钻采论文

倪小明1接铭训2王延斌1吴建光2

（1.中国矿业大学资源与安全工程学院 北京 100083；2.中联煤层气有限责任公司 北京 100011）

作者简介：倪小明，1979年生，男，山西临汾人，在读博士生，主要从事瓦斯地质和煤层气地质方面的研究。E-mail：。

摘要 为了减少煤层气地面钻采和井下抽放投资风险，本文应用层次分析法对煤层气开采影响因素进行分析，从而建立了煤层气地面钻采和井下抽放层次知识模型，并根据多层模糊综合评判方法建立了模糊综合评价体系，在此基础上对淮北海孜矿煤层气开采进行模糊评价，评价结果表明该评价方法对减少煤层气开采投资风险起到一定的指导作用。

关键词 煤层气 模糊评价 地面钻采 井下抽放

Study on Comprehensive Fuzzy Evaluation of CBM Exploitation

Ni Xiaoming1，Jie Mingxun2，Wang Yanbin1，Wu Jianguang2

（ of Resource ＆ Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083； United Coalbed Methane .，Beijing 10001 1）

Abstract：In order to reduce investment risk of surface exploitation and underground drainage of CBM，the paper applied the method of level analysis to analyze the influence factors of CBM exploitation and established the level knowledge model of surface exploitation and underground drainage of on the method of multilevel fuzzy evaluation，the system of comprehensive fuzzy evaluation is the basis of the system，the fuzzy evaluation on the exploitation of CBM in Haizi coalmine of Huaibei coalfield was carried results showed that the fuzzy evaluation method is of important conduction to exploitation of CBM.

Keywords：CBM；fuzzy evaluation；Surface mining；underground drainage

引言

中国21世纪能源状况将十分严峻，优质能源供需矛盾将加速激化，燃煤造成的环境压力也要求煤炭占绝对优势比例的不合理能源结构必须得到改善。我国煤层气资源十分丰富，煤层气资源总量达×1012m3（中联煤层气有限责任公司，2000），与我国天然气资源总量相近，世界名列第三。因此，开发利用中国丰富的煤层气资源，不仅能够在优化能源结构上有效地增加高效洁净能源供给，直接减少煤矿甲烷排放量以有效缓解温室效应，同时有望从根本上遏制矿井瓦斯灾害以改善煤矿安全生产条件。但煤层气投资风险大，减少投资风险则是煤层气具有滚动开发利用前景的关键。本文从减少投资风险角度出发，应用层次分析法在对煤层气抽采影响因素进行分析的基础上，使用多层模糊综合评判方法建立煤层气地面钻采和井下抽放的模糊评价体系，并通过淮北海孜矿实例对此体系进行了效果检验。

1 煤层气抽采影响因素分析

煤层气地面钻采影响因素分析

煤层气地面开采是否具有商业价值，取决于产气率大小及是否具有竞争力的市场价格和规模性的产量。而我国目前能源供需矛盾日趋激化，煤层气市场比较乐观。因此，影响煤层气地面开采的关键在于煤层气产率及最终产量。与气产率相关的有两个先决条件：煤储层的渗透能力和地质勘探能力；而规模性的产量则与煤储层含气性悉悉相关。笔者在搜集、整理前入研究成果基础上，归纳、总结出地面开采影响因素知识模型。

煤层气地面抽采的“短路条件”

所谓“煤层气地面抽采的短路条件”是指优先判定条件，就是说只要满足这些条件就可以不考虑其他因素而直接得出结论[1]。从目前煤层气开发技术水平、经济效益、开采的地质条件、资源状况等方面考虑，有下列情况之一的即认为不适合进行煤层气地面钻采：

（1）储盖层条件。一定的煤层厚度是煤层气储量的基础。煤层太薄，煤层气量太少，不适合煤层气的开发。由于煤层气行业是一新兴行业，对煤层厚度没有明确规定，我国的可采煤层厚度最小值为，因此把煤层厚度＞作为煤层气开发的下限；良好的封盖层可以减少煤层气的渗流与散失，当上覆地层有效厚度＜200m 时，不利于煤层气的保存，因此将上覆地层厚度定为200m；从目前的勘探开发水平及勘探费用综合考虑，埋藏深度＜300m 或＞1500m的煤层不予考虑；煤层气的开发是靠降压解吸而实现的，如果压力梯度过低，以目前的勘探开发技术水平使得煤层气采收率太低，经济效益差，根据统计分析，把压力梯度（MPa/100m）作为下限。

（2）含气性条件。一定的含气量是保证煤层气开发的前提，从我国的地质条件、煤储层条件、经济效益等方面综合考虑，当中高煤阶煤的含气量＜4m3/t或低煤阶煤含气量＜2m3/t时，即不予考虑进行煤层气地面开采。

煤层气地面钻采的知识工程

煤层气是否具有地面钻采的商业价值依赖于4个有助于开发这种巨量资源的关键因素，它们是：地质勘探能力；煤储层的含气强度；渗透能力和含气解吸能力。

（1）地质勘探能力。煤层埋藏太深，将不利于煤层气的勘探开发；构造条件复杂，断层发育的地区，不利于煤层气的开发；水动力活动频繁的地区，利于煤层气的运移和扩散，不利于煤层气的保存；因此把埋藏深度、构造条件和水文地质条件作为煤层气勘探能力的影响因素。

（2）煤储层的含气强度。厚煤层和高的含气量是获得高的含气强度的必要条件[2]。在决定含气强度的两个参数中，煤厚是最重要的，这是因为煤层厚度不仅控制了含气强度还控制了气流量。

（3）煤储层的渗透能力。煤储层的渗透能力是煤层中气体导流能力的反映。煤储层是双孔隙介质，割理发育状况对其渗透性有直接影响；煤层在地史发展过程中，不同程度遭受构造应力的作用，使煤体发生破碎。因此，煤体结构与煤层的渗透性关系密切；一般认为原生结构煤和碎裂煤是煤层气开发中理想的煤体结构类型，而碎粒煤失去了内生裂隙，使渗透性变差，不利于煤层气开发；煤级对煤中内生裂隙发育具有一定影响，内生裂隙一般从长焰煤阶段出现，随着煤级增加内生裂隙逐渐增加，至焦煤最发育，之后逐渐闭合，至无烟煤阶段最低。

（4）含气解吸能力。煤层气的开发是靠降压解吸而实现的，因此吸附时间、临储压力比和含气饱和度都将对含气解吸能力有影响。

根据以上分析，得出煤层气地面钻采的影响因素知识模型，见图1。

图1 煤层气地面钻采影响因素知识模型

煤层气井下抽采影响因素分析

井下抽放煤层气工程投资较大，因此，评价煤层瓦斯井下抽放的可行性就显得尤为重要。对煤层气进行井下抽放时，研究煤体特征、瓦斯赋存状况以及瓦斯特征是决定煤层气是否能进行井下抽放的关键指标。

（1）煤体特征表述指标。煤体的破坏程度将直接影响煤层气的开发；煤的坚固性系数将影响瓦斯流出即压裂增产技术，它们是煤体特征的重要反映指标。

（2）瓦斯赋存状况表述指标。埋藏深度将影响压力大小，从而影响瓦斯解吸；煤厚变异系数则反映了该区域煤层厚度变化，从而推测出本区域煤层气富集状况；构造状况、水文地质条件则使煤层中瓦斯聚集或逸散；透气性则反映了煤层中瓦斯抽放的难易程度；这些是瓦斯赋存状况的表征指标。

（3）瓦斯特征表述指标。瓦斯压力大小、瓦斯放散初速度、瓦斯透气性、百米钻孔瓦斯资源量则能反映出瓦斯量大小及持续时间长短[3]，这些可作为瓦斯特征表述指标。

综上可得煤层气井下抽采的影响因素知识模型如图2。

2 煤层气开采模糊综合评判体系

煤层气开采模糊综合评判方法就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑煤层气开采影响因素，对其开采风险进行综合评价[4～6]。在分析了影响煤层气地面钻采和井下抽放基础上，限于篇幅，以下以地面抽采为例，对煤层气开采风险的模糊综合评价进行论述。

图2 煤层气井下抽放影响因素知识模型

是否采取地面钻采的影响因素集可归纳为：

U=｛地球勘探能力，含气强度，渗透能力，解吸能力}=｛u1，u2，u3，u4}

为了使评价结果更合理一些，将地面钻采风险分为五个等级，即评价集为：

V=｛好，较好，一般，较差，差}=｛v1，v2，v3，v4，v5}

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

影响钻采风险的因素集中的任一指标，属于好与坏的程度构成一个模糊集合，其隶属函数取值于[0，1]区间。根据隶属度的大小，划分为五个等级：

设第i个因素的单因素评价为Ri=（ri1，…，rim），它是 U的模糊子集。对于一个区域来说，其煤层气钻采的各指标在不同地区有所不同，设在不同地区共测n次，根据统计原则，确定某一指标在μA（u）中各等级中隶属度的次数m，从而确定rik=m/n。以此建立了地面钻采的单因素综合评判矩阵，即

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

权重确定：在综合决策中，指标因素的权重处于非常重要的地位，它反映了各个指标因素在综合决策过程中所起的作用，直接影响到综合决策的结果。本文根据专家评分方法结合统计原则，建立了各因素之间的权重分配。将权系数矩阵记为：M=（m1，m2，m3，m4）；它们之和为1。

然后应用模糊矩阵的复合运算，得到地面钻采的模糊综合评判矩阵为：

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对B进行归一化处理，B＇=（b1/b，b2/b，b3/b，b4/b）

评语是属模糊性的，为了比较方便，对评语进行量化处理。本文采用百分制，定量评价等级如表1。

表1 煤层气地面钻采等级标准表

B＇与量化值之间矩阵的积得出的数值与等级标准表比较得出多级综合评判结果。

3 实例分析

海孜煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，属淮北煤田临海童矿区，含煤地层为二叠系，可采煤层有自上向下编号为3、4、7、8、9、10 煤层等6层，可采总厚，占含煤总厚度的。本文以7＃煤层为例，简要介绍海孜矿可采煤层煤层气地面钻采和井下抽放模糊评价过程。

根据专家们分别对煤层气开采的影响因素的一级评价指标和二级评价指标进行打分，按照加权平均法对这些分数进行量化处理，即得到各因素子集和各因素的权值，从而分别建立了海孜矿煤层气地面钻采和井下抽放模糊综合评价指标体系，见表2和表3。

表2 煤层气地面钻采模糊综合评价指标体系

表3 井下瓦斯抽放模糊综合评价体系

根据海孜矿不同点各评判指标的实测值，进行加权平均得出各评判指标的平均值，根据隶属度，从而构造出单级评判矩阵。见表4。

表4 海孜矿煤层气开采风险各评价指标加权平均值

根据以上数据，应用模糊综合评判方法，煤层气地面钻采一级指标最终评价得分为：，，，60，可看出该矿区含气强度不高，但有利于煤层气的解吸与勘探。

其综合评价结果得分为：。综合评价结果表明：该矿井不太适合对7＃煤层进行煤层气地面钻采。

瓦斯抽放一级指标最终得分为：，，，可看出该矿区煤体特征极差，但煤层气赋存较好，利于煤层瓦斯的涌出与扩散，是煤与瓦斯突出危险煤层。其综合评价结果得分为：。综合评价结果表明：该矿井较适合于对7＃煤层进行煤层气井下瓦斯抽放。

4 结语

应用多级模糊综合评价方法对于煤层气抽采地质条件进行评价，可以将定性分析和定量评价相结合，合理地反映出一个地区进行煤层气地面钻采和井下抽放的适宜程度，便于各个矿井根据评价结果采取相应的煤层气开采措施，减少煤层气投资风险。这种方法简便、可行，具有较强的实用性。

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我国加入“WTO”后，石油钻采和石油化工设备制造业的市场发生了变化，在市场全球化大背景下，如何融入国际大市场参与世界同行业的竞争，是各企业面临的生死存亡问题。为提高竞争力，行业中各企业纷纷在产品的技术水平、产品质量、企业结构调整、基本建设、技术改造、采用国际通用标准、开拓国际市场上下功夫，成果十分显著。一、石油钻采设备技术水平取得突破 近年来，我国许多企业的产品技术水平取得突破。一批列入国家重大技术装备创新项目的石油设备研制获得成果：宝鸡石油机械厂研制的ZJ70DB钻机，采用全数字控制交流变频等多项新技术，进入国际先进钻机行列；宏华公司研制的ZJ40DBS钻机，填补了国内空白，达到国际先进水平；江汉石油四机厂研制的2000型成套压裂设备通过鉴定，填补了国内空白，达到国际先进水平。此外，山西永济电机厂研制的YZ08、YZ08A石油钻井直流电动机由国家科技部授《国家重点新产品证书》；江钻股份有限公司积极开展技术创新，与国内大专院校、科研机构以及国际间的技术合作，获得“单牙轮钻头”等国家专利21项。该公司现共拥有国家专利56项，美国、伊朗专利5项。极大地提高了核心竞争力。荣盛机械制造有限公司研制成功F35-105防喷器，能满足深井、超深井钻探的井控工艺要求，填补了国内空白，达到国外同类产品先进水平。至此，经过多年的努力，我国已有能力实现对防喷器生产的全系列覆盖。该公司研制成功高压注水井带压作业装置，有效地解决了油田中后期开发过程中高压注水井带压作业的重大技术难题；宝鸡机械厂下属公司研制成功的BSJ5080TSJ60油田专用试井车体积小、用途广、适应性强；华北油田第一机械厂研制的新一代节能抽油机获得中国、印尼、和加拿大三国专利；胜岛石油机械厂成功推出液压反馈式抽稠油泵、长柱塞防砂泵、高效旋流泵三种抽油泵；华北油田大卡热能技术开发公司研制的ZXCY系列直线电机抽油机通过河北省产品鉴定。该机达到国际先进水平，重量和占地面积仅为常规抽油机的50%，且节能效果很好；在海洋石油方面，胜利油田自行建成我国国内最大吨位的海上石油钻井平台——赵东一号、生产平台——赵东二号主体结构，胜利油田钢结构承造能力达到国际水平；兰石国民油井公司承包建造的重达1700吨的南海油田自升式井架钻井模块于3月23日完成陆地建造。该钻井模块用于香港正南20公里海域的南海油田作业的番禹4—2和5—1项目。井架可以依托安装在井架下端的导向轮滑行分段起升，无须重型起重设备，在海洋设备安装中具有很大的优势。进来，由中石油管道局承担的“大口径弯管及装备国产化研制”、“西气东输工程用感应加热弯管技术条件”、华北石油第一机械厂承担的“大口径感应加热弯管制造工艺的研究”、吉林化建有限责任公司承担的“感应加热煨制X70钢级、直径1016大弯管工艺研究”4项课题通过中石油鉴定，技术条件达到国际同类标准的先进水平、产品达到国内先进水平。胜利油田研制成功我国第一台大口径管道全自动开孔机，满足管道、容器带压下开孔、接口、碰头等施工作业。中石油管道局为西气东输工程组织开展了125项科技攻关，其中“PAW-2000型管道全位置自动焊机”“PFM3640管道坡口整形机”“PPC3640管道气动内对口器”技术性能达到或超过国外同类产品水平。总体来说，我国石油钻采设备技术水平已达到一定水平。二、化工设备的科研新产品取得较大成果 经过多年发展，我国化工设备的科研新产品取得较大成果。由我国自行设计制造的350万吨/年重油催化裂化装置在大连石化一次投料试车成功，标志着我国拥有自主知识产权的催化裂化成套技术，具备了世界级大型催化裂化装置的工程设计、制造和建设实力。由中石化工程建设公司、一重、齐鲁石化共同设计制造的千吨级加氢反应器通过中石化技术鉴定，标志着我国迈入大型加氢反应器设计与制造商行列。由中石化和美国鲁姆斯公司合作开发的10万吨/年大型乙烯裂解炉已在中石化各乙烯装置中使用。正在共同着手开发单炉生产能力15～18万吨/年大型乙烯裂解炉，以满足建设百万吨级大型乙烯装置的需要。杭州制氧机厂设计制造的乙烯冷箱在燕化71万吨/年乙烯装置运行正常，实现了大型乙烯冷箱国产化，达到国际先进水平。沈阳鼓风机厂制造的上海石化70万吨/年乙烯装置裂解气压缩机2002年4月12日正式投料运行，达到国外机组水平。由合肥通用机械研究所承担的国家重大技术装备国产化创新项目：1万m3天然气球罐研制成功。填补了国内空白。由茂名石化设计院设计、茂名石化建设公司施工的万m3原油储罐在茂名兴建，是目前我国最大的原油储罐。南化机成功制造国内最大的年产45万吨合成氨、80万吨尿素的关健设备—二氧化碳吸收塔。抚顺机械炼化设备有限公司设计制造的螺旋折流板换热器通过专家鉴定，达到国内先进水平。辽阳石油化纤公司机械厂研制成功聚酯装置用重型压力离心机，达到国外同类产品水平。 三、产品质量不断提高 国内各企业在努力提高产品技术水平的同时也在不断提高产品质量，如华北石油一机厂为保证其专利产品异型游梁式抽油机的质量，满足批量出口美国等的需要，打破常规，配套产品由原来招标改为联合国内几家获得国际API资格的厂家进行共同攻关，发挥联合优势叫响国产品牌；山西永济电机厂的石油钻井直流电动机由中国质量协会、全国用户委员会授予《全国用户满意产品》称号。 在市场竞争中形成了一些产品质量好、受到用户欢迎、市场占有率不断上升的专业厂。如：荣盛机械制造有限公司防喷器产品占据国内市场80%销售份额，跻身于世界4大防喷器制造商行列；江苏阜宁宏达石化机械制造有限公司是一家地方小厂，公司推出的四款新采油工具QS型系列可取式桥塞、KYLM型系列液力锚、DS90-Y241型组合式油层保护封隔器和Y341型系列软卡瓦封隔器，大大提高了采油作业的成功率，降低了油田生产成本，受到油田用户的欢迎。山西永济电机厂生产的直、交流系列石油钻井电动机已达30多种，国内油田钻机所用配套电机的98%来自该厂。 四、国际通用标准和信息化受到重视 北京石油机械厂获得API 16D会标使用权（API 16D是美国石油学会关于钻井控制设备控制系统规范），北京石油机械厂是国内第一家、世界第九家拥有API 16D会标使用权的厂家。 经过近15年的努力，全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会已形成了面向陆上和海上石油勘探、钻采设备、材料标准体系。现行有效的国家标准中，等同等效采用国际标准和国外先进标准的有27项。目前，我国通过API认证的石油设备制造企业已达196家。宝鸡石油机械厂已获得API认证达8大类55项，是我国取得API认证最多的石油设备制造企业。为我国的石油机械装备进入国际市场打下了坚实的基础。 为了实现世界级制造商的目标，江钻股份公司一直把信息化建设摆在十分重要的位置。江钻股份公司信息化系统的成功开发应用，大大提高了在全球一体化市场竞争中的生存与发展能力。2002年成为湖北省制造业信息化工程重点示范企业。 五、企业结构调整取得较大进展 上海神开科技工程有限公司成功购并上海第一石油机械厂、上海第二石油机械厂、上海石油仪器厂、上海石油化工机械设备研究所等。由上海神开科技工程有限公司参股60%、上海电器集团总公司参股20%、个人参股20%，成立上海神开石油化工设备有限公司。宝鸡石油机械厂按照现代企业制度，建立规范的法人治理结构，成功改制为宝鸡石油机械有限责任公司；并全面启动耗资7000万元的钻机生产线技术改造项目。具有50年历史，生产炼油、化工设备的抚顺机械厂与一些大中型国有企业一样，在竞争激烈的市场竞争中，步履蹒跚，举步维艰。近年来，虽几经努力，但亏损不断加剧。在得到员工的支持和认可、在市委、市政府指导组的协调指导下，采取国有民营策略，顺利实现企业转制；原华北石油二机厂的产品85%以上的市场在华北石油管理局外，由于体制的束缚，经营陷入困境。2002年顺利完成了整体带资分流改制工作，新成立了河北华北石油荣盛机械制造有限公司。 六、石油钻采设备向海外进军取得成效。 江钻股份公司是世界石油钻头三强之一，石油钻头出口到美国、加拿大等19个国家和地区；宏华公司已交付中亚ZJ70D钻机5台，又新接中亚国家的10台ZJ50DBS电动钻机订单；南阳石油机械厂先后有7台3000米车装钻机随长城钻井公司和大港油田等用户赴墨西哥作业，其钻机性能给用户留下了良好印象。2002年，750马力电动拖挂式钻机在墨西哥中标；中国石油技术开发公司向土库曼出口成套钻机及其外围设备；中原油田特车修造总厂石油钻采特车出口土库曼、格鲁吉亚、哈萨克；新疆石油局采研院研制的一批固井工具、抽油泵出口哈萨克；四川射孔器材公司批量射孔器材出口哈萨克等。