科技日报记者 赵向南
1月10日，记者从山西煤与煤层气共采全国重点实验室获悉，该实验室研发的“煤炭采空区下伏煤层煤层气地面抽采关键技术与示范”（以下简称“采空区下煤层气地面抽采关键技术”），在获得山西省科技进步奖一等奖之后，又获中国技术市场协会金桥奖二等奖。
“这项成果形成了适用于过采空区、抽采下组煤煤层气的关键理论及成套技术，并在山西晋城矿区大规模应用，为我国煤炭采空区下组煤的煤层气地面预抽提供了理论依据和示范样板。”该重点实验室研究室主任季长江博士表示。
采空区下煤层气地面抽采技术研发依托晋城矿区煤与煤层气共采实践开展。季长江说，晋能控股集团寺河矿区经多年开采煤炭后，3号煤层形成了面积约为169平方公里采空区。煤层采空卸压后，给采空区下方的9号、15号煤层开采及煤层气地面预抽，带来了巨大技术挑战。“如果解决不了，就会严重阻碍制约矿井后续资源接替与采掘衔接，影响煤矿安全生产和产能释放，也会造成大量瓦斯气体排放污染大气环境。”季长江表示。
如何安全高效穿越3号煤层采空区，是下组煤煤层气地面预抽亟须解决的难题。“穿越大规模采空区抽采下组煤的钻井过程中，使用常规钻井液钻井，在穿越采空区时，钻井液漏失严重，无法正常循环造成钻井失败；使用空气钻进工艺，虽能解决漏失，但部分空气可能会沿裂隙逸入井下，极易导致煤层自燃，增加煤矿安全隐患，因此需要研发安全高效的钻完井技术。”季长江说，此外，3号煤层采空卸压后，上覆岩层的应力分布、裂隙发育情况和采空区空间形态特征、采空卸压后对下伏煤岩层的渗透性影响、下组煤的煤层气赋存状态及运移情况、适用的压裂改造技术及配套的排采技术等，均需要研究清楚并探索研发相适应的解决措施。
研发人员确定了3号煤开采形成的顶部垮落带、裂隙带、弯曲下沉带及相对应的区域“三区三带”范围，并开展了采空区形态、下组煤煤层气赋存状态及运移规律、渗透率变化特征、钻完井关键技术、压裂改造及排采技术攻关。“我们创新设计了过采空区煤层气井的井身结构，研发了氮气介质潜孔锤钻进、跟管钻进等安全高效钻完井成套技术工艺，使用惰性气体氮气代替钻井液和空气，解决了常规钻井液钻进、空气钻进带来的难题。”季长江补充说，还创新设计了采空卸压区煤层差异化压裂改造技术、采空卸压区煤层差异化排采控制技术，减少了对煤层的伤害，最大程度地释放了煤层气井产能。
这一成果对煤炭采空区下伏煤层的煤层气地面高效抽采，实现保障矿井安全生产、补充清洁能源、降低温室气体减排三重效益具有重要现实意义。据介绍，该成果已通过了山西省科技成果转移转化促进与数据监测中心组织的科技成果评价，科研水平达到了国际领先。
目前，该成果已在山西寺河、岳城等矿区进行了推广与应用，截至2022年底，累计施工投运煤层气井203口，日产气量约54.7万立方米，累计产量6.37亿立方米，创造产值10.83亿元，相当于减排二氧化碳955.5万吨。
