黃中偉，李國(guó)富，楊睿月，李根生

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2. 煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000)

煤層氣具有能源、安全和環(huán)保三大屬性，開(kāi)發(fā)煤層氣有利于增加清潔能源供應(yīng)、減少煤礦瓦斯事故和溫室氣體排放，貢獻(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。我國(guó)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》在“增強(qiáng)能源供應(yīng)鏈穩(wěn)定性和安全性”中明確指出：積極擴(kuò)大非常規(guī)資源勘探開(kāi)發(fā)，加快頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣、煤層氣開(kāi)發(fā)力度。我國(guó)煤層氣資源豐富，埋深2 000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量約為30.05×10m，可采資源量12.50×10m；埋深大于2 000 m的煤層氣地質(zhì)資源量約為40.71×10m，可采資源量10.01×10m。根據(jù)BP能源公司分析，2035年我國(guó)天然氣對(duì)外依存度將高達(dá)55%，嚴(yán)重威脅國(guó)家天然氣戰(zhàn)略安全。因此，高效開(kāi)發(fā)煤層氣是保障國(guó)家能源戰(zhàn)略安全的可靠途徑之一，同時(shí)也是消除煤礦瓦斯突出、減少瓦斯事故的現(xiàn)實(shí)手段。綜上，規(guī)模性開(kāi)發(fā)利用煤層氣，“以氣代煤”降低高碳能源利用比例，有助于實(shí)現(xiàn)CO實(shí)質(zhì)性低成本減排，助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)歷經(jīng)近40 a的探索攻關(guān)，勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)已經(jīng)由國(guó)外借鑒轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲃?chuàng)新，形成了一批特色技術(shù)，取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。但我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)仍面臨著“勘探開(kāi)發(fā)程度低、單井產(chǎn)量低、投資回收率低、發(fā)展規(guī)模小”的客觀現(xiàn)狀，目前正處于艱難的產(chǎn)量爬坡期，亟需低本高效的煤層氣開(kāi)發(fā)新技術(shù)。

筆者首先總結(jié)了目前我國(guó)煤層氣在鉆井、完井、壓裂、排采、提高采收率、人工智能方面的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析了各類(lèi)技術(shù)的適用性。然后，梳理了煤層氣開(kāi)發(fā)當(dāng)前面臨的難題與挑戰(zhàn)。最后，提出了煤層氣高效開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)備型技術(shù)和“雙碳目標(biāo)”下的發(fā)展展望。

1 煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 煤層氣鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于煤巖天然裂隙發(fā)育、力學(xué)強(qiáng)度低、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，鉆井過(guò)程中易發(fā)生井壁坍塌和儲(chǔ)層傷害。因此，煤層氣鉆井技術(shù)需結(jié)合煤層特性，保障經(jīng)濟(jì)、高效、安全、穩(wěn)定成井。筆者主要從煤層氣井型設(shè)計(jì)、鉆井工藝、鉆井液體系3個(gè)方面介紹我國(guó)煤層氣鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

(1)煤層氣鉆井井型設(shè)計(jì)，主要包括直井、定向井、L型井、U/V型井、多分支水平井、叢式井等(表1，圖1)。直井是煤層氣開(kāi)采中應(yīng)用最早、最廣泛的井型，技術(shù)難度低、成本低，但單井產(chǎn)量普遍較低，適用于中高滲透煤層。定向井可有效降低開(kāi)采成本、減少管線(xiàn)鋪設(shè)、提高土地利用率，有利于實(shí)現(xiàn)分層、分段壓裂，極大提高煤層氣井的開(kāi)發(fā)效果?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于鄂爾多斯盆地、沁水盆地、滇東黔西地區(qū)等，可實(shí)現(xiàn)“小而薄”、“零散分布”煤層的整體開(kāi)發(fā)。但定向井鉆井井眼軌跡控制難、井壁穩(wěn)定性較差，需針對(duì)煤層特性?xún)?yōu)化井眼軌跡和鉆井工藝，優(yōu)選鉆井液體系。L型井(雙層及多層L型)是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的水平井，水平段基本與煤層平行。與直井相比，儲(chǔ)層控制面積大、單井產(chǎn)量高，但鉆井難度相對(duì)較高，需結(jié)合水平井技術(shù)和地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)精準(zhǔn)控制井眼軌跡，避免鉆井液污染儲(chǔ)層。U型井由1口排采直井和1口或多口L型井組成，直井在煤層中造穴，L型井穿過(guò)洞穴與直井連通；V型井由1口排采直井和2口呈一定夾角的L型井組成，與U型井類(lèi)似，直井在煤層中造穴，2口L型井均穿過(guò)洞穴與直井連通。與L型井相比，U/V型井單井產(chǎn)量更高，U/V型井適用于儲(chǔ)層滲透率較低的高階煤和高地應(yīng)力的深部煤，但成本較高，難度較大，需結(jié)合造穴、水平井、地質(zhì)導(dǎo)向、井眼遠(yuǎn)距離連通等技術(shù)。多分支水平井(羽狀水平井或魚(yú)骨井)由多個(gè)主支和多個(gè)分支組成，單井控制面積大，為直井水力壓裂的5～10倍、L/U/V型井的2～3倍。然而，多分支水平井存在鉆井費(fèi)用高、井壁穩(wěn)定性差、后期維護(hù)難等難題。叢式井利用一個(gè)井場(chǎng)或平臺(tái)鉆出若干個(gè)定向井溝通儲(chǔ)層，可有效節(jié)約占地面積、提高設(shè)備利用率、縮短施工周期、減少植被破壞和環(huán)境干擾，特別適合山區(qū)、丘陵等地表?xiàng)l件復(fù)雜、鉆井平臺(tái)選址困難的地區(qū)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤層氣低成本開(kāi)發(fā)和資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有重要作用，但鉆井技術(shù)要求較高。

表1 煤層氣鉆井井型及應(yīng)用效果

圖1 煤層氣各類(lèi)鉆井井型示意

(2)煤層氣鉆井工藝，主要包括欠平衡鉆井、水力噴射徑向井鉆井、T型井鉆井、仿樹(shù)形水平井鉆井等。欠平衡鉆井主要包括氣體、霧化、泡沫和充氣欠平衡鉆井等。氣體欠平衡鉆井采用干氣(一般為空氣、氮?dú)獾?為工作液，優(yōu)勢(shì)為無(wú)液相傷害，缺點(diǎn)在于井壁穩(wěn)定性差；霧化欠平衡鉆井通過(guò)注入大量氣體和少量發(fā)泡劑將水霧化作為鉆井液，優(yōu)勢(shì)在于成本低，適用于少量出水煤層；泡沫欠平衡鉆井采用水、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑、壓縮空氣(空氣、氮?dú)?、二氧化碳、天然氣?等形成穩(wěn)定泡沫，黏度高、攜巖能力強(qiáng)，但泡沫制備工藝難度相對(duì)較大；充氣欠平衡鉆井通過(guò)向鉆井液充氣的方式使鉆井液密度低于儲(chǔ)層壓力，一定程度上避免了過(guò)平衡正壓差造成的儲(chǔ)層傷害，但仍存在固相污染等問(wèn)題。欠平衡鉆井技術(shù)在沁水盆地、鄂爾多斯盆地等均有應(yīng)用，取得了較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，但易造成井壁失穩(wěn)等難題。水力噴射徑向井采用高壓水射流在煤層不同深度和范圍鉆出多個(gè)輻射狀的微小水平井眼，可實(shí)現(xiàn)極短曲率半徑轉(zhuǎn)向，具有施工周期短、作業(yè)成本低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但存在井眼軌跡難控制、分支延伸短等難題。T型井采用鉆桿與柔性鉆具組合，實(shí)現(xiàn)超短半徑(曲率半徑僅2.6 m)、多目的層分支水平井的鉆進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)窗窗口長(zhǎng)度短，對(duì)套管損傷小，開(kāi)窗點(diǎn)間隔短，借助疊加式斜向器可實(shí)現(xiàn)多層系、薄互層的高效鉆進(jìn)。在臨興-神府氣田本溪組煤層的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，T型井共完鉆6個(gè)分支，累計(jì)煤層進(jìn)尺478 m，其中4個(gè)分支水平進(jìn)尺超100 m，而鉆井費(fèi)用為常規(guī)鉆井的一半，取得了較好的應(yīng)用效果。仿樹(shù)形水平井在巖性較穩(wěn)定的煤層頂板(底板)砂泥巖層內(nèi)鉆主支，然后在頂板造穴、連通、側(cè)鉆分支溝通煤層，再?gòu)姆种?cè)鉆若干脈支，提高了多分支水平井的成井率。該技術(shù)在山西沁水盆地南部煤層氣田成功應(yīng)用。例如，鄭試1平-5 井包含1個(gè)主支，13個(gè)分支，26個(gè)脈支，總進(jìn)尺12 288 m，煤層進(jìn)尺9 408 m，有效溝通了煤層天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，具有良好的應(yīng)用前景。

(3)煤層氣鉆井液體系，主要基于儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研發(fā)，包括清水鉆井液、無(wú)水鉆井液、微泡沫鉆井液、中空玻璃微球鉆井液、聚合物鉆井液、可降解鉆井液、絨囊鉆井液等。清水鉆井液是在清水中加入少量處理劑(抑制劑、絮凝劑等)，以降低對(duì)煤層的傷害，但其黏度低，攜巖能力差，且在裂隙發(fā)育的煤層中漏失量大，易造成井壁坍塌，因而多用于直井鉆井中。無(wú)水鉆井液多為空氣或氮?dú)猓话阌糜谇菲胶忏@井。此外，水力噴射徑向井也可采用液氮、氮?dú)?、二氧化碳、空氣等作為射流介質(zhì)混合磨料破碎煤巖，有效降低儲(chǔ)層傷害、提升破巖效率。微泡沫鉆井液儲(chǔ)層傷害低，攜巖能力強(qiáng)，密度小，且泡沫穩(wěn)定，可循環(huán)利用，鉆井成本低。滇東地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，微泡沫鉆井液可維持井壁穩(wěn)定，性能良好，無(wú)復(fù)雜事故發(fā)生。中空玻璃微球鉆井液通過(guò)在鉆井液中加入中空微玻璃球降低鉆井液密度。沁水盆地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，中空玻璃微球具有較好的封堵作用，可有效降低鉆井液入侵造成的儲(chǔ)層傷害，且有利于井壁穩(wěn)定。聚合物鉆井液的優(yōu)勢(shì)在于固相含量少、絮凝性強(qiáng)、失水量低，可在井壁上形成薄而致密的泥餅，井壁穩(wěn)定性強(qiáng)，但需嚴(yán)格控制固相含量和密度，以最大限度降低儲(chǔ)層傷害。在聚合物鉆井液基礎(chǔ)上加入生物酶形成可降解鉆井液，通過(guò)控制鉆井液降解時(shí)間或配合后期破膠技術(shù)，從而解除儲(chǔ)層傷害。山西壽陽(yáng)七元煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，可降解鉆井液相對(duì)于清水鉆井液井壁穩(wěn)定性好，復(fù)雜鉆井事故少，但仍存在儲(chǔ)層污染的弊端。絨囊鉆井液通過(guò)加入表面活性劑、聚合物處理劑，以物理或化學(xué)作用形成內(nèi)部似氣囊、外部黏附絨毛的絨囊，并分散在水、鹽水或油等連續(xù)相中，形成穩(wěn)定的氣液體系。絨囊鉆井液具有獨(dú)特的流變性和結(jié)構(gòu)特征，對(duì)不同尺度的裂縫具有良好的封堵能力，可有效控制鉆井液漏失，提高地層承壓能力，進(jìn)而減少井下復(fù)雜事故的發(fā)生。該技術(shù)先后在沁水盆地馬壁、樊莊等區(qū)塊進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的漏失防治與維持井壁穩(wěn)定效果。

1.2 煤層氣完井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

完井技術(shù)的選擇對(duì)于煤層氣高效開(kāi)發(fā)尤為重要。根據(jù)煤層性質(zhì)，合理選擇完井工藝與工具，有利于降低完井作業(yè)對(duì)煤層的傷害、延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，從而提高煤層氣產(chǎn)量。煤層氣完井技術(shù)主要有洞穴完井、篩管完井和套管完井(圖2，表2)。

表2 煤層氣完井技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用效果

圖2 煤層氣各類(lèi)完井方式示意

(1)洞穴完井技術(shù)。在高滲透煤層中，直井洞穴完井是常見(jiàn)的采用應(yīng)力釋放原理的增產(chǎn)改造方法。該技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，通過(guò)水力或機(jī)械擴(kuò)孔、人工壓力“激動(dòng)”實(shí)現(xiàn)造穴。在周期性的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力作用下，煤層洞穴周?chē)来涡纬蓮埿云屏褏^(qū)、剪切破碎區(qū)以及外圍擾動(dòng)帶，提高了儲(chǔ)層滲透率，配合U/V型井、多分支井形成洞穴連通井，提高煤層氣產(chǎn)量。但是，直井造穴應(yīng)力釋放范圍小，適用于高壓、高滲煤層，如美國(guó)的圣胡安盆地和澳大利亞的Bowen盆地等，而我國(guó)普遍為低滲透煤層，適用性較差。為擴(kuò)大應(yīng)力釋放范圍，學(xué)者們又提出了水平井洞穴完井技術(shù)。通過(guò)機(jī)械擴(kuò)孔、水力噴射、水力割縫、水力-機(jī)械聯(lián)合、機(jī)械-氮?dú)鈹U(kuò)孔等方式，誘導(dǎo)煤層產(chǎn)生裂隙、溝通天然裂縫，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層大范圍應(yīng)力釋放，從而降低儲(chǔ)層壓力，提高氣體解吸、擴(kuò)散和滲流能力。山西沁水盆地鄭莊區(qū)塊開(kāi)展了水平井扇形磨料射流噴射造穴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，改造后穩(wěn)定日產(chǎn)氣量達(dá)到10m，是相鄰多級(jí)壓裂水平井的4倍。

(2)篩管完井技術(shù)。主要包括鋼制篩管完井、非金屬篩管完井、水平井雙管柱篩管完井、連續(xù)油管帶篩管鉆完井一體化、多分支水平井分支井眼重入篩管完井等技術(shù)。玻璃鋼、PE、PVC等非金屬材質(zhì)的篩管可解決鋼質(zhì)篩管成本高、后期采煤易產(chǎn)生火花的問(wèn)題。山西沁水盆地樊莊和鄭莊區(qū)塊先后成功開(kāi)展了主支玻璃鋼篩管、分支PE篩管完井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。雙管柱篩管由外層篩管與內(nèi)層沖洗管構(gòu)成，可滿(mǎn)足水平井井眼支撐與井壁泥餅清除的要求，為穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供良好的井眼條件。雙管柱篩管完井技術(shù)已在沁水盆地南部應(yīng)用了300余口水平井，單井日產(chǎn)量提高4倍、穩(wěn)產(chǎn)周期延長(zhǎng)5倍以上。連續(xù)油管帶篩管鉆完井一體化和多分支水平井分支井眼重入篩管完井技術(shù)均可解決分支井眼易坍塌的問(wèn)題。前者通過(guò)特殊的分離裝置將連續(xù)油管與篩管相連接，共同入井，一趟管柱實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管?chē)娚鋫?cè)鉆、分支井眼篩管完井；后者在傳統(tǒng)下篩管作業(yè)的基礎(chǔ)上配合鉆具重入工具，實(shí)現(xiàn)分支井篩管完井，并在山西沁水盆地成功開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

(3)套管完井技術(shù)。在中、低滲透煤層中，多采用套管射孔配套壓裂改造的完井技術(shù)。相較于裸眼完井，套管完井有效提高了井壁穩(wěn)定性，配合分段壓裂改造可顯著提高煤層氣產(chǎn)量。目前，較為成熟的分段壓裂技術(shù)主要有封隔器-滑套分段壓裂、橋塞分段壓裂和水力噴射分段壓裂技術(shù)等。煤層氣壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀將在1.3節(jié)詳細(xì)介紹。

各類(lèi)完井技術(shù)配套的完井工具主要有：機(jī)械式擴(kuò)孔造穴工具(如段銑造穴工具、構(gòu)造煤大口徑成井雙向往復(fù)式鉆進(jìn)三級(jí)擴(kuò)孔鉆具、多級(jí)變徑智能隨鉆擴(kuò)眼工具等)、不同噴嘴結(jié)構(gòu)組合的水射流噴射造穴工具、非金屬管懸掛器及丟手工具、全通徑可控?zé)o限級(jí)滑套、全通徑RFID智能滑套、彈性可控滑套、投球計(jì)數(shù)滑套、套管固井滑套、遇水/遇油自膨脹封隔器、打撈式/可鉆式/可溶式橋塞等。

1.3 煤層氣井壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

水力壓裂技術(shù)作為我國(guó)煤層氣增產(chǎn)改造的重要手段，現(xiàn)已在以高階煤為主的煤層氣增產(chǎn)中取得一定進(jìn)展，但總體上并未獲得預(yù)期效果。一方面，我國(guó)煤層氣資源賦存的差異性和復(fù)雜性致使單一技術(shù)難以對(duì)不同煤層進(jìn)行統(tǒng)一且有效的改造，“水土不服”現(xiàn)象較為嚴(yán)重；另一方面，水基壓裂液引起的儲(chǔ)層傷害、環(huán)境污染和水資源消耗等問(wèn)題嚴(yán)重。因而，必須根據(jù)煤層地質(zhì)特點(diǎn)、工藝技術(shù)現(xiàn)狀和增產(chǎn)改造需求等對(duì)現(xiàn)有工藝技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，同時(shí)推進(jìn)無(wú)水/少水壓裂液體系研發(fā)和應(yīng)用，創(chuàng)新發(fā)展“因地制宜”的低本高效、綠色低碳特色技術(shù)(圖3，表3)。

圖3 煤層氣各類(lèi)壓裂方法示意

表3 煤層氣壓裂工藝/壓裂液體系優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用效果

1.3.1 壓裂工藝

(1)碎軟低滲煤層頂(底)板間接壓裂技術(shù)。碎軟低滲煤層彈性模量低、泊松比高、煤體結(jié)構(gòu)破碎，壓裂時(shí)存在裂縫延伸短、煤粉產(chǎn)生多、單井產(chǎn)量低且衰減速度快的問(wèn)題。為此，提出了碎軟低滲煤層頂板間接壓裂技術(shù)。通過(guò)在距煤層一定范圍的硬脆性頂(底)板巖層進(jìn)行定向射孔和壓裂，以提高煤層裂縫長(zhǎng)度和改造范圍、減少煤粉的產(chǎn)出。目前已形成了以“水平井鉆井+套管分段壓裂”為核心的碎軟低滲煤層頂板水平井穿層壓裂技術(shù)，在鄂爾多斯盆地韓城區(qū)塊、淮北礦區(qū)蘆嶺井田、沁水盆地趙莊區(qū)塊等開(kāi)展了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。其中韓城區(qū)塊累計(jì)應(yīng)用206口井，增產(chǎn)2.6×10m，采收率提高6%以上。

(2)水力噴射分段壓裂技術(shù)。水力噴射分段壓裂是集噴砂射孔、水力壓裂、水力封隔于一體化的高效增產(chǎn)措施，無(wú)需機(jī)械封隔即可實(shí)現(xiàn)一趟管柱多段壓裂，具有降低起裂壓力、提高作業(yè)效率、減少施工風(fēng)險(xiǎn)、降低作業(yè)成本等優(yōu)勢(shì)。目前，該技術(shù)在沁水盆地趙莊、鄭莊、馬必東等區(qū)塊進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。其中，鄭莊區(qū)塊L型水平井采用了水平井水力噴射定向防砂壓裂技術(shù)，以“4點(diǎn)鐘—8點(diǎn)鐘”方向定向造縫，改造后穩(wěn)定日產(chǎn)氣量達(dá)到1.6萬(wàn)m，是同區(qū)塊直井單井日均產(chǎn)氣量的5～9倍、水平井的1.4～2.3倍，取得了良好的增產(chǎn)和防砂雙重效果。

(3)水力噴射徑向井與壓裂一體化技術(shù)。為了提高煤層有效改造體積和裂縫復(fù)雜度，在水力噴射徑向井的基礎(chǔ)上，提出了水力噴射徑向井與壓裂一體化、徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂的新思路。目前，已在沁水盆地開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。但是，由于水力噴射徑向井鉆井難度較大，復(fù)合壓裂一體化技術(shù)尚處于探索、試驗(yàn)階段。

(4)水平井泵送橋塞分段壓裂技術(shù)。該技術(shù)具有排量大、液量大、射孔/壓裂段數(shù)不受限制、施工快捷等優(yōu)勢(shì)，可形成復(fù)雜體積裂縫。按照橋塞類(lèi)型分為可鉆橋塞和可溶橋塞2種。隨著水平井井眼軌跡長(zhǎng)度和復(fù)雜程度的增加，可鉆橋塞的鉆塞難度逐漸增大，技術(shù)局限性愈發(fā)明顯；可溶橋塞在壓裂結(jié)束后可自行溶解，是未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。目前，水平井泵送橋塞分段壓裂技術(shù)已在沁水盆地、鄂爾多斯盆地取得了良好的增產(chǎn)效果。

(5)水平井封隔器-滑套分段壓裂技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)一次坐封所有封隔器和逐級(jí)打開(kāi)滑套的方式進(jìn)行分段壓裂，套管和裸眼完井均可采用，具有定點(diǎn)壓裂、施工便捷的優(yōu)勢(shì)，但有封隔器失效的風(fēng)險(xiǎn)。寺河井田采用該技術(shù)后產(chǎn)氣量長(zhǎng)期穩(wěn)定在2萬(wàn)m/d，增產(chǎn)效果顯著。

(6)高能氣體壓裂技術(shù)。高能氣體壓裂是以液、固態(tài)火藥或火箭推進(jìn)劑快速燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體為介質(zhì)的氣動(dòng)力壓裂技術(shù)，具有形成徑向自支撐裂縫、施工方便快速、作業(yè)成本低等特點(diǎn)。先后在鄭莊區(qū)塊、恩洪盆地等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但尚未達(dá)到預(yù)期效果。近年來(lái)，高能氣體壓裂技術(shù)主要用于煤礦瓦斯強(qiáng)化抽采，可提高瓦斯透氣系數(shù)和抽采率。

1.3.2 壓裂液體系

(1)活性水壓裂液體系。一般由清水、防膨劑和助排劑組成，是煤層氣井壓裂中應(yīng)用最為廣泛的壓裂液體系之一。具有低黏度、低傷害、低成本、易返排的特點(diǎn)，適合大排量、大規(guī)模壓裂施工。目前活性水壓裂液已應(yīng)用到深部煤層氣開(kāi)發(fā)中，如鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)礦區(qū)采用“活性水+大排量+低砂比脈沖加砂技術(shù)”成功開(kāi)展了深部煤層氣井壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。但活性水壓裂液攜砂能力有限，砂比高時(shí)易發(fā)生砂堵。

(2)清潔壓裂液體系。主要由表面活性劑(VES)組成，具有攜砂能力強(qiáng)、無(wú)固體殘?jiān)?、破膠后黏度低、儲(chǔ)層傷害程度小的優(yōu)勢(shì)。柿莊區(qū)塊10口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明產(chǎn)量最高為2 000 m/d，是該區(qū)塊平均單井產(chǎn)量的10倍。但由于清潔壓裂液成本較高，目前尚未大規(guī)模推廣使用。

(3)泡沫壓裂液體系。泡沫壓裂液是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種少水壓裂液體系，主要包括N泡沫和CO泡沫壓裂液2種，攜砂能力強(qiáng)、濾失小、地層傷害低，適用于低壓、低滲透和強(qiáng)水敏性地層的壓裂改造。目前，N泡沫壓裂液已在鄂爾多斯盆地延川南、大寧—吉縣區(qū)塊、沁水盆地潘河等煤層氣田進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的增產(chǎn)效果。此外，斯倫貝謝公司采用CO泡沫壓裂液使一批低產(chǎn)井的產(chǎn)量得到大幅提升。與N泡沫壓裂液相比，CO泡沫壓裂液性能更好，降低界面張力的能力更強(qiáng)，且具有較高的液柱壓力，注入煤層與CH競(jìng)爭(zhēng)吸附，促進(jìn)CH解吸流動(dòng)，因而CO泡沫壓裂是一種理想的煤層氣儲(chǔ)層改造技術(shù)。

(4)液氮壓裂液體系。液氮是一種新興的低溫?zé)o水壓裂液。與水基壓裂液相比，液氮具有溫差致裂、成縫復(fù)雜、無(wú)儲(chǔ)層傷害、易返排等優(yōu)勢(shì)。但在套管損壞、支撐劑運(yùn)移、配套壓裂設(shè)備以及施工成本等方面依然面臨著挑戰(zhàn)。20世紀(jì)90年代，美國(guó)開(kāi)展了液氮壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，增產(chǎn)效果顯著。目前國(guó)內(nèi)主要采用液氮伴注壓裂，具有壓裂施工砂比高、壓裂液濾失少、儲(chǔ)層傷害低、壓裂液易返排等優(yōu)勢(shì)，還能有效提升地層能量，縮短見(jiàn)氣周期、提高單井產(chǎn)量。在淮北礦區(qū)、平頂山礦區(qū)、臨興—神府氣田等開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。其中，淮北礦區(qū)液氮伴注壓裂井相較于常規(guī)水力壓裂井增產(chǎn)達(dá)50%，取得了較好的應(yīng)用效果。

(5)超臨界CO壓裂液體系。超臨界CO具有黏度低、表面張力接近于0、穿透性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、促進(jìn)CH解吸、抑制黏土礦物膨脹等突出優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)CO地質(zhì)埋存。目前已開(kāi)展了相關(guān)基礎(chǔ)研究及現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)。但超臨界CO壓裂形成的裂縫寬度較窄，流動(dòng)摩阻高，攜砂能力差，難以在煤層中形成有效支撐，目前尚未在煤層中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1.4 煤層氣井排采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

排水采氣是煤層氣井生產(chǎn)的獨(dú)特環(huán)節(jié)，是影響煤層氣單井產(chǎn)量的重要因素。我國(guó)煤層氣排采工藝經(jīng)歷了從“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定、長(zhǎng)期”的傳統(tǒng)排采工藝到圍繞“煤儲(chǔ)層臨界解吸壓力”制定的分階段精細(xì)化控壓排采工藝。目前，我國(guó)煤層氣井開(kāi)始應(yīng)用智能化排采裝備，大部分區(qū)塊已逐步實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化控壓排采(表4)。

表4 煤層氣排采技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用效果

1.4.1 排采工藝

(1)煤層氣回注水排采工藝技術(shù)。該工藝可以稀釋煤粉，預(yù)防排采過(guò)程煤粉卡泵，保證排采井連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。將沉淀、過(guò)濾后的產(chǎn)出液通過(guò)油套環(huán)空回注到井底進(jìn)行重新利用，可有效沖蝕煤粉，并保證煤粉稀釋均勻。此外，該工藝還可以調(diào)節(jié)產(chǎn)水量，降低對(duì)電機(jī)的傷害。

(2)“變速排采-低恒套壓”排采技術(shù)。該技術(shù)可以有效提高煤層氣井排采過(guò)程中的排水效率。在啟抽壓力到儲(chǔ)層壓力階段，采用較快的壓降制度盡可能提高產(chǎn)水效率；在儲(chǔ)層壓力至解吸壓力階段，采用較慢的壓降制度，最大程度減小煤層滲透率傷害、擴(kuò)大煤層壓降漏斗波及面積；在解吸壓力至產(chǎn)氣壓力階段，采用更慢的壓降制度，實(shí)施“低套”產(chǎn)氣管控，減小兩相流影響。

(3)分階段量化排采控制技術(shù)。該技術(shù)主要針對(duì)儲(chǔ)層敏感性較強(qiáng)的煤層?；诿娣e降壓理念，將煤層氣排采劃分為不同階段，以有效解決多峰型排采模式所引發(fā)的問(wèn)題。如“五段三壓法”排采控制技術(shù)，“五段”指排水段、憋壓段、控壓段、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)段及衰竭段；“三壓”指井底流壓、解吸壓力和地層壓力。該技術(shù)在沁水盆地樊莊、鄭莊區(qū)塊以及延川南煤層氣田得到良好應(yīng)用。此外，學(xué)者們還提出了適用于水平井和多煤層的“五段三壓法”排采控制技術(shù)。

(4)定量化疏導(dǎo)式排采控制技術(shù)。以疏導(dǎo)為核心、以疏通滲流通道為原則，根據(jù)氣相滲流強(qiáng)度與水相滲流強(qiáng)度，形成見(jiàn)氣前與見(jiàn)氣后不同的控制技術(shù)。對(duì)于強(qiáng)氣相滲流，見(jiàn)氣前變速排采，見(jiàn)氣后降參控套壓排采；反之采取見(jiàn)氣前高速排采，見(jiàn)氣后提參控液面排采。

(5)低套壓/無(wú)套壓排采技術(shù)。低套壓排采主要應(yīng)用于提產(chǎn)階段，該階段保持較低的套壓可以減少流體運(yùn)移通道內(nèi)的含氣飽和度。無(wú)套壓排采技術(shù)主要針對(duì)壓力系統(tǒng)較高的超深層煤層氣井，在煤層氣排采過(guò)程中，通過(guò)流壓控制液面，以無(wú)套壓生產(chǎn)，可以避免井下液面激蕩，防止儲(chǔ)層傷害。

(6)智能化排采控制技術(shù)?，F(xiàn)階段主要包括“雙環(huán)三控法”排采、“套壓開(kāi)環(huán)法”排采、“雙環(huán)單路PID”排采技術(shù)、“定量化排采多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)”等。該技術(shù)在樊莊、鄭莊區(qū)塊得到應(yīng)用。

1.4.2 排采地質(zhì)管控

(1)多煤層排采工藝技術(shù)。主要用于多煤層合采，且針對(duì)不同區(qū)塊，具體排采方法不同。如官寨井田煤層氣井多煤層合采應(yīng)用了精細(xì)化控壓方法。該方法在穩(wěn)定降壓階段，最大程度產(chǎn)出地層水以降低儲(chǔ)層壓力；在產(chǎn)量上升階段，對(duì)套壓、流壓、日產(chǎn)氣量進(jìn)行綜合控制，采用低套壓生產(chǎn)；在控壓穩(wěn)產(chǎn)階段，主要控制流壓和套壓，以不裸露上部煤層為原則采用低套壓生產(chǎn)。織金區(qū)塊采用“低速-低套-階梯式降壓排采”，該技術(shù)以節(jié)點(diǎn)控制為手段，將排采過(guò)程分為3個(gè)階段(緩慢降壓階段、階梯降壓階段和穩(wěn)流壓生產(chǎn)階段)進(jìn)行精細(xì)控制，并以提高返排率為核心，以慢排為原則，低套防裸露，兼顧主力煤層，延長(zhǎng)產(chǎn)氣疊合時(shí)間。

(2)分層控壓聯(lián)合排采技術(shù)。該技術(shù)可通過(guò)分隔裝置實(shí)現(xiàn)液面壓力分層控制與聯(lián)合排采?，F(xiàn)有的技術(shù)包括雙泵三通道雙煤層分層控壓排采技術(shù)、雙套管多煤層分層控壓排采技術(shù)和雙煤層四通道分層控壓排采技術(shù)。

1.5 煤層氣提高采收率技術(shù)研究進(jìn)展

煤層氣提高采收率技術(shù)作為煤層氣增產(chǎn)的重要手段，近年來(lái)得到快速發(fā)展。目前已形成了CO驅(qū)煤層氣技術(shù)、可控沖擊波增透技術(shù)、功率超聲波增透技術(shù)等。

(1)CO驅(qū)煤層氣技術(shù)。我國(guó)是全球碳排放量最大的國(guó)家，節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻。CO捕集利用與封存作為一種重要的減排技術(shù)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到減排CO的目的。其中，CO驅(qū)煤層氣技術(shù)(CO-ECBM)不僅能實(shí)現(xiàn)CO封存，同時(shí)也能提高煤層氣采收率，具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上的雙重效益。早在20世紀(jì)90年代，國(guó)外已就CO-ECBM的競(jìng)爭(zhēng)吸附行為等開(kāi)展研究，先后在美國(guó)、加拿大、日本、波蘭等國(guó)家開(kāi)展了微型先導(dǎo)試驗(yàn)，證實(shí)了CO-ECBM的可行性。20世紀(jì)初，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司與加拿大阿爾伯塔研究理事會(huì)(Alberta Research Council，ARC)、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CSIRO)開(kāi)展合作，先后在沁水盆地柿莊南、柿莊北區(qū)塊以及鄂爾多斯盆地柳林區(qū)塊開(kāi)展CO-ECBM微型先導(dǎo)試驗(yàn)，分別評(píng)價(jià)了煤層直井、多分支水平井CO注入能力、注入速率及注入后煤層滲透率變化等(表5)。結(jié)果表明，煤層注CO后顯著提高了煤層氣的單井產(chǎn)量和采收率，但由于煤巖吸附CO導(dǎo)致煤體膨脹，降低了煤層滲透性能，導(dǎo)致后期CO的注入能力下降。

表5 CO2-ECBM先導(dǎo)試驗(yàn)

續(xù)表

近年來(lái)，我國(guó)CO-ECBM先導(dǎo)試驗(yàn)已經(jīng)由單井注入向垂直井組注入轉(zhuǎn)變，注入深度由淺層向中深層轉(zhuǎn)變?？傮w上，我國(guó)CO-ECBM尚處于微型試驗(yàn)階段。在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的背景下，CO-ECBM將是煤層氣的重要發(fā)展方向。

(2)可控沖擊波增透技術(shù)。可控沖擊波增透技術(shù)能在煤層中形成不同尺度的復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)，是低滲煤層改造的理想措施之一。沖擊波在不同的區(qū)域通過(guò)致裂、撕裂和高彈性聲波，在煤層中形成沖擊波帶、壓縮波帶和高彈性波帶，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)疏通滲流通道。該技術(shù)在全國(guó)不同區(qū)塊30余口地面鉆井和2個(gè)煤礦井下抽采工作面開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，作業(yè)后儲(chǔ)層產(chǎn)量提升達(dá)8倍，取得了良好的煤儲(chǔ)層改造效果。

(3)煤層功率超聲波增透技術(shù)。煤層功率超聲波增透技術(shù)是將聲發(fā)射探頭放入含水煤層，利用聲波擴(kuò)散傳遞的能量對(duì)煤層進(jìn)行激勵(lì)改造。超聲波作用于煤體后導(dǎo)致原始裂隙擴(kuò)展，裂隙堵塞物被清除，從而改善了瓦斯?jié)B流通道。該技術(shù)具有方向性好、能量大、穿透能力強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)功率超聲波增透后的瓦斯平均抽采體積分?jǐn)?shù)和瓦斯平均單孔純量分別是未增透區(qū)的2.26 倍和3.67倍，取得了良好的煤層增透效果。

1.6 煤層氣人工智能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，全球科技向著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展，油氣勘探開(kāi)發(fā)智能化已成為行業(yè)熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，學(xué)者們將人工智能技術(shù)引入測(cè)井、物探、油藏工程、鉆完井工程、采油工程和地面工程等多個(gè)領(lǐng)域，并取得了一系列成果，全球石油公司積極布局，結(jié)合自身定位建立了特色的人工智能技術(shù)平臺(tái)，人工智能技術(shù)在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，與常規(guī)油氣人工智能技術(shù)相比，煤層氣人工智能技術(shù)難度較大，主要原因在于煤層氣賦存機(jī)理復(fù)雜、開(kāi)采難度大，相關(guān)數(shù)據(jù)積累不足、數(shù)據(jù)質(zhì)量較低。目前，煤層氣智能化研究主要集中在地質(zhì)探測(cè)與評(píng)價(jià)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和排采優(yōu)化3個(gè)方面(表6，圖4)。

圖4 煤層氣開(kāi)發(fā)采用的各類(lèi)人工智能算法示意

表6 煤層氣人工智能技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用效果

1.6.1 人工智能在地質(zhì)探測(cè)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)在地質(zhì)探測(cè)與評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用主要集中在儲(chǔ)層特征參數(shù)反演和煤層巖性識(shí)別2方面。在儲(chǔ)層特征參數(shù)反演方面，基于多層感知機(jī)(Multi-Layer Perceptron，簡(jiǎn)稱(chēng)MLP)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Network，簡(jiǎn)稱(chēng)BP)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks，簡(jiǎn)稱(chēng)CNN)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Neural Network，簡(jiǎn)稱(chēng)RNN)、深度信念網(wǎng)絡(luò)(Deep Belief Network，簡(jiǎn)稱(chēng)DBN)等深度學(xué)習(xí)技術(shù)，建立了儲(chǔ)層孔隙度、滲透率、含氣量、裂縫識(shí)別等智能預(yù)測(cè)模型，為認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層提供了準(zhǔn)確、高效、便捷的技術(shù)手段。在煤層巖性識(shí)別方面，通過(guò)采用以邏輯回歸(Logistic Regression，簡(jiǎn)稱(chēng)LR)、支持向量機(jī)(Support Vector Machine，簡(jiǎn)稱(chēng)SVM)、隨機(jī)森林(Random Forest，簡(jiǎn)稱(chēng)RF)、極限梯度提升(eXtreme Gradient Boosting，簡(jiǎn)稱(chēng)XGBoost)為主的機(jī)器學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩及鉆速等)、隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(伽馬射線(xiàn)及井徑)和巖性間的非線(xiàn)性關(guān)系，能夠快速識(shí)別鉆遇層的巖性，煤層識(shí)別準(zhǔn)確率超過(guò)90%。

1.6.2 人工智能在產(chǎn)能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

煤層氣產(chǎn)能智能預(yù)測(cè)模型主要包括機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network，簡(jiǎn)稱(chēng)ANN)、長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Long short-term memory，簡(jiǎn)稱(chēng)LSTM)、RF等。然而，上述模型均為純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量要求較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量會(huì)直接影響產(chǎn)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。物理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)可解決煤層氣產(chǎn)能智能預(yù)測(cè)多解性、小樣本的問(wèn)題。物理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方法主要分為3類(lèi)：第1類(lèi)方法是通過(guò)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)信息，豐富機(jī)理模型，可用于建立數(shù)據(jù)修正的物理模型、降階模型或在線(xiàn)更新動(dòng)態(tài)系統(tǒng)等；第2類(lèi)方法是分別使用物理模型和數(shù)據(jù)模型來(lái)建立系統(tǒng)的不同部分，然后進(jìn)行組合，完成整體建模。上述2類(lèi)方法在常規(guī)油氣藏中已經(jīng)取得一定應(yīng)用。第3類(lèi)方法是將已知的物理約束與數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)模型組合，不僅可以保留關(guān)鍵的物理特征，而且可以快速運(yùn)算。第3類(lèi)方法尤其適用于油田現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)產(chǎn)能預(yù)測(cè)，通過(guò)保留已知的物理特征，例如儲(chǔ)層特征、裂縫參數(shù)、井底流壓等，使模型能準(zhǔn)確捕捉煤層氣日產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化，提高產(chǎn)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。同時(shí)，相比于純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，該方法對(duì)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量的要求相對(duì)較低?？傮w而言，“物理約束-數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”模型能進(jìn)一步提高煤層氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和普適性。

1.6.3 人工智能在排采中的應(yīng)用

煤層氣智能排采系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括硬件部分(壓力計(jì)、溫度計(jì)、變頻器等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備)和軟件部分(數(shù)據(jù)管理、分析、決策和信息傳遞等)，例如：基于神經(jīng)元人工網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)排采控制系統(tǒng)(沁水盆地五陽(yáng)井區(qū))、負(fù)壓排采智能分析系統(tǒng)(鄂爾多斯盆地保德區(qū)塊)、基于PID控制的“雙回路單PID控制法”(沁水盆地樊莊區(qū)塊)等。然而，上述模型均需要人為干預(yù)、主觀設(shè)置基礎(chǔ)參數(shù)(井底流壓、降液速率等)，系統(tǒng)缺乏對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化原因的自主分析和優(yōu)化決策能力，智能化尚不足。強(qiáng)化學(xué)習(xí)(Reinforcement Learning，簡(jiǎn)稱(chēng)RL)是解決這一缺點(diǎn)的有效方法?；趶?qiáng)化學(xué)習(xí)，學(xué)者們建立了具有自主學(xué)習(xí)和決策能力的煤層氣排采控制模型，該模型通過(guò)生產(chǎn)環(huán)境和決策響應(yīng)機(jī)構(gòu)間的交互式學(xué)習(xí)，能夠?qū)崟r(shí)分析生產(chǎn)狀態(tài)、優(yōu)化排采參數(shù)并做出決策。

2 煤層氣開(kāi)發(fā)面臨的難題與挑戰(zhàn)

盡管我國(guó)在沁水盆地、鄂爾多斯盆地等煤層氣主力區(qū)塊的開(kāi)發(fā)中取得重大突破，但是單井產(chǎn)量低一直是制約我國(guó)煤層氣高效開(kāi)發(fā)的重大難題。例如，日產(chǎn)量低于500 m的低效井在沁水、鄂東占比約50%。我國(guó)2020年天然氣總產(chǎn)量為1 876.44億m，其中煤層氣(地面井)產(chǎn)量為57.67億m，僅占當(dāng)年全國(guó)天然氣總產(chǎn)量的3.07%，距離大規(guī)模開(kāi)發(fā)仍有一定距離。與常規(guī)天然氣和頁(yè)巖氣相比，煤層氣的儲(chǔ)量未開(kāi)發(fā)率較高，累計(jì)地質(zhì)儲(chǔ)量、累計(jì)技術(shù)可采儲(chǔ)量、累計(jì)經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量的未開(kāi)發(fā)率都高達(dá)80%。造成煤層氣單井產(chǎn)量低的主要原因有：

第1，復(fù)雜的地質(zhì)條件，我國(guó)煤層普遍具有“三低一高”的特征，即低飽和度、低滲透性、低儲(chǔ)層壓力和高變質(zhì)程度，含煤地層和不同煤層(甚至是同一煤層)縱、橫向非均質(zhì)性強(qiáng)。此類(lèi)條件下的煤層氣開(kāi)發(fā)是世界性難題，難以照搬國(guó)外規(guī)?；_(kāi)發(fā)模式。

第2，煤層氣賦存特點(diǎn)的理論認(rèn)識(shí)仍存在很大缺陷。特別是對(duì)深部煤層氣、低階煤煤層氣的賦存狀態(tài)缺乏認(rèn)識(shí)，對(duì)煤系地層煤層氣成藏特點(diǎn)缺乏研究，影響了對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層勘探開(kāi)發(fā)的預(yù)測(cè)和對(duì)煤層地質(zhì)甜點(diǎn)層段的優(yōu)選。

第3，不同地質(zhì)條件下煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)通用性差。在部分區(qū)塊成功應(yīng)用的技術(shù)難以移植到其他區(qū)塊，即尚未形成針對(duì)我國(guó)不同煤層地質(zhì)條件的適用性技術(shù)。當(dāng)前與地質(zhì)條件相適應(yīng)的勘探開(kāi)發(fā)井型、井網(wǎng)部署帶有一定盲目性，與不同煤層氣地質(zhì)條件相適應(yīng)的工程技術(shù)尚未完全形成。

第4，不同技術(shù)的增產(chǎn)機(jī)理缺乏成熟的理論認(rèn)識(shí)。特別是針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的煤層氣開(kāi)發(fā)尚未突破，如構(gòu)造煤、深部煤、多煤層、低階煤、煤系氣的增產(chǎn)改造，仍然存在著重大技術(shù)瓶頸。

第5，地質(zhì)-工程一體化理論與技術(shù)尚不成熟?！暗刭|(zhì)-工程”雙甜點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)體系及協(xié)同工作模式缺乏。地質(zhì)-工程一體化是煤層氣降本增效開(kāi)發(fā)的有效手段：以地質(zhì)特征為基礎(chǔ)、以工程改造為重點(diǎn)，采用多理論、多學(xué)科、多技術(shù)交叉融通，將地質(zhì)甜點(diǎn)與工程甜點(diǎn)協(xié)同考慮，建立閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式。地質(zhì)-工程一體化在保德、潘莊煤層氣田已成功開(kāi)展實(shí)踐，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是，目前仍然需要在煤層氣開(kāi)發(fā)的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)階段持續(xù)推進(jìn)地質(zhì)-工程一體化理論與技術(shù)的研究，建立適用于我國(guó)復(fù)雜煤層地質(zhì)條件下的開(kāi)采模式。

針對(duì)上述煤層氣開(kāi)發(fā)的“卡脖子”問(wèn)題，亟需按照“特定條件+適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)”的總體思路，加強(qiáng)對(duì)不同區(qū)塊煤層氣富集成藏、滲流機(jī)理、生產(chǎn)特征和配套工程技術(shù)研究攻關(guān)，鼓勵(lì)多氣合采、煤氣共采，以期建立適用于我國(guó)煤層氣低本高效的開(kāi)發(fā)模式。

3 煤層氣儲(chǔ)備型技術(shù)與發(fā)展展望

降本增效、綠色開(kāi)采是煤層氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。針對(duì)現(xiàn)階段煤層氣開(kāi)發(fā)面臨的難題和挑戰(zhàn)，筆者提出了幾項(xiàng)儲(chǔ)備型技術(shù)和發(fā)展展望。

3.1 煤層氣開(kāi)采儲(chǔ)備型技術(shù)

3.1.1 深部煤層超臨界CO聚能壓裂

深部煤層是我國(guó)未來(lái)勘探開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域和CO地質(zhì)埋存的重要場(chǎng)所，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。目前，我國(guó)深部煤層氣開(kāi)發(fā)尚處于試驗(yàn)階段，僅在沁水盆地鄭莊、柿莊、武鄉(xiāng)區(qū)塊，準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起，鄂爾多斯盆地大寧—吉縣、延川南等區(qū)塊開(kāi)展了深部煤層氣勘探開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)，部分煤層氣井產(chǎn)量高達(dá)幾千甚至幾萬(wàn)方。深部煤層具有“高地應(yīng)力、中高溫度、特低滲透、高飽和性”的特點(diǎn)，常規(guī)水力壓裂在深部煤層開(kāi)發(fā)時(shí)面臨起裂壓力高、閉合應(yīng)力大、支撐劑嵌入等難題。筆者團(tuán)隊(duì)提出超臨界CO聚能壓裂結(jié)合徑向井技術(shù)改造深部煤層的新思路：利用地面泵車(chē)向帶有井下聚能工具的壓裂管柱內(nèi)持續(xù)泵注CO，當(dāng)管柱內(nèi)壓力超過(guò)工程設(shè)計(jì)壓力時(shí)，聚能工具泄流通道自動(dòng)打開(kāi)，高壓超臨界CO沖擊波迅速致裂煤體，形成多條不受地應(yīng)力干擾的輻射狀裂縫。如圖5所示，水平井側(cè)鉆徑向分支井以擴(kuò)大煤層的動(dòng)用體積，充分結(jié)合徑向井體積造縫、超臨界CO獨(dú)特物性和高壓氣體動(dòng)態(tài)致裂的三重優(yōu)勢(shì)，達(dá)到一層多孔、定向誘導(dǎo)、立體卸壓的效果。此外，CO注入煤層可與煤層CH競(jìng)爭(zhēng)吸附，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO地質(zhì)埋存。該技術(shù)有望為我國(guó)深部煤層氣增產(chǎn)改造-CCUS一體化提供有效技術(shù)手段。

圖5 深部煤層徑向井超臨界CO2聚能壓裂技術(shù)示意

該技術(shù)可配合“聚能沖擊+油套同注”等工藝實(shí)現(xiàn)高壓超臨界CO多次、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)注入，克服傳統(tǒng)水力壓裂準(zhǔn)靜態(tài)加載裂縫單一、高能氣體壓裂動(dòng)態(tài)加載裂縫規(guī)模小等缺點(diǎn)，使儲(chǔ)層產(chǎn)生一定規(guī)模且不受地應(yīng)力控制的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)背后的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是：① 超臨界CO能量釋放特性及調(diào)控機(jī)制；② 超臨界CO聚能壓裂裂縫起裂擴(kuò)展力學(xué)機(jī)制；③ 深部煤層CO封存多相流體與地質(zhì)體的長(zhǎng)時(shí)耦合機(jī)制。

3.1.2 液氮-氮?dú)鈴?fù)合/循環(huán)壓裂

針對(duì)黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、外來(lái)液相侵入易發(fā)生“水鎖”效應(yīng)的煤層，除了采用上述超臨界CO聚能壓裂外，筆者團(tuán)隊(duì)還提出了“液氮-氮?dú)狻睆?fù)合壓裂方法和液氮循環(huán)壓裂方法?！耙旱?氮?dú)狻睆?fù)合壓裂的技術(shù)原理是(圖6(a))：采用液氮壓裂含水煤層形成復(fù)雜裂縫，同時(shí)凍結(jié)裂縫周?chē)簩?；注入氮?dú)膺M(jìn)行二次壓裂，提高壓裂裂縫的長(zhǎng)度和復(fù)雜度；注入攜砂液，攜帶支撐劑充填裂縫。該方法可以提高裂縫的長(zhǎng)度和復(fù)雜度，減少水體進(jìn)入煤層，克服煤巖吸水膨脹、降低孔滲的弊端；其次，液氮在壓裂過(guò)程中將裂隙水凍結(jié)，可有效解決壓裂液在煤層中易濾失的難題。此外，液氮和氮?dú)饪梢匝a(bǔ)充地層能量，克服壓裂液不易返排的弊端。

圖6 煤層氣液氮壓裂技術(shù)示意

為了進(jìn)一步提升液氮壓裂造縫復(fù)雜度，筆者團(tuán)隊(duì)還提出了液氮循環(huán)壓裂技術(shù)，其技術(shù)思路是(圖6(b))：以“注入-停頓”的方式將液氮周期性注入煤層，通過(guò)施加交變的溫度-壓力載荷，使煤巖發(fā)生冷熱循環(huán)、應(yīng)力振蕩、疲勞破壞，從而降低裂縫起裂壓力、促進(jìn)立體縫網(wǎng)的形成。在液氮注入過(guò)程中，煤巖發(fā)生強(qiáng)烈熱沖擊，形成大量熱應(yīng)力微裂縫，可顯著降低起裂壓力，誘導(dǎo)主裂縫起裂，有利于在井周形成復(fù)雜縫網(wǎng)。在液氮停止注入燜井過(guò)程中，井筒和煤層中的液氮受熱氣化，黏度降低并發(fā)生體積膨脹，有利于促進(jìn)裂縫延伸并激活天然裂縫。此外，煤層溫度恢復(fù)過(guò)程中，會(huì)再次發(fā)生熱損傷促進(jìn)微裂縫的形成。在液氮“注入-停頓”過(guò)程時(shí)，交變熱應(yīng)力-流體壓力會(huì)使煤巖縫周應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生周期性改變，使煤巖發(fā)生疲勞破壞，進(jìn)一步降低起裂壓力，誘導(dǎo)裂縫起裂與擴(kuò)展，最終形成立體縫網(wǎng)。

盡管液氮壓裂技術(shù)具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，但針對(duì)不同煤層地質(zhì)條件的適應(yīng)性研究較少，需要結(jié)合不同的儲(chǔ)層特征，開(kāi)展以“液氮造縫+不同壓裂液介質(zhì)攜砂”為主體的新型無(wú)水壓裂技術(shù)攻關(guān)。目前該技術(shù)背后亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是：① 多場(chǎng)耦合作用下液氮壓裂不同類(lèi)型煤巖的造縫機(jī)理；② 煤層粗糙裂縫面內(nèi)不同壓裂液介質(zhì)攜砂能力影響機(jī)制。

3.1.3 水平井水力噴射分段造穴

針對(duì)彈性模量低、泊松比高、壓裂改造效果欠佳或無(wú)法實(shí)現(xiàn)分支井眼重入的碎軟煤層，筆者團(tuán)隊(duì)提出“水平井水力噴射分段造穴”卸壓增透開(kāi)采煤層氣的新思路，通過(guò)構(gòu)建“大直徑水平井”模擬煤礦巷道，實(shí)現(xiàn)煤層大范圍應(yīng)力釋放，改善煤層孔隙度和滲透性，降低儲(chǔ)層壓力，促進(jìn)甲烷解吸產(chǎn)出。其技術(shù)原理是：采用磨料射流進(jìn)行水力噴射定向造穴，通過(guò)優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、排布、噴射參數(shù)等，在三維空間上達(dá)到“網(wǎng)格式”切割破碎煤巖的效果，并激活天然裂縫，形成洞穴效應(yīng)；在水平段逐級(jí)噴射造穴，形成多段立體卸壓空間，打破原始地應(yīng)力后應(yīng)力持續(xù)重分布并引起損傷破裂、增滲，從而提高單井產(chǎn)量(圖7)。在沁水盆地鄭莊區(qū)塊開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：改造后穩(wěn)定日產(chǎn)氣量達(dá)到10m，是相鄰壓裂水平井日產(chǎn)氣量的4倍。因此，水平井水力噴射分段造穴儲(chǔ)層改造技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有工程可行性和廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 煤層氣水平井水力噴射分段造穴示意

此外，為助力“雙碳”目標(biāo)、發(fā)揮CO競(jìng)爭(zhēng)吸附在煤層中的優(yōu)勢(shì)，筆者團(tuán)隊(duì)在水力噴射造穴的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了“超臨界CO旋轉(zhuǎn)磨料射流噴射誘導(dǎo)煤層氣水平井造穴”的新方法，有望大范圍釋放應(yīng)力、提高煤層氣井產(chǎn)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO封存，達(dá)到碳中和及構(gòu)建“綠色地球”的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。

盡管水平井水力噴射分段造穴在煤層氣開(kāi)采中取得產(chǎn)量突破，但是由于基礎(chǔ)理論研究不足，完井參數(shù)設(shè)計(jì)尚停留在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。目前該技術(shù)背后亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題主要為：① 水平井造穴誘導(dǎo)煤層應(yīng)力演化機(jī)理；② 煤層滲透率對(duì)造穴誘導(dǎo)應(yīng)力重構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制；③ 水平井洞穴完井氣、水流動(dòng)規(guī)律與產(chǎn)出特征。

3.1.4 煤層氣智能完井與排采決策

人工智能是“十四五”煤層氣開(kāi)發(fā)科技創(chuàng)新的重要趨勢(shì)，筆者團(tuán)隊(duì)提出了壓裂參數(shù)智能優(yōu)化、縫網(wǎng)參數(shù)智能反演、產(chǎn)能智能預(yù)測(cè)和智能排采控制等方面的思路。前3者主要針對(duì)壓裂設(shè)計(jì)，其思路可應(yīng)用于其他完井方式。

傳統(tǒng)的煤層氣壓裂設(shè)計(jì)多依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)儲(chǔ)層的適應(yīng)性考慮不足。筆者團(tuán)隊(duì)提出“以產(chǎn)能最大、成本最低”為多目標(biāo)的水力壓裂參數(shù)智能設(shè)計(jì)方法(圖8)。該方法包括以下步驟：① 采集儲(chǔ)層地質(zhì)特征數(shù)據(jù)、已壓裂井施工設(shè)計(jì)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)-工程一體化數(shù)據(jù)庫(kù)；② 采用特征工程技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)系，確定煤層氣產(chǎn)能的主控因素；③ 采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以地質(zhì)-工程一體化數(shù)據(jù)集作為輸入，以產(chǎn)能作為輸出，建立煤層氣產(chǎn)能智能預(yù)測(cè)模型；④ 計(jì)算壓裂材料和工具的費(fèi)用；⑤ 采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，以?xún)?chǔ)層特征數(shù)據(jù)為物理約束，以產(chǎn)能最大、成本最低為多目標(biāo)優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。以?xún)?chǔ)層特征數(shù)據(jù)做物理約束能夠提升壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)與儲(chǔ)層條件的適配性，同時(shí)多目標(biāo)優(yōu)化算法能增強(qiáng)模型的全局搜索能力。該方法可為優(yōu)化煤層氣井壓裂施工、提高儲(chǔ)層改造效果、提升煤層氣田經(jīng)濟(jì)效益提供理論依據(jù)和方法支撐。

圖8 水力壓裂參數(shù)智能設(shè)計(jì)思路

針對(duì)煤層復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)刻畫(huà)難、數(shù)值模擬網(wǎng)格剖分難度大、歷史擬合耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，采用機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，建立一套以復(fù)雜縫網(wǎng)參數(shù)和儲(chǔ)層特征參數(shù)為反演目標(biāo)的智能反演工作流(圖9)。工作流的核心內(nèi)容為煤層復(fù)雜縫網(wǎng)顯式表征、產(chǎn)能智能代理模型建立、自動(dòng)歷史擬合和產(chǎn)能長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。思路為：采用嵌入式離散裂縫模型(Embedded Discrete Fracture Model，EDFM)建立煤層氣井復(fù)雜縫網(wǎng)氣水兩相流動(dòng)數(shù)值模型；采用K鄰近算法(K Nearest Neighbor，簡(jiǎn)稱(chēng)KNN)、SVM、RF、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Networks，DNN)等人工智能算法，構(gòu)建油藏?cái)?shù)值模型的代理模型；通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歷史擬合；最后，采用反演的縫網(wǎng)參數(shù)及儲(chǔ)層特征參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期產(chǎn)能預(yù)測(cè)，從而評(píng)價(jià)煤層氣開(kāi)發(fā)方案效果。

圖9 復(fù)雜縫網(wǎng)特征參數(shù)智能反演工作流

產(chǎn)能智能預(yù)測(cè)方面，采用門(mén)控循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Gated Recurrent Unit，GRU)和多層感知機(jī)(MLP)疊加的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立“物理約束-數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的煤層氣產(chǎn)能智能動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)帶精英策略的非支配排序遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithms，NSGA II)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化。通過(guò)引入物理約束部分，增強(qiáng)模型對(duì)產(chǎn)量峰值和長(zhǎng)期生產(chǎn)的預(yù)測(cè)能力，提高煤層氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性、普適性和高效性。應(yīng)用于臨汾區(qū)塊和大寧井田的煤層氣多級(jí)壓裂水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)模型準(zhǔn)確性高，泛化能力強(qiáng)。

煤層氣井排采參數(shù)智能決策方面，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)，提出一種煤層氣井排采參數(shù)智能決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)(測(cè)量終端)、分析決策(智能體)、執(zhí)行控制(執(zhí)行終端)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)(環(huán)境)4個(gè)子系統(tǒng)。4個(gè)子系統(tǒng)間的交互過(guò)程包括以下步驟：① 通過(guò)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤層氣生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括地面測(cè)量數(shù)據(jù)(產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、流壓、動(dòng)液面等)和井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(溫度、壓力、入流剖面等)，建立生產(chǎn)狀態(tài)集；② 通過(guò)分析決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤層氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析，預(yù)測(cè)氣液流量；采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，以?xún)?chǔ)層動(dòng)態(tài)特征為約束，以最大產(chǎn)氣量為目標(biāo)，優(yōu)化排采參數(shù)并發(fā)出動(dòng)作指令；③ 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受動(dòng)作指令并實(shí)時(shí)響應(yīng)，完成生產(chǎn)調(diào)節(jié)；④ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，反饋優(yōu)化后的生產(chǎn)結(jié)果并繼續(xù)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程。該系統(tǒng)會(huì)隨著生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累以及智能體和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間的交互式學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化智能體，提升產(chǎn)量預(yù)測(cè)精度。然而，該系統(tǒng)對(duì)井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面-井下雙向信息實(shí)時(shí)傳輸和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)置有著較高要求，需要軟硬件協(xié)同發(fā)展。

3.1.5 煤礦區(qū)煤層氣“四區(qū)聯(lián)動(dòng)”井上下聯(lián)合抽采模式

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤為主，煤層氣開(kāi)發(fā)必須堅(jiān)持礦井、地面抽采“兩條腿”走路的方針。針對(duì)未經(jīng)過(guò)采礦擾動(dòng)的地區(qū)，利用地面井技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采；針對(duì)采煤擾動(dòng)區(qū)，采用礦井與地面井結(jié)合的方式進(jìn)行抽采。筆者團(tuán)隊(duì)依托煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合高瓦斯礦區(qū)煤層氣與煤炭2種資源協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)實(shí)際，提出了全礦區(qū)、全層位、全時(shí)段煤與煤層氣共采“四區(qū)”(規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、采空區(qū))聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合抽采模式及技術(shù)體系(圖10)。煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)抽采技術(shù)體系包括規(guī)劃區(qū)地面超前預(yù)抽、煤礦準(zhǔn)備區(qū)井上下聯(lián)合抽采、生產(chǎn)區(qū)精準(zhǔn)卸壓抽采和煤炭采空區(qū)地面鉆采。

圖10 煤與煤層氣共采“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合抽采模式

煤礦采前地面預(yù)抽井技術(shù)在山西晉城寺河礦實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯含氣量平均每年降低1.36～2.40 m/t，東五盤(pán)區(qū)采煤速度提高1倍以上，煤炭資源采出率提高10%以上，在晉城成莊礦實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯含氣量最高每年降低1 m/t，建成了山西省煤與瓦斯共采綠色開(kāi)采示范礦井，標(biāo)志著煤與瓦斯共采技術(shù)取得重大突破。

煤礦準(zhǔn)備區(qū)井上下聯(lián)合抽采屬加速抽采，通過(guò)井下定向長(zhǎng)鉆孔與地面井壓裂影響區(qū)溝通，實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合抽采，提高了地面煤層氣抽采量，緩解了礦井生產(chǎn)掘進(jìn)困難和生產(chǎn)銜接緊張等局面，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)備區(qū)煤炭與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)。生產(chǎn)區(qū)卸壓抽采技術(shù)是結(jié)合井下工作面回采對(duì)煤儲(chǔ)層擾動(dòng)的影響，充分利用地面采動(dòng)井組或L型井，對(duì)工作面回采過(guò)程中釋放的瓦斯進(jìn)行及時(shí)有效地抽采，以保障上隅角瓦斯不超限。此技術(shù)在晉城礦區(qū)、大同礦區(qū)、陽(yáng)泉礦區(qū)、西山礦區(qū)均進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得良好抽采效果。采空區(qū)地面抽采技術(shù)不僅在以晉城、西山、陽(yáng)泉礦區(qū)為代表的高瓦斯礦井得到應(yīng)用推廣(表7)，在大同礦區(qū)為代表的低瓦斯礦井也得到了應(yīng)用推廣。目前，采用地面鉆井排采、地面與井下聯(lián)合抽采以及本煤層鉆孔抽采等不同的技術(shù)措施已初步實(shí)現(xiàn)了煤礦區(qū)煤炭與煤層氣兩種資源安全高效協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)。未來(lái)“四區(qū)聯(lián)動(dòng)”的區(qū)域遞進(jìn)式立體抽采模式將會(huì)進(jìn)一步解決煤層氣開(kāi)發(fā)與煤炭開(kāi)采的時(shí)空矛盾，提高煤炭資源采出率，實(shí)現(xiàn)煤層氣地面開(kāi)采和井下抽采2個(gè)獨(dú)立產(chǎn)業(yè)模式的有效銜接，保障煤礦安全、綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔、高效利用。

表7 煤礦采空區(qū)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

3.2 地質(zhì)-工程一體化適配性技術(shù)探索

地質(zhì)-工程一體化的核心是地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化與實(shí)時(shí)匹配，其目標(biāo)是最大程度發(fā)揮儲(chǔ)層改造的增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)潛力，實(shí)現(xiàn)降本增效和單井高產(chǎn)。其主要內(nèi)容是地質(zhì)-油藏-方案研究一體化，鉆井和完井設(shè)計(jì)-施工工藝一體化，質(zhì)量-安全-環(huán)保-評(píng)價(jià)全過(guò)程管理一體化。具體開(kāi)展：地質(zhì)特征精細(xì)刻畫(huà)與建模、工程技術(shù)適用性評(píng)價(jià)、地質(zhì)-工程數(shù)據(jù)庫(kù)建立、配套開(kāi)發(fā)模式集成等(圖11)。

圖11 煤層氣地質(zhì)-工程一體化適配性技術(shù)示意

首先，對(duì)目標(biāo)區(qū)塊進(jìn)行精細(xì)化地質(zhì)建模，“透明”呈現(xiàn)煤層復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，表征甜點(diǎn)分布，優(yōu)選有利開(kāi)發(fā)層位。其次，結(jié)合不同的煤層地質(zhì)特點(diǎn)，采用不同的配套開(kāi)采技術(shù)。例如，煤礦區(qū)煤層氣采用地面預(yù)抽和“四區(qū)聯(lián)動(dòng)”井上下聯(lián)合抽采模式，原生結(jié)構(gòu)煤采用復(fù)雜縫網(wǎng)改造技術(shù)、叢式井技術(shù)、多分支水平井技術(shù)等；構(gòu)造煤采用頂?shù)装彘g接壓裂或水平井造穴卸壓增透技術(shù)等；深部煤采用復(fù)雜縫網(wǎng)改造技術(shù)、水平井造穴、煤炭地下氣化技術(shù)等；多/薄煤層及煤系氣儲(chǔ)層采用立體改造或穿層壓裂技術(shù)等；以生物氣為氣源的低階煤采用微生物驅(qū)替、井下生物工程等。綜合考慮地質(zhì)-工程“雙甜點(diǎn)”,通過(guò)“一井一策、一層一策”建立與地層特征相匹配的工程技術(shù)與工藝。

然后，搭建地質(zhì)-工程一體化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)，以經(jīng)濟(jì)成本、單井產(chǎn)量、投入產(chǎn)出比等為目標(biāo)，采用大數(shù)據(jù)和人工智能算法對(duì)地質(zhì)、工程多參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。再次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)、試氣試采數(shù)據(jù)反演儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)、工程改造參數(shù)(如裂縫參數(shù))等，實(shí)時(shí)優(yōu)化施工方案和參數(shù)，并校正地質(zhì)模型，形成閉環(huán)調(diào)控。

最后，在投產(chǎn)階段，采用“物理約束-數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”或機(jī)理-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的人工智能算法實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)單井日產(chǎn)量，以單井產(chǎn)量最大、開(kāi)發(fā)成本最小為多目標(biāo)，實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理制度。最終目標(biāo)是達(dá)到智能化、低碳化、配套化、經(jīng)濟(jì)化和可持續(xù)化發(fā)展。

3.3 雙碳目標(biāo)背景下煤層氣高效開(kāi)發(fā)展望

碳達(dá)峰不是能源達(dá)峰，碳中和不是零碳，油氣發(fā)展與“雙碳”目標(biāo)并行不悖?！半p碳”目標(biāo)下的油氣發(fā)展戰(zhàn)略是“穩(wěn)油、增氣、保供”?！胺€(wěn)油”指2060年碳中和后油氣需求仍有2.3億～3.0億t、4千億m，“雙碳”目標(biāo)下油氣供需矛盾依然突出。“增氣”指天然氣將在能源轉(zhuǎn)型中起到橋梁作用。保障能源安全，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，化石能源清潔低碳化，天然氣是現(xiàn)實(shí)選擇。努力實(shí)現(xiàn)原油穩(wěn)產(chǎn)2億t/a，天然氣產(chǎn)量2.6千億～3.0千億m/a，滿(mǎn)足社會(huì)主義現(xiàn)代化油氣需求。“保供”指加大油氣勘探開(kāi)發(fā)力度，保障油氣長(zhǎng)期供應(yīng)安全。

非常規(guī)油氣是未來(lái)國(guó)內(nèi)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的戰(zhàn)略接替領(lǐng)域，也是增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力軍。煤層氣高效開(kāi)發(fā)肩負(fù)著保障煤礦安全生產(chǎn)、減少瓦斯事故的責(zé)任以及清潔能源供應(yīng)、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的使命。“雙碳”目標(biāo)背景下煤層氣產(chǎn)業(yè)的“爬坡期”也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“機(jī)遇期”，清潔低碳能源替代高碳能源是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的必然選擇。因而，煤層氣產(chǎn)業(yè)應(yīng)抓住歷史機(jī)遇。一方面，繼續(xù)擴(kuò)大勘探開(kāi)發(fā)力度，向“煤系氣、深部煤、低階煤”領(lǐng)域進(jìn)軍，突破我國(guó)煤層氣“儲(chǔ)量多、產(chǎn)量低”的困境。另一方面，重點(diǎn)推進(jìn)CO-ECBM技術(shù)，發(fā)揮深部不可采煤層高產(chǎn)CH和封存CO的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

在碳中和的背景下，結(jié)合我國(guó)煤層氣開(kāi)采現(xiàn)狀、能源需求與資源分布、煤層氣發(fā)展方向，參考近年來(lái)與煤層氣高效開(kāi)發(fā)相關(guān)的研究報(bào)告、油氣重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目成果報(bào)告、中國(guó)工程院戰(zhàn)略研究與咨詢(xún)項(xiàng)目研究報(bào)告等資料，總結(jié)了我國(guó)煤層氣2020—2035年技術(shù)發(fā)展方向(表8，圖8)。煤層氣鉆完井技術(shù)方面，穩(wěn)定高效低成本的井身結(jié)構(gòu)、基于儲(chǔ)層保護(hù)的鉆井液體系、長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)、大平臺(tái)叢式井“工廠(chǎng)化”鉆完井作業(yè)模式、連續(xù)管鉆完井智能化技術(shù)、地質(zhì)-工程-鉆采一體化鉆井技術(shù)是重要的發(fā)展方向。煤層氣儲(chǔ)層改造將向著自動(dòng)化、流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠(chǎng)化方向發(fā)展；壓裂工具向全通徑、可溶解、無(wú)限級(jí)方向發(fā)展；壓裂監(jiān)測(cè)與診斷向精細(xì)化、實(shí)時(shí)可視化方向發(fā)展；裂縫設(shè)計(jì)向地質(zhì)-油藏-工程一體化方向發(fā)展；壓裂液向高導(dǎo)流能力、高支撐劑懸浮性能、無(wú)傷害、無(wú)水方向發(fā)展；支撐劑向低成本、高強(qiáng)度、超低密度、用途多樣化方向發(fā)展。煤層氣排采技術(shù)將向基于人工智能和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的智能排采、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)制度優(yōu)化管理與決策、智能預(yù)警的方向發(fā)展。

表8 2020—2035年我國(guó)煤層氣技術(shù)發(fā)展方向

以上技術(shù)瓶頸背后的核心科學(xué)問(wèn)題主要有：煤-液相互作用機(jī)制及對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響、碎軟煤層破裂及裂縫擴(kuò)展機(jī)理、天然裂縫(層理、割理、節(jié)理等結(jié)構(gòu)弱面)與水力裂縫的相互作用機(jī)理、多層/薄層/巖性疊置儲(chǔ)層裂縫縱向穿層擴(kuò)展機(jī)理與控制方法、多甜點(diǎn)精準(zhǔn)/靶向壓裂機(jī)理、低壓/常壓儲(chǔ)層低傷害高效增能機(jī)理與實(shí)施方法、深部煤層高溫高應(yīng)力巖石破裂及縫網(wǎng)形成機(jī)理與控制方法、深部煤層原位流態(tài)化開(kāi)采下的巖體應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)的多物理場(chǎng)耦合理論等。

基于以上技術(shù)方向和擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃綱要，提出了2020—2035年煤層氣開(kāi)發(fā)發(fā)展路線(xiàn)展望圖(圖12)。以“實(shí)現(xiàn)智能化、低碳化、配套化、經(jīng)濟(jì)化、可持續(xù)化發(fā)展”為基本理念，以“研發(fā)智能勘探-鉆采-生產(chǎn)管控技術(shù)裝備、建設(shè)智慧能源平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo)任務(wù)，以原創(chuàng)性、引領(lǐng)性、顛覆性技術(shù)體系如固態(tài)流態(tài)化開(kāi)采、水平井水力噴射分段造穴、超臨界CO聚能壓裂與CCUS一體化、煤炭地下氣化-煤系氣聯(lián)采等為關(guān)鍵手段，構(gòu)建智慧煤層氣田，實(shí)現(xiàn)單井日產(chǎn)量和采收率的突破。

圖12 2020—2035年我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)發(fā)展路線(xiàn)展望

4 結(jié) 論

(1)煤炭是我國(guó)能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的“兜底保障”。作為煤炭開(kāi)采的伴生產(chǎn)物，煤層氣是優(yōu)質(zhì)高效、綠色清潔的低碳能源，加快煤層氣開(kāi)發(fā)利用，是我國(guó)推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的重要途徑，也是國(guó)家能源安全保障的基石之一。目前，我國(guó)煤層氣在鉆井、完井、壓裂、排采、提高采收率及人工智能方面均取得了較大突破。鉆井方面，井型設(shè)計(jì)、鉆井工藝和鉆井液體系不斷豐富與完善，但仍需結(jié)合煤層特性，保障經(jīng)濟(jì)、高效、安全、穩(wěn)定成井；完井方面，主要形成了洞穴完井、篩管完井和套管完井技術(shù)及配套井下工具，井筒與儲(chǔ)層之間的連接逐漸增強(qiáng)；壓裂方面，主要形成了碎軟煤層間接壓裂、分段/分層壓裂、無(wú)水/少水壓裂等，壓裂規(guī)模和效果不斷提升；排采方面，針對(duì)不同區(qū)塊形成了配套的多種排采技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化排采；提高采收率方面，從基礎(chǔ)理論到現(xiàn)場(chǎng)工程示范已不斷取得進(jìn)展，CO-ECBM將成為煤層氣綠色低碳開(kāi)發(fā)的重要趨勢(shì)；人工智能方面，主要集中于地質(zhì)探測(cè)與評(píng)價(jià)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和排采優(yōu)化3個(gè)方向，智能化識(shí)別、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和優(yōu)化水平不斷提高。

(2)我國(guó)的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)逐步向煤系地層、深部煤、低階煤等領(lǐng)域邁進(jìn)。但受限于復(fù)雜的儲(chǔ)層地質(zhì)條件，缺乏與不同儲(chǔ)層相適應(yīng)的鉆井、完井、壓裂、排采配套技術(shù)體系，“單井產(chǎn)量低”長(zhǎng)期難以改變?！暗刭|(zhì)-工程一體化”是解決當(dāng)前復(fù)雜煤層開(kāi)發(fā)困難的有效手段，需要在煤層氣開(kāi)發(fā)的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化與實(shí)時(shí)匹配，從而最大程度發(fā)揮儲(chǔ)層改造的增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)潛力，形成適用于我國(guó)復(fù)雜煤層地質(zhì)條件的高效開(kāi)發(fā)技術(shù)體系。筆者團(tuán)隊(duì)提出了煤層氣高效開(kāi)采的總體思路為：特定條件+適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)，鼓勵(lì)多氣合采、煤氣共采，并提出幾項(xiàng)具體的儲(chǔ)備型技術(shù)，包括深部煤層超臨界CO徑向井注入-聚能壓裂-CCUS一體化、液氮-氮?dú)鈴?fù)合/循環(huán)壓裂、水平井水力噴射分段造穴、煤層氣智能完井與排采決策系統(tǒng)、煤礦區(qū)煤層氣“四區(qū)聯(lián)動(dòng)”井上下聯(lián)合抽采模式等。

(3)在“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)導(dǎo)向下，煤層氣產(chǎn)業(yè)需加強(qiáng)規(guī)劃、突出重點(diǎn)，為國(guó)家“雙碳”目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。一方面，繼續(xù)擴(kuò)大勘探開(kāi)發(fā)力度，強(qiáng)化煤層氣開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)研究，實(shí)施先導(dǎo)性示范工程，推動(dòng)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性、顛覆性技術(shù)研發(fā)，突破我國(guó)煤層氣“儲(chǔ)量多、產(chǎn)量低”的困境，建立適用于我國(guó)煤層氣低本高效的開(kāi)發(fā)模式。另一方面，以“地質(zhì)-工程一體化”為核心，不斷推進(jìn)智能化、低碳化、配套化、經(jīng)濟(jì)化和可持續(xù)化發(fā)展的開(kāi)采技術(shù)，構(gòu)建能源大數(shù)據(jù)平臺(tái)與智慧煤層氣田，推動(dòng)“低碳”能源供應(yīng)。