水文地質(zhì)條件與煤炭地下氣化的相互影響

張金華，陳艷鵬，張夢媛，陳振宏，東 振，陳 浩，陳姍姍，薛俊杰

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

當前，以綠色低碳為方向的新一輪能源革命正在全球蓬勃興起，煤炭地下氣化作為一種煤原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)，變物理采煤為化學采煤，具有安全性高、環(huán)境友好、高效等特點[1-3]。煤炭地下氣化是指將地層中的煤炭通過適當工程工藝技術(shù)，在地下原位進行有控制的不完全燃燒，通過煤的熱解以及煤與氧氣、水蒸氣發(fā)生的一系列化學反應，產(chǎn)生CH4、H2、CO等可燃合成氣的過程[2，4]，實現(xiàn)“潔煤增氣”。

煤炭地下氣化研究歷史悠久。1868年德國科學家威廉·西蒙斯首次提出了煤炭地下氣化的概念，1888年前蘇聯(lián)著名化學家門捷列夫提出了煤炭地下氣化的基本工藝，1912年英國化學工程師拉姆賽設計的礦井式盲孔爐地下氣化獲得成功，由此揭開煤炭地下氣化研究的熱潮[2，4，5]。早期煤炭地下氣化主要為礦井式/巷道式[1，2，5，6]，20世紀30年代至60年代，前蘇聯(lián)的煤炭地下氣化技術(shù)研究達到頂峰，并初步實現(xiàn)了地下煤氣化生產(chǎn)空氣煤氣的工業(yè)化應用，其中烏茲別克斯坦安格林氣化項目從1965年至今仍在運行；我國也先后在山西大同、徐州新河、山東新汶孫村等地開展了巷道式煤炭地下氣化工業(yè)性試驗[3]。20世紀70年代至80年代末期，美國在現(xiàn)場實踐的基礎上提出了可控注入點連續(xù)后退(controlled retraction injection point，CRIP)氣化關鍵性技術(shù)變革。隨著水平井技術(shù)和鉆井裝備的進步，鉆井式煤炭地下氣化已成為主流[2，7]，澳大利亞、南非、美國、加拿大、中國等國相繼啟動了鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的研究和試驗[6]。歷經(jīng)百余年探索初步驗證煤炭地下氣化技術(shù)具備可行性，鉆井式中深層高壓富氧氣化將成為煤炭地下氣化的突破方向。但是，煤炭地下氣化商業(yè)化開發(fā)仍面臨著安全選址、穩(wěn)定運行、經(jīng)濟性以及環(huán)境保護等諸多問題[1，4]。其中，水文地質(zhì)條件是關鍵要素之一，其對煤炭地下氣化的選址、運行及環(huán)境保護具有重要的影響。因此，開展水文地質(zhì)條件與煤炭地下氣化的相互影響分析，對于煤炭地下氣化的商業(yè)化具有重要的指導意義。

1 典型氣化項目

煤炭地下氣化過程中，目標煤層頂?shù)装鍘r層的應力應變場、溫度場都處于不斷變化中，裂隙帶等將發(fā)育，誘發(fā)頂?shù)装逅莼驕贤ㄉ舷潞畬?，影響氣化效果[8-10]。通過對國內(nèi)外煤炭地下氣化試驗項目梳理，發(fā)現(xiàn)試驗項目失敗或終止的技術(shù)問題主要涉及氣化爐的密閉性、氣化運行控制以及水文地質(zhì)問題等方面(表1)。例如在水文地質(zhì)條件不利的區(qū)域可能出現(xiàn)氣化腔大量涌水、地層水污染等現(xiàn)象，制約著煤炭地下氣化的長期安全穩(wěn)定運行。

表1 典型煤炭地下氣化現(xiàn)場試驗終止原因

地下水和環(huán)境的監(jiān)測是煤炭地下氣化效果評價重要途徑之一。1976—1979年，Livermore勞倫斯實驗室在懷俄明州粉河盆地的Hoe Creek現(xiàn)場進行了三次煤炭地下氣化現(xiàn)場試驗。該氣化項目的目標煤層厚度30m，埋深300m，煤質(zhì)為低灰高水分亞煙煤，氣化采用連通直井式(LVW)工藝。Hoe Creek I的監(jiān)測網(wǎng)絡涵蓋11口鉆井，在氣化過程中以及氣化后的兩年多時間里進行了水樣的采集和測試分析。Hoe Creek II的監(jiān)測井共有14口，同樣對氣化過程中以及氣化后9個月的時期內(nèi)的水樣進行了采集和測試分析[7]。Hoe Creek系列試驗顯示，淺層煤炭地下氣化存在地表下陷和地下水污染的風險。1997年，西班牙、比利時和英國共同在西班牙El Tremedal進行了煤炭地下氣化試驗。該氣化項目的目標煤層厚2.0～3.0m，煤層底部埋深約560m，傾角29°，煤質(zhì)為C類亞煙煤，氣化采用線性CRIP工藝[11，12]。項目進行了兩階段氣化試驗，分別氣化了9d和5d，第一階段氣化中發(fā)生了大量水涌入氣化腔，壓力急劇下降，導致生產(chǎn)線水淹、氣化試驗被迫停止(表2)。

表2 第一階段氣化主要事件

2 水文地質(zhì)條件與煤炭地下氣化選址

水文地質(zhì)條件對煤炭地下氣化的影響貫穿于煤炭地下氣化整個流程，科學選址目的不僅要有利于穩(wěn)定高效產(chǎn)出粗煤氣，同時要在源頭上盡量降低地下水污染的風險或避免污染。氣化工程中，水主要來自四個方面：煤層中存在的水(靜態(tài)水)；從地表及周緣滲入到氣化腔中的地下水(動態(tài)水)；存在于煤層礦物中的結(jié)合水；作為氣化劑，向氣化爐中人工添加的水[13]。其中，前兩個方面的水，包括靜態(tài)水和動態(tài)水，是煤炭地下氣化選址考慮的主要水文地質(zhì)條件。

科學選址是實現(xiàn)煤炭地下氣化商業(yè)化開發(fā)的重要前提，但目前仍未建立統(tǒng)一的煤炭地下氣化選址評價體系。國內(nèi)外學者圍繞不同研究區(qū)域，提出了各自基于煤田地質(zhì)構(gòu)造、煤質(zhì)、煤層圍巖性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等眾多因素的煤炭地下氣化選址評價指標體系[6，14-22]。在不同學者提出的評價指標體系中，水文地質(zhì)條件都是重要的關鍵因素之一，是地下氣化爐選址必須考慮的最基本地質(zhì)條件，但水文地質(zhì)評價具體參數(shù)和指標還尚處于初始研究階段。

初步研究顯示，水文地質(zhì)條件評價涉及的因素主要包括地下水賦存特征、涌水量、距含水層的遠近、隔水層的效果、水補給程度及防治難度等[23，24]。水文地質(zhì)條件與煤炭地下氣化相互作用、相互影響[25，26]。首先，良好的水力封堵，有利于補充氣化反應所需的水分，并阻止氣化產(chǎn)生的煤氣向四周擴散。氣化爐內(nèi)外氣-水壓力平衡有效約束產(chǎn)生的粗煤氣，防止氣體向四周逸散。在氣化過程中，氣化爐頂部形成地下水降落漏斗，地下水流涌入，補充水氣，產(chǎn)生的粗煤氣在圍壓的約束下進入生產(chǎn)井被抽出(如圖1所示)。其次，氣化過程中，溫度、壓力等參數(shù)的變化將改變地下水徑流特征，破壞滲流場平衡，影響氣化爐腔體的封閉性，當涌水量增加到一定量時，水分會帶走氣化工作面大量熱量，使得溫度急劇下降，進而煤氣熱值大大降低，嚴重甚至導致氣化失敗。第三，氣化后在燃空區(qū)中留下的污染物通過遷移或者滲透方式威脅到地下水。

圖1 氣化過程中地下水流狀態(tài)

在前期水文地質(zhì)條件勘探評價過程中，應盡量查清區(qū)域內(nèi)氣化煤層頂、底板隔水層和直接、間接含水層的水文地質(zhì)條件(包括巖層滲透率、對水的滲透系數(shù)等)，在此基礎上，進一步對直接、間接含水層通過水位動態(tài)監(jiān)測、抽(注)水試驗等手段獲取水文地質(zhì)參數(shù)，評價氣化爐涌水量。針對水文地質(zhì)條件相關參數(shù)，國內(nèi)外學者初步研究提出了一些指標參數(shù)參考值(表3)。例如，國內(nèi)學者研究認為煤層頂、底板直接充水的煤田不宜進行煤炭地下氣化[5，17，26]。煤層頂、底板應為弱透水及以下低滲透性巖層，即煤層頂、底板巖層對水的滲透系數(shù)小于10-4cm/s，且透水率小于10Lu。氣化煤層底部有承壓含水層存在時，應當評價煤層底板隔水層的安全性，底板隔水層能承受的水頭值應大于承壓含水層水頭值。

表3 部分水文地質(zhì)條件參數(shù)指標建議值

對于選擇進行煤炭地下氣化的區(qū)域，如果有隔水層將煤層與含水層隔開，即煤層與含水層沒有接觸，則此時有利于煤炭地下氣化；反之，不利于煤層氣化[23，24]。最佳水文地質(zhì)狀況是，進行煤炭地下氣化的煤層與頂板含水層和底板含水層都有隔水層隔開，且頂板隔水層的厚度足夠厚，頂板塌陷后也不會完全破壞隔水層的隔水功能。國內(nèi)學者建議底板隔水層的厚度應保障底板含水層不會被加熱到100℃[5，16]。

科學部署氣化抽注水是可行方案之一。當氣化區(qū)的目標煤層與上覆及下伏含水層不是完全隔離，或者上覆含水層處于氣化過程中造成巖石變形及導水裂縫范圍內(nèi)時，通常在氣化前進行抽水作業(yè)，使氣化區(qū)域處于降水漏斗范圍內(nèi)；與此同時，為了保證地下水滲流場的平衡，保障氣化區(qū)域地下水水位的恢復，在氣化作業(yè)區(qū)一定范圍布置注水井，采用油田注水方法進行科學注水，既保證在注水期間不影響到煤炭的安全氣化作業(yè)[28，29]，又能在氣化后對地下水位進行恢復。

3 煤炭地下氣化對地下水的影響

煤炭地下氣化過程中，由于傳熱強化以及燃燒不充分會產(chǎn)生大量的焦油等殘留物[30，31]。煤炭地下氣化污染地下水的風險主要在于，高壓下煤氣向周圍可滲透地層的擴散以及氣化后殘留物在地下水流中的溶解及滲透遷移。氣化區(qū)地下水污染的主要途徑包括：污染物隨煤氣向周圍地層的擴散和滲透，氣化殘留污染物在地下水中的浸出及遷移。另外，二氧化碳、氨和硫化氫等泄漏氣體會改變地下水的pH值，進而影響地下水的化學需氧量和生物需氧量[16]。

地下水污染風險在很大程度上取決于煤層頂?shù)装鍘r層的封閉性及穩(wěn)定性，煤層的低滲透性和圍巖的吸附性會阻止或降低污染物向周圍擴散。通過科學選址、氣化鉆孔封閉、氣化過程中控制污染物逃逸、氣化燃空區(qū)污染物處理等措施，能夠有效地降低地下水污染的風險或避免污染[21]。

為減少地下水污染風險，氣化煤層的頂?shù)装鍛哂辛己玫母羲裕愿艚^煤層和含水層的水力聯(lián)系，保證在一定時期內(nèi)氣化反應產(chǎn)生的污染物不會污染水體。在氣化過程中，逸出的二氧化碳、氨及硫化物可能改變地下水水化學反應，氣化后燃空區(qū)殘留污染物因地下水的淋濾、滲透作用而產(chǎn)生遷移，引起地下水污染。陳亞偉等[32]應用場地影響指數(shù)及單項污染指數(shù)較好地表征了地下氣化對地下水質(zhì)量影響的程度。

煤炭地下氣化燃空區(qū)的頂板塌陷也會造成嚴重的地下水污染問題。因此，在評價煤炭地下氣化水文地質(zhì)條件時，應該確保氣化煤層與頂?shù)装搴畬又g有致密性的隔水層隔開，以實現(xiàn)頂板塌陷后也不完全破壞隔水層的隔水功能[26]。例如，美國懷俄明州Hoe Creek 煤炭地下氣化試驗項目在氣化期間頂板塌陷導通了上部含水層，燃燒產(chǎn)生的污染物沿導水裂隙遷移到上部含水層造成地下水污染。因此該問題應在煤炭地下氣化區(qū)選址時給予充分考慮從而予以避免[16]。此外，也可以通過一定的措施防止對地下水的污染，例如選擇遠離地下含水層的資源區(qū)域、控制氣化時的操作壓力、設置地下水屏障、將污水抽至地面凈化處理等[16]。

4 結(jié) 論

1)水文地質(zhì)條件制約著煤炭地下氣化長期安全穩(wěn)定運行，是煤炭地下氣化實現(xiàn)商業(yè)化的關鍵要素之一，但當前水文地質(zhì)評價具體參數(shù)和指標還尚處于初始研究階段。

2)科學選址是實現(xiàn)煤炭地下氣化商業(yè)化開發(fā)的重要前提，既要有利于穩(wěn)定高效產(chǎn)出粗煤氣，又要在源頭上盡量降低地下水污染的風險或避免污染。評價水文地質(zhì)條件的因素主要包括地下水賦存特征、涌水量、距含水層的遠近、隔水層的效果、水補給程度及防治難度等。

3)煤炭地下氣化存在著氣化過程中高壓下煤氣向周圍可滲透地層的擴散以及氣化后殘留物在地下水流中的溶解及滲透遷移的環(huán)境風險。需要在煤炭地下氣化區(qū)選址時給予充分考慮從而予以避免，或者通過采取一定的措施防止對地下水的污染，并在氣化后的較長一段時間內(nèi)仍然對地下水的水質(zhì)進行監(jiān)測。