于小波，李玉海，萬發(fā)明，齊 悅，高 庚，邵臣良

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413；2.大慶油田勘探開發(fā)研究院規(guī)劃研究室，黑龍江 大慶 163712；3.大慶油田有限責(zé)任公司科技發(fā)展部，黑龍江 大慶 163453）

1 概述

我國(guó)能源具有“富煤、缺油、少氣”的特點(diǎn)，煤炭資源約占總的化石能源94%，因此煤炭資源的有效開發(fā)在我國(guó)具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。煤炭地下氣化開發(fā)利用，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的一個(gè)重要途徑和手段，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)選擇，也是新能源和替代能源發(fā)展戰(zhàn)略要求。相關(guān)能源單位提出了煤炭地下氣化業(yè)務(wù)“扶持培育、服務(wù)油氣、并重發(fā)展及清潔發(fā)展”四步走發(fā)展戰(zhàn)略及發(fā)展目標(biāo)，將煤炭地下氣化業(yè)務(wù)制定為未來具成長(zhǎng)性的戰(zhàn)略新能源業(yè)務(wù)，作為新能源開發(fā)業(yè)務(wù)的重要方向。

2 適合煤炭地下氣化資源情況

我國(guó)埋深800～3000m 可氣化煤炭折合天然氣資源量為（272～332）×1012m3，超過常規(guī)天然氣，以及致密砂巖氣、頁(yè)巖氣、煤層氣等非常規(guī)天然氣資源量之和，開發(fā)潛力巨大。UCG儲(chǔ)量豐度、產(chǎn)氣速度和效率均遠(yuǎn)高于目前開發(fā)的非常規(guī)氣，可開辟快速有效供氣的戰(zhàn)略新途徑，有望成為具有中國(guó)特色的天然氣技術(shù)革命。在新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江等產(chǎn)煤大省，煤炭未動(dòng)用資源儲(chǔ)量巨大，特點(diǎn)是層厚度大，煤層品質(zhì)好，遠(yuǎn)景煤炭資源儲(chǔ)量巨大，具有充足的資源基礎(chǔ)，其煤系地層具有豐度高、類型好、生氣潛力大、分布范圍廣的特點(diǎn)，具備適宜煤炭地下氣化技術(shù)的資源基礎(chǔ)。

3 國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化技術(shù)

蘇聯(lián)是世界上進(jìn)行地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最早的國(guó)家,受能源危機(jī)的影響,美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)和東歐許多國(guó)家在20世紀(jì)也都進(jìn)行了煤炭地下氣化的試驗(yàn)。著手開展了煤炭地下氣化技術(shù)的攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要包括礦井式（有井式）（圖1）和鉆井式（無井式）（圖2）兩種。

圖1 礦井式（有井式）

圖2 鉆井式（無井式）

我國(guó)經(jīng)過30多年礦井式煤炭地下氣化的探索與試驗(yàn)，突破了氣化穩(wěn)定控制、多爐協(xié)同作業(yè)、燃空區(qū)探測(cè)、污染物監(jiān)測(cè)與處理等關(guān)鍵技術(shù)，形成了以“長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段”為核心的礦井式煤炭地下氣化工藝。

國(guó)外鉆井式煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了以“U”型氣化爐、CRIP、熱電聯(lián)產(chǎn)等為核心的鉆井式氣化工藝，驗(yàn)證了鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)可行。澳大利亞欽奇拉項(xiàng)目是以“U”型氣化爐為代表的，突破了氣化通道貫通、可連續(xù)造腔等關(guān)鍵技術(shù)的氣化爐建造工藝；加拿大天鵝山項(xiàng)目“4 測(cè)3 控”技術(shù)為代表的注入點(diǎn)可控后退氣化運(yùn)行控制工藝（CRIP），提高了粗煤氣制氣率和氣化效率。

目前國(guó)內(nèi)三家公司擁有地下煤層氣化相關(guān)技術(shù)，包括新疆國(guó)利衡清潔能源科技有限公司、中為（上海）能源技術(shù)有限公司、新奧集團(tuán)。其中新疆國(guó)利衡清潔能源科技有限公司與俄羅斯科學(xué)院可燃礦物研究所、中國(guó)石油大學(xué)（北京）等科研院所共同合作，建立新疆首個(gè)煤炭地下氣化工程，位于吐魯番市鄯善縣庫(kù)木塔格沙爾湖煤田；中為（上海）能源技術(shù)有限公司與澳大利亞澳中能源集團(tuán)合作開展研究，于2019 年11 月27日，中為能源鄂爾多斯唐家會(huì)礦區(qū)煤炭地下氣化技術(shù)工業(yè)化示范項(xiàng)目成功投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)第一個(gè)“長(zhǎng)通道”地下水平對(duì)接氣化爐；新奧集團(tuán)是中國(guó)較早將煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的企業(yè)，在內(nèi)蒙古烏蘭察布建有氣化采煤工業(yè)化示范基地，2009 年6 月成功產(chǎn)氣發(fā)電。氣化爐實(shí)現(xiàn)30個(gè)月連續(xù)生產(chǎn)，氣化爐產(chǎn)氣規(guī)?？烧{(diào)，單爐產(chǎn)能可達(dá)到50×104m3/d以上。

我國(guó)UCG 目前規(guī)模化關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈延伸方面還有待深入研究，以克服UCG 產(chǎn)業(yè)存在的技術(shù)、產(chǎn)品定位、管理和運(yùn)作等方面問題。

4 煤炭地下氣化關(guān)鍵技術(shù)

煤炭地下氣化關(guān)鍵技術(shù)首先需要在地質(zhì)條件、地表?xiàng)l件、技術(shù)條件、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行選址評(píng)價(jià)，其次要在煤炭地下氣化工藝及配套技術(shù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，主要包括氣化爐建造技術(shù)、運(yùn)行控制技術(shù)。其中氣化爐建造技術(shù)要在井型優(yōu)選、注氣井與采出井連通的精準(zhǔn)入靶技術(shù)、鉆井液防漏堵漏技術(shù)、井筒完整性技術(shù)等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究；運(yùn)行控制技術(shù)要在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)、可控后退燃燒技術(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

4.1 煤炭地下氣化選址研究

煤炭地下氣化選址包括資源量、地質(zhì)構(gòu)造、目標(biāo)煤層、煤巖煤質(zhì)、頂?shù)装?、封蓋條件、水文條件和地表?xiàng)l件等方面研究，進(jìn)行多參數(shù)評(píng)價(jià)：包括煤炭資源量和資源豐度，構(gòu)造條件，埋深、單層厚度和傾角，煤階、滲透率、工業(yè)分析、粘結(jié)指數(shù)GRI、熱值和焦油產(chǎn)率，頂板巖性、頂板厚度、含水性、滲透性和裂縫發(fā)育，蓋層巖性和區(qū)域蓋層厚度，含水層，地形條件、水電供給、居民保護(hù)區(qū)、煤礦邊界和煤礦開采深度。應(yīng)當(dāng)建立技術(shù)條件、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)三個(gè)方面的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立相關(guān)的評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)、評(píng)價(jià)參數(shù)和參數(shù)體系。

4.2 煤炭地下氣化爐建造技術(shù)

地下氣化爐位于原位的煤層中，主要由進(jìn)氣井（通道）、出氣井（通道）、氣化通道和集氣（氣流）通道四要素組成。地下氣化爐按施工方法可分為礦井式和鉆井式兩大類，由于礦井式氣化建爐過程還需要人工在井下作業(yè)，一般適用于老礦井遺棄煤炭資源的回收和淺部煤層氣化。所以鉆井式地下氣化爐將具有更廣闊的前景。

目前地下氣化爐建造鉆完井技術(shù)面臨井底易漏、易塌，井底高溫、高壓、氣體腐蝕等難題，需開展相關(guān)氣化爐井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、目的層精準(zhǔn)穿針入靶技術(shù)、煤層地下施工鉆井液防漏堵漏技術(shù)調(diào)研研究及防井口帶壓及抗高溫管柱應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)、多通道高溫高壓井口技術(shù)、可燃套管技術(shù)等井筒完整性方面應(yīng)重點(diǎn)開展研究。

4.3 煤炭地下氣化運(yùn)行控制技術(shù)

針對(duì)氣化腔形態(tài)、氣化過程圍巖應(yīng)力及腔內(nèi)溫壓監(jiān)測(cè)難度大問題應(yīng)建立完善的氣化運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；針對(duì)粗煤氣產(chǎn)量與組分變化范圍寬，難以控制粗煤氣品質(zhì)以及確定運(yùn)行控制指標(biāo)問題，建立粗煤氣品質(zhì)控制技術(shù)。應(yīng)開展相關(guān)研究研制適用于氣化燃燒環(huán)境下的監(jiān)測(cè)設(shè)備，開展氣化與燃燒實(shí)驗(yàn)，揭示控制規(guī)律，攻關(guān)氣化劑、溫壓等指標(biāo)對(duì)制氣率和轉(zhuǎn)化率的控制機(jī)理，突破氣化運(yùn)行控制技術(shù)。

同時(shí)由于煤層重復(fù)點(diǎn)火困難，常規(guī)連續(xù)管裝備響應(yīng)速度慢，自動(dòng)化程度低，不滿足多通道高壓隨程動(dòng)態(tài)注入要求；缺乏應(yīng)對(duì)井下卡阻、氣化通道堵塞等井下復(fù)雜的作業(yè)工藝和專業(yè)工具。應(yīng)在可控燃燒技術(shù)方面需要進(jìn)行研究，優(yōu)化化學(xué)點(diǎn)火工藝，提高重復(fù)點(diǎn)火成功率，研制可控燃燒工具和多通道連續(xù)管注入工具，研制氣化專用裝備，開發(fā)井下復(fù)雜處理工藝和工具。

總結(jié)借鑒國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化技術(shù)，結(jié)合煤炭埋藏地質(zhì)特點(diǎn)，針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)開展研究，將對(duì)煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展壯大奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5 認(rèn)識(shí)及展望

（1）國(guó)家高度重視清潔、綠色能源發(fā)展，國(guó)家能源局《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃(2015-2030 年)》提出“推進(jìn)UCG示范工程建設(shè)，探索適合我國(guó)國(guó)情的UCG發(fā)展路線”，煤炭地下氣化是煤炭資源清潔高效利用的環(huán)境友好綠色技術(shù)。

（2）我國(guó)要力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。因此對(duì)新能源發(fā)展是良好的機(jī)遇，而煤炭地下氣化技術(shù)能夠使煤炭資源得到清潔、綠色、安全性開發(fā)利用，能夠有效改善能源結(jié)構(gòu)，煤炭氣化后的灰渣留在地下，避免廢氣、廢水、廢渣對(duì)地面的環(huán)境造成污染，同時(shí)可使現(xiàn)階段對(duì)于深層煤炭應(yīng)用礦井式方式無法開采的資源得到很好的開發(fā)利用。

（3）煤炭地下氣化技術(shù)產(chǎn)生的CO2，可以有效應(yīng)用其驅(qū)油來提高原油采收率，CO2驅(qū)油機(jī)理主要是降低原油粘度、改善流度比、原油體積膨脹、萃取和汽化原油中的輕烴、降低界面張力、溶解氣驅(qū)和混相效應(yīng)。CO2的有效利用一方面響應(yīng)了國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的減排戰(zhàn)略目標(biāo)，另一方面實(shí)現(xiàn)了CO2驅(qū)油后的地質(zhì)埋存，兼具良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

綜上，煤炭地下氣化技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，如其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作，在能源接替方面將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。