李金昱

山西華新煤成氣勘查開發(fā)有限公司 山西 太原 030000

我國能源資源總量豐富，但人均占有量低，且能源結(jié)構(gòu)不合理，煤炭、石油、天然氣等化石能源占據(jù)較大的比重，能源消費結(jié)構(gòu)不合理的問題較為突出，且我國是一個能源需求大國，在未來一段時期內(nèi)能源需求將會持續(xù)增加，同時新能源開發(fā)力度不夠，現(xiàn)有的傳統(tǒng)化石能源資源開采存在一定的局限性和弊端。目前我國燃氣資源開采主要有兩種方式，分別是地下開采和地上開采。其中地下開采是指將天然氣輸送到地面進行存儲和開發(fā)；地上開采是指利用地面設施對天然氣進行存儲和開發(fā)。現(xiàn)階段我國主要采用的是地面開采方式，即將天然氣通過管道輸送到地面進行儲存?，F(xiàn)階段，我國燃氣資源開采主要采用的是傳統(tǒng)的地下開采方式，這一方式存在一定的弊端，不僅會產(chǎn)生大量的環(huán)境污染問題，而且還會產(chǎn)生大量的安全隱患問題，因此要加強對燃氣資源開采系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢研究[1-2]。

1 燃氣開采系統(tǒng)概述

燃氣開采系統(tǒng)是指利用先進的科學技術(shù)手段，將地下天然氣開采出來，并輸送到地面進行儲存，并將其應用到生活、工業(yè)等領(lǐng)域當中，促進能源利用效率的提高。

燃氣開采系統(tǒng)包括多種設備，分別為燃氣輪機、壓縮機、離心式壓縮機、燃氣換熱器等設備，這些設備都具有不同的功能和用途，其中燃氣輪機主要負責對天然氣進行壓縮、加熱、冷卻和運輸?shù)裙ぷ?；壓縮機是將天然氣從氣體中分離出來的重要設備；離心式壓縮機是指在氣井中利用離心式壓縮機對天然氣進行分離；燃氣換熱器主要用于天然氣在地下的存儲過程中與外界進行熱交換[3]。

現(xiàn)階段，燃氣開采系統(tǒng)主要包括采氣樹、儲氣井、集氣管道、氣井關(guān)和天然氣處理廠等。在對天然氣進行開采時，要先對天然氣的成分進行分析，根據(jù)分析結(jié)果來確定開采方案，管道式的開采方式，需要在管道中鋪設閥門，并將閥門連接到采氣樹中；井式開采方式，則要在井口設置集氣裝置，并將集氣裝置連接到氣井中；無源井式開采方式，則要將無源井內(nèi)的壓力釋放出來，然后對天然氣進行采氣；有源井式開采方式，則要在有源井內(nèi)安裝閥門并連接到集氣裝置中；有壓井式開采方式，則要將壓井管連接到集氣裝置中。

2 燃氣開采系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的必要性

2.1 實現(xiàn)國家能源戰(zhàn)略

我國油氣資源豐富，石油、天然氣、頁巖氣產(chǎn)量分別占全球的13%、19%和10%，是世界第二大原油生產(chǎn)國和第四大天然氣生產(chǎn)國。我國天然氣資源總量居世界第三位，探明儲量為1.45萬億m3，居世界第六位，在全球天然氣儲量中占有重要地位。截至2022年底，全國油氣產(chǎn)量已突破16億t。

我國是世界上最大的石油生產(chǎn)和消費國，石油和天然氣消費總量居全球第二位，石油、天然氣對外依存度分別為51.6%和48.1%。從2010年到2022年，我國的天然氣產(chǎn)量增長了35.5%，而石油產(chǎn)量增長了9.7%；天然氣產(chǎn)量增速超過石油產(chǎn)量增速的8個百分點。隨著天然氣產(chǎn)量的不斷增長，對天然氣資源的需求量也在不斷增加，為了保障我國能源安全，需要加快推進天然氣產(chǎn)供儲銷體系建設，促進天然氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。因此，我國需要從戰(zhàn)略高度重視和推進天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實施好國家能源戰(zhàn)略。

2.2 提升燃氣行業(yè)地位

天然氣是一種清潔、高效、經(jīng)濟的能源，它的開采對于改善我國能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

由于天然氣自身的特性，開采難度大，為了滿足國家能源安全的戰(zhàn)略要求，對其進行勘探開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新勢在必行。我國是一個以石油、天然氣為主要能源來源的國家，但石油、天然氣對外依存度已經(jīng)達到了60%以上，而且隨著社會經(jīng)濟和科技發(fā)展水平的提高，天然氣在一次能源中的比重越來越大。由于天然氣是一種潔凈的能源，能夠有效地緩解我國環(huán)境污染問題，改善城市空氣質(zhì)量，保護生態(tài)環(huán)境，同時也具有替代常規(guī)能源、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益、增加就業(yè)機會、減少溫室氣體排放等重要意義，所以天然氣行業(yè)的地位不斷提升。

2.3 促進能源行業(yè)發(fā)展

我國的能源行業(yè)發(fā)展速度十分迅速，對天然氣的需求量也在逐年增長，天然氣的價格也在逐年增長，但相比于石油和煤炭，天然氣的價格還是偏低。近些年來，由于國際環(huán)境問題以及國際形勢的變化，我國的石油、煤炭價格都有不同程度的上漲。在能源供應方面，我國也加大了對天然氣生產(chǎn)企業(yè)的扶持力度。

但是目前我國天然氣產(chǎn)量總體上還處于較低水平，且天然氣進口依存度較高。根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，2017年全國天然氣產(chǎn)量為1009.6億m3，同比增長9.4%；消費量為6374億m3，同比增長8.9%；全年凈進口量為5191億m3。天然氣進口依存度達到了40%，比2017年同比提高了6個百分點。天然氣的對外依存度過高，嚴重制約了我國能源行業(yè)的發(fā)展。所以，天然氣的開采技術(shù)創(chuàng)新迫在眉睫，只有加強技術(shù)創(chuàng)新才能促進能源行業(yè)的發(fā)展。

3 燃氣開采系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

3.1 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整是一項復雜的系統(tǒng)工程，在充分利用可再生能源的同時，大力開發(fā)利用天然氣等清潔能源。提高天然氣在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，是我國燃氣開采技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重點之一。為解決天然氣管網(wǎng)建設中面臨的技術(shù)瓶頸，必須通過技術(shù)創(chuàng)新來解決。

（1）管輸工藝創(chuàng)新。我國天然氣管道建設起步較晚，因此，我國的管輸工藝還不能完全滿足天然氣輸送需求。同時，我國大部分的城市都沒有天然氣管道，且城市燃氣管網(wǎng)覆蓋范圍小，部分城市已建成的管網(wǎng)未延伸到用戶端。因此，在進一步發(fā)展和完善管輸工藝的基礎上，重點研究管輸工藝的創(chuàng)新問題。

（2）控制技術(shù)創(chuàng)新。天然氣是一種高能量密度的能源，因此，必須要提高天然氣管網(wǎng)的控制技術(shù)。我國現(xiàn)有管道系統(tǒng)中，大多數(shù)管道采用人工操作方式控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，未采用自動控制方式進行自動控制。目前，我國天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，仍未建立完善的安全控制系統(tǒng)，如調(diào)度中心、儲氣庫和配氣站等。隨著國家對燃氣管道安全的重視程度不斷提高，必須加強安全控制系統(tǒng)建設，以降低管網(wǎng)運行中發(fā)生事故的概率。

3.2 提高燃氣使用效率

提高燃氣使用效率的途徑有很多，技術(shù)創(chuàng)新的途徑也有很多，下面將就其中的幾個方面進行闡述。

第一，合理設計、制造燃氣設備。燃氣設備的設計、制造要考慮到其技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境保護等多方面因素，在設計上要使設備在運行過程中能夠?qū)⑵鋲勖娱L到10年以上，將其在運行過程中的維護費用降至最低。

第二，提高燃氣使用效率。這包括燃氣設備本身的熱效率和燃氣系統(tǒng)的熱效率兩方面。（1）燃氣設備自身熱效率主要指燃氣設備本身的熱效率，即在保證安全的前提下，盡可能提高其熱效率，這對燃氣設備來說是非常重要的，它決定了燃氣設備運行過程中消耗的能量。（2）燃氣系統(tǒng)的熱效率，這是指燃氣系統(tǒng)在運行過程中所消耗的能量與其產(chǎn)生的熱量之比，其影響因素主要包括燃氣輸送系統(tǒng)和使用系統(tǒng)兩個方面，這兩個方面的效率決定了整個燃氣系統(tǒng)的效率，因此要提高燃氣使用效率，首先應提高其燃氣輸送系統(tǒng)的效率[4]。

3.3 推進清潔能源發(fā)展

為了有效提高燃氣的燃燒效率，必須要在燃氣開采系統(tǒng)中進行相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新。首先，需要對燃氣開采系統(tǒng)進行有效的改造，從而提高燃燒效率。其次，可以將一些對環(huán)境有污染的燃料進行有效地替代，比如可以將一些煤炭、石油、天然氣等燃料進行替代，這樣不僅能夠降低燃氣開采系統(tǒng)中污染物的排放量，還能夠提高燃氣開采系統(tǒng)的環(huán)保性。最后，需要對現(xiàn)有的燃氣開采系統(tǒng)進行有效的升級改造，例如可以將一些燃燒效率較低且污染較大的燃油轉(zhuǎn)換為天然氣等清潔能源。除此之外，還需要對燃氣開采系統(tǒng)進行相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，比如可以在燃氣開采系統(tǒng)中采用先進的環(huán)保技術(shù)。

3.4 加強智能化燃氣管控

在智能化技術(shù)應用方面，我國相關(guān)企業(yè)積極開發(fā)燃氣管控系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及通信技術(shù)等應用到燃氣管控系統(tǒng)中，有效提升了燃氣管控系統(tǒng)的智能化水平，如在長慶油田開展的“數(shù)字化智能平臺”項目，實現(xiàn)了燃氣生產(chǎn)、輸配、安全監(jiān)管等環(huán)節(jié)的信息互聯(lián)互通，使數(shù)據(jù)集中共享，提高了管控效率。

目前我國還存在一些制約燃氣管理的問題，如我國城市燃氣管道和設施建設標準相對較低，城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)存在大量的漏損泄漏問題；城鎮(zhèn)燃氣設施設計標準相對較低，設計、施工、運行等方面缺少規(guī)范和標準；城鎮(zhèn)燃氣的監(jiān)測系統(tǒng)不完善。這些問題需要通過技術(shù)創(chuàng)新來解決，如采用先進的智能化燃氣管網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)，對管網(wǎng)進行實時監(jiān)控，通過智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等對燃氣管網(wǎng)進行遠程控制和管理，以實現(xiàn)城鎮(zhèn)燃氣的智能化管控。

4 燃氣開采系統(tǒng)發(fā)展趨勢

4.1 智能化

隨著我國煤礦智能化的不斷推進，智能化技術(shù)在燃氣開采系統(tǒng)中的應用將進一步發(fā)展。智能化燃氣開采系統(tǒng)的本質(zhì)是通過各種先進信息技術(shù)對燃氣開采生產(chǎn)過程進行數(shù)字化、自動化、智能化的控制，使其成為一個能夠自行組織生產(chǎn)的獨立系統(tǒng)。智能化燃氣開采系統(tǒng)通常包括：（1）監(jiān)控監(jiān)測與故障診斷，包括運行參數(shù)和安全監(jiān)測。（2）自動控制，包括遠程控制和就地控制。（3）遠程控制，包括無線通信技術(shù)和遙控技術(shù)。（4）協(xié)同工作，包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)。（5）信息傳輸與共享，包括生產(chǎn)調(diào)度、設備管理等。

4.2 低碳環(huán)保

根據(jù)《中華人民共和國環(huán)境保護法》，為改善生態(tài)環(huán)境，保護生態(tài)系統(tǒng)，防治污染和其他公害，保障人體健康，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，制定本法。國家對大氣、水、固體廢棄物和噪聲等污染實施綜合防治。天然氣是清潔能源，采用天然氣替代煤炭對環(huán)境的影響最小?！洞髿馕廴痉乐畏ā访鞔_規(guī)定：“國家鼓勵和支持使用天然氣替代煤炭等高污染燃料”。燃氣開采系統(tǒng)中的煤礦瓦斯排放的污染物主要有：CO、SO2、NOX等有害氣體和粉塵、固體顆粒物。為改善燃氣開采系統(tǒng)的環(huán)境保護，在煤層氣開發(fā)利用過程中采用以下技術(shù)手段：

（1）井下抽采技術(shù)，如水平井分段壓裂、水平井壓裂、多分支水平井等技術(shù)，該技術(shù)可以減少瓦斯的抽采量，降低排放濃度，還能提高單井產(chǎn)量。

（2）地面抽采技術(shù)，如地面鉆井抽采技術(shù)、井下高壓大排量抽采技術(shù)、地面遠距離抽采技術(shù)等。

（3）煤層氣發(fā)電技術(shù)，利用煤層氣發(fā)電是一種清潔能源，將煤層氣轉(zhuǎn)化為電能，達到節(jié)省燃料的目的，同時實現(xiàn)清潔能源利用。

（4）煤層氣液化和氣化技術(shù)。將煤層氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)天然氣和氣態(tài)甲烷后，經(jīng)過凈化處理和液化處理，達到燃氣運輸標準后進行安全輸送。同時，對氣體進行氣化處理后進入工業(yè)鍋爐，實現(xiàn)對氣體的液化和氣化。

4.3 資源綜合利用

我國是能源資源匱乏的國家，在國民經(jīng)濟發(fā)展中對能源的需求很大，而我國煤炭、石油、天然氣等一次能源資源都相對缺乏。為滿足我國經(jīng)濟發(fā)展對能源的需求，近年來，國家加大了對煤炭和石油的開發(fā)力度，但我國能源結(jié)構(gòu)中煤炭、石油等一次能源占絕對優(yōu)勢，天然氣、液化石油氣等二次能源消費量很小，我國在一次能源生產(chǎn)和消費中對天然氣等二次能源的利用還不夠充分。

根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃綱要中提出的“在有條件的地方，積極發(fā)展天然氣、煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源開采”的要求，結(jié)合我國天然氣開采實際情況和國情特點，針對不同情況應該采取不同的開發(fā)利用模式。其中，對有條件的地方，應積極發(fā)展天然氣、煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源開采；對于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，應大力發(fā)展天然氣、液化石油氣等二次能源的消費，提高對能源的綜合利用效率；對于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，應充分利用天然氣次能源開發(fā)產(chǎn)生的廢熱、余熱，發(fā)展高質(zhì)量的能源消費。

此外，天然氣在化工產(chǎn)品生產(chǎn)中具有多種用途，其中主要包括：天然氣化工原料、化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱能及余熱；天然氣化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工藝介質(zhì)等；天然氣在發(fā)電、供熱過程中產(chǎn)生的余壓及余熱；天然氣在輸送過程中產(chǎn)生的冷能等。

5 結(jié)束語

燃氣開采系統(tǒng)是一種新型的能源開采方式，對我國社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的意義。燃氣開采系統(tǒng)主要由管網(wǎng)系統(tǒng)、天然氣凈化系統(tǒng)、液化裝置三部分構(gòu)成，在這一過程中需要使用到一些先進技術(shù)，如液化天然氣技術(shù)、凈化技術(shù)等。燃氣開采系統(tǒng)的主要目的是將天然氣從地下輸送到地面，利用相應的設備進行儲存和開發(fā)，最終實現(xiàn)對燃氣資源的有效利用?，F(xiàn)階段，我國在燃氣開采過程中存在一定的問題，如燃氣開采效率低、資源浪費嚴重等，因此要加強對燃氣開采系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢研究，使其能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，從而推動我國能源行業(yè)的快速發(fā)展。