刚刚，《中国煤炭报》整版报道河南理工大学重大科研进展！
10月23日，《中国煤炭报》刊发题为《科技引领 突破禁区 开启新疆煤层气开发新进程》的文章，整版报道我校重大科研进展！
科技引领 突破禁区
开启新疆煤层气开发新进程
新疆阜康矿区大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研究与应用成果，三次刷新新疆煤层气开发史上的单井最高产量纪录，两次刷新全国煤层气开发史上的直井最高日产纪录，打破了人们对新疆煤层气井产气量难以实现商业化的固有认知，其引领和示范作用，为新疆煤层气大开发点燃了希望。
新疆煤层气资源储量巨大。据统计，2000米以浅的煤层气资源总量约为9.51万亿立方米，占全国煤层气资源总量的26%。
从2000年到2012年，这里已经有了58口勘查气井，但没有一口气井产气量可实现商业化。是什么延缓了新疆煤层气开发的脚步？一个重要原因是新疆地区地质条件复杂。这种复杂性可分为三个方面：地质构造复杂，断层多；渗透率低，空间变异性大；煤层变形严重，构造煤发育，而构造煤区域是煤层气开采的禁区。
十余年来，大家似乎逐渐失去了对新疆地区煤层气开发的信心，直到一个项目悄然启动……
摸清地质
揭开阜康煤层气储层真面目
2012年3月7日，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曹运兴接到了新疆科林思德新能源有限责任公司董事长郜琳打来的电话。
郜琳说，他们公司在新疆阜康矿区新建了一座瓦斯发电厂，由于井下瓦斯产量低、不稳定，不能够满足电厂的需求，公司准备从地面开发煤层气来弥补电厂气量的不足，希望能够邀请曹运兴研究阜康矿区煤层气地面开发技术等相关问题。
其实在此之前，科林思德公司已经详细调查了阜康矿区煤层气开发的历史与现状。当时阜康矿区已经建成了近10口参数井和生产试验井，都没有实现良好的产气量目标。此外，该地区地质构造情况异常复杂，国际上没有成功的开发先例可循。
阜康矿区邻近乌鲁木齐，是新疆重要的煤炭基地。矿区面积307.92平方千米，赋存煤炭资源84亿吨，预测煤层气资源量450亿立方米。阜康矿区当时有28座煤矿，其中高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井共有13个。
“我咨询了业内多位学者，大家认为阜康矿区地质条件太复杂，目前不具备在这里进行开发试验的基础条件。”曹运兴说，“但根据地质学规律，构造再复杂的地区也会有相对稳定区段，那里是煤层气开发的有利区段。”
曹运兴闭门两天，集中研读科林思德公司提供的阜康矿区相关地质资料，并勾画了一幅阜康矿区煤层气开发先导地质选区草图和技术路线。
该矿区自东西向长度为57千米，南北向长度为3千米至15千米，呈由南向北弯曲的弧形长条带。根据断层构造分布情况，矿区北划分为东、西、中3个块段。受南部博格达复背斜和妖魔山逆冲断层的影响，中段整体向北推移了22千米，构造变形十分强烈。
曹运兴告诉记者，进一步分析阜康矿区构造形态和动力学机制发现，阜康矿区中部块段应力最为集中，煤层破坏可能比较严重，很可能出现区域性分布的构造煤；而东、西两块段构造相对简单，尤其是西部块段，受妖魔山断层西部走滑机制的影响，变形相对较弱，煤层气赋存条件可能较好。
“依据这一分析，我们为阜康矿区选择的基本路线和框架是：重点攻克东、西部两端，进一步考察和研究中部。”曹运兴说。
2012年4月10日，河南理工大学和科林思德公司签了科研合作合同。2天后，曹运兴等一行7人深入阜康矿区开展系统的野外地质调查和煤矿井下瓦斯地质调查。
“当时我们的目标是，对阜康矿区所有能下的矿井进行一次拉网式的矿井瓦斯地质精细调查，全面分析瓦斯地质参数，划分瓦斯地质单元。”据曹运兴介绍，当时阜康矿区自西向东共有在建和生产矿井24个，除去5个无法进入的，课题组调查了19个。
“这种实地调查法是河南理工大学瓦斯地质学的传统方法，是认识煤矿瓦斯地质规律和深刻解析开发储层地质属性最基础、最重要的方法。”曹运兴说。通过两个多月的井下调查和室内分析，研究团队基本证实了前期关于阜康矿区储层地质规律的基本预测，并形成了一份阜康矿区煤层气开发地质评价报告。
在项目验收评议会上，有专家给出评价：这是迄今为止对阜康矿区煤层气储层地质最完整、最深刻的认识。
科学指导
首井打破全国日产纪录
2012年8月，经过谨慎决策，第一口先导试验井位置被确定下来，位于阜康矿区西部块段气煤一井井田内。
田林是曹运兴的在读博士研究生，也是此项目团队中的一员。“第一口井的位置是我根据曹老师给出的苛刻原则，在图上一点一点量出来的。”田林说，“当时我们发现西部块段煤体结构好，含气量也高于东部块段。结合西部矿井井下瓦斯抽采效果等要素进行综合分析，我们认为西部区域是非常有潜力的。而且，科林思德公司的发电厂也在附近，优先开发西部，可减少输气管道建设费用，加快建设速度。”
综合考虑到风氧化带的影响，第一口井目标煤层埋深750米左右，被命名为“CSD01井”。
该井于2012年10月底完井，12月完成压裂改造，12月14日开始排采。到2013年3月底，该井日产量达到并维持在2300立方米左右。这在新疆地区前所未有。为庆祝第一口井成功产气，科林思德公司在井口举办了点火仪式。
“但是这个日产量并没有达到我们最初期待的3000立方米。”曹运兴对阜康矿区煤层气产量和开发远景期待已久，对当时的日产量感到意外。
受CSD01井成功点火的影响，新疆维吾尔自治区科技厅补充设立“十二五”煤层气开发科技重大专项，进一步支持科林思德公司在阜康矿区煤层气开发的理论研究和工程试验。河南理工大学曹运兴团队承担了这一项目的理论研究和高产开发技术攻关。
“阜康矿区煤层气开发面临的迫切任务是客观评价CSD01井的产气潜力，引领阜康矿区开发理论研究和技术攻关方向。我们需要理论指导。”
为了提高产能理论分析水平和产能预测的可靠性，曹运兴自己花费20万元从美国购买了一套英文原版的煤层气产能模拟评价专业软件COMET3。根据他们在井下对煤层的认识，并结合CSD01井气含量、试井参数、压裂和前期排采的动态参数等实验结果，他们对该井的产气潜力进行了系统的数学计算和模拟，最后预测出该井的峰值日产量为13000立方米，比当前最高产量高出6倍。COMET3是世界上煤储层评价和煤层气产能预测的一流专业软件，这一产量预测结果使课题组受到了巨大鼓舞。
“中国煤层气开发了这么多年，很少有直井的日产量能破万，我们都不敢相信，害怕计算模拟有误。但多次计算模拟的结果都是如此。”负责模拟计算的团队成员石玢说。
2014年1月4日，科林思德公司在北京组织了一场阜康矿区煤层气开发技术讨论会，重点讨论CSD01井的排采技术、产能预测和阜康矿区开发远景。石玢作为曹运兴团队的发言人，在会上汇报了CSD01井的产能模拟过程和结果。
在去往北京的火车上，曹运兴告诉石玢，汇报时把CSD01井模拟日产量降低到9000立方米。在下车时，他又对石玢说：“你还是汇报7000立方米吧，让大家逐渐接受更好，在过去13年的开发历史上，新疆煤层气日产从没超过3000立方米。”
即便如此，当石玢说出日产量7000立方米这个数字时，会场还是一片哗然。
他回忆说：“我的普通话说得不是很好，带浓重的河南口音，当我说出7000立方米这个数字时，专家们议论纷纷，一度造成了汇报中断，场面十分尴尬。还好曹老师替我解围，鼓励我继续汇报。”
汇报结束后，曹运兴替学生做解释：“大家不要惊讶，我们少说了一半，实际上模拟出来的日产量是13000立方米。”
根据新疆和阜康矿区煤层气开发历史和CSD01井的现状，没有谁能相信这一高产预测结果。但是之后发生的事证明了曹运兴团队的产能预测结果是可靠的。
会后，科林思德公司技术人员与研究团队进行了认真的交流和讨论，重新制定了排采方案，调整了在我国沁水盆地形成的针对低压低渗储层的控压慢排的煤层气排采方式。
随后，CSD01井日产气量逐步升高。当年4月底，实验室人员发现该井套压呈矩形波强烈波动，于是打电话给曹运兴。曹运兴听后兴奋地说：“很可能是煤层气大面积解吸了，要高产了。保持现状不变，继续排采生产，时刻关注套压变化情况！”
2014年5月31日，这一天该气井的日产量达到17125立方米，刷新了阜康矿区乃至新疆煤层气开发史上的直井最高日产纪录。
再创佳绩
助推新疆煤层气开发
“煤层气开发是集地质与工程技术一体化的系统工程，首先要有可靠的诊断储层特征的参数，其次要开发出针对储层特征的有效改造技术。”曹运兴说。
在新疆“十二五”煤层气开发专项和科林思德公司的全力支持下，这一产学研联合课题组完成了阜康矿区煤层气开发相关的理论研究和关键技术开发，主要成果表现在“新疆阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研究与应用”中。主要研究进展包括：形成了阜康矿区复杂地质条件下“构造选区、煤/气选层”的选区方法，发现并优选出了煤层气高产区段；揭示了大倾角厚煤层水力压裂裂缝转向机制；开发了大倾角厚煤层垂向分层多段压裂和大倾角厚煤层走向水平井两种高产开发技术。
在最新科技成果的指导下，科林思德公司完成的第二口高产井日产达到了27896立方米，第二次刷新了中国煤层气直井最高日产纪录。
同时，相继完成的煤层气水平井日产量达到35000立方米，且长期保持稳定，刷新了新疆煤层气开发史上的单井最高产量纪录，是新疆煤层气开发史上的里程碑。
从研究方法上，曹运兴强调两点，第一是煤层气开发“地质—工程”一体化综合研究的重要性和必要性，第二是瓦斯地质基础研究方法在复杂矿区煤层气储层评价和开发技术研究中不可替代的作用。
对于煤层气开发的技术进步，曹运兴有着自己的看法：“在煤层气开采方面，美国、加拿大、澳大利亚都有着较为成熟的技术体系，我们要虚心学习。但同时，我们要深刻理解各类技术的核心要点和适应的储层条件。我国煤层地质条件非常复杂，我们应该结合不同盆地的煤储层特征进行自主创新、集成创新、协同创新，这是我国煤层气产业发展的必经之路。”
当问到河南理工大学瓦斯地质学的发展方向时，曹运兴告诉记者：“瓦斯地质学在研究瓦斯突出和赋存规律的同时，应积极转向瓦斯抽采或煤层气开发的主战场，直接服务于煤矿和煤层气开发企业，解决生产难题。我们的技术目标是提高瓦斯抽采产量，抽采出瓦斯才是硬道理。”
“新疆阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研究与应用”项目成果引起了国家能源局和业内专家的关注。
2014年6月和8月，曹运兴团队分别到国家能源局和国家油气重大专项办公室汇报了新疆阜康矿区煤层气开发的进展情况。国家油气重大专项办公室相关负责人听了汇报后说：“新疆煤层气资源丰富，我们在‘十一五’‘十二五’期间一直不敢往那里投入科研和先导性试验经费，就怕不产气。你们这次是让新疆煤层气看到了希望！”
“新疆阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研究与应用”项目成果为新疆地面煤层气开发治理煤矿瓦斯提供了关键技术借鉴，对新疆煤层气开发具有方向引领作用和工程示范作用，该项目也因此荣获2017年度中国煤炭工业协会科技进步一等奖。
“十三五”期间，国家科技重大专项单列新疆煤层气开发项目，研发经费4.2亿元，其中国家拨款1.1亿元，新疆维吾尔自治区和科林思德公司自筹3.1亿元。这对推动国家煤层气开发和煤炭开发战略西移具有重大现实意义。新疆维吾尔自治区拥有巨大的煤层气资源量，其成功开发，将为区域经济和社会发展带来巨大效益，也将为改变我国能源结构和大气环境质量作出重大贡献。
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作者：《中国煤炭报》 李 冬
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