书写煤层气开发的“中国故事”

　　——记河南理工大学曹运兴科研团队

　　◎  徐春浩 田林 胡华伟

　　从科技引领到“禁区”突破，从矿工生命“守护天使”到重振新疆煤层气开发信心……河南理工大学曹运兴科研团队历经13余载的艰辛探索和工程实践，攻克了选区评价、复杂结构井钻完井及多项高效增产改造等关键技术难题，多次刷新全国煤层气地面抽采产量的历史纪录，为复杂地质条件储层煤层气开发提供了示范。

　　在2020年国家科学技术奖励大会上，由河南理工大学和中国石油大学等单位合作，曹运兴教授科研团队完成的“复杂地质条件储层煤层气高效开发关键技术及其应用”研究成果，获得国家科学技术进步二等奖，这是我国煤层气开发领域第一个以开发技术为核心的国家科技奖。该成果助推了煤层气产业上产增效和科技进步，对改善清洁能源供给、煤矿瓦斯治理以及实现双碳达标等国家战略目标影响深远。

　　曹运兴在矿井下研究煤层气储存状况

　　书写煤层气开发科技创新的中国故事

　　煤层气，又称煤矿瓦斯，是赋存于煤层中的非常规天然气，全球资源量270万亿立方米，与常规天然气相当，留在煤层是煤矿瓦斯灾害的无穷隐患，开发利用是优质的绿色低碳能源。受低渗低压、构造煤等复杂地质条件的多重影响，我国煤层气开发技术难度极大、有气难采出、单井产量低，严重制约了煤层气开发的产业进程。

　　面向国家能源战略需要，曹运兴团队长期聚焦攻关复杂地质条件储层煤层气高效增产这一行业瓶颈难题，砥砺奋进，实现了从基础科学研究、先导性工程试验到产业化应用的“三级跳”，书写了煤层气开发技术创新的“中国故事”。

　　“在煤层气开发领域，我国还存在着一定的短板。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。” 曹运兴说：“我们要抓住影响中国复杂地质条件储层煤层气高效开发的主要矛盾，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、精准施治，这是中国煤层气产业发展的必经之路，也是团队多年来秉承的研发理念。”

　　曹运兴带领团队长期探索、躬身践行，走出了中国特色煤层气开发地质-工程一体化创新发展的新路子，先后建立了复杂地质条件煤储层综合选区与分类评价方法，发明了复杂结构井导向钻井随钻测控技术和双管柱筛管完井与洗井增产一体化技术，研发了低渗低压和大倾角煤储层的增产改造成套技术。成果推广应用近3年，累计产气14.4亿立方米，取得直接经济效益24.1亿元，节约瓦斯治理费用87.3亿元，解放高瓦斯煤炭6.9亿吨，减排二氧化碳2160万吨。

　　“项目成果突破了复杂地质条件储层煤层气高效开发的技术瓶颈，有力推动了我国煤层气行业的科技进步，对于深入推进能源革命综合改革，全面实施创新驱动战略具有积极作用。”中国工程院院士张铁岗评价到。

　　改写多个矿区煤层气开采长期无法破局的历史

　　复杂储层煤层气开发在山西潞安首先突破。

　　潞安矿区煤层气属于大型煤层气田，1997年至2012年，先后完成六轮煤层气勘探开发，单井日产气量一直在100立方米~200立方米徘徊。2010年12月，曹运兴引进先进测试技术，对储层地质条件进行二次全面诊断，第一次深刻揭示了特低渗和超低压储层特征及其形成机理，储层压力系数从之前的0.74降低到实际的0.40，从根本上扭转了对该区储层性质的认识，创造性开发了具有储层保护和高效增渗双重效应的氮气泡沫酸化压裂技术，一举将试验区煤层气平均产量提高到608立方米/天，其最高井日产达2400立方米/天，第一次实现了瓦斯地面抽采的产量目标，创造了潞安矿区煤层气开发15年来的最高产量，拉开了这里规模化开发的序幕。

　　在曹运兴从事的复杂地质条件储层煤层气开发研究中，新疆案例具有典型意义和启示。新疆煤层气资源丰富，但该地区地质构造复杂，断层多，构造煤发育，空间变异性大。2012年以前的12年间，已经完成了58口勘探开发井，但没有一口井能够达产。更为严峻的是，这里历史上煤矿瓦斯灾害多次发生，矿工生命安全受到严重威胁。

　　2012年4月，曹运兴带领团队来到新疆准噶尔盆地南缘的阜康矿区，深入煤矿井下，采用传统瓦斯地质学方法，地毯式调研了19个煤矿。他综合大地构造和煤层构造特征，在天山北麓复杂逆冲断带上发现了构造相对简单区，进一步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，在所完成的先导性工程试验中，相继两次刷新新疆和全国煤层气直井、定向井的最高日产纪录，支撑建成新疆第一个煤层气产业基地。这一成果再次突破禁区，终结了新疆煤层气开发无商业产量的历史，其成果对推进国家煤层气开发的战略西移具有重要引领和示范作用。

　　成就已经成为过去，科学追求没有止境。我国复杂煤层气开发征途漫漫、关山重重。曹运兴和团队成员已经设计了新的目标，期待在煤层气开发基础理论上实现新突破、努力在科学实践上挑战新禁区。“长期以来，河南理工大学几代人坚守致力于煤矿瓦斯地质和煤层气开发理论研究，曹运兴团队开辟了瓦斯开发地质学及其应用的新方向，多项成果达到国际领先水平，荣获国家科技奖励，这是我们未来学科创新发展的基石和新的生长点。”河南理工大学党委书记邹友峰说：“学校将进一步加大对该团队的支持力度，聚焦基础研究和产业带动，不断提高煤层气产业的经济效益和社会效益，为我国能源安全保障、清洁能源供给和生态文明建设做出新的更大的贡献。”