國內煤炭地下氣化技術在鄂爾多斯盆地的管理運用前景

徐森 錢偉彬 肖玉燦 楊鎰澤

摘要：在世界能源正經歷從油氣向新能源轉換的背景下，天然氣在能源結構中的地位日漸凸顯。然而，中國現(xiàn)階段的能源結構仍以煤炭為主體，但隨著煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification， UCG）技術的不斷成熟，我國有望實現(xiàn)UCG業(yè)務，以減緩天然氣供需緊張問題。文章依據我國當下UCG技術的現(xiàn)狀與發(fā)展，分析UCG相關理論概念、技術方法和影響要素，同時指出UCG技術在我國企業(yè)中實施所面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并具體分析鄂爾多斯盆地UCG的條件及實施路徑。研究認為，UCG技術可為解決我國油氣資源匱乏問題提供新的解決路徑，但仍需政策、技術、企業(yè)、市場等協(xié)調支撐保障。

關鍵詞：煤炭地下氣化；煤炭；天然氣；氫能；清潔能源

中圖分類號：TD327.2? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0122-04

0 引言

當下，油氣資源對外依存度高是我國面臨的重大挑戰(zhàn)之一。國內天然氣開發(fā)低滲-非常規(guī)油氣儲量占比逐漸增大，預計未來10年的占比超過95%［1］，開發(fā)潛力逐步下降；并且，隨著科技革命的到來和全球對環(huán)境保護共識的增強，多種能源革命發(fā)展新浪潮已經來臨，如非常規(guī)油氣革命、煤炭清潔化革命、智能化革命與新能源革命等，促進人類可利用的能源由高碳向低碳和非碳化不斷發(fā)展［2］。在我國“碳中和”目標下，UCG的能量密度大、與石油石化產業(yè)的相關性強；此外，中深層UCG與油氣產業(yè)關聯(lián)度高、協(xié)同性好，可與化工、電力、氫能等產業(yè)深度融合形成產業(yè)集群，并成為煤炭資源清潔開發(fā)利用、油氣資源戰(zhàn)略接替、煤化工、電力、氫能等相關產業(yè)融合發(fā)展的樞紐，可以有效支撐“低碳能源生態(tài)圈”的建設。通過UCG技術，可以將深層的未開采的煤炭資源進行清潔、利用，以此緩解天然氣供應緊張的問題，同時有效解決中國大量使用煤炭排放CO2所產生的環(huán)境問題，為中國構建“清潔、低碳、安全、高效”的現(xiàn)代化能源體系提供新思路。

1 UCG技術相關理論

1.1 UCG概念

依靠適宜的工程工藝技術燃燒地層中的煤炭，在煤的熱作用及化學作用下產生可燃合成氣，如CH4、H2、CO及CO2，這一反應過程即UCG［2］。UCG可以用于生產清潔能源或化工原料，也被稱作“氣化采煤”。

1.2 UCG技術原理

UCG結構主要由生產井、注入井、燃燒腔、監(jiān)測及控制井、點火系統(tǒng)及其他相關系統(tǒng)組成（如圖1所示）。UCG是一系列物理、化學作用的連續(xù)階段，這個過程以氣固兩相界面為主體進行。根據化學反應的強弱程度，將其沿煤層的軸線方向劃分為氧化區(qū)、還原區(qū)、干燥區(qū)［3］（如圖2所示）。在氣化劑中注入氧氣后，點燃點火處，使其與煤炭發(fā)生反應，生成CO2，釋放大量熱能，形成一個面狀的燃燒區(qū)，即氧化面。氧化區(qū)產生的反應熱將還原區(qū)的煤層加熱到熾熱狀態(tài)，產生的CO2在熾熱的煤炭作用下，產生還原反應并生成 CO，濕煤區(qū)與煤壁之間進行熱傳遞，所含水分在干燥區(qū)內逐步滲透形成蒸氣，水蒸氣與高溫碳發(fā)生還原反應生成 CO、H2等。在還原區(qū)的反應完成后，高溫氣體對相鄰的干餾干燥區(qū)煤層進行加熱，產生熱解的可燃氣。

其次，選擇和建造氣化爐。氣化爐裝置是煤層中的空穴，所以一定要保證煤層及其周邊的巖體可靠，維持氣化爐的完整性，科學的選址在很大程度上能夠降低風險。在地質評價中，要反復考量煤巖煤質、坍塌規(guī)律、含水量、滲透性、頂板強度等多種影響要素的相互作用，并分析其對氣化過程可能產生的影響，為工程設計的選擇、前期的技術選擇及后期氣化爐的平穩(wěn)運行提供重要參考和保障［3］。

最后，氣化過程中嚴格控制生產參數(shù)?？煽刂频闹饕獏?shù)包含注入速率、注入壓力、成分、溫度、注入點的位置等。同時，利用冷熱態(tài)壓裂技術、固體燃料點火技術、垂直孔熱態(tài)壓裂技術、定向鉆逆向鉆井技術、爆破技術、超短徑隧道預連通技術等手段，加快煤氣化爐的建設進程［4］。

2 我國UCG技術發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

我國的UCG技術處于不斷探索階段，1958年以來，我國在多地礦區(qū)進行不同程度的UCG試驗，從順利產出可燃煤氣到建立“長通道大斷面氣化方式”，再到原煤炭部技術成果鑒定成功，2000年之后，山東、山西的礦區(qū)實現(xiàn)可供給居民使用。當下，我國現(xiàn)行的UCG技術研究項目已多達十幾個，不斷有項目試點成功，但目前缺乏規(guī)模化、商業(yè)化的參考項目。

國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《國家能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》明確指出，要在2030年實現(xiàn)“大規(guī)模地下氣化、礦井工業(yè)化”的示范目標。目前，國內的UCG技術日趨成熟，在建爐、點火、數(shù)據采集、氣化工藝、流程控制、污染物監(jiān)測與處理等方面已取得突出進步，生產周期、煤氣成分、熱值的穩(wěn)定性等已經具備工業(yè)化示范的條件，并且在示范項目中，成功地解決技術難題，形成標準、工藝包，實現(xiàn)工業(yè)化。

3 我國UCG技術的優(yōu)勢與困難

當前，我國天然氣等能源主要靠進口滿足，實現(xiàn)能源結構的轉換刻不容緩。因此，我國必須利用自身煤炭資源豐富的優(yōu)勢，借助UCG技術進行能源開發(fā)，同時認識目前利用UCG技術所面臨的困難，不斷探索。

3.1 資源方面

我國煤炭資源充足，《中國礦產資源報告（2017）》顯示，以熱值當量為標準計算，中國石油和天然氣資源量總和僅為煤炭總資源規(guī)模的1/14，油氣總產量約為煤炭產量的1/8；2014年原國土資源部重大項目《全國煤炭資源潛力評價》顯示，我國埋深2 000 m以內的煤炭資源總量為5.9萬億t。

由于技術、設備等因素的制約，煤礦開采深度集中在1 000 m以下，對1 000～2 000 m的煤層缺乏詳細的分析，所以對2 000 m以下的煤層未進行大規(guī)模的勘探。

3.2 技術方面

自20世紀50年代，我國對UCG技術不斷探討，以爭取開辟具有中國特色的有效供氣戰(zhàn)略新路徑。在此過程中，我國聯(lián)合各行業(yè)進行技術攻堅，使石油工程技術迅速發(fā)展，與此同時，這些技術的進步與發(fā)展對UCG技術問題的突破起到重要作用。高精度的三維地震勘探技術可以準確地識別地下油氣、煤炭和地下水的儲集層；深煤層“ U”形水平井等鉆井完井技術可以保證井眼的精確，防止工程發(fā)生塌方，實現(xiàn)規(guī)?；牡叵陆t；大直徑連續(xù)油管及其配套設備的發(fā)展，以及復雜的井下作業(yè)技術的發(fā)展，為實現(xiàn)煤層精細控制提供豐富的經驗。

從整體來看，現(xiàn)有UCG技術體系不夠完善，產業(yè)化仍存在挑戰(zhàn)。例如，井下復雜情況使得氣化腔密閉性存在破壞風險；裝備工具的可靠性、井筒完整性、監(jiān)測控制準確性和及時性等風險不能消除或控制。

3.3 安全環(huán)保方面

與地面煤制氣相比，UCG不會與傳統(tǒng)煤炭開采發(fā)生沖突，有效地避免淺水層污染、塌陷等問題；相較于地表，將氣化過程轉移到地下，極大地提高戰(zhàn)略安全性；通過合理充分利用深層煤炭資源，深入挖掘資源價值，能夠有效降低煤炭井工的開采成本；通過將地下鹽水氣化，不僅節(jié)約淡水資源，還可以擺脫水資源對技術的制約；此外，此技術沒有污染物排放，不會破壞淡水資源供應。

UCG過程中，由于溫度升高，巖體裂縫會滲入附近的含水層，從而污染地下水。此外，煤層在煤層氣化時，會在反應器附近產生燃空區(qū)。燃空區(qū)對巖層的移動和破壞會影響地表的生態(tài)環(huán)境，因此在實踐中，這些問題仍不可忽視。

3.4 經濟效益方面

從長遠來看，UCG的投資具有合理的經濟性。通過對天鵝山工程實驗資料的粗略估算，單爐可控煤75.6萬t，5年內累計產氣1.5億m3，全年有效生產330 d，日產CH4約92 000 m3，氣化面平均每天推進0.61 m。從土地投入來看，單井的總投資約為6 000萬元，有較大的競爭優(yōu)勢。

然而，目前UCG技術的運營效率較高，投資規(guī)模較大，屬于技術密集型行業(yè)。在當前煤炭產能過剩的情況下，很多企業(yè)難以看到該技術的發(fā)展前景，加上價格環(huán)境變化迅速，使經濟效益存在較大風險。

4 我國煤UCG技術分析——以鄂爾多斯盆地為例

鄂爾多斯盆地位于我國中西部地區(qū)，是我國第二大沉積盆地，北起陰山，南抵秦嶺，東至呂梁山，西達騰格里沙漠，面積約37×104? km2，行政區(qū)劃屬陜西、甘肅、寧夏回族自治區(qū)、內蒙古自治區(qū)、山西。鄂爾多斯盆地礦產資源豐富，作為我國重要的能源化工基地，礦產資源的科學合理開發(fā)在很大程度上影響著我國資源供給情況。目前，鄂爾多斯盆地在開發(fā)利用礦產資源上存在的主要問題是由礦權重疊引起的，影響了資源勘探和開采的布局，阻礙資源轉化，為解決此問題可以利用鄂爾多斯盆地豐富的煤炭資源進行UCG，同時考慮礦權重疊的影響，有效地利用這一特點，為UCG提供可靠保障。

4.1 鄂爾多斯盆地煤炭資源

鄂爾多斯盆地煤炭資源充足，主要含煤層系為石炭-二疊系、三疊系和侏羅系，其中侏羅系延安組煤層和石炭-二疊系本溪組、太原組、山西組是盆地煤田勘探開發(fā)的主要煤層，結合其沉積環(huán)境、頁巖展布、礦物學特征、有機地球化學特征等方面進行分析，鄂爾多斯盆地具有豐富的開采潛力［5］。

根據盆地石炭-二疊系、侏羅系煤炭地質條件的認識及聚煤規(guī)律的研究，在大量油氣探井、地震、地面地質研究的基礎上，收集大量煤炭鉆孔及相關研究成果，按照煤層埋藏深度將兩套煤系各分為4個檔次（≤1 000 m、1 000～<1 500 m、1 500～<2 000 m、≥2 000 m），評價全盆地煤炭總資源量約為4.4×1012 t。其中，石炭-二疊系含煤總面積為18.4×104? km2，煤炭資源量為2.3×1012? t；侏羅系含煤總面積為12.4×104? km2，煤炭資源量為2.1×1012? t（見表2）。

經上述分析，鄂爾多斯盆地的深層煤層儲量為4.4 Mt，保守估計，相當于33萬億m3天然氣可開采資源量，比鄂爾多斯盆地的常規(guī)和非常規(guī)天然氣總量高達16.31 Mm3，這其中還未包括所生產出來的H2、CO等資源。

4.2 鄂爾多斯盆地UCG的應對路徑

（1）管道輸送。鄂爾多斯盆地所在的榆林市為我國陸上天然氣管網樞紐中心，周邊有多個氣田，同時區(qū)域內管網發(fā)達，連通2條西氣東輸管線、4條陜京線、1條榆濟線、3條靖西線、2條長呼線等對外輸氣管線，外輸能力7×1010 m3/y以上，可有效解決UCG產品外輸問題。

（2）CO2、N2驅油。鄂爾多斯盆地有長慶油田、延長油田等大型油田，合計年產油3 600萬t左右，利用CO2、N2驅油方面需求較大，其中長慶油田在2020年已進行綜合試驗站建設，探索形成CO2捕集、利用和封存技術體系，并計劃形成百萬噸、千萬噸的CO2驅油與埋存產業(yè)工程。

（3）化工、電力融合發(fā)展。陜北煤炭、化工、電力企業(yè)較多，UCG產品可以通過發(fā)電技術轉化為電能后對外供電，一是當?shù)仄髽I(yè)自身用電需求巨大，其中長慶油田建有“志-靖-安、寧-定-吳、隴東”三大電網，形成以110kV系統(tǒng)為中心、35 kV系統(tǒng)為骨架的電力網路，年供電量可達40億kW·h；二是可以通過與當?shù)貒译娋W、陜西地方電力集團協(xié)商進行發(fā)電后調峰上網，滿足經濟發(fā)達地區(qū)的用電需求。此外，UCG產品也可直供當?shù)鼗て髽I(yè)進行深加工制作成甲醇、化肥等化工用品，實現(xiàn)VCG與化工的融合發(fā)展（如圖3所示）［3］。

針對盆地多種礦權重疊的特點，需要我國石油石化企業(yè)在開采時充分認識其可利用性，降低成本、有效利用。一是石油石化企業(yè)要轉變對中深層煤炭資源的認識，即在勘探過程中遇到大范圍的深層煤炭地層時，通過獲得的大量地質資料和現(xiàn)場調查數(shù)據，充分地了解不同地質、不同煤制的資源及可氣化條件，為日后企業(yè)對此技術的運用提供充分的資料，節(jié)省前期成本。二是UCG的實現(xiàn)要依賴石油化工技術的進步，部分油氣勘探開發(fā)技術和裝備同樣適用于UCG［6］。隨著產業(yè)一體化模式的推動，石油石化企業(yè)在面對礦權重疊的現(xiàn)象時，可能會更傾向于這種事半功倍的選擇，發(fā)揮協(xié)同效應，達到資源綜合利用的目的。

5 結語

綜上所述，我國擁有豐富的煤礦資源，并且可開采率較高。在能量密度、產氣速度和生產效率方面，地下氣化都遠遠高于現(xiàn)在的天然氣水平，若進行大規(guī)模的工業(yè)化開采，可以減少傳統(tǒng)煤炭開采過程中產生的CO2、細顆粒物（PM2.5）等排放物，以達到節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的。雖然UCG技術已較為成熟，但是由于地下情況復雜、工藝控制要求較高，礦權情況復雜，同時國內對安全生產、環(huán)境保護方面政策逐年收緊，煤炭地下氣化若要實現(xiàn)經濟、安全、環(huán)保等各項指標都達標，需進行大量的科學實驗和開發(fā)評價、改進。此外，UCG的高效利用需要多學科領域、多產業(yè)鏈融合發(fā)展，國家和地方完善政策和市場保障機制；油氣開采企業(yè)也應發(fā)揮行業(yè)引領作用。在多方的努力下，爭取借助UCG技術，在保障國家油氣自供安全的前提下，實現(xiàn)綠色、清潔發(fā)展。

6 參考文獻

［1］中國石油勘探開發(fā)研究院.集團公司煤炭地下氣化業(yè)務中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃（階段研究進展）［A］. 2020.

［2］鄒才能，李惠鈺. 煤炭地下氣化：天然氣規(guī)模上產新途徑［N］. 中國科學報，2020-07-01（003）.

［3］鄒才能，陳艷鵬，孔令峰，等.煤炭地下氣化及對中國天然氣發(fā)展的戰(zhàn)略意義［J］.石油勘探與開發(fā)，2019，46（2）：195-204.

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［6］張千貴，李權山，范翔宇，等.中國煤與煤層共采理論技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.天然氣工業(yè)，2022，42（6）：130-145.