国家科学技术进步奖提名书

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1 2018 年高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖 公示内容 一 项目名称煤层气压裂驱替开采与治理区域瓦斯理论与成套技术二 推荐单位三 项目简介项目属于煤炭开采技术 矿山安全技术领域 煤矿中的低渗透性煤层瓦斯抽采 煤与瓦斯突出 地面煤层气 ( 煤层瓦斯 ) 开采等是制约矿井安全高效生产的技术难题 解决这些技术难题涉及一个共性的核心问题 煤层结构改造, 在煤层中人工增加裂缝, 改善其渗透性等 压裂是实现煤层结构改造的有效途径 煤层结构复杂 煤层质软 瓦斯的吸附解吸效应 天然裂缝发育 非均质性严重 采动影响等特点导致煤层压裂变得复杂, 煤矿井下压裂和煤层气的开发实践已经证明了这一点 本项目以煤层压裂为研究方向, 围绕其裂缝扩展 驱替瓦斯等科学问题开展研究 将煤层气开采与治理瓦斯相结合, 采用水压致裂 气压致裂等进行煤层压裂增透与驱替瓦斯, 形成了煤层压裂驱替开采与治理区域瓦斯的理论与具有完全自主知识产权的技术体系 该项目实现了三大创新 : 一 揭示了煤层压裂的孔隙压力梯度作用机制与缝网扩展规律 研制了水力压裂驱替瓦斯的流固耦合实验系统 揭示了考虑孔隙压力及其梯度作用的水力压裂细观机理, 提出并验证了孔隙压力可能导致压裂的破裂水压力增大, 克服了传统岩石

2 力学中基于饱和土力学的有效应力公式的不足 建立了考虑动态渗透率的煤岩层水压主裂缝三维扩展与诊断模型, 揭示了水压翼型裂纹扩展规律及其结构改造效应, 揭示了煤层水力压裂的空间裂缝网络形态特征, 得出了煤层夹矸等结构对压裂的影响规律 二 阐明了煤层压裂驱替的效应, 建立了压裂工艺安全评估体系 发现了含瓦斯煤层水力压裂的驱替瓦斯现象及应力扰动效应, 揭示了含瓦斯煤层水力压裂驱替瓦斯的作用机制, 针对驱赶瓦斯效应扬长避短, 使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次 揭示了煤层水力压裂的围岩应力演化规律及应力扰动作用机制, 建立了煤层水力压裂的应力扰动评价方法 揭示了煤层压裂的微震信号特征, 建立了震源定位可靠性综合评价模型 针对煤层压裂的应力扰动与驱替等效应, 基于压裂过程与微震的监测, 建立了矿井下煤层压裂工艺安全评估体系 三 形成了煤层压裂驱替的测控设备及成套工艺技术 在 60 MPa 坚硬顶板水力致裂成套装备的基础上, 发展完善了矿井下煤层压裂成套装备 针对不同工程特点, 控制水压裂缝的扩展长度 数目及均匀程度等, 改造煤层结构, 实现煤层增透 弱化消突 驱替瓦斯 抽采等功能 研究了 脉冲压裂 + 常规压裂 组合式压裂工艺, 研发了深孔压裂驱替与浅孔抽采的消突技术 五花井 驱抽综合排采法等地面与井下压裂驱替的成套工艺技术 顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯的区域防突措施, 在采取水力压裂后每循环可节省 10 个区域瓦斯抽采钻孔的工程量和施工时间, 同时瓦斯抽采达标时间减少 8.3 h 以上 与压裂前相比, 压裂后单孔瓦斯抽放量提高了 5.9 倍 地面煤层气压裂驱替后使单井日均增产煤层气 450 m 3

3 项目出版专著 2 部, 发表论文 65 篇, 其中 SCI 收录 30 篇 EI 收录 41 篇, 授权美国发明专利 1 项 国内发明专利 11 项 实用新型专利 3 项 软件著作权 1 项 申请发明专利 5 项 成套技术与装备已在沁水煤田等的 128 口煤层气井和 11 个煤矿推广应用 在低透煤层压裂增透的机制 规律 效应 成套技术与装备等方面取得系统性突破 相应技术入选 2017 年科技部和国家安全生产监督管理总局的安全生产先进适用技术与产品 四 主要及创新推广贡献 单位名称 排名 1 单位性质高等院校所在地江苏徐州对本项目科技创新和推广应用情况的贡献 : 作为本项目理论 成套控制方法与装备的研究单位 现场试验推广应用的负责单位, 提出本项目的学术思想并全面技术负责 研制了水力压裂驱替瓦斯的流固耦合实验系统, 开展了大量的实验与理论研究, 掌握了煤层压裂的机理及缝网扩展规律 ; 阐明了煤层压裂驱替的效应, 建立了 安全设计 - 施工 体系 ; 形成了煤层压裂驱替的测控设备及成套工艺技术 制定现场试验的技术方案并负责指导实施 组织实施了河南神火煤电公司井下煤层压裂驱替抽采瓦斯及消突技术, 成套的理论 技术与装备目前已在 11 个煤矿的煤巷掘进面与采煤工作面推广应用 组织实施了煤层气压裂驱替开采理论与成套技术在中石油华北油田煤层气事业部的现场应用 取得了显著的技术经济效益 安全效益和良好的社会效益 负责项目成果的总结 查新与研究报告的编写等

4 单位名称 中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司煤层气事业部 排名 2 单位性质国有企业所在地山西长治对本项目科技创新和推广应用情况的贡献 : 组织项目的现场试验 参数测试 效果观测和方法优化等工作, 协助完成中石油华北油田煤层气事业部的煤层气压裂驱替开采理论与成套技术的现场应用, 有效降低了煤层气压裂液的滤失, 提高了煤层气井的排采效率, 单井日均增产煤层气 450 m 3 单位名称 河南神火煤业公司 排名 3 单位性质国有企业所在地河南永城对本项目科技创新和推广应用情况的贡献 : 组织项目的现场试验 参数测试 效果观测和方法优化等工作, 协助完成河南神火煤业公司井下煤层压裂驱替抽采瓦斯及消突技术, 有效改善了煤层的透气性, 提高了本煤层的瓦斯抽采效率, 提高了煤巷掘进效率, 大量节约钻孔工程量, 降低瓦斯治理成本 单位名称 徐州佑学矿业科技有限公司 排名 4 单位性质民营企业所在地江苏徐州对本项目科技创新和推广应用情况的贡献 : 参与完善了井下压裂驱替的测控设备, 负责设备的定制 加工 测试和改进升级等工作, 井下压裂驱替的测控设备标准化并不断升级换代, 为压裂技术在现场的推广应用做好设备保障工作 将井下压裂驱替的测控设备推广应用到鹤壁中泰矿业有限公司等 5 个矿井

5 五 推广应用情况 煤层气压裂驱替开采与治理区域瓦斯成套技术与装备已在沁水煤田等的 128 口煤层气井和 11 个煤矿推广应用 在低透煤层压裂增透的机制 规律 效应 成套技术与装备等方面取得系统性突破 相应技术入选 2017 年科技部和国家安全生产监督管理总局的安全生产先进适用技术与产品 (1) 地面煤层气井压裂与排采工艺 : 沁水盆地煤层气储层割理及天然裂缝系统发育 压裂液滤失严重 应力敏感性强, 要形成具有一定长度和导流能力的裂缝十分困难 利用煤矿井下压裂驱替抽采瓦斯的理论及技术优势, 将煤矿井下水力压裂增透 驱替 抽采瓦斯等相关方面的研究方法和成果应用于沁水盆地煤层气地面井压裂增产研究 通过优化排量 支撑剂段塞等降滤失技术降低煤层压裂液的滤失 同时, 利用中间井注入压缩空气驱替煤层气, 冲洗 疏通压裂后的气流通道, 实现提高本井煤层气排采效率的工程目标 已在沁水盆地 128 口煤层气井推广应用, 单井日均增产煤层气 450 m 3, 新增销售额 3238 万元 / 年, 新增利润 336 万元 / 年 (2) 井下煤层压裂驱替抽采瓦斯及消突技术 : 薛湖煤矿开采的二 2 煤层是有突出危险的单一低透煤层 采用 深孔压裂 + 瓦斯驱赶 + 浅孔抽采 的工艺, 实现增透 弱化 驱替瓦斯 抽采与注水湿润的有机结合 通过三角形布置水力压裂钻孔 互为卸压孔和观测孔 增加封孔深度 缩短封孔长度等保障了突出煤巷掘进工作面超前深孔水力压裂驱赶的安全性 薛湖矿 4 条煤巷掘进的实践表明该技术区域消除了突出危险性 顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯的区域防突措施, 在采取水力压裂后每个循环节省了 10 个区域瓦斯抽采钻孔的工程量和施工时间, 同时瓦斯抽采达标时间减少 8.3 h 以上 已在 11 个煤矿的煤巷掘进面与采煤工作面推广应用 5

6 主要应用单位情况 ( 附件 [15]~[22]) 应用单位名称应用技术应用的起止时间应用单位联系人 / 电话 中国石油天然气股份有限公煤层气压裂驱替开采理论与司华北油田分公司煤层气事 2013 年 1 月至今汤继丹 / 成套技术业部含瓦斯煤层深孔水力致裂增河南神火煤业薛湖煤矿 2012 年 5 月至今魏民涛 / 透与浅孔抽采消突技术 河南神火煤业新庄煤矿 河南省许昌新龙矿业有限责任公司 鹤壁中泰矿业有限公司 淮北青东煤业有限公司 工作面倾向顺层钻孔水力致裂增透技术 工作面倾向顺层钻孔水力致裂增透技术 工作面倾向顺层钻孔水力致裂增透技术 顶板岩巷穿层钻孔综合水力化区域防突技术 2013 年 1 月至今魏民涛 / 年 1 月至今时岚 / 年 1 月至今刘坡 / 年 1 月至今凌东启 / 六 曾获科技奖励情况 无 七 主要知识产权证明目录 知识 产权 类别 知识产权具体名 称 国家 ( 地 区 ) 授权号 授权 日期 证书编 号 权利人 发明人 发明专利有效状态 授权发明 Integrated experimental system of hydrofracturing, water jet slotting, seepage and gas displacement under true triaxial stress 真三轴流压致裂 割缝 渗流 瓦斯驱赶一体化实验系统 深孔水力致裂驱赶瓦斯浅孔抽采的增透与消突方法 多孔线性控制水力致裂方法 美国 中国 中国 中国 US B2 ZL ZL ZL US B 河南神火煤业公司 黄炳香 黄炳香 黄炳香, 魏民涛, 程庆迎, 谢文强, 刘江伟, 房伟, 管辉黄炳香, 程庆迎, 陈树 有效有效失效有效 6

7 专利 5.7 亮, 张统 实用新型专利实用新型专利 后退分段水力致裂方法 煤岩体水力爆破致裂弱化方法 一种基于水力致裂煤层减尘消突的方法及设备 一种实时确定微震波速的测试方法 煤层注水驱替瓦斯效应模拟实验系统 煤矿瓦斯喷孔气水煤分离装置 富含水煤系地层瓦斯压力测试装备及方法 矿井下地层地应力快速测量装备及方法 一种水力致裂封隔器 一种水压致裂测量地应力装置 中国中国中国中国中国中国中国中国中国中国 ZL ZL ZL ZL ZL ZL ZL ZL ZL 徐州佑学矿业科技有限公司 黄炳香 程庆迎 张统 黄炳香 刘长友 程庆迎黄炳香, 程庆迎, 付军辉, 张统, 管辉, 刘江伟, 王龙飞, 薛伟超, 王友壮李楠, 王恩元, 李保林, 安胜东, 陈栋杨永良, 刘震, 李增华, 季淮君, 唐一博, 彭英健, 杨继超李增华, 葛泉, 杨永良, 孙越, 徐伟, 刘震, 唐一博李增华, 刘震, 杨永良, 孙留涛, 季淮君, 杨继超, 姜乐, 唐一博, 周银波 黄炳香, 赵兴龙, 陈树亮, 张权, 孙天元 黄炳香, 陈树亮 黄炳香, 刘长友, 付军辉 有效有效有效有效失效失效失效有效有效失效 7

8 实用新型专利外观设计专利计算机软件著作权 可封孔周边裂隙的封孔器 水力致裂测控仪 煤岩体水力致裂设计与测控软件 中国 中国 中国 ZL ZL R11 L 黄炳香, 刘长友, 李西蒙, 付军辉黄炳香, 程庆迎, 赵兴龙, 陈树亮 黄炳香, 孙天元 失效 有效 有效 八 主要完成人情况表 姓名黄炳香排名 1 行政职务副主任技术职称教授 是该项目的发起人和总负责人 ; 提出了项目的学术思想和研究内容, 设计了该项目的总体技术方案 ; 全过程指导并进行项目设计 实施 是创新成果一中 (1) ( 2) (3) (4) (6), 创新成果二中 (1) ( 3),(5) 创新成果三中 (2) ( 3) 的主要贡献人 支撑材料 : 附件 [1]~[7] [12]~[14] [25] [27]~[31] [34] ~[37] 姓名李楠排名 2 行政职务无技术职称副研究员 是该项目的理论研究和实验室实验的主要负责人 ; 研究了煤层压裂的微震信号特征, 建立了震源定位可靠性综合评价模型 ; 参与研究了煤层压裂水压翼型裂纹扩展规律及其结构改造效应与缝网扩展规律等 ; 是创新成果二中 (4) 的主要贡献人, 是创新成果一中 (4)( 5) 创新成果二中 (5) 创新成果三中(2) 的主要完成人之一 支撑材料 : 附件 [8] [26] [32] [38] 8

9 姓名李增华排名 3 行政职务无技术职称教授 是项目煤层气压裂驱替开采与治理区域瓦斯理论研究和实验室实验的主要负责人 ; 研究了煤层压裂驱替瓦斯的作用机制及应力扰动效应, 参与研究了含瓦斯煤层水力压裂的驱替瓦斯现象及煤层压裂的安全设计 - 施工体系的建立 ; 负责制定了该项目在淮北青东煤业有限公司应用的现场施工方案 是创新成果二中 (2) 的主要贡献人, 是创新成果二中 (1)( 5) 创新成果三中 (2) 的主要完成人之一 支撑材料 : 附件 [9]~[11] [33] [37] 姓名赵兴龙排名 4 行政职务无技术职称博士生 参与研究了煤层压裂的孔隙压力及其梯度作用规律 ; 参与建立了煤层压裂的细观概念模型 ; 参与制定了项目在中石油华北油田煤层气事业部地面煤层气压裂现场试验和应用的技术方案, 是项目现场试验和应用的主要组织者, 并参加了大量的现场试验 调试 应用和技术改进工作 ; 参与了项目成果总结工作 是创新成果一中 (2)( 3) 创新成果二中(2)( 3) 创新成果三中 (1)( 3) 的主要完成人之一 支撑材料 : 附件 [12]~[13] [29] 姓名陈树亮排名 5 行政职务无技术职称实验员 参与研究了含瓦斯煤层水力压裂的驱替瓦斯现象及作用机制 ; 参与建立了煤层压裂的 安全设计 - 施工 体系 完善了井下压裂驱替的测控设备 ; 参与提出了 脉冲压裂 + 常规压裂 的组合式压裂工艺, 并参加了大量的现场试验 调试 应用和技术改进工作 是创新成果一中 (1),(3) 创新成果二中 (1)( 2)( 5) 创新成果三中(1)( 4) 的主要完成人之一 支撑材料 : 附件 [3] [12] [13] [34]~[36] 9

10 姓名崔金榜排名 6 行政职务副总师技术职称高级工程师 中石油华北油田分公司煤层气事业部 中石油华北油田分公司煤层气事业部 参与优化了地面煤层气井压裂与排采工艺 ; 是该项目在地面煤层气压裂现场试验及应用方案的参与制定者, 是煤层气压裂驱替开采理论与成套技术在中石油华北油田煤层气事业部应用的现场施工组织者, 参加项目整个过程的现场施工 调试和技术改进工作 是创新成果一 (4) 创新成果三(3) 的合作完成人之一 支撑材料 : 附件 [15] [24] 姓名魏民涛排名 7 行政职务 教授级高 级工程师 技术职称 常务副总经 理 总工程 师 河南神火煤业公司 河南神火煤业公司 参与提出了深孔压裂驱替与浅孔抽采的消突技术 ; 是井下煤层压裂驱替开采与治理区域瓦斯理论与技术在河南神火煤业公司现场试验及应用的方案参与制定者和现场施工组织者, 参加项目整个过程的现场施工 调试和技术改进工作 是创新成果一中 (5) 创新成果二中(1) 创新成果三 (2) 的合作完成人之一 支撑材料 : 附件 [7] [16]~[18] 姓名杨永良排名 8 行政职务无技术职称教授 参与研究了含瓦斯煤层水力压裂的驱替瓦斯现象及作用机制 ; 参与顶板岩巷穿层钻孔综合水力化区域防突技术在的淮北青东煤业有限公司应用的现场施工方案制定, 参加整个过程的现场施工 调试 技术改进工作 支撑材料 : 附件 [21] [33] 10

11 姓名汤继丹排名 9 行政职务无技术职称工程师 中石油华北油田分公司合作开发项目部 中石油华北油田分公司煤层气事业部 参与优化了地面煤层气井压裂与排采工艺 ; 是煤层气压裂驱替开采理论与成套技术在中石油华北油田煤层气事业部应用的现场施工组织者, 参加项目整个过程的现场施工 调试和技术改进工作 是创新成果三中 (3) 的合作完成人之一 支撑材料 : 附件 [15],[24] 姓名程庆迎排名 10 行政职务无技术职称讲师 参与了研究了煤层水力压裂的空间裂缝网络形态特征 含瓦斯煤层水力压裂的驱替瓦斯现象及作用机制 ; 是创新成果一中 (5)( 6) 创新成果二中(1)( 5) 的主要完成人之一 支撑材料 :[3]~[7] [13] [27] [34] ~[37] 姓名陈大勇排名 11 行政职务无技术职称助理研究员 参与研究了含瓦斯煤层水力压裂的应力扰动效应导致的体积致裂机制, 参与了大量现场试验及应用工作 是创新成果二中 (3) 创新成果三中(4) 的主要完成人之一 支撑材料 :[19] ~[20] 11

12 姓名刘斌排名 12 行政职务无技术职称助理工程师 中石油华北油田分公司煤层气事业部 中石油华北油田分公司煤层气事业部 按照项目研究方案与技术路线, 协助组织和开展了煤层气压裂驱替开采理论与成套技术在中石油华北油田煤层气事业部应用的现场施工, 是创新成果三中 (3) 的合作完成人之一 支撑材料 : 附件 [15] [24] 12

石油与天然气地质 杨少春 信荃麟 断块油藏测井解释模型的建立 资料的处理及储层评价应始终考虑地质因素的影响 不同类型储层 不同沉积相带以及不同开发时期的测井响应 岩性 物性 韵律性 电性及含水率等均不相同 根据这些差异和特点 分别建立了孔隙度 渗透率和含油饱和度等参数的解释模型和计算模型 提高了解释精度 勘探和开发阶段测井资料的处理除应考虑岩性 沉积相带 注水后储层结构变化外 还应考虑断块的复杂性及断块之间的联系

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