Distribution characteristics and exploration and development prospects of coalbed methane resources in Sinopec
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摘要:
自2019年鄂尔多斯盆地实现深层煤层气勘探突破以来，我国煤层气产业加速向深层领域拓展。针对中国石化探区煤层气资源类型复杂多样、储层禀赋空间异质性强等特征，基于“典型区块解剖−参数体系构建−区域外推应用”3级递进评价流程，系统开展探区内煤层气资源评价与分布特征研究，旨在支撑产业战略布局优化，主要取得以下认识：① 中国石化探区内埋深4 000 m以浅的煤层气地质资源量达到10.31×1012 m3，可采资源量为3.07×1012 m3，主要分布于鄂尔多斯、川南黔北、准噶尔、渤海湾及滇东黔西等盆地（群）；② 74.6%的资源量（7.69×1012 m3）分布于山地、沙漠和黄土塬等复杂地貌单元，导致勘探开发面临显著地表工程挑战；③ 中高阶煤层气资源丰富，地质资源量8.95×1012 m3，占比达86.9%，集中分布于鄂尔多斯、川南黔北、渤海湾和滇东黔西等含气盆地（群）；④ 深层煤层气（埋深>1 500 m）勘探潜力大，地质资源量7.59×1012 m3，占比达到73.6%，其中中高煤阶深层煤层气地质资源量达6.95×1012 m3，主要分布于鄂尔多斯和川南黔北盆地（群）；⑤ 建议沿“基础理论深化—核心技术攻关—开发策略优化—产业基地建设”路径推进，重点构建深层煤层气差异化开发技术体系，驱动产业高质量发展。以上成果认识不仅为中国石化煤层气勘探开发战略布局提供了定量决策依据，更为行业资源勘探开发提供了可推广的技术范式。
Abstract:Exploration breakthroughs of deep coalbed methane (CBM) in the Ordos Basin have driven rapid industry development since 2019. Based on the characteristics of complex coalbed methane (CBM) resource types and strong spatial heterogeneity of reservoir attributes in Sinopec's exploration areas, this study systematically conducts CBM resource evaluation and distribution characteristics research through a three-tiered progressive evaluation process encompassing “typical block analysis-parameter system construction-regional extrapolation and application”, aiming to accelerate Sinopec’s CBM industry growth and optimize exploration strategies. Key findings include: ① Sinopec’s exploration areas contain 10.31 × 1012 m3 of geological CBM resources (burial depth<
4000 m), with 3.07 × 1012 m3 recoverable, primary distributed in the Ordos, southern Sichuan-northern Guizhou, Junggar, Bohai Bay, and eastern Yunnan-western Guizhou basins; ② 7.69 × 1012 m3 (74.6% of total resources) are located in mountainous, desert, and loess plateaus terrains, significantly increasing exploration and development complexity; ③ Mid to high rank coals host 8.95 × 1012 m3 (86.9% of total resources), predominantly in the Ordos, southern Sichuan-northern Guizhou, Bohai Bay, and eastern Yunnan-western Guizhou basins; ④ Deep CBM (burial depth>1 500 m) shows high exploration potential, with a geological resource of 7.59 × 1012 m3 (73.6% of total resources), inluding 6.95 × 1012 m3 from mid to high rank coals concentrated in the Ordos and the southern Sichuan-northern Guizhou basins; ⑤ Sustained fundamental research, prioritized core technology development, differentiated exploitation strategies, and deep CBM industrial base construction are critical for industry advancement. The above findings provide a scientific foundation for Sinopec's CBM strategic planning while establishing a replicable framework for CBM exploration in other regions. -
0. 引 言
煤炭与煤层气（煤矿瓦斯）作为2种同源共生的资源（为了统一术语，文中涉及地面抽采通用“煤层气”，井下抽采通用“瓦斯”），在开发过程中密切相关且相互影响。我国现有高瓦斯矿井千余座，且随着开采深度的增加，高瓦斯突出矿井的占比越来越高。因此，煤层气（煤矿瓦斯）仍然对矿井安全生产带来巨大威胁。而煤层气又是一种清洁的气体能源，开展煤层气抽采具有“降碳减排、保障安全、补充能源”三重功效[1-5]，同时也是助力我国“双碳”目标实现的重要手段[6-7]。我国煤矿区煤层气资源丰富，煤炭作为我国的“兜底”能源的地位短期内不会改变，煤矿区煤层气抽采必将是我国煤层气抽采的长期主战场。煤矿区的煤层气开发首要任务是保障矿井安全生产，同时，获取清洁能源，补充常规天然气不足的缺口，减少瓦斯排放，保护环境。煤层气开发受井下煤炭开采影响明显，在进行煤层气抽采时应充分考虑到煤炭资源的采掘规划。因此，在煤矿区如何实现井下煤炭与地面煤层气两种资源的高效协调开发，是摆在高瓦斯矿井安全生产亟需解决的难题，开展煤矿区煤层气和煤炭协调开发理论与共采技术研究刻不容缓。
晋城矿区寺河矿作为典型的高瓦斯突出矿井，煤层原始含气量大，已严重制约了矿井的安全高效生产。开展煤与煤层气共采技术研究，对降低煤层含气量，推进煤层气资源有效利用，保障煤矿安全生产具有重要意义。
1. 煤矿区煤与煤层气共采技术发展历程与研究背景
1.1 我国煤矿瓦斯治理历程
开展煤层气（煤矿瓦斯）抽采，是降低煤层含气量，保障矿井安全生产的重要手段。我国煤矿区井下瓦斯抽采量从20世纪60年代的每年1亿多m3，增加至90年代末的近8亿m3；随着高瓦斯矿井占比提升，瓦斯抽采方法、技术与装备等快速发展，瓦斯抽采规模与抽采矿井数量逐年上升，2023年我国井下瓦斯抽采量约130亿m3。根据煤矿井下瓦斯抽采和地面煤层气开发的发展历程，可划分为4个阶段[8-10]。
1）探索阶段：20世纪50～80年代，依据不同时间瓦斯抽采技术的发展特点，将该阶段细分为高透气性煤层瓦斯抽采、邻近层卸压瓦斯抽采、低透气性煤层强化抽采及综合抽采四个节点[11]。该时期，科研院校与煤矿企业通过对国外瓦斯治理技术和经验的引进、消化与吸收，结合我国煤矿实际生产中呈现的特点，探索适用于国内煤与瓦斯突出防治的理论方法与技术。
2）局部抽采阶段：20世纪80～90年代，井下瓦斯抽采技术快速发展与地面煤层气抽采的起步与尝试。在政府各项政策的积极引导和推动下，井下瓦斯抽采技术迅速发展。1996年，130余座矿井建成了较为完备的井下瓦斯抽采系统及地面瓦斯输配管线，年度瓦斯抽采总量为6.3×108 m3。该时期，地面煤层气抽采也进入了积极探索阶段。原能源部于1989年11月在沈阳召开的第一次全国“开发煤层气研讨会”，极大促进了我国煤层气勘探开发事业的发展[12]。
3）区域与局部抽采并重发展阶段：21世纪初，井下瓦斯开始了规模化抽采，地面煤层气开发也进入了商业化运行阶段，煤矿瓦斯治理技术由局部治理向区域性治理转变。2005年3月22日由国家发展改革委、国家安全监管总局和国家煤矿安监局共同颁布的《煤矿瓦斯治理经验五十条》明确指出煤矿瓦斯综合治理要坚决贯彻“先抽后采、监测监控、以风定产”的总工作方针。2006年国务院办公厅发布的《关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》又进一步明确了必须坚持“先抽后采、治理与利用并举”的指导方针，改善煤矿安全状况、解放生产力。2007年国家安全监管总局与国家煤矿安监局联合印发的《关于加强煤矿瓦斯先抽后采工作的指导意见》要求煤矿区应充分认识到先抽后采的重要性及紧迫性，将先抽后采落实到矿井设计与生产规划中，加大预抽力度、优先采用地面区域预抽技术。2009年颁布的《防治煤与瓦斯突出规定》明确了我国瓦斯治理整体进入区域防突与局部防突措施同步实施的两个“四位一体”综合防治阶段。在煤层气地面预抽方面，充分将煤矿区煤层气地面开发和井下瓦斯治理有机结合，在山西晋城矿区取得了较为显著的成绩，根据矿井采掘衔接规划，初步建立起了煤矿区煤层气（煤矿瓦斯）“三区”联动立体抽采模式，即晋城模式[13]，探索形成了煤矿区煤层气立体化、规模化抽采的新途径。至2015年底，全国煤层气新增探明地质储量350.4亿m3，新增煤层气井数量达
11300 余口，全年煤层气地面抽采量在44亿m3左右，煤矿区煤层气地面抽采进入到新阶段。4）井上下联合抽采为主的综合治理阶段：2016年至今，煤与煤层气协调开发稳步推进，地面煤层气开发与井下瓦斯抽采处于快速上升阶段。2019年颁布实施的《防治煤与瓦斯突出细则》第六条明确了“先抽后建、先抽后掘、先抽后采、预抽达标”的总体要求，并在第十六条进一步细化了“首采区煤层瓦斯含量≥12 m3/t时，要采用地面井进行瓦斯预抽，且预抽率应>30%”。当前，全国地面煤层气井数已超
22000 口，煤层气井数量与抽采规模均得到了显著的提升，2023年地面煤层气抽采量达到117.7亿m3[14]，井下瓦斯抽采量130亿m3左右。煤矿区煤层气井上下联合抽采已取得了显著的效果，保障了矿井的安全高效生产，实现了煤与煤层气协调开发，得到了越来越广泛的认可与推广[15]。通过归纳总结，当前，国内煤与煤层气共采方面的探索主要包括两淮、松藻、晋城三种模式[16-17]。
1.1.1 两淮模式
两淮矿区（淮南、淮北矿区）是我国典型的深部高瓦斯煤层群[18-19]。煤与煤层气共采模式为煤层群井上下联合抽采模式，该模式主要利用保护层的采动卸压，增加被保护层的透气性，进行煤岩层消突，同时，采用地面煤层气井进行辅助抽采，达到煤与煤层气共采的目的[20]。两淮矿区地处华北聚煤区南部，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组为区内主要含煤层位，矿区地质条件较复杂，煤储层碎软低渗，不利于煤层气的高效抽采。两淮模式将煤与煤层气在时间上按采前、采中、采后进行划分；在空间上按规划、准备、生产和采空区划分，从而实现两种资源的协调开发与共采[21]。两淮模式在时间上接续，在空间上协同，形成了煤层群条件下特有的煤与煤层气共采技术体系和开发模式。
1.1.2 松藻模式
松藻矿区的煤与煤层气共采模式为单一煤层/煤层群井下抽采技术体系，未涉及地面井开采技术。松藻矿区煤层存在突出危险性高、瓦斯抽采困难、邻近层瓦斯涌出量大等难题[23-26]，针对上述难题，依据采掘先后顺序，建立起掘进前石门揭煤预抽与保护层穿层钻孔条带预抽；采前、采中保护层顺层钻孔抽采；采中被保护层穿层钻孔卸压抽采；采后保护层和被保护层采空区抽采[27-28]。
1.1.3 晋城模式
晋城矿区主采煤层为山西组3号煤，太原组9号、15号煤，各煤层含气量非常高，部分矿井突出危险性大。依据煤矿区煤炭开采的时空接替演化规律，创建了煤矿区“三区”（规划区、准备区、生产区）联动井上下联合抽采模式—晋城模式。该模式与技术体系的研发成功，有效解决了煤层气抽采与煤炭采掘衔接不同阶段的对应关系，从地面、井下建立起立体的煤层气抽采技术体系，保障了矿井的安全生产[29]。但随着煤炭开采的不断推进，煤炭采空区面积不断增加，结合矿井生产与地面煤层气抽采面临的新形势，晋城矿区煤与煤层气的共采技术逐步发展为全矿区、全层位、全时段的“四区”（规划区、准备区、生产区和采空区）联动的煤与煤层气共采技术体系与联动机制[30-31]（图1）。“四区”联动煤与煤层气共采模式，地面井预抽煤层气可充分发挥规模和空间优势，弥补井下瓦斯抽采受限于施工空间约束的不足；井下煤炭开采引起的卸压增透，则可以进一步助力地面煤层气抽采，在技术上优势互补，在时间和空间上相互协调，显著提升了煤炭生产与煤层气抽采的效率[32]，并在山西重点煤矿区得到了广泛推广与应用。
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图 1 晋城矿区四区联动煤与煤层气共采机制Figure 1. Coal and CBM co-mining mechanism of 'four region linkage' in Jincheng mining area1.2 研究背景
寺河矿位于山西省晋城市沁水县，处于沁水盆地南部，地理位置如图2所示，矿井生产规模为900万t/a。
寺河矿主要含煤地层平均总厚136.02 m，共含煤15层，自上而下编号为1、2、3、5、7、8−1、8−2、9、10、11、12、13、13下、15、16号，煤层总厚13.88 m，含煤系数10.20%。其中3、9、15号煤层为可采煤层，平均总厚9.52 m，煤层厚度与顶底板发育情况如表1所示。其中3、15号煤层为稳定全区可采煤层，9号煤层为较稳定大部可采煤层。3号煤为主采煤层，厚5～7 m之间，平均6.14 m，煤层结构简单。
表 1 可采煤层特征Table 1. Characteristics of mineable coal seam煤层 煤层厚度/m 层间距/m 可采性 顶底板岩性 顶板 底板 3 4.95～7.22
6.1443.00～59.28
48.01全区可采 泥岩、砂质泥岩 泥岩、砂质泥岩、粉砂岩 9 0～1.35
0.86大部可采 粉砂岩 泥岩、粉砂岩 24.15～52.15
36.5315 1.20～4.00
2.52全区可采 石灰岩 泥岩 注：数据格式为$\dfrac{最小值 \sim 最大值}{平均值} $ 通过煤层气井采样和煤矿钻探取心测试各主采煤层含气量，统一取空气干燥基含量。结果显示3号煤层含气量为4.24～28.96 m3/t，平均为19.51 m3/t；9号煤层含气量为2.87～31.94 m3/t，平均为17.84 m3/t；15号煤层含气量为15.12～31.46 m3/t，平均为24.10 m3/t。煤层气成分主要以CH4为主，3组煤层的煤层气CH4平均浓度均在95%以上，煤层气吸附常数a、b值分别为49.10～53.89 m3/t和1.79～1.81MPa−1，透气性系数为3.18～3.67 m2/（MPa2·d）。由于3号煤层含气量大，部分区段含软分层，突出危险性高，单纯的井下瓦斯抽采难以实现大幅降低煤层含气量的目的。因此，寺河矿最早开展了地面煤层气抽采探索。
矿井3号煤层共划分为12个盘区（图3）。其中：东井共划分为7个盘区，东一盘区、东二盘区、东三盘区、东四盘区已采完；接替盘区共3个，分别为东五盘区、东六盘区、东七盘区；正在回采的是东五盘区和东六盘区。西井共划分为五个盘区，西一盘区已采完；接替盘区共划分4个盘区，分别为西二盘区、西三盘区、西四盘区、西五盘区；正在回采的是西二盘区和西三盘区。
其中，东五盘区地面煤层气井预抽时间久，地面井分布密集。随着井下采掘工程的布置，“四区”（规划区、准备区、生产区和采空区）的划分也随之发生动态演变。整个盘区由最初的规划区、准备区地面煤层气抽采，逐渐演变为规划区、准备区、生产区、采空区抽采。涵盖了煤炭生产和煤层气抽采的全生命周期，是“四区”联动井上下联合抽采的典型代表。因此，针对该盘区的实际生产情况，开展了有针对性的煤与煤层气共采技术攻关，具有重要的示范和引领作用。
2. 寺河东五盘区地质与采掘情况
2.1 寺河矿东五盘区地质概况
东五盘区位于寺河矿中部，面积约10 km2。盘区内断层发育较少，主要分布在西北部和南部，走向基本为近SN或EW向，小型断层落差在0～5 m，中型断层落差在0～20 m，倾角在55°～80°之间。陷落柱6个，分布于东五盘区的北部、东南部及中部。陷落柱范围不大，轴长一般在32～65 m左右，陷壁较陡，无明显规律性和方向性。
地层主要包括石炭系上统太原组（C2-P1t），二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh），第四系（Q）。
3号煤层直接含水层为其顶板的粉砂岩、裂隙含水层，间接含水层为上石盒子组砂岩、裂隙含水层及基岩风化裂隙含水层，均为弱含水层，一般不会发生突水。掘进和回采时，工作面的涌水主要来自上述裂隙含水层。3号煤层底板奥陶系中统灰岩为承压含水层，属带压开采煤层。
2.2 寺河矿东五盘区采掘情况
盘区开采方式为大采高综采工艺，工作面采用长壁后退式开采法，由盘区边界向大巷方向沿走向推进。采用全部垮落法管理顶板。东五盘区工业储量为
14231.75 万t，可采储量为10159.63 万t。寺河矿东五盘区共划分为14个工作面，已完成10个工作面的回采，剩余
5315 、5316 、5317 、5318 四个工作面。其中，5317 工作面正在回采（图4），5315 、5316 、5318 预计2026年回采结束。3. 东五盘区煤与煤层气共采技术与应用效果
3.1 东五盘区地面大规模超前预抽技术
煤矿区煤层气超前大规模地面预抽一般是指在煤矿采掘活动前10～15ａ，大规模布置地面井井网，包括垂直井、定向井、水平井等（图5），有效覆盖煤炭开采规划区，提高对目的煤层煤层气的抽采效果，整体降低煤层含气量。
3.2 东五盘区准备区井上下联合抽采技术
准备区的井上下联合抽采主要采用井下定向长钻孔向地面井的压裂影响区进行沟通，实现地面与井下的联合抽采，从而提高煤层气的整体抽采效率。煤层气井上下联合抽采技术充分发挥了地面抽采的大规模增透改造优势，又结合了井下抽采钻孔的数量优势，形成特有的准备区联合抽采技术，主要包括两种。
1）井下长钻孔地面压裂增透。在井下完成大直径定向钻孔施工后，利用地面压裂管柱与井下大直径钻孔连接，然后采用压裂泵车从地面向井下长钻孔大规模泵入压裂液，对煤层进行增透改造，如图6所示。井下长钻孔地面压裂增透技术克服了井下压裂作业空间受限，煤层压裂规模小，渗透率增加幅度小的弊端；同时，借助井下定向钻孔引导的优势，有针对性地改善煤层的渗透性。这种采用井下定向长钻孔和地面井联合抽采煤层气的方式，空间上地面与井下立体结合，时间上地面、井下抽采高效衔接。
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图 6 准备区地面压裂井下长钻孔联合抽采技术Figure 6. Long borehole extraction technology for ground fracturing in preparation area井下长钻孔地面压裂增透技术在井下定向长钻孔的施工层位选择时，可充分利用井下巷道掘进过程中，顶、底板卸压增透优势，井下定向钻孔的理想层位位于裂隙带和弯曲下沉带的过渡界面，既能在压裂过程中连通更多的裂隙通道，又能保证地面井井筒的相对稳定性和密闭性，利于后期的抽采。
2）井下定向长钻孔抽采地面压裂影响区。针对地面已施工的规划区煤层气预抽井，在规划区转为准备区后，通过井下巷道向地面预抽井的压裂影响区施工定向长钻孔，充分利用地面井压裂影响区渗透率大幅增加的优势，进一步通过井下钻孔负压抽采压裂影响煤层中的瓦斯，如图7所示。
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图 7 井下定向长钻孔抽采地面煤层气井压裂影响区示意Figure 7. The underground directional long borehole extraction technology in CBM well fracturing influence area3.3 东五盘区生产区精准抽采技术
3.3.1 采动区地面L型井抽采技术
矿井生产过程中，受采动卸压影响，大量煤层气从本煤层和邻近层涌出，并运移到回采工作面和巷道中，特别容易在巷道的上隅角积聚，给矿井通风与安全生产带来巨大挑战。研发了在煤层顶板裂隙带中施工地面大直径L型水平井，采用负压进行地面抽采，实现解决高产工作面上隅角瓦斯超限问题，达到代替高抽巷的目的，如图8所示。
在东五盘区某工作面，进行了采动区地面L型井试验，工作面埋深302～554 m，走向长
1252 m，倾向长301 m，3号煤层厚约6.13 m。L型井位于工作面里侧，与回风巷间距45 m，井口在工作面切眼1203 m处（图9、10）。![]()
图 10 采动区煤层气地面L型井抽采示意Figure 10. L-type horizontal CBM well extraction technology in mining area经计算，L型水平井布置在6～10倍采高的顶板中粒砂岩内，距3号煤层垂向间距40～70 m左右。L型水平井在井下采煤推过距切眼323.7 m处，开始投运，直至整个工作面回采结束，共历时155ｄ。地面L型水平井抽出的CH4浓度最高在96%，平均浓度达80%。煤层气抽采纯量单日最高达
3160 m3/d，平均值在2200 m3/d左右，运行期间累计抽采煤层气纯量达300万m3，地面L型水平井获得了理想的抽采效果，如图11所示。![]()
图 11 L型水平井抽采煤层气浓度及纯量曲线Figure 11. Extraction gas concentration and pure quantity of L-type horizontal well地面L型水平井的投运，显著降低了井下邻近高位钻孔的煤层气抽采量。距离水平段较近的1号和2号监测点处的高位钻孔在水平井运转后，井下钻孔煤层气抽采量逐渐下降。当地面L型水平井运行5天后，1号和2号监测点处的高位钻孔煤层气抽采量从之前的26 m3/min减小至5 m3/min；水平井运行10天后，井下风排瓦斯量从之前的65 m3/min减小至40 m3/min。当井下煤炭产量提升至每天
2500 t的条件下，井下回风瓦斯平均浓度减少约0.11%，上隅角平均瓦斯浓度减少了46.5%左右。监测数据表明，采动区地面L型水平井可以有效降低工作面生产过程中瓦斯涌出难题，对工作面上隅角瓦斯的治理起到积极的促进作用，见图12。![]()
图 12 地面井运行前后工作面瓦斯浓度变化曲线Figure 12. Gas concentration change in mining face after surface well operation3.3.2 长钻孔区域递进式瓦斯抽采技术
生产区井下采煤作业剧烈、工程施工空间全开放，利用井下区域递进式顺层钻孔、穿层钻孔、高位定向长钻孔等技术，进行工作面煤层气的精准均衡抽采（图13）。有效弥补了常规普通钻孔存在的轨迹可控性差，易形成抽采盲区，整体抽采效果不理想等不足，实现井下精准抽采达标，确保工作面安全、高效开采。
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图 13 井下区域递进式定向长钻孔精准均衡抽采Figure 13. Progressive directional long borehole precise balanced extraction in underground coal mine区域递进式抽采主要是采用定向钻机，沿着现有工作面顺槽，向邻近区域煤层施工定向长钻孔，对目的煤层进行预抽。预抽范围既包括邻近工作面，也包括与邻近工作面相邻的巷道条带。为相邻工作面提供1～3ａ的抽采期限，在该工作面进行巷道掘进过程中，煤层瓦斯抽采已经达标，采煤工作面煤层中的瓦斯也得到了有效的释放。按照该方法，逐步向前递进式推进，确保采、掘衔接顺利进行。依据现有的定向钻机能力，每个预抽区域覆盖范围可包括1～2个工作面，为预抽区域提供充分的瓦斯抽采时间。
3.4 东五盘区采空区及过采空区煤层气抽采技术
1）采空区煤层气抽采技术。废弃矿井采空区受开采卸压影响，顶底板产生大量裂隙，为煤层气的渗流和富集提供了便利的通道与场所。通过在地面施工煤层气采空井，将终孔层位处于顶板裂隙带内，抽采采空区内的煤层气。有效解决传统的井下埋管抽采留下的安全隐患，实现地面钻采消患减排（图14）。
2）过采空区煤层气抽采技术。盘区内早期的地面煤层气预抽，仅抽采山西组3号煤层的煤层气。在3煤采空后形成的大面积采空区，给太原组9号、15号煤的煤层气地面预抽带来巨大挑战，如何穿越3号煤层采空区高效抽采下组煤的煤层气，是寺河矿区下组煤煤层气地面预抽亟需解决的难题。
在深入开展寺河矿采空区覆岩形态特征、下伏煤岩层卸压增透机理、过采空区煤层气井钻完井以及压裂排采技术的研究后，形成了过采空区抽采下组煤煤层气成套技术体系（图15），为采空区下组煤与煤层气协调开发提供技术依据。
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图 15 过采空区抽采下组煤煤层气技术示意Figure 15. The technical diagram of extracting lower CBM through mine goaf确定了3号煤开采形成的“三区三带”范围，揭示了大面积采空区对下组煤卸压增透、促进煤层气解吸和高效产出作用。创新设计了过采空区煤层气井三开井身结构，研发了氮气介质潜孔锤、跟管钻井等安全高效钻完井成套技术工艺。形成了采空卸压区煤层差异化压裂改造技术，创新了采空卸压区下组煤层差异化排采控制技术，释放了9、15号煤层气井的产能。
3.5 地面井效果检验及综合对比
为了较为准确的评价煤层气抽采效果，在地面设计施工了抽采效果检验井，获取目的煤层残余的含气量、压力等参数，通过与预抽前目的煤层含气量、压力等参数的对比，综合评价目的煤层的整体抽采效果。
3.5.1 检验井井位选择原则
1）检验井布设目标区域选择：
①未受矿井采掘活动影响的区域；
②前期已进行了大面积、长时间的煤层气抽采。
2）检验井井位布设：
①综合考虑原始煤层参数井，评价井间距对抽采效果的影响；
②检验井分布于原始煤层含气量高、低不同的位置，评价残存含气量的差异；
③检验井分布于地面井产气量高、低不同的区域。
3.5.2 抽采效果评价指标与技术
煤层抽采效果评价指标，主要包括：煤层含气量降幅、储层压力降幅、日均产气量、累计产气量、煤层气采收率、煤层剩余气含量等参数。
抽采效果评价的主要技术包括：
1）现场工程验证。综合煤层的抽采时间、井间距、压裂裂缝方位等因素，建立了地面检验井的布设目标区域和井位的优选原则与方法。
2）剩余含气量预测。基于检验区煤层气井的实际生产数据，采用数值模拟的方法，建立煤层剩余含气量预测模型，并依据地面检验井的实测结果，对模型进行修正完善。
3.5.3 煤层抽采效果
寺河东五盘区地面煤层气预抽始于2005年，共有原始参数测试井28口，均采用自然解吸法测试含气量。原始煤层含气量18.98～29.02 m3/t，平均为23.68 m3/t。总体上含气量由东向西、由南向北逐渐增加（见图16）。呈现出以SH-093（28.21 m3/t）、PZ-1（29.02 m3/t）和SH-060（28.12 m3/t）为中心的高值区，中部的SH-055（18.98 m3/t）为含气量低值区，SH-013—SH-031—SH-002井一线以东区域煤层含气量小于20 m3/t。
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图 16 东五盘区3号煤层原始含气量等值线Figure 16. Original gas content contour map of No.3 coal seam in east fifth plate“十二五”期间，在东五盘区共施工了14口检验井。测试结果表明，至2012年，地面预抽井共排采7年，煤层含气量平均降幅达55%。2015年，在东五盘区内的原有煤层气取芯井附近，新增了5口地面检验井。2019年在盘区内又施工了1口检验井，检测结果表明，该区历经15年的抽采后，煤层含气量降低了70%以上，目的煤层取得了较为显著的抽采效果，随着抽采时间的增加，煤层含气量持续下降。地面井预抽后期受气井整体产气量下降的影响，煤层含气量下降速率变缓，煤层剩余含气量在8.47～13.76 m3/t，平均为10.51 m3/t（图17、图18）。
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图 17 东五盘区3号煤层剩余含气量等值线Figure 17. Contour map of residual gas content of No.3 coal seam in east fifth plate![]()
图 18 抽采前后煤层含气量对比注：紫色为1992-1995年测试孔，橘红色为2005年测试孔，蓝色为2012年抽采效果检验孔，褐色为2015年抽采效果检验孔。Figure 18. Comparison of gas content before and after CBM drainage2015年布置的5口地面抽采效果检验井检测结果显示，3号煤层剩余含气量9.09～18.65 m3/t，平均值为12.09 m3/t，抽采效果对比如图19所示，3号煤层含气量平均降幅在53%左右。
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图 19 东五盘区原始含气量与剩余量对比Figure 19. Comparison of original gas content and residual gas content in coal综合寺河矿东五盘区3号煤层的地面抽采效果检验结果，经近20a的连续抽采，目的煤层含气量得到大幅降低，促进了盘区内高瓦斯煤层的低瓦斯开采。创建了高瓦斯矿井煤与煤层气共采的示范样板，为其他相似矿井的安全高效生产提供了参考。鉴于晋城矿区寺河矿在煤与煤层气共采方面取得的显著成就，该技术在山西省晋城、潞安、阳泉、西山等矿区得到了广泛应用。并逐步推广至甘肃窑街、新疆昌吉、河南平顶山等多个矿区，取得了良好的应用效果。
4. 结 论
1）依据寺河矿东五盘区采掘衔接规划，采用地面与井下抽采相结合的方式，建立了适用于该盘区的煤与煤层气共采技术体系。
2）寺河矿东五盘区经近20年的连续抽采，3号煤层剩余含气量已降到8 m3/t以下，平均降幅在60%以上，煤矿区煤层气“四区”联动井上下联合抽采取得了显著的效果。
3）规划区煤层气抽采率达到了40%以上，大幅降低了井下瓦斯治理的工程量和难度；准备区瓦斯抽采达标时间缩短了15%以上，保障了矿井高产高效；生产区井下精准抽采，甲烷浓度提高5%以上，工作面抽采率提高5%以上，确保井下高效抽采；采空区抽采有效解决了传统井下埋管抽采留下的安全隐患。东五盘区在“四区”联动井上下大规模立体抽采作用下，保障了高瓦斯煤层的低瓦斯安全开采，形成了良好的煤与煤层气共采示范效果。
4）寺河矿东五盘区地面超前预抽节省了井下瓦斯抽采时间；井下精准抽采填补了地面抽采盲区。实现了地面、井下瓦斯抽采的全覆盖，整体降低了高瓦斯突出矿井的抽采投入，经济效益显著。同时，有效降低了矿井瓦斯的排放，环保效益良好。促进了煤与煤层气共采技术在全井田及其他高瓦斯矿井的大面积推广。
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图 4 中国石化探区不同盆地煤层气资源量分布
Figure 4. Distribution of coalbed methane resources in different basins within the exploration area of Sinopec
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图 5 中国石化探区内不同地形地貌煤层气资源量分布
Figure 5. Distribution of coalbed methane resources of different topographies within the exploration area of Sinopec
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图 6 中国石化探区不同煤阶煤层气资源量分布
Figure 6. Distribution of coalbed methane resources in different coal ranks within the exploration area of Sinopec
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图 7 中国石化探区内不同盆地中高阶煤层气资源量分布
Figure 7. Distribution of coalbed methane resources of mid-high rank coals in different basins within the exploration area of Sinopec
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图 8 中国石化探区不同埋深煤层气资源量分布
Figure 8. Distribution of coalbed methane resources of different depths within the exploration area of Sinopec
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图 9 中国石化探区内不同盆地深层煤层气资源量分布
Figure 9. Distribution of deep coalbed methane resources in different basins within the exploration area of Sinopec
表 1 典型解剖区煤层气关键参数体系
Table 1 Key parameter system of coalbed methane in typical anatomical area
含气
盆地群区块 地层
年代煤阶 煤容重/
(t·m−3）煤层埋深/m 含气量/(m3·t−1) 可采系数/% <1 000 m 1 000～1 500 m 1 500～2 000 m 2 000～3 000 m >3 000 m 准噶尔 阜康东 侏罗系 低 1.35 <2 000 3.61 3.99 4.10 — — 33.00 渤海湾 东濮 二叠系 中 1.42 <4 500 7.60 8.40 8.64 11.60 12.00 28.00 鄂尔
多斯大牛地 石炭系 中−高 1.45 2 500～3 000 — — — 19.65 — 37.00 延川南 二叠系 中−高 1.47 <2 000 10.00 15.00 — — — 53.00～50.00 四川 南川 二叠系 高 1.48 <4 500 12.00 15.00 20.00 25.00 30.00 34.71 沁水 晋中 石炭系 高 1.50 1 600～2 200 17.10 18.90 19.44 21.60 — 26.36 
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