富油煤的油氣資源屬性與綠色低碳開發(fā)

王雙明，師慶民，王生全，申艷軍，孫 強，蔡 玥

(1.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質保障重點實驗室,陜西 西安 710054; 3.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

我國能源結構呈現(xiàn)“缺油、少氣、相對富煤”的資源稟賦特征，2020年油氣對外依存度分別達到73.5%和43.2%[1]，能源供給安全成為影響國家經濟發(fā)展的重要因素。在復雜國際地緣政治背景下，緊張的油氣供需關系促進了煤基能源化工行業(yè)的發(fā)展[2]。煤是生產油氣和高附加值化學品的重要原料，其中富油煤在提高油氣轉化效率、降低經濟成本方面具有更好優(yōu)勢。大規(guī)模發(fā)展以生產油氣為主要產品的富油煤開發(fā)和高效轉化產業(yè)，是增加國內油氣供給途徑的迫切要求，也是實現(xiàn)煤炭清潔高效低碳循環(huán)發(fā)展的重要途徑。

黃河中上游是我國重要的煤炭富集區(qū)和當前國家大型煤炭基地集中分布區(qū)，也是富油煤目前主要生產區(qū)。從資源聚集特點來講，富油煤主要賦存于陜西、新疆、內蒙古、甘肅、寧夏和云南等低中階變質程度煤中，存在顯著的聚集有利區(qū)和有利層位。初步調查顯示，我國西部地區(qū)是富油煤主要富集區(qū)，陜西、新疆、內蒙古、甘肅、寧夏5省區(qū)富油煤總資源量大約有5 000億t，煤中潛在的油資源量約500億t，氣資源量約75萬億m3，是中國富油煤產業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要資源基礎。

就陜西省而言，富油煤廣泛分布于陜北侏羅紀煤田、陜北三疊紀煤田、陜北石炭—二疊紀煤田和黃隴侏羅紀煤田，資源量高達1 500多億t，其中陜北三疊紀煤田焦油產率普遍較高，平均值達11.42%，延安組煤階最低，反而焦油產率也偏低，陜北侏羅紀煤田平均值為9.33%;黃隴煤田為8.04%。石炭二疊紀煤田中，南北差異很大，北部古城礦區(qū)山西組、太原組焦油產率平均值分別達9.12%和9.58%，但南部渭北煤田卻僅有1.7%左右。即使相同區(qū)域和相同沉積時代的煤層，層段差異也會使焦油產率存在差異。富油煤分布的不均勻性制約了其規(guī)?；a業(yè)布局和利用，其中的關鍵地質問題值得深入探究。

立足我國煤炭主體能源地位和替補油氣供給的巨大潛力，重新審視煤炭現(xiàn)有利用方式與開發(fā)技術，實現(xiàn)富油煤從煤炭資源向煤基油氣資源的轉變，可為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標做出貢獻。近年來，筆者團隊圍繞富油煤開展了初步研究工作，提出了“富油煤就是煤基油氣資源”的學術思想。2020年，筆者承擔了中國工程院重點咨詢項目“西部富油煤開發(fā)戰(zhàn)略研究(2020-XZ-12)”，對我國西部富油煤資源總量、開發(fā)潛力、梯級利用可行性、開發(fā)現(xiàn)狀及存在問題進行了分析研究，提出了“將富油煤納入非常規(guī)油氣資源”的政策建議;2021年，筆者在國家自然科學基金委員會組織的第281期“雙清論壇”上，提出了將富油煤形成機理作為重點基礎研究內容的建議。本文是筆者團隊圍繞富油煤油氣資源屬性開展研究的階段性總結，以期“拋磚引玉”，推動富油煤產業(yè)化、規(guī)?；玫陌l(fā)展。

1 富油煤的主要特點

1.1 富油煤的油氣屬性

富油煤是集煤、油、氣屬性于一體的煤炭資源，在隔絕空氣條件下可通過中低溫熱解生成焦油、煤氣和半焦。其最大特點是煤中富含較多熱解可生成油氣的富氫結構，焦油產率較高，主要賦存于中低階煤類中，是一種煤基油氣資源。

熱解生成的氣體主要成分是CH4,H2,CO和烴類氣體等(表1)，其中CH4體積分數(shù)達55%～77%，H2體積分數(shù)達42%～51%[4]。與天然氣相比，氫氣和重烴氣體體積分數(shù)相對較高，甲烷體積分數(shù)相對較低，熱值基本相當[5-6]，不僅可以直接用作燃料氣，同時也可以生產氫氣、甲醇等天然氣化工產品。半焦主要成分是固定碳，成分與無煙煤相近(表2)，具有較低的可磨性，燃燒性較無煙煤好，取代部分或全部無煙煤是完全可行的[7]。

表1 煤氣和天然氣基本成分與性質對比[4,6-7]Table 1 Basic component and properties of coal gas and natural gas[4,6-7]

表2 煤和半焦基本成分與性質對比[4,6-7]Table 2 Basic component and properties of coal and semi-coke[4,6-7]

富油煤熱解生成的油通常稱為煤焦油，呈黑色或黑褐色黏稠狀，類似于重質石油，煤種、熱解溫度、加工工藝等均會影響焦油成分及物理化學性質變化。與重質石油相比，中低溫煤焦油>300 ℃餾分密度為1 146.50 kg/m3，高于催化裂化油漿密度;黏度一般為2 500 mPa·s[8]，凝固點相對較低且變化較大，在-3～36 ℃。焦油中小分子烴類質量分數(shù)較低，氧、氮質量分數(shù)大多高于石油組分，但硫質量分數(shù)較低，H/C原子比與石油瀝青質接近[9]，在360 ℃以前煤焦油中餾分可超過60%[10-11]。剩余重質部分與重質石油相比，飽和分相對偏低、瀝青質相對偏高(表3)。

表3 重質油成分及物理性質[8]Table 3 Component distribution and physical properties of heavy oil[8]

煤焦油由上萬種混合物組成，已分離的化合物僅有500余種，其質量約占總質量的55%，在合成塑料、農藥、醫(yī)藥、耐高溫原料、國防工業(yè)等領域廣泛應用，其中有些化合物是石油加工業(yè)無法生產和替代[12]。通過前處理、加氫精制和加氫催化裂化工藝可以獲得優(yōu)質汽油、柴油和燃料油，范建鋒等[13]采用加氫裂化-加氫精制可實現(xiàn)對煤焦油餾分油的全部轉化，轉化產品中石腦油餾分達23.17%、柴油餾分達72.41%，且硫、氮質量分數(shù)很低，生成的產品油可達到清潔燃料油的標準。

影響焦油產出率的因素較多，包括地質因素、熱解裝備、技術及工藝條件等。富氫氣氛、催化劑、富氫有機質共熱解、甲烷重整工藝等可顯著提高焦油產率[14-27]，但不同方法和工藝焦油產率存在較大差異，難以準確評價富油煤產油能力。格金干餾是一種成本較低、操作相對簡單的標準熱解試驗方法，在業(yè)內得到普遍接受。礦產資源工業(yè)要求手冊(2014修訂版)將格金干餾試驗條件下焦油產率小于7%定義為含油煤，在7%～12%的煤稱為富油煤，大于12%為高油煤。筆者從資源評價角度，將焦油產率≥7%統(tǒng)稱為富油煤。

1.2 富油煤中關鍵物質結構

富氫結構是影響富油煤中潛在油氣屬性特點的關鍵物質結構，主要由煤中具有脂肪結構的側鏈及橋鍵構成，是附著在煤縮合芳香核周緣的弱鍵結構(圖1)[28-29]。煤中橋鍵多以脂肪結構(如—CH2—，—CH2—CH2—，—CH2—O—等)為主，部分以氧、硫等雜原子基團(如—O—，—S—等)或聯(lián)芳鍵(Ar—Ar)形式存在，側鏈主要由烷基和雜原子基團組成[30]。

圖1 煤大分子經典模型[31]Fig.1 Classical model of coal molecule[31]

由于煤結構的復雜性，在認識煤熱解反應過程方面仍存在局限。劉振宇[32]認為煤熱解過程中，一部分煤中弱共價鍵受熱及解離產生自由基碎片，自由基反應生成揮發(fā)產物和固體產物;另一部分結構會在共價鍵裂解前發(fā)生重組，從而直接形成焦炭和氣態(tài)小分子。FLETCHER[33]將煤看作由脂肪結構橋鍵連接的芳環(huán)網絡，不穩(wěn)定橋鍵裂解既可形成邊基側鏈，也可縮合形成穩(wěn)定橋鍵并釋放氣態(tài)分子，邊基側鏈最終經過裂解同樣形成氣態(tài)分子，最后冷凝形成焦油?？傮w而言，煤熱解過程中芳香簇間的橋鍵、脂肪側鏈、脂肪小分子相和芳香雜原子等不穩(wěn)定化學鍵發(fā)生裂解，并形成自由基碎片是形成油氣及半焦的關鍵[29,34]。

從富氫結構表征角度，CPD模型主要關注原始煤的4個參數(shù)，分別為完整橋鍵數(shù)量占比(p0)，平均分子簇摩爾質量(MWcl)、平均邊基側鏈摩爾質量(MWδ)、配位數(shù)σ+1(即橋鍵和邊基側鏈數(shù)量)，這些參數(shù)均可從13C NMR實驗中獲取[35-37]。LIU等[38-39]通過實驗發(fā)現(xiàn)CH2/CH3物質的量比的增加有助于提高熱解焦油產率，而含氧官能團的增加則會降低焦油產率。原因在于CH2/CH3物質的量比的增加不僅有助于熱解過程中脂肪橋鍵、側鏈裂解，同時有助于使形成的自由基與活躍氫或甲基結合，抑制交聯(lián)反應進行;含氧橋鍵解離能較小，有助于促進煤分子快速裂解形成氣態(tài)小分子，進而降低焦油產率。

富氫結構類型及豐度在不同煤階存在明顯差異，低階煤脂肪結構相對偏低、含氧基團相對偏高，導致褐煤雖然具有較高的揮發(fā)分產率，但焦油產率并非處于高峰值點(圖2(a))，主要與含氧基團大量脫落密切相關，此階段含氧氣體產率占比最高將近30%(圖2(b))。說明高揮發(fā)分煤并非代表高焦油產率煤，富氫結構特點是其最為關鍵的因素，使得長焰煤～氣煤的焦油產率相對較高[40-42]。

圖2 煤快速熱解產物隨煤階變化規(guī)律[40-42] Fig.2 Flash pyrolysis products of coal with coal rank[40-42]

由此，可得以下幾點啟示:① 富油煤資源潛力調查需更加關注煤中富氫結構這一關鍵物質結構，為富油煤生油產率及生油類型提供關鍵依據(jù);② 以脂肪結構為主的不穩(wěn)定橋鍵和邊基側鏈在富油煤熱解中占有重要地位，脂肪橋鍵可采用CH2/CH3物質的量比進行表征，以體現(xiàn)脂肪結構的鍵能分布狀態(tài);③ 含氧橋鍵有助于提高熱解反應速率，但由此造成大量含氧氣體分子形成，尤其在低階煤資源潛力認識中需加以考慮;④ 在煤變質程度的廣域尺度上，可將揮發(fā)分產率作為粗略分析富油煤賦存規(guī)律的基本依據(jù)，但針對某變質階段煤而言，需重點考查煤中關鍵物質結構特點，結合地質條件、巖石學特征、化學結構特征尋找高品質富油煤有利聚集區(qū)。

2 富油煤賦存的關鍵地質科學問題

富油煤的形成具有特定的地質歷史演化過程和地質聚集條件。富油煤不同時代、相同時代不同區(qū)域、相同時代不同層位焦油產率均存在顯著差異。筆者團隊前期圍繞鄂爾多斯盆地富油煤的焦油產率分析發(fā)現(xiàn):① 陜北侏羅系長焰煤焦油產率普遍在8.7%～11.0%，而陜北三疊系氣煤焦油產率集中在7.42%～17.25%，大于12%的高油煤占比較大;② 鄂爾多斯盆地西部馬家灘礦區(qū)侏羅系煤焦油產率平均值為7.9%，而中部榆橫礦區(qū)侏羅系煤焦油產率平均值則普遍高于10%。筆者認為富油煤的演化和聚集既與宏觀層次的地質控制條件有關，又與其關鍵物質結構(富氫結構)的微觀多樣性密切相關。富油煤開發(fā)過程需要剖析富油煤關鍵物質結構(富氫結構)多樣性原因，探究富氫結構的巖石學、沉積、生物學特征，在此基礎上闡釋富油煤潛在油氣資源的來源、演化及聚集的地質-地球化學機制。為此，富油煤地質工作需要亟需開展以下關鍵科學問題的研究(圖3)。

圖3 富油煤關鍵地質科學問題研究路線Fig.3 Overall research approach of key geological issues for tar-rich coal

2.1 富油煤沉積轉化地球化學過程與機制

2.1.1富油煤化學組分地質化學演化特征

2.1.2富油煤富氫結構分異特征

在泥炭化作用過程中，大量纖維素、半纖維素發(fā)生分解，木質素相對富集[48]。然而，不同類型的泥炭沼澤環(huán)境(木本沼澤、草本沼澤、蘚類沼澤)存在明顯差異[49]，各種類型植物的降解程度受控于真菌、水體環(huán)境等條件影響[50]，雖然總體規(guī)律表現(xiàn)為強還原環(huán)境形成的煤富氫結構多于弱還原性煤，具有更高的焦油產率特征[51-53]，但影響富氫結構在植物類型-泥炭轉化這一復雜階段的演化路徑及其分異性并未形成系統(tǒng)的認識。

成煤植被沉積轉化過程中甲氧基等含氧官能團大量脫落，脂類化合物呈現(xiàn)相對富集的過程。但這一過程受到諸多因素影響，就富油煤關鍵物質結構演化而言，需要充分認識不同植被對富油煤富氫結構類型及豐度的約束作用，在此基礎上理解泥炭化作用不同作用形式下富氫結構富集、貧化的地質-地球化學過程(圖4)。

2.2 富油煤變質演化規(guī)律及地質驅動條件

2.2.1富油煤揮發(fā)分地質演化特征

煤變質演化過程總體呈富碳、脫氫、脫雜原子的演化趨勢，伴隨著煤的生烴以及水分、揮發(fā)分大量減少，但以不同基準度量煤成分指標的演化規(guī)律存在一定差異。SPEIGHT[30]將工業(yè)分析分為水分、揮發(fā)分和殘余物(固定碳+灰分)進行質量分數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)水分總體呈先大幅減少后緩慢增加的趨勢，揮發(fā)分則呈先緩慢增加后大幅減少的特點。揮發(fā)分產率相對較高的煤類主要集中于次煙煤A～高揮發(fā)分煙煤A，相當于我國分類體系中的年老褐煤～肥煤階段(圖5)，揮發(fā)分產率高值區(qū)與煤熱解焦油產率高值區(qū)存在一定吻合。

圖5 工業(yè)指標隨煤階的相對演化趨勢[30]Fig.5 Variation of the proximate analysis data with coal rank[30]

煤大量生烴是造成揮發(fā)分減少的根本原因，烴類物質的運移、聚集以及在有利地質條件下得以保存是形成油氣藏的關鍵。人工熱解實驗表明，烴類物質的生成和運移過程不僅影響煤的生烴量和生烴類型，同時影響殘余煤炭的微觀物質結構。因此，富油煤在熱變質條件下具有怎樣的生烴過程及運、聚特點，對煤中殘余油氣潛力具有怎樣的影響，這有待進一步深化認識。

2.2.2富油煤脂肪氫地質演化特征

富油煤潛在油氣資源體現(xiàn)在以脂肪結構為主的富氫結構類型及豐度特點，隨著煤化程度的提高，煤中氫質量分數(shù)整體呈先緩慢降低、后快速減少的特點，其中芳香氫在低階煤中占有一定比例但對熱解油氣產率貢獻較小。相對應的煤中脂肪氫隨煤階總體呈先增后減的趨勢，與煤熱解焦油產率趨勢一致(圖6)。前期富氫結構相對富集，這與煤中含氧官能團大量脫落存在密切聯(lián)系[54]。

圖6 煤中氫和脂肪氫質量分數(shù)隨煤階演化[30,54]Fig.6 Hydrogen and aliphatic hydrogen evolution with coal rank[30,54]

2.2.3富油煤富氫結構地質控制因素

煤變質演化是溫度、時間、壓力耦合作用的結果，其中溫度效應占主導地位。不同熱變質方式(深成變質作用或異常熱變質作用)由于所受溫度、時間、壓力有所不同，煤中富氫結構演化及生烴類型存在一定差異[55-57]，靜應力和構造應力雖然作用機理有所區(qū)別，但均會改變煤結構特征及生烴類型[58-59]。不僅如此，多期構造應力疊加下，煤普遍發(fā)生多期熱演化階段和二次生烴過程[60]，不同熱演化路徑或熱演化類型對煤中富氫結構的影響有待考量。

2.2.4富油煤顯微組分差異演化規(guī)律

盡管不同顯微組分隨煤化程度的分子演化趨勢相似，但其內部結構存在較大差異。穩(wěn)定組的芳香性最低，而惰質組芳香性最高且擁有相對更高的分子量[62-63]。穩(wěn)定組生烴能力最強，含有較多的長鏈脂肪結構、硫元素和較少的氧、氮元素;惰質組在泥炭化階段發(fā)生絲炭化作用，烷基側鏈最短且氧、氮、硫等雜原子團含量最少，含有較為復雜的交聯(lián)結構[64-66]。鏡質組往往介于2者之間，酚類和烷基芳香類物質相對較多，其脂肪結構高于原煤，含氧官能團和烷基側鏈隨著煤化程度的提高而不斷減少[67]。官能團類型的差異造成不同顯微組分具有各自的熱演化路徑，即使在相同的油浸反射率(Ro)時，不同顯微組分所具有官能團類型及豐度差異性較大(圖7)，其脂肪結構同樣表現(xiàn)出階段性相似或不同的演化規(guī)律[68]。因此，不同顯微組分中富氫結構演化及對熱解油氣貢獻需要更為系統(tǒng)的認識。

圖7 不同顯微組分碳和氧質量分數(shù)熱演化規(guī)律[61]Fig.7 Evolution of the carbon and oxygen content in different macerals[61]

2.3 富油煤聚集的地質評價與預測理論

“摸清家底”是現(xiàn)階段富油煤地質工作的重要內容。富油煤聚集的地質模式、富“油”特征和有利地質區(qū)塊、關鍵層位的精準識別是實現(xiàn)富油煤高效、清潔、低碳開發(fā)的前提。因此，在富油煤勘查、評價和預測工作中亟需開展以下3方面內容：

(1)富氫結構演化模式及富“油”性響應?；诂F(xiàn)代對應植物、泥炭和典型煤階煤對比，多尺度分析上述物質的成分、微觀結構、富氫特點及其焦油產率特征，構建富氫結構來源-演化典型序列模式，進而結合分子模擬手段揭示其能量分配、元素遷移、結構轉化等分子動力學過程，探討不同成因富氫結構演化的熱解油氣產出共性規(guī)律與富“油”性特點。

(2)富油煤關鍵層位的高分辨識別。以煤系地層沉積旋回為基礎，精細分析煤系沉積相、沉積基底及三維空間分布特點，研究主要富油煤煤層的層序地層格架位置?；趩尉练e序列及其測井響應構建富油煤煤層的識別技術。分析沉積體系對富油煤富氫結構的關鍵控制作用，提取其中測井響應信息。

(3)富油煤聚集的地質預測模式?；诘刭|驅動過程，探討低、中、高焦油產率富油煤聚集的有利地質配置，構建構造-沉積-熱演化宏觀體系下富油煤聚集的有利模式，耦合提煉不同地質背景富油煤巖石學、煤質、微觀結構及焦油產率特征與差異，建立針對富油煤聚集的預測模式與理論方法。

3 富油煤原位熱解開發(fā)技術途徑

《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確指出:“堅持立足國內、補齊短板、多元保障、強化儲備，增強能源持續(xù)穩(wěn)定供應和風險管控能力。夯實國內產量基礎，保持原油和天然氣穩(wěn)產增產，做好煤制油氣戰(zhàn)略基地規(guī)劃布局和管控”“制定2030年前碳排放達峰行動方案，完善能源消費總量和強度雙控制度，推動煤炭等化石能源清潔高效安全利用”?？梢姡⒆阌凇皣鴥扔蜌庾灾鞴┙o能源安全”“碳中和、碳達峰”雙重戰(zhàn)略要求，利用富油煤稟賦的油氣屬性特點，探索科學、高效的“取氫留碳”的油氣資源提取開發(fā)技術勢在必行。而富油煤中油氣資源開發(fā)與常規(guī)油氣資源存在顯著差異，需要借助外在手段(人工熱解)實現(xiàn)煤中不穩(wěn)定化學鍵裂解形成油氣，屬于人為誘導化學開采方式。立足于富油煤的綠色低碳化利用發(fā)展，應重點加快富油煤熱解、半焦綜合利用、煤氣和焦油深加工等技術研發(fā)，實現(xiàn)梯級化充分利用煤中固定碳、油氣等資源。其中，最大化提取煤中以油為主的油氣資源，是富油煤熱解技術研發(fā)的核心工作。目前，適用于富油煤的綠色低碳化開發(fā)技術包括:地面熱解技術、井工熱解技術及鉆孔熱解技術等。其存在的特點及方式對比見表4。

表4 富油煤綠色低碳化開發(fā)技術方法對比Table 4 Technology and method of green and low-carbon utilization of tar-rich coal

3.1 富油煤地面熱解一體化技術

現(xiàn)階段，清潔高效的富油煤地面熱解一體化技術正成為該領域的發(fā)展方向，代表性技術包括:富油煤熱解-氣化一體化、熱解-發(fā)電-化學一體化等。如:陜西延長石油集團自主研發(fā)了萬噸級粉煤熱解-氣化一體化技術(CCSI)。該技術針對富油煤熱解利用過程中，煤焦油產率低、煤焦油與粉塵分離難、半焦轉化利用難、產品同質化嚴重等問題，依據(jù)煤的組成、結構特征以及不同組分反應性差異,獨創(chuàng)了“一器三區(qū)”粉煤熱解與氣化一體化反應器，并以空氣為氣化劑(或氧氣)，將粉煤一步轉化為高品質中低溫煤焦油和合成氣，油氣塵在線分離效果明顯，并實現(xiàn)了粉煤熱解、半焦氣化的分級轉化和優(yōu)化集成，具有流程短、能耗低、資源利用率高等優(yōu)點，為富油煤地面熱解-氣化一體化提供了全新思路。此外，龍東生[69]提出了以分質產品、物料互給、熱能循環(huán)、積木組合、塔狀結構等為理念的一體化技術路線，并構想了一種雙塔結構的低階粉煤低溫熱解-氣化一體化裝置。此外，富油煤熱解-發(fā)電一體化技術也得到煤炭界的高度關注;王建國等[70]提出煤炭清潔高效梯級利用的解決方案，指出低階煤熱解-發(fā)電一體化技術應是后期重點發(fā)展方向;潘生杰等[71]提出實現(xiàn)低階煤分質利用的產業(yè)方向應結合煤炭資源的全聯(lián)產構架，推進煤熱解-化工-發(fā)電一體化高質量發(fā)展。岑可法等[72]提出低階煤分級轉化發(fā)電技術發(fā)展路線，并指出以發(fā)電為主的煤熱解氣化燃燒分級轉化，開展近零排放污染物灰渣資源化回收技術研究同樣具有巨大潛力?？梢?，面向富油煤地面熱解一體化技術發(fā)展，具有較強的發(fā)展?jié)摿邦A期性。

3.2 富油煤井工式原位熱解技術

富油煤地面熱解技術屬于開采后異位熱解方法，而富油煤原位熱解技術因可實現(xiàn)“取氫固碳”的目的，同樣具有綠色低碳開發(fā)的巨大潛力。前期相關學者對煤炭地下原位熱解開采技術進行過一定探索。如:葛世榮[73]曾提出煤炭地下原位熱解的2種方案，即:① 通過含催化劑的高溫介質開展地下煤炭原位干餾技術;② 通過電磁感應、微波輻射加熱技術的原位熱解技術，而上述技術在頁巖油原位開采中亦有探討[74-76]。此外，謝和平等[77]提出煤炭原位流態(tài)化開采技術，并指出實現(xiàn)該技術的關鍵在于:小型化、精準化及穩(wěn)定可控性。立足于富油煤井工式原位熱解技術，通過將熱量直接引入富油煤層，把煤層作為天然地下化工廠，以實現(xiàn)原位提取煤中焦油和煤氣、并將半焦存留地下待二次開發(fā)。與低中成熟度頁巖油原位開采相比，富油煤具有更大的熱解生油潛力;而與煤炭地下氣化技術相比，由于多數(shù)碳被固定在地下，不存在明顯的采動空間而造成上覆巖層大規(guī)模損傷變形、地下水污染等問題，技術發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

井工式原位熱解技術是在富油煤有利區(qū)開展井巷工程布置，并利用井下巷道開展煤層分割、保溫封閉處理、加熱前工程布置、井下收油等;基本流程分為3步:首先，按照傳統(tǒng)井工式開采方式，從地面鑿出井筒，并采用煤層平巷分割煤層，同時開展井下油氣收集系統(tǒng)布置;其次，在分隔煤層內部進行加熱通道、熱解油氣通道布設，同時開展煤層密封保溫;最后，開展煤層原位熱解，并通過專門井下熱解油氣系統(tǒng)進行熱解油氣產物收集，并通過專門輸運管道實現(xiàn)地面輸送和提質(圖8)。

圖8 富油煤井工式原位熱解工藝示意Fig.8 Schematic map of underground in situ pyrolysis of tar-rich coal

其中，加熱方式是實現(xiàn)井工式原位熱解的重點工作之一。筆者推薦采用:① 向煤層布置等密度加熱棒，采用電加熱方式進行熱解;② 采用含有催化劑的高溫介質(如過熱水蒸氣等)進行加熱。此外，探索發(fā)展大功率電加熱原位熱解、過熱水蒸氣原位熱解、小型核反應堆加熱原位熱解、微波/電磁波加熱原位熱解等技術也是未來實現(xiàn)井工式原位熱解的重要方向。但采用高功率熱源面臨關鍵的瓶頸是:煤基質導熱性低、熱量易積聚，需提高煤層中流體熱對流條件，因此，開展煤層預增透以實現(xiàn)高溫介質的有效熱傳導與熱交換，是解決煤層導熱系數(shù)低的前期性工作。目前在井下煤層增透方面已積累大量成功經驗[78-79]。而煤層注熱熱源可通過礦區(qū)布設的太陽能、風能等可再生能源系統(tǒng)產生。相關熱源供給方式可大幅降低地下氣化熱源成本，也可緩解分布式能源棄用等問題。

此外，富油煤熱解后煤焦油的高效收集技術是該方法的另一關鍵問題?？紤]熱解焦油在高溫條件呈氣態(tài)流出，但在常溫下易形成流動較弱的黏稠狀或固體狀。而采用井工式原位熱解+井下油氣收集的開采方式，可有效縮短油氣運氣距離，便于二次加熱和儲集。其不僅可大幅提高工程布置效率和準確性，同時有利于提高富油煤熱解的油氣產出量。此外，井工式原位熱解技術為加熱方式的選擇提供了開放的空間條件，為熱量輸入提供了最短輸入時間。因此，相較鉆孔式原位熱解技術，井工式原位熱解不失為富油煤原位開發(fā)預期性較強的技術方法。

3.3 富油煤鉆孔式原位熱解技術

鉆孔式原位熱解技術是通過注熱孔和油氣抽采孔實現(xiàn)抽采循環(huán)過程，其以小鉆孔為基礎，并采用人工造縫作為輔助方法，通過高溫介質或電加熱方式開展富油煤熱解，并在收油鉆孔開展二次加熱收油?；玖鞒掏瑯涌煞譃?步:① 通過水平井形成電加熱通道，抽采井與水平井相連，并在孔底造穴形成油氣抽采過渡區(qū);② 在煤層中開展人工造縫形成微裂隙，并保持孔壁完整;③ 放置電加熱棒并持續(xù)一定時長，再開展熱解油氣產物抽取。對應的熱源供給同樣可來自礦區(qū)的太陽能、風能等分布式能源。

此外，隔層式鉆孔原位熱解技術也可作為富油煤熱解后期重點考慮的方式之一，其通過將主加熱源布置在距離煤層一定距離的巖層中，并通過羽狀分支與煤層溝通，通過加熱使熱解油氣流入隔層及油氣抽采過渡區(qū)(孔底洞穴)，并通過油氣分離與收集系統(tǒng)實現(xiàn)油氣抽采(圖9)。相較煤層鉆孔原位熱解技術而言，優(yōu)點體現(xiàn)為:① 巖層熱傳導性較煤層較好，可使上下煤層受熱更加均勻，防止熱量出現(xiàn)局部積聚;② 圍巖在低中溫(200～600 ℃)條件下熱穩(wěn)定性相對較好、滲透性較高，有利于油氣產物運移、產出。但隔層式加熱關鍵問題在于:隔層的選取與定位，其既要保證隔層與煤層的充分溝通，同時需避免隔層在順層方向的熱損失問題。

圖9 富油煤鉆孔式原位熱解工藝示意Fig.9 Schematic map of Borehole in-situ pyrolysis of tar-rich coal

而加熱方式也是實現(xiàn)鉆孔式原位熱解需考慮的重點問題之一。其中，大功率電加熱原位熱解開發(fā)技術、過熱水蒸氣、超臨界水加熱、微波/電磁波加熱等方式，在鉆孔式原位熱解技術同樣具有較好的應用條件。但目前存在亟待解決的問題包括:① 富油煤導熱性相對較低，大功率熱源雖可有效提高油氣產出效率，但地下溫度場可控性及熱量局部積聚效應亟待開展專項攻關研究;② 富油煤具有低孔、低滲的天然地質條件，而過熱水蒸氣和超臨界水雖可有效改善油氣產出率和產出品質，但如何最大化實現(xiàn)熱對流與熱交換，是此2種技術面臨的關鍵科學問題;③ 富油煤熱解不僅涉及煤層空間調整的過程，同樣多相多場條件下動態(tài)熱傳導特性也影響熱解油氣的產出規(guī)律，需要關注熱解過程中的煤層多相多場耦合機制問題;④ 煤焦油易在常溫條件下凝固形成黏稠狀、半固結狀，如何實現(xiàn)煤焦油在煤層、鉆孔中長距離保溫運移是后期同樣亟需攻克的技術難題。

4 結 論

(1)對富油煤概念及油氣屬性特點進行了系統(tǒng)化闡述，明確了富油煤主要賦存于中低階煤類中，核心特點為因富含較多熱解可生成油氣的富氫結構，焦油產率較高;其中，熱解生成的半焦主要成分為固定碳，與無煙煤相近;生成的氣主要為CH4，H2，CO和烴類氣體等;生成的油為煤焦油，類似于重質石油，可通過前處理、加氫精制和加氫催化裂化工藝等達到清潔燃料油標準。

(2)富油煤賦存的關鍵地質問題為形成機理及預測理論，后期研究建議以富氫結構為切入點，從分子水平研究富氫結構的巖石學、沉積學特征及控制規(guī)律;同時，關注富油煤物質來源、沉積轉化、變質演化、聚集規(guī)律及地質驅動機制;著力于富油煤作為煤基油氣資源的預測模式與評價理論構建研究。

(3)富油煤綠色低碳化開發(fā)方向為:中低溫熱解“提取氫留碳”，筆者嘗試提出了地面熱解綜合開發(fā)技術、井工熱解技術及鉆孔熱解技術3條技術構想;其中，地面熱解綜合開發(fā)技術可通過富油煤熱解-氣化一體化、熱解-化工-發(fā)電一體化反應裝置，實現(xiàn)富油煤高效、清潔利用;而井工式原位熱解技術通過井巷工程布置方式，利用井下巷道開展煤層分割、保溫封閉，通過煤層原位加熱實現(xiàn)井下熱解收油;鉆孔式原位熱解技術通過注熱孔加熱和油氣抽采孔收油，并借助人工輔助造縫，可實現(xiàn)加熱收油。同時，對以上技術構想存在的關鍵性科學難題進行了簡要評述。