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一个项目悄然启动让开发新疆煤层气不再望气兴叹

  “看着一块‘肥肉’,不仅吃不到嘴里,而且胆敢去吃还有生命危险!”10月26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教授告诉科技日报记者:“新疆煤层气,就像那块‘肥肉’。”

  谁都知道,新疆煤层气资源储量巨大!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%。然而,6年前,在新疆建成的58口勘查气井中,不仅没有一口达到商业气产量,而且瓦斯灾害多发。致使不少人望气兴叹,逐渐失去了对新疆地区煤层气开发的信心,直到一个项目的悄然启动,这个局面才得到彻底改变!

  “让人们对新疆望气兴叹的一个重要原因,就是那里的地质条件复杂。这主要表现在:地质构造复杂,断层多,褶皱紧密,倾角大,地应力大;渗透率低,空间变异性大;煤层变形严重,构造煤发育,而构造煤是煤层气开采的禁区。” 10月26日,在河南理工大学,曹运兴告诉科技日报记者。

  曹运兴至今清楚地记得,那是6年前的3月7日,他突然接到了一个电话,是新疆科林思德新能源有限责任公司董事长郜琳打来的。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和不稳定,准备从地面开发煤层气来弥补电厂气量的不足,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。

  作为煤层气专家,曹运兴知道,阜康矿区邻近乌鲁木齐,矿区面积307.92平方公里,赋存煤炭资源84亿吨,预测煤层气资源量450亿立方米,可抽采量200亿立方米。阜康现阶段规划有28座煤矿,其中17座生产矿井,年产煤炭1011万吨。

  在此之前,科林思德已经详细调查了阜康矿区煤层气开发的历史与现状,当时阜康矿区已经完成了近10口参数井和生产试验井,都没有实现良好的产气量目标。再加上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,更是给阜康煤层气开发增添了难度。

  “当时我也没有立刻答应郜总,而是打电话咨询了业内多位学者的意见,他们都是从事煤层气研究和工程开发领域的一流专家。大家担心甚多,阜康矿区地质条件太复杂,中国目前不具备在这里进一步进行开发试验的可能性,无论井位选择还是先导开发技术,都存在重大挑战。”曹运兴说。

  “我对新疆煤层气开发前景深怀期待,在没有得到足够地质证据说服自己放弃之前,对新疆始终抱有希望。而且根据地质学规律,构造再复杂的地区也会有相对稳定的区段。相信在阜康300多平方公里的矿区一定能找到合适的建井位置。”曹运兴集中研读科林思德公司提供的相关地质资料,并勾画了一幅阜康矿区的煤层气开发地质选区草图和技术路线。

  该矿区自东西向长度为57公里,南北向长度为3公里至15公里,呈由南向北弯曲的弧形长条段。根据断层和构造情况,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公里,构造变形十分剧烈。

  阜康矿区构造形态和动力学机制进一步分析表明,阜康中部块段应力最为集中,煤层破坏可能比较严重,很可能出现区域分布的构造煤;而东、西两块段构造情况相对简单,尤其是西部块段,受控于妖魔山断层西部走滑机制影响,变形相对较弱,煤层气赋存条件可能较好。他们依据这一分析,做出了阜康矿区煤层气选区研究的基本框架:重点攻克东、西部两端,进一步考察和研究中部。

  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,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,彻底查明构造煤分布和煤层气赋存情况,采集煤样,全面分析瓦斯地质参数。”据曹运兴介绍,当时阜康矿区自西向东总共有24个矿井,除去在建矿井和其他原因无法下井的,课题组调查了19个。

  通过两个多月的井下调查和室内分析,曹运兴和他的团队基本证实了前期关于阜康矿区储层地质的基本预测,并形成了一份阜康矿区煤层气开发地质评价报告,创新性的标注出了阜康矿区煤层气开采的路线日,在项目验收评议会上,有专家给出的评价是:这是迄今为止对阜康矿区煤层气储层地质进行的一次最完整、最深刻的认识。

  2012年8月,经过谨慎决策,曹运兴团队确定了第一口先导试验井的位置,位于阜康矿区西部块段气煤一井井田内。

  “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。”田林笑着说,“当时我们发现西部块段煤体结构好,含气量和渗透率也高于东部块段。结合西部矿井井下瓦斯抽采效果较好等综合分析,认为西部区域是非常有潜力的。而且,科林思德的发电厂也在附近,优先开发西部,可减少输气管道建设费用,加快建产速度。”

  综合考虑到风氧化带的影响,第一口井的目标煤层埋深750米左右,命名为“CSD01井”。

  该井于2012年12月完井,12月完成压裂增产改造,2013年1月开始排采,到2013年3月底,日产量达到并维持在2300m³/d左右,这在新疆地区前所未有。作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3000m³/d,从经济效益上来讲并不划算。”曹运兴对阜康煤层气产量和开发远景期待已久,显然对当时的日产量感到意外。

  为了提高产能理论分析水平和产能预测的可靠性,曹运兴花费20万元从美国购买了一套英文原版的专业煤层气产能模拟评价软件COMET3。根据他们井下对煤层调研的认识,并结合实验室实验和CSD01井气含量、试井参数、压裂和排采动态参数等,对该井的产气潜力进行了系统的数学计算和模拟,最后预测该井的峰值日产量为13000立方米,比当前产量高出6倍。鉴于COMET3是世界上最为可信的煤储层评价和煤层气产能预测的专业软件和参与计算基础参数的可靠性,课题组收到了巨大鼓舞,对预测结论充满信心,对阜康煤层气开发远景增添了更高的期待。

  “中国煤层气开发这么多年,很少有直井的日产量能破万立方米,我们都不敢相信,但反复多次计算和模拟的结果确实如此。”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,石玢就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,曹运兴又对石玢说:“你还是汇报日产量7000立方米吧,科林思德和专家们更容易接受。在过去13年开发历史上没有日产3000方的记录,”

  即便如此,当石玢说出日产量7000立方米这个数字时,会场一片哗然。他回忆说:“我的普通话不是很好,带一点河南口音,当我说出7000立方米这个数字时,专家们议论纷纷,一度造成了汇报的中断,场面十分尴尬,还是曹老师替我解围,鼓励我继续汇报。可能是大家都觉得我年纪太小,没有经验,不相信,在这信口开河的吧。”

  汇报结束后,曹运兴上台替学生做解释:“大家不要惊讶,我们这个数字少说了一半,线立方米。”

  根据新疆和阜康煤层气开发历史和CSD01井的当下现状,没有谁能相信这一高产预测结果。

  会后科林思德公司技术人员与曹运兴团队进行了认真的交流和讨论,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,重新制定了排采方案。随后日产气量逐步升高,同时他们发现该气井的日产气产量和套压呈矩形波状波动,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,保持目前的排采方案不变,继续排采生产,并时刻关注套压变化情况!”

  果不其然,没过多久,该气井的日产量迅速上升,并于2014年5月11日这一天达到峰值17125立方米,刷新了阜康乃至新疆煤层气开发历史日产气量纪录;在同一井区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日产量记录,它们是迄今为止全国单口直井的最高日产气量纪录。

  截至目前,该气井已累计产气1600万立方米,产生直接经济效益3000多万元。该气井组的成功,一方面缓解了气煤一井井下瓦斯治理的压力,另一方面,对比当地煤矿每立方米10元的井下瓦斯抽采成本,它为煤矿带来了巨大的经济效益。

  阜康煤层气开发的主要技术成果表现在“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,项目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分层多段压裂高效开发技术和大倾角厚煤层走向井眼布置水平井的钻井技术优势和高产潜力优势等技术系列。

  在这一理论指导下,科林思德公司完成了新疆地区的第一口煤层气水平井,日产量达到35000立方米,且长期保持稳定,再次刷新了新疆煤层气开发历史上单井最高产量,成为新疆煤层气开发历史的里程碑工程。

  “煤层气开发是系统工程,首先是可靠诊断储层的和特征参数,其次开发针对储层特征的有效改造增产技术。目前国内外煤层气开发的都是近水平煤层,对于倾角达到45°—80°的极倾斜煤层涉足很少。课题组花费两年时间,通过理论计算和数字仿真技术,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,揭示了大倾角厚煤层水力压裂裂缝发生的规律和力学机理。”曹运兴说。

  2012年至2017年的6年间,河南理工大学完成的“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,通过研究,形成了复杂地质条件下煤层气区块的“构造选区、煤/气选层”的选区新方法,发现并优选出煤层气开发甜点高产区段;研究开发了大倾角厚煤层分层多段压裂和复杂结构走向水平井的高产钻完井技术体系;在阜康矿区完成的第一批煤层气井相继三次刷新了新疆煤层气开发史上的单井最高产量纪录,两次刷新了全国煤层气开发历史的直井日产纪录……该项目是地质、工程一体化研究的综合性成果,在整个过程中体现了两者结合研究的重要性和必要性。

  对于瓦斯地质研究,曹运兴有着自己的看法:“当地质评价比较接近实际情况时,应通过地质取样进一步证实问题诊断的可靠性,挖掘到事情的本质上去。要注重寻求先进的技术。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煤层气开采技术,我们不能夜郎自大,要虚心学习,这是最好的捷径。要灵活运用自主创新、联合创新,不断提升自身理论认识。当然,瓦斯地质研究的最终目的是把气抽出来,为生产单位解决实际问题。搞科研不能脱离生产,否则理论再先进、技术再领先都白搭!”

  “新疆阜康大倾角厚煤层煤层气开发关键技术研究与应用”项目共完成示范工程井22口,3年新增煤层气产量3233.7万立方米,新增销售额和利税11067.77万元和3377.15万元。该项目成果为新疆通过地面煤层气开发治理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,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。

  该项目引起国家能源局和业内专家的关注。2014年6月和8月份,曹运兴和高琳等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煤层气开发项目的进展情况。分管负责人说:“新疆煤层气资源丰富,我们在‘十一五’‘十二五’期间就是一直不敢往那里投资科研和先导性试验,怕不产气。你们这次是让新疆煤层气重新看到了希望!”

  “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5.8亿元,其中国家拨款2.3亿元,自治区投资3.5亿元。新疆煤层气产业基地建设列入国家《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》。若进展顺利,仅开发准噶尔盆地3.8万亿的煤层气资源,就将创造直接经济效益万亿以上,这对推动国家煤层气开发战略西移,促进我国能源结构转好,改善大气质量具有重大现实意义。

  曹运兴和他带领的科研团队用奋斗和坚守交出了一份新疆煤层气开发的新答卷……