构造煤广泛发育和构造煤煤层气资源丰富是中国煤与煤层气资源的显著特征，构造煤资源量占我国已发现煤炭资源的比例很高，构造煤煤层气资源量占我国煤层气资源总量的比例更大，构造煤具有富气、低渗、松软等突出特征，多为煤与瓦斯突出煤层，因危害大且抽采利用困难煤矿生产中多将其风排到大气中，构造煤煤层气高效开发的能源、安全、生态意义十分突出[1-7]。
疏水降压解吸采气理论是当前原位煤层气地面井开发的理论基础[8-10]，其核心要义是通过地面井疏水降低煤储层流体压力，储层压力低于临界解吸压力时，煤层气发生大量解吸，游离气运移到井筒形成工业气流。由于构造煤储层渗透率极低且水力压裂等改造方式效果很差，疏水降压解吸采气理论显然不适合于构造煤储层，勘探开发实践也表明，基于疏水降压解吸采气理论基础的煤层气勘探开发技术无法实现构造煤煤层气的高效开发，包括SRV(Stimulated Reservoir Volume，体积压裂)技术系列(直井压裂、U形井、多分枝水平井、水平井压裂等)、ECBM(Enhanced Coal Bed Methane Recovery，提高煤层气采收率)技术系列(CO2-ECBM,N2-ECBM等)及其复合技术[11-13]，构造煤煤层气高效勘探开发技术与装备也成为制约中国煤层气产业快速规模化发展的重要技术瓶颈之一。
煤矿区被保护层构造煤煤层气采动卸压增透开发理论技术与工程实践为我们提供了启示[14-15]，即煤岩应力释放和体积膨胀不仅可以显著降低煤层流体压力，同时大大改善煤层渗透性，煤层气大量解吸和渗流到地面井井筒，从而实现煤矿区卸压煤层气地面井高效开发，但也存在着覆岩变形造成井孔破断、煤与煤层气生产衔接困难等制约性问题。如何在采动区以外更大范围原位区实现构造煤煤层气的应力释放解吸采气？借鉴直井洞穴完井工程原理，同时考虑到直井洞穴应力释放范围的局限性和工程效果不佳的情况[16-17]，在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目《构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟试验系统》(2018—2022)的资助下，拟另辟蹊径，发展水平井造洞穴应力释放解吸采气理论，同时创研基于该理论基础的构造煤原位煤层气高效勘探开发技术。
1 构造煤储层发育与煤层气赋存特征
1.1 构造煤储层发育特征
我国构造煤发育广泛，集中分布于构造变形强烈地区(例如南方贵州、云南、四川、湖南、江西晚二叠世煤层)、构造应力集中地区(例如安徽、河南石炭二叠纪煤层，东北辽宁、黑龙江早白垩世煤层)和煤层埋藏深度大的地区(华北河北、山西石炭二叠纪，西北新疆侏罗纪等埋深超过800 m的煤层)(图1)。
图1 中国构造煤储层分布(改自文献[18-20])
Fig.1 Distribution diagram of tectonically deformed coal seams in China[18-20]
受成煤期沉积环境与后期构造演化的共同影响，构造煤厚度变化大且快，普遍具有韧性变形破坏特征，甚至发生煤层流变，典型煤体结构类型为碎粒煤、片状煤和糜棱煤。
构造煤岩石力学强度极低，且割理裂隙系统往往因煤层强烈变形变得不规则、不连通和压实紧闭[21]，导致原地应力条件下构造煤煤层渗透率极低，孔隙度也较小[22-23]。由于构造煤样品采集过程中经历了地应力释放，因此实验室实测构造煤孔隙度、孔容和孔比表面积较原生结构煤大很多，并不能很好的表征构造煤储层原始状态下的物性特征及煤层气开采过程中的储层动态变化。
1.2 构造煤煤层气赋存特征
原位地应力条件下，构造煤孔隙度小、含水性差，煤层气几乎全部以吸附状态赋存，且煤层具有高含气量、高含气饱和度、高甲烷体积分数的含气特征。构造煤的朗格缪尔体积大、朗格缪尔压力小[24]，地应力和储层压力大，且较低的渗透率有利于煤层气保存，故构造煤含气量普遍较高，且多数具有较强的煤与瓦斯突出危险性[25];受含气量高的影响，构造煤含气饱和度一般较高，多为近饱和含气或饱和含气煤层;构造煤煤层气甲烷体积分数总体较高，基本都在80%以上(表1)。从含气性差异来看，构造煤含气性时空变化显著，在煤层小构造发育或急剧变厚的部位含气量往往异常高。在煤层气勘查开发过程中，受限于构造煤卸压后快速解吸逸失特性和煤层含气量现场解吸测试方法[26-27]，构造煤含气性测试结果与真实值存在较大偏差[28]。
表1 中国重点构造煤发育矿区煤层含气性统计
Table 1 Statistics of gas content of the tectonically deformed coal seams in key coal mining areas in China
重点矿区实测含气量/(m3·t-1)含气饱和度/%兰氏体积/(m3·t-1)兰氏压力/MPa鹤岗2.0～7.153～9015.3～26.31.1～1.8鸡西1.6～8.066～8916.1～30.71.3～1.7淮南3.4～10.140～11810.5～19.40.9～3.3淮北3.6～7.845～8211.1～19.51.0～4.0平顶山4.2～14.160～9016.2～38.61.2～3.2柳林4.6～10.098～11116.0～23.21.1～2.1盘江6.5～23.569～16918.1～27.41.8～3.1水城9.6～25.785～9215.0～25.32.0～2.6阳泉2.1～11.132～8429.5～37.41.3～1.7峰峰5.3～11.930～8018.1～29.52.0～2.3焦作10.1～13.356～8331.5～37.82.5～3.0韩城6.5～7.476～16315.3～17.20.5～1.3鹤壁5.7～7.760～7828.4～31.20.7～1.6
2 应力释放煤层气开发理论技术基础
2.1 应力释放煤层气开发
相对于疏水降压煤层气开发，应力释放煤层气开发是完全不同的理论技术方向。前者主要适应于原生结构煤层或构造变形很弱的碎裂煤，煤储层原始渗透率高，或适于采用水力压裂技术进行改造后煤储层渗透率得到显著改善、煤层气排采效率显著提高;后者主要适应于构造变形相对强烈的碎粒煤、片状煤、糜棱煤等典型构造煤，煤储层松软低渗，从原理上就不适于采用水力压裂技术进行改造。
应力释放煤层气开发是充分利用典型构造煤储层松软低渗高应力和应力释放体积急剧膨胀特性，基于煤储层应力释放—煤体膨胀—孔隙度和渗透率剧增—储层压力剧降—煤层气快速解吸—煤层气扩散渗流—煤层气井筒产出的原理，形成的煤层气开发理论与相应技术方法(图2)。广义上，包括煤矿区卸压煤层气应力释放开发(采动区保护层开采应力释放煤层气开发、采空区整体采场应力释放煤层气开发)和原位区钻井造洞穴应力释放煤层气开发两类，我们这里关注的是后者。
2.2 应力释放煤层气开发理论基础
2.2.1 煤体应力释放与膨胀
原生结构煤体由割理裂隙切割的煤基质块体构成，煤基质块为多孔介质，整体上可视为连续介质岩体[29]。典型构造煤由原生结构煤体变形破坏形成的、大小不等的近等轴状、片状颗粒压实而成，整体上可视为非连续介质岩体(松散岩体)。在原地应力条件下，煤岩体积(单位质量)和视密度是构造煤压缩系数(煤岩体积反比，视密度正比)或压缩模量与有效地应力(正比)的函数(式(1),(2))，其中，压缩系数或压缩模量是构造煤岩石力学特征参数，与煤体多遭受的变形破坏程度、煤级和煤岩煤质有关;有效应力取决于覆岩应力、构造应力与流体压力。钻井造洞穴可产生局部低骨架应力(甚至为0)并诱导形成一定范围的地应力释放区域，地应力和有效应力的显著降低导致构造煤视密度减小和煤体膨胀。
或
(1)
式中，a为压缩系数，MPa-1;e为孔隙比，即孔隙体积与其构造煤固体颗粒体积之比，无量纲;Δe为孔隙比变化量；p为有效地应力，MPa;Δp为有效地应力变化量；ρs为构造煤固体颗粒的密度，即构造煤的真密度，kg/m3;ρm为初始煤岩视密度，kg/m3;ρ′m为有效应力改变后的煤岩视密度，kg/m3;Vm为构造煤的初始体积(表观体积)，m3;V′m为有效应力改变后的构造煤体积(表观体积)，m3;Vs为构造煤固体颗粒的体积，m3;+表示煤体压缩;-表示煤体膨胀。
图2 煤层气应力释放开发产出原理示意
Fig.2 Principle diagram of the stress release applied extraction of CBM
(2)
式中，Es为压缩模量，MPa;Δε为应变增量，无量纲;e0为构造煤初始孔隙比。
2.2.2 煤层孔隙度和渗透率变化
推测原地应力构造煤孔隙度较原生结构煤一般要低，这与构造煤储层地应力集中和压实紧闭有关。但不论声波时差测井或中子密度测井得到的近井筒煤储层孔隙度[30-31]，还是室内密度法测得应力释放构造煤孔隙度，均较原生结构煤要高[32-33]，主要受应力释放构造煤膨胀和构造煤形成过程中力化学作用新产生更多的介孔和小孔的影响，故应力释放后构造煤孔隙度会急剧增大。测井、试井或煤矿井下钻孔测得的原地应力构造煤渗透率较原生结构煤一般低2～3个数量级，受限于松散样品条件实验室内几乎无法得到有代表性的构造煤渗透率测试结果。据煤矿井下应力释放前后构造煤储层渗透率实测结果对比，应力释放后构造煤储层渗透率可增加2 000多倍[34-35]。
2.2.3 煤层气间接降压解吸
相对于煤储层疏水—直接降压—煤层气解吸原理，应力释放是通过间接降压来实现煤层气解吸的，即应力释放首先引起构造煤煤体膨胀和孔隙度急剧增大，随后导致构造煤储层流体压力的显著降低，加之构造煤扩散表面积和扩散系数大，具有高瓦斯放散初速度，最终使煤层气发生快速大量解吸。
2.2.4 煤层气渗流产出
应力释放后，构造煤储层渗透率急剧增大，会产生大量的煤变形颗粒间的连通孔隙，同时产生大量裂隙，形成煤层气渗流到气井井筒的通道。对于钻井造洞穴应力释放，产生的裂隙多高角度与井壁相交、环绕井孔呈不对称的放射状，远离井孔方向裂隙密度、开合度变小[36]。对于保护层开采或采空区应力释放，在垂直裂隙带的煤层以垂直裂隙发育为主，而在远距离的离层裂隙带，构造煤往往以水平裂隙或离层裂隙发育为主[33-34](图3)。
图3 煤矿采动区应力释放煤层气地面井抽采原理示意(改自文献[34-35,37])
Fig.3 Principle diagram of the stress-relief CBM extraction by surface well in mining area[34-35,37]
2.3 应力释放煤层气开发技术基础
2.3.1 煤矿采动区应力释放煤层气地面井抽采技术的启示
在淮南矿区、淮北矿区、铁法矿区、晋城矿区、松藻矿区、鸡西矿区等已成功应用煤矿采动区(或采空区)应力释放煤层气地面井抽采技术进行了构造煤卸压煤层气开发[34-35]。煤层气单井产量(纯甲烷)可以达到20 000 m3/d，产出气体甲烷体积分数可达80%，证实了构造煤煤层气应力释放抽采理论的有效性和技术原理的可行性[30]。其基本技术要点:① 多采用下保护层采煤应力释放开发上部被保护层煤层气;② 采区范围合适位置提前施工地面煤层气井，井位布设在应力释放长期稳定适度和覆岩变形适度的位置;③ 一般采用表层套管、技术套管、生产筛管的三开或二开井身;④ 井口安装负压泵或连接负压管线抽采;⑤ 井筒中少量的水通过采动裂隙从煤矿井下排出;⑥ 采煤工作面推进到一定位置，煤层气井开始产气。存在的突出问题:井孔稳定性差;煤层气生产周期短;产出煤层气甲烷体积分数相对较低;高产稳产井成功率较低;适应性较差，开发效果受限于采煤工艺、工程条件和地层结构、煤层厚度、煤层间距等地质条件。
2.3.2 直井裸眼洞穴完井技术的借鉴
直井裸眼洞穴完井技术是美国圣胡安盆地煤层气开发采用的关键技术，适应于中煤级原生结构或变形程度微弱的高渗煤储层，平均单井煤层气产量为28 000 m3/d，最高稳定产气量达48 000 m3/d[38-39]。其基本技术要点:① 直井布设于原地应力条件下的高渗煤层发育部位;② 一般采用表层套管、技术套管、生产井段裸眼的三开井身;③ 在产层和产层段进行扩孔造洞穴;④ 井中安装有杆泵等举升系统和井口采气装置;⑤ 通过疏水降压实现解吸采气。该技术基于疏水降压原理，仍属于疏水降压技术的一种(图4)。这里扩径幅度非常有限，扩孔造洞穴的目的还主要是加大裸眼井筒与煤储层的接触面积，从而增加煤储层流体泄流面积和提高煤层气井产量。在我国的江西丰城和辽宁沈阳等构造煤发育地区，曾开展过应用直井裸眼洞穴完井技术进行应力释放开发构造煤煤层气的尝试，从扩孔造洞穴发展为掏煤粉诱导构造煤产层井段塌孔造洞穴，获得了煤层气井一定产气量，但由于应力释放范围小、煤粉举升困难等，煤层气井产气效果不佳[40-41]。尽管没有获得成功，但仍然可以提供非常有价值的借鉴，即通过钻井造洞穴可以实现原地应力构造煤储层局部应力释放。
图4 裸眼洞穴完井技术示意
Fig.4 Principle diagram of the openhole cavitation completion technology
2.3.3 水平井造洞穴应力释放构造煤煤层气开发技术工程原理
煤矿采动区应力释放煤层气地面井抽采技术证实了构造煤煤层气应力释放开发技术原理的可行性，直井裸眼洞穴完井技术证实钻井造洞穴可以实现原地应力构造煤储层一定范围内应力释放和传递，目前最大的挑战是如何让钻井造洞穴应力释放范围更大且施工过程可控？水平井造洞穴应力释放构造煤煤层气开发技术成为当前必然选择(图5)。基本工程原理是通过水平井扩孔和诱导控制塌孔造洞穴实现原地应力构造煤煤储层大范围应力释放传递和原位构造煤煤层气解吸产出，获得有商业价值的构造煤煤层气井产量。其基本技术要点:① 合适的井位部署，应力释放范围和煤层气开发效果与煤层厚度、倾角、变形程度及煤体结构、地应力等地质条件有关;② 基本井型为“U”形水平井—直井对接井组，水平井主要用来造穴强化构造煤储层，直井便于含高浓度煤粉流体的产出和水的循环使用;③ 构造煤钻进扩孔钻具与大口径成孔工艺;④ 水平井诱导控制造洞穴应力释放与构造煤储层激励;⑤ 含高浓度大颗粒煤粉流体的高效举升;⑥ 产出物的高效分离、回收与循环泵注。
图5 水平井造洞穴应力释放构造煤煤层气开发技术原理示意
Fig.5 Principle diagram of development technology of TDC in-situ CBM recovery by horizontal well cavern completion and stress relief
3 应力释放构造煤煤层气开发理论研究进展
3.1 煤层气应力释放开发模拟实验装置与实验
实验室研究和工程探索是构造煤煤层气应力释放理论技术基本研究方法，先期启动的实验室研究是降低工程探索风险的有效途径，同期实验研究可以为工程现象和工程发现提供解释。目前，构造煤煤层气应力释放开发实验研究围绕2个主要目的展开:其一，构建煤层气应力释放开发理论模型，丰富发展煤层气应力释放开发理论;其二，实验室尺度模拟论证煤层气应力释放开发技术的可行性，研制煤层气应力释放开发技术装备的原理机，其中研制煤层气应力释放开发大型模拟实验装置是开展实验室研究的关键。在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目《构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟试验系统》(2018—2022)的资助下，中国矿业大学等高校正在联合开展关键实验平台和工程原理机的研制工作，按计划正常推进实验系统设计与委托加工工作。该实验系统由三轴应力下煤系地层结构重构与地层条件模拟、构造煤水平井扩孔造洞穴完井模拟、水平井诱导控制造洞穴构造煤储层激励与流体运移模拟、直井气水煤粉混合物举升与产出模拟、地面产物分离/回收与水循环模拟、信息与自动化控制模拟6个模块构成。利用该实验系统，可以开展构造煤煤层气水平井造洞穴应力释放开发模拟实验。目前，利用已有实验装置或新研制验证装置，相关配套实验正在开展，例如，煤系岩石相似材料实验、构造煤孔隙结构分析、构造煤等温吸附与扩散实验、构造煤气体渗流实验、构造煤岩石力学实验、构造煤密度与体积应变的视电阻率反演等，确定了围岩相似材料制备方案。已被授权国家发明专利1项，被受理国家发明专利5项，被受理国际发明专利4项。
3.2 应力释放构造煤煤层气开发的甲烷解吸扩散
构造煤煤层气解吸扩散特征采用3种实验测试计算方法及其相关参数进行表征:① 等温吸附实验实测朗格缪尔曲线、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力;② 等温吸附实验数据计算得到的扩散系数;③ 实测瓦斯放散初速度。以淮南矿区中煤级煤为例，统计表明:构造煤朗格缪尔体积平均值为19.21 cm3/g，朗格缪尔压力平均值为3.31 MPa-1，分别是原生结构煤的1.65倍，1.20倍[42-44]，淮南矿区丁集矿构造煤扩散系数为原生煤的1.50倍[45]。实测淮北矿区构造煤的瓦斯放散初速度(ΔP)平均值为8.53 mmHg(1.134 kPa)[46]，是原生煤的1.51倍。
构造煤储层应力释放-煤体膨胀-孔隙度及其变化-储层压力及其变化(孔隙气体浓度及其变化)-煤层气解吸-扩散的关系模型可以通过理论模型构建和实验模拟确定。一方面取决于上述构造煤固有的煤层气解吸扩散特征[47-50];另一方面也与煤储层煤级、煤体结构、煤岩煤质、含气量及地层条件(温度、地层压力、含水性、地应力)等有关[48,51]。已开展了原生结构煤、碎粒煤(型煤)在不同围压条件下的解吸过程对比实验，测定了气体解吸速率变化，查明了构造煤应力释放开发过程中应力释放与吸附气解吸之间的关系(图6)。
围压加卸载条件下，煤柱中的气体解吸曲线呈明显的分段性(图6(a))。解吸前期解吸量快速上升，解吸速率很高，随后解吸量的增长逐渐趋于平缓，解吸速率普遍降低到0.01 mL/(g·min)(图6(b))。其中相同围压条件下，构造煤的解吸速率明显高于原生煤，低围压条件下样品的解吸量和解吸速率均高于高围压条件(图6(c))。高围压吸附后再降低围压解吸会提高构造煤型煤解吸初期的解吸速率和解吸量，但对原生煤的影响则具有一定的滞后性，即解吸5 min后才开始增大解吸量和解吸速率(图6(d))。
8,13和18 MPa—型煤柱样分别在8,13和18 MPa围压条件下吸附12 h后解吸;
18-13,18-8和18-5 MPa—样品在18 MPa围压下吸附12 h后再将围压分别降低到13,8和5 MPa解吸
图6 应力释放与煤层气解吸关系
Fig.6 Relationship between stress release and CBM desorption
3.3 应力释放煤层气开发构造煤煤储层渗透率
目前，构造煤煤储层应力释放与煤储层渗透率变化的关系模型可以通过3种方法获得[52-53]:① 煤矿井下钻孔地应力(应力解除法或水力致裂法)和渗透率现场监测;② 实验模拟与室内监测;③ 工程数据拟合、实验测试与数值模拟。现场长期监测数据可靠性最强。据淮南矿区样品实验结果，随应力释放，构造煤储层渗透率呈对数函数关系递增(图7(a))，原地应力18 MPa条件下，应力释放72.20%时，构造煤渗透率可增加8.11倍(图7(a))。渗透率剧增是构造煤储层应力释放后产生连通孔隙和裂隙的结果，除受应力释放幅度、速度等控制外，也与原地应力大小、煤储层变形程度与力学性质、应力释放方式等有关[53-55]。上述实例中，构造煤储层渗透率的后期急剧增高应该与离层裂隙开始发育有关。
实验结果显示，围压释放时构造煤的渗透性明显高于原生煤，渗透率增幅也高于原生煤(图7(b))。但在实际瓦斯抽采过程中，构造煤渗透率往往低于原生煤。这是由于实验过程选择的原生煤柱样为完整的标准煤体，构造煤由于煤体破碎而使用压制型煤的方式获得煤柱。型煤的制作方式、时间、压制强度和构造煤颗粒等因素均影响型煤的渗透率。但在目前构造煤标准煤柱制取工艺无法取得突破的情况下，采用型煤对于反映构造煤的一些规律仍具有一定的价值[56]。应力降低会释放原生煤和构造煤的煤体弹性能，导致煤体膨胀和离层裂隙的发育，进而提高储层渗透率[47]，且相较于原生煤，构造煤渗透率对应力释放的响应更加明显。
图7 淮南煤样应力释放与渗透率关系
Fig.7 Relationship between stress release and permeability of Huainan coal samples
4 应力释放构造煤煤层气开发技术研究进展
4.1 构造煤储层大口径水平井成井
构造煤储层水平井钻进、扩孔、成井最大的技术挑战是:构造煤松软且高地应力，极易发生缩径、塌孔等井壁失稳问题，导致水平井建造过程中出现卡钻、埋钻等事故，或水平井建造完成后井孔变形无法下入工具。要解决的关键科学问题是构造煤储层水平井建造钻柱力学与井孔稳定性控制机理。主要技术路径:研制专用钻进和扩孔钻具;研发特有的钻井工艺。目前利用自主研发的水平井双向往复式钻进与多级扩孔钻具模拟装置和构造煤地质力学模型，实现了二维围压条件下构造煤钻进与多级扩孔物理试验模拟(图8);已完成了两套激发扩孔方式的专用钻具研制，即“一种构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具”和“多级变径智能随钻扩眼工具”;研制了DF-1水基钻井液和DF-2油基钻井液两种暂堵成膜钻井液;形成了以双向往复式钻进、多级扩孔与复杂循环钻井液为关键的钻井工艺。
图8 构造煤钻进与多级扩孔物理试验模拟实验平台
Fig.8 Simulation experiment platform for physical experiment of tectonically deformed coal drilling and multistage reaming
4.2 构造煤储层水平井诱导控制造洞穴应力释放
构造煤储层水平井诱导控制造洞穴应力释放与储层激励最大的技术挑战是:诱导水平井塌孔，形成应力释放高效传递，使应力释放扩展范围最大化;控制塌孔速率和强度，不影响井下作业工具正常运行，垮落的构造煤能及时排出。要解决的关键科学问题是水平井诱导造洞穴应力释放激励煤层应力应变与多相流运移规律。主要技术路径:研制专用水平井诱导造洞穴工具;研发泵注+喷射诱导造洞穴工艺。目前利用自主研发的小型简易装置开展了诱导塌孔与应力释放区扩展试验模拟;已完成了构造煤储层水平井诱导控制造洞穴应力释放工艺设计和诱导造洞穴设备工具初步选型。
4.3 气/水/高浓度煤粉混合物高效举升
水平井诱导造洞穴垮落煤粉、储层应力释放后产出煤层气为主的流体和泵入井中的水构成气/水/高浓度煤粉多相混合物，这些混合物需要通过直井举升，混合物直井举升的技术挑战是:诱导造洞穴垮落煤粉在井底聚集、颗粒大小不一、举升混合物中煤粉浓度高，举升系统要无堵塞、抗磨损和长寿命。要解决的关键科学问题是直井气/水/高浓度煤粉多相混合物举升技术与优化理论。主要技术路径:研制含高浓度煤粉流体专用射流泵和配套井底煤粉扰动破碎装置;研发高效的直井气/水/高浓度煤粉混合物扰动破碎与举升组合工艺。目前完成了工业生产尺寸的喷射泵携煤粉举升试验平台设计、加工和安装，开展了直井气/水/高浓度煤粉混合物举升模拟实验;已完成了配套井底煤粉扰动破碎装置的设计方案，并开始按设计加工。
4.4 产出物地面高效分离回收与水循环泵注
直井产出物地面高效分离、回收与流体循环的最大技术挑战是:混合物分离效率要高，煤层气、煤粉回收率要高，水能够得到快速处理与循环利用，设备运行稳定可靠。要解决的关键科学问题是直井气水高浓度煤粉产出物三相流体高效重力分离机理。主要技术路径:研制专用气水煤粉产出物高效分离、回收和水循环利用设备;研发产出物地面高效分离回收与流体循环工艺。目前基于气液固三相重力分离、气体解吸与水循环处理原理，设计了气水煤粉产出物的三相分离/回收与水循环生产利用系统3套，开展了液、固两相分离的模拟实验，完成了设计方案优选，优化了液、固两相分离工艺。
4.5 应力释放构造煤煤层气开发模拟实验装置或装备数据采集与控制系统
目前的研发工作主要针对大型实验模拟装置运行中的物理参数测量、数据采集和集成控制，同时积极探索装备的先进控制算法，为实验模拟装置的安全可靠运行提供技术支撑。完成了仪器控制部分、数据采集部分的传感器、控制器硬件选型，系统设计与软件开发平台选择及方案论证，开展了仪器系统信息与自动化控制模拟子系统整体系统设计与算法设计，搭建了数据采集与监控系统的实验室模拟平台，实现对实验模拟装置中的应力应变、温度、压力、流量等参数的实时测量、数据采集和可视化监测，构建了基于滑模控制和广义预测控制策略的煤层气水平井钻井扩孔系统，并在实验室进行了模拟仿真(图9)。
图9 应力释放构造煤煤层气开发模拟试验装置监控系统
Fig.9 Simulation experiment monitoring system for the stress release applied extraction of CBM in tectonically deformed coal
5 结 论
(1)构造煤煤层气高效开发是我国煤层气资源禀赋的选择，应力释放煤层气开发理论技术发展成熟将构造煤煤储层从煤层气开发禁区变为新领域，同时也有望成为煤矿煤与瓦斯突出治理、煤矿区甲烷温室气体减排的治本之策。
(2)我国构造煤广泛发育于构造变形强烈地区、构造应力集中地区或煤层埋深大的地区。地层条件下典型构造煤储层多具有韧性变形破坏、松软低渗、高应力、富气等特征，煤层气疏水降压开发理论技术不适合构造煤储层。
(3)探索构建了应力释放(原位)煤层气开发理论技术基础。论述了应力释放煤层气开发原理，提出了应力释放煤层气开发技术方向，研创了水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发理论与相应技术方法;煤体应力释放与膨胀、煤层孔隙度和渗透率变化、煤层气间接降压解吸、煤层气渗流产出等规律机制构成应力释放煤层气开发基础理论的主要内涵;煤矿采动区应力释放煤层气地面井抽采技术、直井裸眼洞穴完井技术为煤层气应力释放技术形成提供了重要启示借鉴，通过水平井扩孔和诱导控制塌孔造洞穴实现原地应力构造煤煤储层大范围应力释放传递和原位构造煤煤层气解吸产出是其基本工程原理。
(4)应力释放构造煤煤层气开发理论研究取得重要进展。作为关键实验平台和工程原理机，水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发模拟试验系统已完成设计进入加工阶段，系列配套基础实验取得了重要数据;探索建立了构造煤储层应力释放与煤层气解吸扩散关系模型;揭示了应力释放煤层气开发构造煤煤储层渗透率变化规律。
(5)构造煤储层大口径水平井双向往复式钻进+多级扩孔+复杂循环钻井液成井、水平井泵注+喷射诱导控制造洞穴应力释放与储层激励、气/水/高浓度煤粉混合物直井射流泵+配套井底装置组合高效举升、产出物地面高效重力分离+回收+水循环、应力释放煤层气开发实验装置或装备数据采集与控制系统等应力释放构造煤煤层气开发关键技术研究取得实质性进展，取得一批自主知识产权成果。
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