鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵力學(xué)問題1)

劉曰武 劉 暢 丁玖閣，3)

*(中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190)

?(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049)

隨著社會發(fā)展和人類的進步，能源緊缺已成為難以逾越的世界難題，尤其我國油氣能源的緊張局勢日趨嚴重。據(jù)統(tǒng)計，我國在2018 年石油對外依存度達70.9%，天然氣對外依存度達43%。預(yù)計未來幾年中國油氣對外依存度還將繼續(xù)上升，我國目前油氣能源受到國外能源的制約，能源資源安全問題日益加劇。地下煤氣化技術(shù)有希望成為解決我國油氣能源危機的重要手段之一。

我國陸上埋深1000 ～3000 m 的煤炭資源量按氣化動用率40%計算，折合等熱值甲烷為2.72×1014～3.32×1014m3，資源量超過常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣資源量之和，遠大于目前已投入開發(fā)的天然氣資源總量，有望成為具有中國特色的天然氣技術(shù)革命[1]。

煤炭地下氣化 (underground coal gasification，UCG) 是通過注入通道將氣化劑注入到地下煤層中，使煤炭與氣化劑在原位煤層中發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣、一氧化碳和甲烷等可燃氣體的化學(xué)采煤方法。煤炭地下氣化實現(xiàn)了煤炭地下清潔密閉開發(fā)，生產(chǎn)過程無固體廢棄物排放，該方法是集建井、采煤、氣化三大工藝為一體的清潔能源開發(fā)方式。目前流行的“U” 型井開發(fā)模式的煤炭地下氣化原理流程示意圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，煤炭地下氣化主要包括地面和地下2 個部分。地面部分包括4 個中心、2 套控制裝置以及相應(yīng)的地面管線。4 個中心包括氣化劑制備及注入控制中心、粗煤氣分離凈化處理中心、產(chǎn)品集輸及利用中心和監(jiān)測及控制中心。2 套控制裝置分別為連續(xù)油管控制裝置和余熱處理裝置。地下部分主要包括注入井、生產(chǎn)井和監(jiān)測井3 個部分。注入井是水平井，其垂直井段和部分水平井段的井筒內(nèi)有連續(xù)油管，連續(xù)油管內(nèi)部是同心分層的氣化劑、燃燒劑和冷卻劑的注入通道。注入井和生產(chǎn)井之間的水平段是該項技術(shù)的關(guān)鍵連通通道，是注入點受控后退氣化技術(shù)(controlled retraction injection point，CRIP) 實施的主要通道，也是氣化腔形成的基礎(chǔ)部位。

煤炭地下氣化過程在地下氣化通道中完成。氣化通道分為三個反應(yīng)區(qū)：氧化區(qū)、還原區(qū)和干燥干餾區(qū)。煤炭地下氣化反應(yīng)的示意圖如圖2 所示。

本文在大量調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合重大項目的需求，對國內(nèi)外煤炭地下氣化開發(fā)技術(shù)模式的發(fā)展歷程和趨勢進行分析總結(jié)，主要包括以下6 方面的內(nèi)容：

(1)煤炭地下氣化的基本原理及研究意義概述。

(2)煤炭地下氣化的萌芽階段：早期基本理論的提出及工藝措施。

(3) 鉆孔式煤炭地下氣化技術(shù)的實現(xiàn)狀況。

(4) 直井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的循序漸進過程。

(5) 水平井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的突破性進展。

(6)通過對煤炭地下氣化開發(fā)模式的發(fā)展歷程的分析，指出了煤炭地下氣化開發(fā)技術(shù)的發(fā)展趨勢及其過程中關(guān)鍵力學(xué)問題。

1 煤炭地下氣化萌芽階段

圖1 煤炭地下氣化原理流程圖(根據(jù)文獻[2] 修改)

圖2 煤炭地下氣化反應(yīng)的示意圖(根據(jù)文獻[3] 修改)

我們將煤炭地下氣化基本原理的提出到現(xiàn)場試驗方案的規(guī)劃階段稱為煤炭地下氣化“萌芽階段”。這個階段的工作主要包括4 個小的方面：(1)煤炭地下氣化基本概念和思想的提出；(2)煤炭地下氣化工藝的建立；(3)煤炭地下氣化技術(shù)專利的申請；(4)煤炭地下氣化現(xiàn)場試驗方案的設(shè)計。這些工作為煤炭地下氣化奠定了良好的基礎(chǔ)，但在這一階段最終只是一個美好的愿景，沒有走到現(xiàn)實世界中來，因此稱之為“萌芽階段”。

1.1 煤炭地下氣化思想的提出

1868 年德國科學(xué)家威廉西蒙在給化學(xué)學(xué)會的報告中，提到“不是將煤輸送到位于鋼爐附近的煤氣發(fā)生爐，而是將這些煤氣發(fā)生爐放置在煤礦中以燃燒松散的煤，產(chǎn)生的氣體將通過管道系統(tǒng)輸送到煤氣爐”[4]。西蒙熔鐵爐(煤氣發(fā)生爐) 的示意圖如圖3所示。

圖3 西蒙熔鐵爐(煤氣發(fā)生爐) (根據(jù)文獻[5] 修改)

這是煤炭地下氣化概念的首次提出，為以后的理論研究和技術(shù)探索指明了新的方向。

1.2 煤炭地下氣化工藝的建立

1888 年，俄羅斯科學(xué)家德米特里·門捷列夫第一次提到了煤炭不用開采，而是以原始形態(tài)在地下轉(zhuǎn)化為燃料氣體，通過管道網(wǎng)絡(luò)輸送的可能性。并在之后提出了“在煤層中鉆了幾個孔后，用其中一個孔注入空氣，另一個孔來生產(chǎn)或者抽取燃料氣體混合物，這些混合物可以很容易地長距離輸送到燃氣爐” 的工藝方案[6-7]。門捷列夫的地下氣化設(shè)想圖的示意圖如圖4 所示。

圖4 門捷列夫的地下氣化設(shè)想圖(根據(jù)文獻[5] 修改)

1.3 煤炭地下氣化方案的提出及專利申請

1906-1910 年，美國工程師安森· 加德納·貝茨提出了幾個實現(xiàn)煤炭地下氣化的具體方案，三次申請并獲得了地下氣化方案專利，還討論了方案的許多細節(jié)[8-10]。貝茨的氣化設(shè)計方案的示意圖如圖5所示。

圖5 貝茨的氣化設(shè)計方案(根據(jù)文獻[5] 修改)

1.4 煤炭地下氣化試驗方案的設(shè)計

1913 年，英國化學(xué)家威廉·拉姆齊首次設(shè)計了利用氣化爐法生產(chǎn)燃料氣體的實驗。但是由于第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，拉姆齊直到去世都未能開始他的試驗[3，11-12]。

1933 年底，蘇聯(lián)頓涅茨克煤炭化學(xué)研究所發(fā)明了“氣流氣化”方法，并申請了專利。“氣流氣化”方法是指由煤層底板、頂板、碎石和煤層組成氣化通道，在氣化通道內(nèi)對煤炭進行氣化[3，13-14]。

2 鉆孔式煤炭地下氣化初步實現(xiàn)階段

鉆孔式技術(shù)是在地表上按照一定的網(wǎng)絡(luò)布局，從地面向煤層進行鉆孔，包括進氣孔和出氣孔。在進氣孔中點火，使煤層發(fā)生氣化產(chǎn)生煤氣，由出氣鉆孔采出[15]。鉆孔式煤炭地下氣化主要有2 種鉆孔方式，排列式垂直鉆孔方式和垂直鉆孔交連于水平鉆孔方式，分別如圖6 和圖7 所示。

2.1 排列式垂直鉆孔方式

圖6 鉆孔式地下氣化(根據(jù)文獻[5] 修改) (單位：m)

圖7 英國斯賓尼試驗下傾煤層流程圖(根據(jù)文獻[5] 修改)

1933 年，蘇聯(lián)在莫斯科的Krutova 礦區(qū)進行了第一次UCG 試驗。將一塊10 m×10 m 的煤區(qū)從煤層中隔離出來，一邊注入空氣，另一邊輸出合成氣，由于煤層的非均質(zhì)性，火焰?zhèn)鞑シ较螂y以控制。20 世紀40 年代，開始試驗在煤層中鉆孔。使用矩形和圓形的鉆孔陣列，它們之間的距離非常近(大約幾米)如圖6 所示。在氣化過程中，首先將熱木炭投入第一排井中，然后用第二排井注入空氣，再用第三排井回收產(chǎn)生的氣體[16-17]。

2.2 垂直鉆孔交連于水平鉆孔方式

英國在紐曼·斯賓尼的下傾煤層下進行了UCG試驗。首先在采煤面上鉆了一個孔，使其從采石場表面向下傾斜約70 m 的煤層中“穿過”。從地面鉆幾個井眼與煤層井眼相交，分別作為注入孔(注入空氣)、生產(chǎn)孔(排出混合煤氣)、排水孔(用于收集水和熱解產(chǎn)物) 和界限孔，如圖7 所示[5]。

2.3 鉆孔式煤炭地下氣化的評價

對于鉆孔式煤炭地下氣化技術(shù)，無論是排列式垂直鉆孔方式還是垂直鉆孔交連于水平鉆孔方式，主要的貢獻在于將煤炭地下氣化技術(shù)變?yōu)榱爽F(xiàn)實，在煤炭地下氣化技術(shù)歷史發(fā)展過程中奠定了重要的里程碑。

該技術(shù)的優(yōu)點在于：適合于淺煤層的煤炭氣化，技術(shù)操作難度低，實現(xiàn)多點移動注氣和采氣以保證煤氣產(chǎn)量，施工工藝簡單，經(jīng)濟成本低。

其缺點為：由于淺層施工，容易污染地下水資源、發(fā)生地面塌陷；由于地層的密閉性差，合成氣容易逸散；由于自然滲透率很低，難以控制反應(yīng)速度及火焰前沿的發(fā)展方向。

2.4 鉆孔初步發(fā)展階段的關(guān)鍵力學(xué)問題

鉆孔初步發(fā)展階段的關(guān)鍵力學(xué)問題包括4 個方面：

(1) 鉆孔過程中的巖石破碎相關(guān)力學(xué)問題；

(2) 鉆孔孔壁的穩(wěn)定性問題；

(3) 鉆孔附近煤層氣化的熱動力學(xué)問題；

(4)注入孔與生產(chǎn)孔之間合成氣在煤層中的滲透問題。

3 直井鉆井式煤炭地下氣化循序發(fā)展階段

直井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)主要是指：利用石油天然氣行業(yè)的鉆井技術(shù)，從地面向煤層中鉆兩口垂直井，一口作為注入井，一口作為生產(chǎn)井，然后在井間建立貫通通道，使氣化劑能從注入井注入到煤層中與煤發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，生成的粗煤氣沿貫通通道從生產(chǎn)井產(chǎn)出，如圖8 所示。

圖8 直井鉆井式煤炭地下氣化工藝圖

煤炭地下氣化的技術(shù)手段之一是通道貫通，通道貫通的方法主要有：火力滲透貫通法、電力貫通法和水力壓裂貫通法等。

3.1 火力滲透貫通方式

火力滲透貫通法的核心是通過熱力作用在已鉆好的兩垂直井之間形成一條貫通通道。其基本的工藝操作過程為：(1)首先向生產(chǎn)井的井底投入燃燒的焦炭或點火裝置，鼓入壓縮空氣，對煤層進行點火；(2)生產(chǎn)井初始點火成功后，在注入井注入壓縮空氣，注入的壓縮空氣通過煤層向生產(chǎn)井滲透；(3)到生產(chǎn)井井底后，燃燒和氣化向著壓縮空氣的來流方向移動，從而形成貫通的火力通道[18]?；鹆ω炌ㄓ址譃楦邏夯鹆ω炌ê统夯鹆ω炌ā?/p>

1942 年，蘇聯(lián)在Podmoskovnaya 進行的現(xiàn)場試驗中3 號盤區(qū)采取了火力貫通方式，每隔20 m 施工1 個垂直井，采用火力滲透貫通氣化通道，氣化劑為空氣。滲透貫通所建立的地下氣化爐氣化通道距離短、供風(fēng)阻力大、服務(wù)時間短。

3.2 電力貫通方式

電力貫通是將兩個電極分別插入注入井和生產(chǎn)井中的煤層，通入高壓電，在電流的熱效應(yīng)下，煤層的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生變化，煤層焦化形成孔隙較大的氣化通道。

20 世紀80 年代，法國在Echaux 煤田的30 m 深的煤層中進行了電力貫通試驗。在第一次實驗中，要使電極間的煤碳氣化，但極高的氣化溫度(1500°C)導(dǎo)致設(shè)備在24 h 內(nèi)遭到破壞。后來的現(xiàn)場試驗使用了冷卻系統(tǒng)，但只是減少了煤炭焦化所需電力，沒有其他更多技術(shù)進步。美國、英國、波蘭等都在電力貫通方面進行了相應(yīng)的研究，但是沒有取得更好的進展。

該方法的優(yōu)點是速度較快，丟煤少。其缺點在于：設(shè)備較復(fù)雜，操作不夠簡便，電流方向不易控制，煤層電阻大，耗電多，設(shè)備易腐蝕；當煤層中含水量較大時，該法將消耗大量電能，增加貫通成本。

3.3 水力壓裂貫通方式

水力壓裂是利用高壓水泵裝置，從鉆孔向預(yù)定的煤層注入帶支撐劑的高壓水，使煤層壓裂，在兩井之間形成貫通的裂縫?；竟に囀疽鈭D如圖9 所示。

1979 年，法國在Bruay-en-Artoi 煤田進行了水力壓裂貫通試驗。由于注入井段附近的正常反向燃燒氣化和生產(chǎn)井附近的異常自燃同時發(fā)生，因此在1981 年6 月結(jié)束了該項試驗，徹底關(guān)閉了Bruay-en-Artois 煤礦。

美國、法國、比利時、德國等的水力壓裂試驗均未成功。該方法的優(yōu)點為貫通速度快，電耗小，安全性高；缺點為設(shè)備較復(fù)雜，操作不方便，液流不易控制，高靜壓會降低滲透性，不適用于深層煤炭。

圖9 兩井之間的水力壓裂貫通技術(shù)示意圖(根據(jù)文獻[2] 修改)

3.4 各種貫通方式的綜合評價

英國Bayton 試驗測試了幾種貫通方法。第一次試驗使用壓縮空氣連接垂直工藝井。過程緩慢，但可以通過增加氧氣在壓縮氣流中的比例來加速，通道相對狹窄，需要較高的空氣壓力。第二次嘗試使用電力貫通，將電極置于注入井和生產(chǎn)井的底部，并使用高壓在兩者之間熱解煤。發(fā)現(xiàn)電流方向無法控制。不同氣化通道貫通法的技術(shù)經(jīng)濟對比情況如表1所示。

3.5 鉆井式地下煤氣化階段的關(guān)鍵力學(xué)問題

鉆井式地下煤氣化是鉆孔煤氣化技術(shù)的深化發(fā)展，該階段的關(guān)鍵力學(xué)問題除了鉆孔式地下煤氣化的基本問題外，還包括以下3 個方面：

(1)注入井和產(chǎn)出井之間不同貫通方式的相關(guān)力學(xué)問題，如電力貫通的巖石破碎力學(xué)問題、水力壓裂裂縫形成及延伸問題等；

(2)注入井和產(chǎn)出井之間的連通通道的流體流動問題：流動狀態(tài)、流動穩(wěn)定性等；

(3)注入井與生產(chǎn)井之間的連通通道與煤層的流體滲透以及傳熱問題等。

4 水平井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)突破階段

根據(jù)目前國內(nèi)外主要現(xiàn)場試驗分析統(tǒng)計，導(dǎo)致試驗終止的工藝因素中，地質(zhì)選址占30%，工藝技術(shù)占70%，其中氣化爐建造工藝針對性與完整性、氣化運行控制可靠性分別占工藝技術(shù)因素的31% 和69%。水平井技術(shù)的出現(xiàn)從根本上解決了煤炭地下氣化技術(shù)中注入井和生產(chǎn)井井間通道連通不暢的問題，實現(xiàn)了煤炭地下氣化技術(shù)瓶頸的突破，開啟了煤炭地下氣化技術(shù)新的里程碑。利用石油天然氣開發(fā)的水平井穿針技術(shù)、連續(xù)油管技術(shù)以及注入點受控后退氣化技術(shù)，大大加速了煤炭地下氣化商業(yè)化開發(fā)的進程。

表1 不同氣化通道貫通法的技術(shù)經(jīng)濟對比[19]

4.1 “U” 型水平井技術(shù)

1863 年，瑞士工程師提出了水平井的建議。水平井是指一種井斜角大于或等于86°，并保持這種角度鉆完一定長度水平段的定向井。一口水平井與一口垂直井的組合就形成了目前煤炭地下氣化技術(shù)上常用的“U” 型井開發(fā)技術(shù)。U 型井最早產(chǎn)生于開采食鹽的生產(chǎn)實踐，后來逐漸引入到石油、天然氣及煤層氣開采領(lǐng)域；在煤炭地下氣化中U型井連通技術(shù)是指從水平井注入氣化劑，在水平段氣化腔內(nèi)進行氣化，氣化腔位置變化是依靠連續(xù)油管通過CRIP技術(shù)實現(xiàn)的，最終由生產(chǎn)井輸送出合成氣的過程，如圖10 所示。

U 型井貫通技術(shù)的主要優(yōu)點包括以下4 個方面：(1) 用U 型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)煤層預(yù)熱，減小熱損，提高氣化效率；(2)具有水平井及直井兩個井口，快速、高產(chǎn)、高采出率；(3) 單位面積生產(chǎn)成本低；(4) 增加氣體有效供給范圍，提高氣體導(dǎo)流能力，減少煤層傷害。

圖10 U 型貫通井技術(shù)(根據(jù)文獻[19] 修改)

其缺點是：由于采用新型鉆井技術(shù)，其為兩井連通、地質(zhì)導(dǎo)向、欠平衡鉆井等多種先進技術(shù)的綜合，因此，技術(shù)難度較大，鉆井成本較高。

4.2 “U” 型水平井中的CRIP 技術(shù)

由美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室開發(fā)的CRIP 氣化工藝將定向鉆井和反向燃燒結(jié)合在一起，生產(chǎn)井為直井，注入井為連通了生產(chǎn)井的水平井。

該項技術(shù)是在1981 年的第7 屆UCG 研討會上提出的。其工藝過程是：首先在距離生產(chǎn)井不遠處將煤層點燃，開始進行氣化反應(yīng)，當反應(yīng)腔附近的煤燃燒用盡后，注入點后退，形成新的氣化反應(yīng)腔，如圖11 所示。該方法可以對氣化反應(yīng)過程進行精確控制。CRIP 工藝適合于深部厚煤層，生產(chǎn)井可以連通多個注入點，產(chǎn)生的煤氣通過燃燒完的燃空區(qū)流入到生產(chǎn)井，氣體的流動阻力較小，避免堵塞，熱損失減小，煤氣熱值提高。

圖11 注入點受控后退氣化工藝示意圖

CRIP 技術(shù)的最大優(yōu)點是氣化過程能夠得到有效的控制。因為水平注入孔位處于煤層底部，氣化過程在受控條件下由注入點后退逐段進行。這一特點特別適用于深層煤層和特厚煤層。氣化深層煤層時，一個產(chǎn)氣孔可連接一組垂直注入孔，煤氣可通過已燒過的空穴流動，解決了在極高的巖層壓力下保持通道的問題。氣化厚煤層時，當空穴擴大并發(fā)生大冒頂時，可保持垂直注入孔的完整性。CRIP 工藝的另一個突出優(yōu)點是產(chǎn)氣量大，還有可能回收因發(fā)生大冒頂從旁路逸出的煤氣。利用CRIP 技術(shù)還可以加大生產(chǎn)井與注入井之間的井距，減少鉆井數(shù)量，減少鉆井成本；也可以使沉降造成的注水井損傷最小化，大量的煤可以通過一次注射進行氣化處理。

CRIP 工藝的主要缺點是需要連續(xù)控制點火，操作難度大，另外氣化規(guī)模小，生產(chǎn)不連續(xù)。

4.3 “U” 型水平井實際應(yīng)用案例

2009-2011 年，加拿大SwanHills 合成燃料公司在埋深1400 m，厚度7 ～8 m 煤層中，進行了迄今為止全球煤層埋深最大的UCG 試驗。天鵝山UCG 項目中氣化爐溫度主要使用熱電偶入井間接監(jiān)測，采用微地震技術(shù)監(jiān)測氣化腔的大小與形狀，該項目采用L-CRIP 技術(shù)，試驗了4 個氣化腔，測試氣化劑水氧比范圍2 ～3:1，氣化腔壓力8 ～12 MPa，粗煤氣組分甲烷含量達到37%，可燃組分比例59%，熱值29 兆焦/千克。

2011 年10 月，加拿大天鵝山項目注入井總長度超過2800 m。采用的多通道連續(xù)油管外層管外徑2 ～3/8 英寸，內(nèi)層管外徑1/2 英寸，兩管之間的環(huán)形通道置有測井電纜，配套燃燒器、熱電偶等工具儀器，成功實現(xiàn)了井下點火、氣化劑注入和注入點后退控制等功能。但是，在項目運行過程中，連續(xù)油管作業(yè)也出現(xiàn)一些問題，如不能到達設(shè)計點火位置、管體受擠壓損傷、后退拖動遇卡、腐蝕造成管道穿孔破裂等，影響了UCG 項目的穩(wěn)定運行。該項目最終于2011 年10 月因注入井發(fā)生爆炸而停產(chǎn)。艾伯塔省能源管理局對事故開展了詳細調(diào)查，SwanHills合成燃料公司在操作程序和設(shè)計控制方面進行了改進。

在頁巖氣開采領(lǐng)域，2016 年美國鉆出世界最長水平段頁巖井Purple Hayes HI 井，其水平井段長度達到18 544 英尺(5652.21 m)，常規(guī)連續(xù)油管可進入水平井段的深度超過3000 m。兩者對照，未來UCG水平井段也會向更長方向發(fā)展[20-22]。

4.4 水平井地下煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵力學(xué)問題

水平井鉆井技術(shù)在地下煤氣化技術(shù)的應(yīng)用，使得地下煤氣化技術(shù)取得了突破性的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上形成的CRIP 技術(shù)使地下煤氣化技術(shù)日趨工業(yè)化。該階段的關(guān)鍵力學(xué)問題除了鉆井式地下煤氣化的基本問題外，產(chǎn)生了新的4 個方面的問題：

(1)注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，燃燒氣化腔體中流體流動、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題；

(2) 注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，使用CRIP 技術(shù)后，不同燃燒氣化腔體之間的流體流動問題及傳熱傳質(zhì)問題；

(3)燃燒氣化腔體外，腔體邊緣以及腔體不同深度中溫度、壓力以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題；

(4) 煤層中熱應(yīng)力應(yīng)變場的動態(tài)變化問題等。

5 鉆井式煤炭地下氣化的發(fā)展綜合評價

煤炭地下氣化技術(shù)從思想的提出，到目前采用各類新型鉆井技術(shù)進行工業(yè)化開發(fā)的實踐，經(jīng)過了一百多年的歷史。對于鉆井式煤炭地下氣化的發(fā)展，從煤炭地下氣化的開發(fā)模式、煤炭地下氣化開發(fā)模式的對比分析、鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的新發(fā)展以及地下煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵力學(xué)問題4 個方面進行了綜合評價和總結(jié)。

5.1 煤炭地下氣化開發(fā)模式的發(fā)展歷程

縱觀鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展歷史和技術(shù)進化的順序，我們將其分為5 個階段：(1) 萌芽階段，完成了理論的提出和工藝的創(chuàng)建；(2) 初步發(fā)展階段，大孔徑淺層鉆孔煤炭地下氣化得到實際應(yīng)用；(3) 循序發(fā)展階段；(4) 技術(shù)突破階段；(5) 未來發(fā)展階段，如圖12 所示。

5.2 煤炭地下氣化開發(fā)模式的對比分析

煤炭地下氣化技術(shù)開發(fā)模式的對比情況，如表2所示。

表2 表明：現(xiàn)代煤炭地下氣化技術(shù)開發(fā)模式，從鉆孔式開發(fā)，到直井式開發(fā)，再到U 型水平井、楔形水平井和多分支井開發(fā)模式，開發(fā)方法越來越精細，主要鉆井模式發(fā)展的突出特點表現(xiàn)在以下3 個方面：

圖12 煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展歷程圖

(1)鉆井模式逐步復(fù)雜化。氣化通道逐步從直井發(fā)展到楔形水平，未來期望的技術(shù)是多分枝水平井。井型的突破是煤炭地下氣化技術(shù)向縱深發(fā)展的基礎(chǔ)，石油天然氣工業(yè)技術(shù)的引進和發(fā)展，是煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展的新的生力軍；

(2)鉆井模式的發(fā)展是煤炭地下氣化進入深層煤炭的技術(shù)基石。深層煤炭地下氣化的優(yōu)點突出表現(xiàn)為地表煤氣逸散的可能性的降低、地面沉降現(xiàn)象的減少和地下水污染的避免。深層水平井的U 型井技術(shù)、楔形水平技術(shù)以及未來的水平分支井等技術(shù)都為地下煤氣化的點火和氣化腔以及產(chǎn)氣通道提供了有利技術(shù)和工藝的支撐；

(3) 水平井技術(shù)和可控后退式CRIP 點火技術(shù)是煤炭地下氣化的里程碑。水平井以及在此基礎(chǔ)上衍生的相關(guān)技術(shù)引進自石油天然氣工業(yè)，但功不可沒，可控后退式CRIP 點火技術(shù)作為以水平井技術(shù)基礎(chǔ)上特有的煤炭地下氣化技術(shù)，已在目前國內(nèi)外的先導(dǎo)試驗中發(fā)揮了巨大的作用。

5.3 鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的新發(fā)展

隨著世界各國煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展，鉆井式煤炭地下氣化的技術(shù)不斷進步。由于水平井解決井間貫通通道能力的獨特性，未來將發(fā)展成為主要的技術(shù)方式，其中包括楔形水平井、多分支水平井以及水平井井工廠等模式。

楔形水平井的注入井和生產(chǎn)井均為水平井，一口直井為兩口水平井的對接提供目標，并用于點火啟動氣化，注入和生產(chǎn)井按照規(guī)定的水平段間距(井距)，在煤層中平行鉆進至設(shè)計井深后，兩口井再次造斜向?qū)Ψ姐@進并在第三口直井匯合。楔形水平井氣化爐沿點火直井注入易燃物，與已經(jīng)注入的氧氣混合，混合物被點燃后啟動氣化。隨后沿注入井連續(xù)注入氣化劑，氣化過程中注入井和生產(chǎn)井的氣化工作面保持同步后退。楔形水平井結(jié)構(gòu)通過移動注入管柱來實現(xiàn)，依靠著火點沿注入井的自然燃燒后退來保持與同步后退的煤表面接觸，與煤層充分燃燒后合成氣由生產(chǎn)井排出。楔形水平井煤炭地下氣化生產(chǎn)工藝流程圖如圖13 所示。

多分支水平井以及水平井井工廠等模式雖然已在地下油氣資源開發(fā)中得到了一定的應(yīng)用，但是目前國內(nèi)外煤炭地下氣化先導(dǎo)試驗中未見實施報道，隨著煤炭地下氣化技術(shù)的深入發(fā)展，多分支水平井以及水平井井工廠技術(shù)或許在不遠的將來在煤炭地下氣化技術(shù)中成為發(fā)展的新力量。

5.4 地下煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵力學(xué)問題

地下煤氣化技術(shù)從鉆孔式地下煤氣化發(fā)展到綜合利用水平井鉆井技術(shù)及CRIP 技術(shù)，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展階段，總結(jié)該發(fā)展過程所涉及的關(guān)鍵力學(xué)問題主要包括以下8 個方面：

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圖13 楔形水平井煤炭地下氣化生產(chǎn)工藝流程圖(根據(jù)文獻[5] 修改)

(1)鉆孔的巖石破碎及孔壁和煤層附近巖層的應(yīng)力應(yīng)變穩(wěn)定性問題；

(2)注入井孔與生產(chǎn)井孔之間以及煤層中的流體流動問題；

(3)注入井和產(chǎn)出井之間不同貫通方式及連通通道的流體流動及傳熱問題；

(4)注入井和產(chǎn)出井之間的及燃燒氣化腔體中流體流動、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題；

(5)注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，燃燒氣化腔體中流體流動、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題；

(6)燃燒氣化腔體外，腔體邊緣以及腔體不同深度中溫度、壓力以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題；

(7) 注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，使用CRIP 技術(shù)后，不同燃燒氣化腔體之間的流體流動問題及傳熱傳質(zhì)問題；

(8)在不同工藝工況條件下的變溫變壓變空間條件下，包括巖石破裂問題、燃燒動力學(xué)問題、流體流動問題、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題等的多場耦合力學(xué)問題。

6 結(jié)論及建議

本文通過研究UCG 技術(shù)的理論起源、技術(shù)探索、現(xiàn)場試驗的實施發(fā)展，分析了不同時期UCG 技術(shù)的優(yōu)缺點。得到的主要結(jié)論如下：

(1)早期理論是對煤炭地下氣化具有總的指導(dǎo)意義，縱觀其發(fā)展歷史，所有技術(shù)發(fā)展都是在西蒙的理論和門捷列夫的工藝技術(shù)指導(dǎo)下完成的，并且是循序漸進完善的。

早期鉆孔技術(shù)是通過在淺層煤層多排鉆孔，一排作為注入孔，一排作為生產(chǎn)井，從注入孔鼓入氣化劑，通過煤炭燃燒反應(yīng)和煤炭自身滲透性，由生產(chǎn)井輸出合成氣。由于煤炭滲透方向性不可控制，煤炭開采率很低。

直井鉆井循序發(fā)展階段是在早期鉆孔技術(shù)的經(jīng)驗總結(jié)下，增加了煤層貫通技術(shù)。通過不同的貫通方式，在注入井和生產(chǎn)井之間增加貫通通道，控制了煤層反應(yīng)方向，提高了煤層開采效率，但是由于貫通方法不成熟，對煤層滲透性要求較高，導(dǎo)致了大部分直井鉆井試驗的失敗。

(2)水平井鉆井式技術(shù)突破階段是在直井的基礎(chǔ)上，利用水平井技術(shù)，將直井和水平井組合形成U 型井，主要在水平段氣化腔進行氣化，增加了通道的連貫性，提高了煤炭開采率。CRIP 工藝是指在U 型井內(nèi)氣化過程在受控條件下由注入點后退逐段進行，煤氣可通過已燒過的空穴流動，解決了在極高的巖層壓力下保持通道的問題。

(3) 煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展趨勢?？v觀UCG 的發(fā)展史，每一次試驗都為技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗。在前人的試驗基礎(chǔ)上，總結(jié)了煤炭氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢，未來楔形、多分支井和水平井井工廠等水平井組合技術(shù)將成為未來的技術(shù)發(fā)展重點。

(4)提出了不同技術(shù)條件下的關(guān)鍵力學(xué)問題，不僅包括巖石破裂問題、燃燒動力學(xué)問題、流體流動問題、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題，而且是這些力學(xué)問題在不同工藝工況條件下的變溫變壓變空間條件下的多場耦合力學(xué)問題，需要多學(xué)科協(xié)作共同聯(lián)合攻關(guān)完成。