等优势。

但同时,2000m以浅的煤层气资源主要赋存于盆地边缘,具有逆冲断层发育,褶皱紧闭、地层倾角大、地应力大和地质构造复杂等构造特征,又加上煤层火烧严重,气含量变化大,这成为迄今为止世界上煤层气开发地质条件最为复杂的区块,大幅度增加了煤层气选区评价理论和工程开发技术的难度。

鉴于新疆的煤层气资源优势,自2000年至2013年,在新疆多个盆地进行了资源评价和开发先导试验,但无一井获得商业产量,且快速衰竭停产。

这严重影响了新疆煤层气开发的国家信心。“十一五”和“十二五”是我国煤层气产业发展和国家大力支持煤层气科技研究的黄金十年,但唯独没有涉及新疆,严重滞缓了我国西部煤层气开发战略的发展进程。

地面煤层气的成功开发可以为社会提供洁净能源,同时是煤矿瓦斯综合治理的根本性技术措施。有效的地面抽采,完全可以实现高瓦斯煤层的低瓦斯安全开采。所以,研究地面煤层气高效抽采技术,一举多得,十分必要和迫切。

希望被寄托在了阜康矿区——该矿区位于准噶尔盆地南缘和博格达峰复背斜北麓的阜康逆冲断裂带上,赋存侏罗系煤层,其储层特征和地质构造特征在新疆具有典型代表性。所以,发现阜康矿区煤层气开发的甜点高产区,研究其大倾角厚煤层煤层气高产开发的关键工程技术,是阜康矿区煤矿瓦斯治理的重大需求,是我国西部煤层气开发的国家战略需求,对新疆煤层气产业化发展具有重要的引领和示范作用。

攻坚克难 砥砺前行

阜康矿区拉开重新开发新疆煤层气序幕

事情的转机终于到来了。

2013年,新疆自治区设立科技重大专项,以期获得煤层气的产量重大突破和技术突破,重新拉开新疆煤层气开发的序幕。

由河南理工大学、新疆科林思德新能源有限责任公司、中国石油大学(北京)三家单位组成产、学、研联合课题组,在郜琳董事长的全力支持下,曹运兴、高德利、杨雪松、王利、 倪小明、郎付山、鲜保安、何茂、田林、石玢、林吉兴等骨干人员承担的自治区科技重大专项 “阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研发与应用”项目,成为新疆煤层气勘探开发史上的重大转折。

记者了解到,该项目负责人曹运兴,是河南理工大学特聘教授、河南理工大学煤层气/瓦斯地质工程研究中心主任、河南省非常规能源地质与开发国际联合实验室主任。长期从事煤矿瓦斯地质和瓦斯(煤层气)开发的理论研究、技术开发与应用,主要研究领域包括瓦斯突出的地质构造控制机理和预测评价,瓦斯赋存规律和控制性地质条件,煤层气开发地质学理论和方法,复杂矿区煤层气开发储层条件评价和增产技术,低渗煤层气相压裂瓦斯高效抽采和防突技术研究和应用等。

不忘初心,科技兴矿,安全开采。多年来,曹运兴组织完成的潞安矿区低渗低压煤储层氮气泡沫压裂增产技术获得了该区域历史高产;完成的潞安矿区井下气相压裂瓦斯综合治理技术获得了重大进展。

就这样,这支地质工程一体化的研究团队,以在阜康逆冲断带复杂构造区发现煤层气开发甜点高产区为目标,以大倾角、厚煤层水力压裂裂缝扩展机理和发育规律研究为理论支撑,以大倾角、厚煤层煤层气高产开发水平井和定向井水力压裂等集成技术研究为主要内容,6年间攻坚克难、砥砺前行,取得了多个里程碑式的成果。

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。该项目负责人曹运兴介绍,研究团队以矿区为实验室,长期坚持井下地质和地面地质调查相结合、理论研究和技术研发相结合的研究方法,坚持地质-工程一体化试验,成功攻克了多个世界难题——项目研究以河南理工大学具有历史传统的瓦斯地质学的基本理论和方法为基础,对阜康矿区几乎所有煤矿进行了井下地质调查,结合区域地质构造演化历史和现代构造以及地应力场特征,在这一复杂逆冲断带上发现并优选出了煤层气开发甜点高产区;在国际上第一次建立了大倾角厚煤层水力压裂裂缝扩展的数学物理本构方程,并通过理论计算和数字仿真,揭示了大倾角厚煤层水力压裂裂缝发生和扩展方向随地层倾角增加而偏离最大主应力方向的力学机理和规律。

研究揭示了大倾角厚煤层走向水平井的钻井技术优势和高产潜力优势,在这一理论指导下完成的阜康矿区 (也是新疆) 第一口煤层气水平井,日产量达到了35000m3/d ,预测高峰日产量将达到60000m3/d ,刷新了新疆煤层气开发历史上单井最高产量,是新疆煤层气开发历史的里程碑工程。

研究发现了阜康复杂构造矿区定向井优质活性水压裂技术的长期高产稳产潜力特征,完成的第一口井实现了单井日产17125m3/d 的高产,第二口井单井产量27896m3/d, 相继两次刷新了新疆煤层气开发历史产量纪录,也是迄今为止全国单口直井的最高日产量纪录。

中国科技创新 为世界作出贡献

阜康煤层气开发关键技术突破具有重要意义

曹运兴带领的团队不仅讲述了中国的创新故事,也为世界复杂地质条件区块的煤层气开发提供了先例。他们的科技创新故事,是瓦斯地质理论和方法在复杂构造条件下评价和发现煤层气高产甜点区段的又一次成功实践,是煤层气开发地质与工程密切结合的产物,是产、学、研多学科群体创新的典型。在项目研究和工程实施期间,河南理工大学的崔洪庆教授、张玉贵教授和魏思民教授参与了前期地质调查和选区评价,中国矿业大学副校长秦勇教授和付雪海教授在百忙中进行了全程跟踪指导,中科院院士、中国石油大学高德利教授全程指导了复杂地质条件下复杂结构开发井的理论设计和安全实施。

在国外,加拿大阿尔巴塔省落基山东麓赋存白垩系煤储层的山前盆地(西加拿大沉积盆地),受落基山构造影响,盆地西部褶皱-断裂发育,构造复杂,煤系变形严重,与新疆阜康矿区煤储层地质条件相近。

尽管在本世纪初期有多家公司在这一复杂构造带的稳定区段进行了多轮煤层气开发试验,但没有成功开发案例和形成工业气田。

受天山构造带影响,阜康矿区逆冲断带上的侏罗系煤层倾角大、构造条件复杂,国内外没有类似地质条件下煤层气成功开发的先例。

曹运兴介绍,而该项目研究成果中涵盖的大倾角煤层压裂裂缝发育规律研究在国际上尚属首次;大倾角煤层的走向水平井具有安全钻井和高产的双重技术优势;复杂地质构造条件下煤层气高产区评价理论和方法及其高产开发成果,在国际上具有重要影响和先导示范作用,必将为新疆带来极大的社会经济和安全效益。

“阜康矿区位于准噶尔盆地南缘逆冲断带上,这一构造样式的煤层气储层在新疆具有典型代表性,例如在准噶尔和塔里木等大型盆地的边缘,在天山构造带内的小型盆地的边缘。本项目的研究方法和成果对于上述类似地质条件下的煤层气选区评价和工程开发具有重要的引领、示范和借鉴作用。”曹运兴说。阜康矿区煤层气成功的先导试验,为新疆煤矿瓦斯治理树立了成功的样板,拉开了新疆煤层气开发的序幕,更为国家十三五煤层气重大科技专项部分任务在新疆落地奠定了基础。

可以预计,该项目的示范矿区和应用矿区,在未来的煤矿开采生产过程中,瓦斯事故将会大幅度减少,科技创新与进步将真正成为矿工生命安全的“守护天使”!

雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。新疆煤层气开发曙光依稀,燎原在望。但这里煤储层地质条件复杂,距离规模化煤层气产业发展仍然任重道远,充满各种技术挑战,只有持续攻坚克难,科技创新,才能达到胜利的彼岸。(记者 马爱平)

(责编:初梓瑞、庄红韬)