“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”专题

来源：《煤炭学报》2020年第7期

本专题来源于《煤炭学报》，共30项研究成果。专题论文紧紧围绕“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”论坛的5个主题进行报道，即：① 地质与水文地质条件勘察评价;② 隐蔽致灾地质因素精准探查;③ 矿井水害与煤岩动力灾害防治;④ 智能开采的三维地质透明化;⑤ 现代化煤矿的地质保障实践。

行业视野: 地质
类别; 151个
关键词; 162位
专家; 31篇
论文; 43882IP
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深部煤层气水平井测-定-录一体化地质导向技术

作者(Author)：申鹏磊, 白建平, 李贵山, 吕帅锋, 贾晋生

摘要：我国深部煤层气资源丰富，目前已逐步进入勘探开发阶段，但经济高效的煤层气井数量偏少。钻井工程导向技术是制约煤层气水平井产能的首要因素:一方面，要求着陆井段轨迹平滑，使着陆层位和角度与地层参数相互匹配，以免造成后期排采设备故障率高、排采不连续的现象;另一方面，水平段煤层钻遇率尽可能高，以保障供气充足。基于此，在总结前期深部煤层气水平井地质导向经验基础上，提出集测井、定向、录井技术于一体的地质导向技术，最大限度优化井眼轨迹，提高靶点着陆准确度和水平段煤层钻遇率。该技术主要流程为:根据前期有限的钻探、地震等资料建立目的层地质模型，钻井工程实施过程中通过垂直井段获取钻遇地层的测井参数响应值，水平段钻进时实时对比定向和录井参数，及时校正随钻伽玛，利用GeoWorks软件进行层位对比和划分，并建立动态地质模型，进而调整和预测后续井眼轨迹。通过沁水盆地横岭区块HL-U-04井实例应用，该技术取得了良好的应用效果，施工周期缩短了30%，煤层钻遇率提高了24.47%。该井完钻后连续油管压裂套管压力在5.7 m3/min的排量下稳定维持在35 MPa，达到了储层改造效果，投产后该井排采初期日产气量稳定在1000 m3左右。因此，测-定-录一体化地质导向技术提高了水平井钻井技术的精确性和高效性。

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煤矿井下护孔筛管煤粉颗粒通过性分析及抽采效果试验

作者(Author)：张金宝, 王毅, 姚宁平, 金新, 张杰, 王力, 陈斌, 马腾跃

摘要：煤矿井下煤层钻孔后筛管完孔已成为碎软煤层瓦斯抽采的有效护孔措施。为了研究常规圆孔筛管和割缝筛管的缝眼参数变化对瓦斯抽采效果的影响规律，基于离散单元法，利用PFC3D离散元分析软件建立了煤粉颗粒通过筛管的颗粒流模型，对煤粉颗粒在围压下穿过筛管筛眼或割缝的体积量进行了模拟，研究了筛眼直径、割缝宽度和割缝长度等参数变化对煤粉颗粒通过筛管性能的影响规律;结合模拟分析结果，设计了3种割缝筛管和1种圆孔筛管，并在淮北童亭煤矿864工作面进行了瓦斯抽采效果试验。模拟分析结果表明:同样过流面积下，筛管煤粉通过体积量随筛眼直径或割缝宽度和长度的增加而线性增大，同一筛眼直径和割缝宽度下煤粉通过体积量基本相当，且筛眼直径和割缝宽度对于煤粉通过体积量的影响要远大于割缝长度。现场抽采试验表明:3组割缝筛管瓦斯抽采纯量分别比圆孔筛管提高60.0%,43.3%,33.4%，且抽采51 d后的瓦斯混合流量和纯量也分别是圆孔筛管的约4倍,2.5倍和1.5倍以及约2.5倍,2倍和1.5倍，结合φ10 mm圆孔筛管煤粉体积通过量分别是缝宽2,3,4 mm割缝筛管的22,6,3.3倍，可以发现减小筛管的煤粉体积通过量可有效提高筛管在整个抽采过程中的抽采混合量和瓦斯纯量。

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煤矿井下随钻测量数据声波传输系统

作者(Author)：高珺, 李泉新, 陈龙, 张冀冠, 李姗

摘要：煤矿井下坑道钻探是防治瓦斯和水突出最直接、最有效的技术手段，常规回转钻进工艺因为工艺简单、成孔速度快和设备要求低等优点成为煤矿坑道钻探的主流施工方式，但其钻进过程中不能进行钻孔轨迹随钻测量，给煤矿安全开采留下了安全隐患。针对常规回转钻进过程中无法随钻测量钻孔轨迹的关键问题，进行随钻测量数据声波传输的研究，弥补现有随钻测量数据传输方式应用于常规回转钻进的不适应性。首先，通过建立钻杆柱中声波传输数学模型、借助仿真分析软件和搭建声波传输特性试验平台，得到声波在不同钻杆柱结构中传播时幅值衰减和波形变化规律，为数据传输速率的确定提供理论依据;其次，通过建立稀土超磁致伸缩换能器输出特性数学模型和优化激励线圈和预压力系统参数，研制钻孔内声波信号发送装置，为声波传输系统提供大功率高精度信号源;然后，针对接收信号的波形识别问题，通过对识别的信号提取多维特征向量，构建支持向量机分类器，提出SVM多维特征向量提取的波形识别方法，解决煤矿复杂工况条件下声波信号的智能识别问题;最后，通过搭建的随钻测量数据传输平台验证系统在传输距离289.5 m和传输速率10 bit/s条件下的运行效果，证明各模块理论模型、设计方法和整体系统的科学性和有效性。

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煤系气开采模式探索及先导工程示范

作者(Author)：秦勇

摘要：煤系气赋存态多种多样，储层属性复杂多变，经济高效开采模式尚处于探索起步阶段。分析了国内科技攻关和现场试验近期进展，初步总结关于煤系气开采模式现有认识，对比分析了不同模式的适用性和局限性，并以临兴区块示范工程为例分析归纳了产量曲线类型及其合采有效性特点，介绍了煤系气合采成功范例。以管柱结构设计和排采管控方式为主，考虑井型选择和压裂方式，将煤系气开采工艺初步归纳为分排、先分后合、合排3类模式。每类模式包括若干具体方式;这些模式和方式各有优短点，分排及合排模式中的主要方式在应用中见到初步效果，先分后合模式目前尚处于设计乃至设想阶段。建议煤系气开采模式及其技术创新本着“因地制宜、取长补短、多管齐下、有所侧重”的策略，根据气藏具体地质条件选用和发展适应性开采工艺。目前仅有的两个国家级示范专项工程推进了我国煤系气开采模式的创新，临汾示范区采用分区分采方式实现了煤系气开发规模快速扩展，临兴示范区探索“排气降压”诱控接续合排工艺实现了煤系多气经济高效合采。重点分析了临兴示范区煤系气开采工程示范效果，揭示了自然接续工艺下的煤系气生产规律，发现存在4种单井产量曲线类型，包括以解吸气多层合采为特征的I型曲线，以游离气－解吸气诱导控制接续合采的Ⅱ类、Ⅲ类曲线，以及单纯游离气产出的IV型曲线。工程示范结果展示，采用“排气降压”的诱控接续方式，可以在较为广泛的气藏条件下实现煤层气－煤系致密砂岩气、煤系致密砂岩气－页岩气的有效合采，是值得进一步探索和具有推广应用潜力的煤系气经济高效合采新模式。值得关注的是，具有工业价值的煤系多类型共生气藏均赋存在深部，而深部地层富水性往往微弱，使得“排水降压”传统模式难以奏效;而“排气降压”诱控接续恰恰针对于弱富水储层降压面临的这一局限，可能成为煤系气经济高效综合开发的一项重要技术。

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地面井煤层气含量精准测试密闭取心技术及设备

作者(Author)：孙四清, 张群, 郑凯歌, 龙威成

摘要：煤层气含量是表征煤储层特征的重要参数，是煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯防治的重要依据。针对地面井常规取心方法获取的煤层气含量比煤储层实际气量明显偏低(碎软煤层尤其突出)的现实问题，提出了适合于碎软煤储层特征的煤层气含量精准测试密闭取心方法。根据煤储层特征(与油气储层相比，埋藏较浅、压力较小、温度较低、煤体强度低)和煤层气含量精准测试要求，设计并试制了适用于地面井煤层气含量测定的“三筒单动、球阀关闭、取心筒与解吸罐一体化”的密闭取心器和“前端小径钻心、后端大径钻井”的碎软煤层双径PDC密闭取心钻头。密闭取心器外筒直径120 mm，采取煤(岩)芯直径可达38 mm，密闭保压能力达10 MPa以上，适用于煤层埋深1 000 m的地面井密闭取心;双径PDC密闭取心钻头减少了取心钻进过程中钻井液对煤芯的冲洗旋流作用，提高碎软煤层的煤芯采取率。利用密闭取心设备在我国的淮南潘三煤矿和淮北芦岭煤矿碎软煤层中开展了2口地面井煤层气含量测定密闭取心工程应用对比试验，共采得密闭取心煤样5组，常规取心煤样3组;8组煤层气含量测试结果表明，由密闭取心法获得的煤层气含量比常规取心法获得的煤层气含量高20.23%~40.34%，均值27.22%;研究结果表明采用密闭取心技术能够提高煤层气含量测试精度。地面井密闭取心设备研制成功及推广应用将为碎软煤层煤层气资源勘探开发、煤矿瓦斯灾害预测及治理提供更为准确的煤层气含量参数。

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应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展

作者(Author)：桑树勋, 周效志, 刘世奇, 王海文, 曹丽文, 刘会虎, 李自成, 朱术云, 刘长江, 黄华州, 徐宏杰, 王冉, 贾金龙, ASHUTOSHTripathy, 韩思杰

摘要：构造煤煤层气高效开发是我国煤层气资源禀赋的选择，构造煤储层与煤层气赋存特征决定了疏水降压煤层气开发理论技术不再适合构造煤储层，应力释放(原位)煤层气开发理论技术是新的技术方向，有望将构造煤煤储层从煤层气开发禁区变为新领域，同时也有望成为煤矿煤与瓦斯突出治理、煤矿区甲烷温室气体减排的治本之策。依托国家重大科研仪器研制项目，以应力释放构造煤煤层气开发关键实验平台和工程装备原理机为基本定位，以开发理论创新、技术原理探索为先导，以装置、装备及其工艺技术为研究核心，应力释放构造煤煤层气开发理论技术研究取得重要和实质性进展。探索构建了应力释放煤层气开发理论技术基础，阐明了水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发的工程原理。水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发模拟试验系统已完成设计进入加工阶段，系列配套基础实验取得了重要数据;探索建立了构造煤储层应力释放与煤层气解吸扩散关系模型;揭示了应力释放构造煤煤层气开发煤储层渗透率变化规律。研发形成了构造煤储层大口径水平井双向往复式钻进+多级扩孔+复杂循环钻井液成井、水平井泵注+喷射诱导控制造洞穴应力释放与储层激励、气/水/高浓度煤粉混合物直井射流泵+配套井底装置组合高效举升、产出物地面高效重力分离+回收+水循环、煤层气应力释放开发装置(装备)数据采集和控制系统等应力释放构造煤煤层气开发关键技术。

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围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

作者(Author)：孟召平

摘要：煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础，声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法，已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究，揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明，基于煤样全应力-应变-渗透性--声发射特征，将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段，荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密，煤样渗透率下降，进入弹性变形阶段，煤样渗透率较低，声发射活动不明显。在塑性变形阶段，随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展，煤样渗透率增大，声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段，煤的轴向应力随应变的增加而降低，煤样渗透率开始下降，声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大，煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。

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过采空区煤层气井地面抽采关键技术

作者(Author)：张江华, 李国富, 孟召平, 张永成, 刘亮亮, 李德慧, 徐云

摘要：为保证煤矿区煤层气资源超前预抽和连续性开发利用，抽采煤矿采空区下伏煤层的煤层气，已成为煤矿区煤与煤层气共采的重要课题之一。以山西晋城寺河矿井为例，分析了3号煤层采空区下伏岩层应力-应变分布规律、采空区下伏岩层裂隙演化规律和下伏煤层渗透率变化情况，根据采空区卸压效果和下伏煤层的煤层气解吸程度，揭示了过采空区煤层气井抽采机理。通过在采空区以上50 m位置对二开技术套管外安装裸眼封隔器和反扣装置，二开固井后，将反扣装置及以上套管进行回收，使三开固井实现全井段有效固井。从3号煤层采空区以上90 m至采空区底板20 m以下的二开钻进过程采用氮气钻进，研发了煤层气地面钻井过采空区成套系统，包括空压机组、制氮机和增压机组，对其机组参数进行了优化。基于以往寺河矿区煤层气井裂缝监测结果，优化压裂施工参数，适当缩小9号和15号煤层规模压裂。按照过采空区井抽采机理和产气特征划分了3种产气类型，分析了其产气规律。研究结果表明，9号煤层和15号煤层都位于采空区下伏底臌变形带内，3号煤层回采后，9号煤层和15号煤层渗透率分别提高了2.70倍和2.65倍，9号煤层渗透率提高到10×10-15 m2左右，卸压效果较好。通过安装裸眼封隔器和反扣装置优化井身结构，过采空区井实现了全井固井，保证了固井质量;二开采用氮气介质穿越采空区，可以保障过采空区钻井的安全高效施工。压裂裂缝监测结果显示，该井15号煤层裂缝总长为290 m，走向为NE150°;9号煤层裂缝总长370 m，走向为NE80°，压裂效果较好。60%的过采空区井一般在1个月内产气，29%的井2~5个月产气，11%的井7个月以上产气。3种过采空区井产气类型分别为:单峰型Ⅰ，即气产量缓慢增加-下降型(以吸附气为主);单峰型Ⅱ，即气产量快速增加-下降型(以游离气为主)和双峰型(游离气+吸附气)，不同类型煤层气井产气规律存在明显的差异性;3种类型的过采空区井，一般保持井口套压在0.5 MPa以上，在进入稳定产气阶段后，大部分井套压控制稳定在0.2~0.4 MPa，以保证过采空区井的持续高产。

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