煤炭地下氣化關(guān)鍵技術(shù)綜述

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.大慶油田有限責任公司科技發(fā)展部，黑龍江 大慶 163453）

1 概述

我國能源具有“富煤、缺油、少氣”的特點，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，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的一個重要途徑和手段，是我國實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實選擇，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，將煤炭地下氣化業(yè)務(wù)制定為未來具成長性的戰(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儲量豐度、產(chǎn)氣速度和效率均遠高于目前開發(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，煤炭未動用資源儲量巨大，特點是層厚度大，煤層品質(zhì)好，遠景煤炭資源儲量巨大，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，具備適宜煤炭地下氣化技術(shù)的資源基礎(chǔ)。

3 國內(nèi)外煤炭地下氣化技術(shù)

蘇聯(lián)是世界上進行地下氣化現(xiàn)場試驗最早的國家,受能源危機的影響,美國、英國、法國、德國、比利時和東歐許多國家在20世紀也都進行了煤炭地下氣化的試驗。著手開展了煤炭地下氣化技術(shù)的攻關(guān)與現(xiàn)場試驗，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）

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

國外鉆井式煤炭地下氣化現(xiàn)場試驗，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，驗證了鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)可行。澳大利亞欽奇拉項目是以“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；加拿大天鵝山項目“4 測3 控”技術(shù)為代表的注入點可控后退氣化運行控制工藝（CRIP），提高了粗煤氣制氣率和氣化效率。

目前國內(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。其中新疆國利衡清潔能源科技有限公司與俄羅斯科學院可燃礦物研究所、中國石油大學（北京）等科研院所共同合作，建立新疆首個煤炭地下氣化工程，位于吐魯番市鄯善縣庫木塔格沙爾湖煤田；中為（上海）能源技術(shù)有限公司與澳大利亞澳中能源集團合作開展研究，于2019 年11 月27日，中為能源鄂爾多斯唐家會礦區(qū)煤炭地下氣化技術(shù)工業(yè)化示范項目成功投產(chǎn)，實現(xiàn)國內(nèi)第一個“長通道”地下水平對接氣化爐；新奧集團是中國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。氣化爐實現(xiàn)30個月連續(xù)生產(chǎn)，氣化爐產(chǎn)氣規(guī)?？烧{(diào)，單爐產(chǎn)能可達到50×104m3/d以上。

我國UCG 目前規(guī)?；P(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、地表條件、技術(shù)條件、環(huán)境保護和經(jīng)濟效益評價等方面進行選址評價，其次要在煤炭地下氣化工藝及配套技術(shù)進行技術(shù)攻關(guān)，主要包括氣化爐建造技術(shù)、運行控制技術(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)等方面進行重點研究；運行控制技術(shù)要在實時監(jiān)測和控制技術(shù)、可控后退燃燒技術(shù)方面進行重點研究。

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、目標煤層、煤巖煤質(zhì)、頂?shù)装?、封蓋條件、水文條件和地表條件等方面研究，進行多參數(shù)評價：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、居民保護區(qū)、煤礦邊界和煤礦開采深度。應(yīng)當建立技術(shù)條件、環(huán)境影響和經(jīng)濟效益評價三個方面的評價標準，建立相關(guān)的評價關(guān)鍵參數(shù)、評價參數(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、目的層精準穿針入靶技術(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)重點開展研究。

4.3 煤炭地下氣化運行控制技術(shù)

針對氣化腔形態(tài)、氣化過程圍巖應(yīng)力及腔內(nèi)溫壓監(jiān)測難度大問題應(yīng)建立完善的氣化運行監(jiān)測系統(tǒng)；針對粗煤氣產(chǎn)量與組分變化范圍寬，難以控制粗煤氣品質(zhì)以及確定運行控制指標問題，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)測設(shè)備，開展氣化與燃燒實驗，揭示控制規(guī)律，攻關(guān)氣化劑、溫壓等指標對制氣率和轉(zhuǎn)化率的控制機理，突破氣化運行控制技術(shù)。

同時由于煤層重復(fù)點火困難，常規(guī)連續(xù)管裝備響應(yīng)速度慢，自動化程度低，不滿足多通道高壓隨程動態(tài)注入要求；缺乏應(yīng)對井下卡阻、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)方面需要進行研究，優(yōu)化化學點火工藝，提高重復(fù)點火成功率，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)借鑒國內(nèi)外煤炭地下氣化技術(shù)，結(jié)合煤炭埋藏地質(zhì)特點，針對上述關(guān)鍵技術(shù)開展研究，將對煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展壯大奠定堅實基礎(chǔ)。

5 認識及展望

（1）國家高度重視清潔、綠色能源發(fā)展，國家能源局《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015-2030 年)》提出“推進UCG示范工程建設(shè)，探索適合我國國情的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）我國要力爭2030 年前實現(xiàn)碳達峰，2060 年前實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標。因此對新能源發(fā)展是良好的機遇，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、廢渣對地面的環(huán)境造成污染，同時可使現(xiàn)階段對于深層煤炭應(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)了國家碳達峰、碳中和的減排戰(zhàn)略目標，另一方面實現(xiàn)了CO2驅(qū)油后的地質(zhì)埋存，兼具良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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