燃?xì)忾_采系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢(shì)分析

李金昱

山西華新煤成氣勘查開發(fā)有限公司 山西 太原 030000

我國能源資源總量豐富，但人均占有量低，且能源結(jié)構(gòu)不合理，煤炭、石油、天然氣等化石能源占據(jù)較大的比重，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理的問題較為突出，且我國是一個(gè)能源需求大國，在未來一段時(shí)期內(nèi)能源需求將會(huì)持續(xù)增加，同時(shí)新能源開發(fā)力度不夠，現(xiàn)有的傳統(tǒng)化石能源資源開采存在一定的局限性和弊端。目前我國燃?xì)赓Y源開采主要有兩種方式，分別是地下開采和地上開采。其中地下開采是指將天然氣輸送到地面進(jìn)行存儲(chǔ)和開發(fā)；地上開采是指利用地面設(shè)施對(duì)天然氣進(jìn)行存儲(chǔ)和開發(fā)?，F(xiàn)階段我國主要采用的是地面開采方式，即將天然氣通過管道輸送到地面進(jìn)行儲(chǔ)存?，F(xiàn)階段，我國燃?xì)赓Y源開采主要采用的是傳統(tǒng)的地下開采方式，這一方式存在一定的弊端，不僅會(huì)產(chǎn)生大量的環(huán)境污染問題，而且還會(huì)產(chǎn)生大量的安全隱患問題，因此要加強(qiáng)對(duì)燃?xì)赓Y源開采系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢(shì)研究[1-2]。

1 燃?xì)忾_采系統(tǒng)概述

燃?xì)忾_采系統(tǒng)是指利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，將地下天然氣開采出來，并輸送到地面進(jìn)行儲(chǔ)存，并將其應(yīng)用到生活、工業(yè)等領(lǐng)域當(dāng)中，促進(jìn)能源利用效率的提高。

燃?xì)忾_采系統(tǒng)包括多種設(shè)備，分別為燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、燃?xì)鈸Q熱器等設(shè)備，這些設(shè)備都具有不同的功能和用途，其中燃?xì)廨啓C(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)天然氣進(jìn)行壓縮、加熱、冷卻和運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳎粔嚎s機(jī)是將天然氣從氣體中分離出來的重要設(shè)備；離心式壓縮機(jī)是指在氣井中利用離心式壓縮機(jī)對(duì)天然氣進(jìn)行分離；燃?xì)鈸Q熱器主要用于天然氣在地下的存儲(chǔ)過程中與外界進(jìn)行熱交換[3]。

現(xiàn)階段，燃?xì)忾_采系統(tǒng)主要包括采氣樹、儲(chǔ)氣井、集氣管道、氣井關(guān)和天然氣處理廠等。在對(duì)天然氣進(jìn)行開采時(shí)，要先對(duì)天然氣的成分進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果來確定開采方案，管道式的開采方式，需要在管道中鋪設(shè)閥門，并將閥門連接到采氣樹中；井式開采方式，則要在井口設(shè)置集氣裝置，并將集氣裝置連接到氣井中；無源井式開采方式，則要將無源井內(nèi)的壓力釋放出來，然后對(duì)天然氣進(jìn)行采氣；有源井式開采方式，則要在有源井內(nèi)安裝閥門并連接到集氣裝置中；有壓井式開采方式，則要將壓井管連接到集氣裝置中。

2 燃?xì)忾_采系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的必要性

2.1 實(shí)現(xiàn)國家能源戰(zhàn)略

我國油氣資源豐富，石油、天然氣、頁巖氣產(chǎn)量分別占全球的13%、19%和10%，是世界第二大原油生產(chǎn)國和第四大天然氣生產(chǎn)國。我國天然氣資源總量居世界第三位，探明儲(chǔ)量為1.45萬億m3，居世界第六位，在全球天然氣儲(chǔ)量中占有重要地位。截至2022年底，全國油氣產(chǎn)量已突破16億t。

我國是世界上最大的石油生產(chǎn)和消費(fèi)國，石油和天然氣消費(fèi)總量居全球第二位，石油、天然氣對(duì)外依存度分別為51.6%和48.1%。從2010年到2022年，我國的天然氣產(chǎn)量增長了35.5%，而石油產(chǎn)量增長了9.7%；天然氣產(chǎn)量增速超過石油產(chǎn)量增速的8個(gè)百分點(diǎn)。隨著天然氣產(chǎn)量的不斷增長，對(duì)天然氣資源的需求量也在不斷增加，為了保障我國能源安全，需要加快推進(jìn)天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)，促進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。因此，我國需要從戰(zhàn)略高度重視和推進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)施好國家能源戰(zhàn)略。

2.2 提升燃?xì)庑袠I(yè)地位

天然氣是一種清潔、高效、經(jīng)濟(jì)的能源，它的開采對(duì)于改善我國能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

由于天然氣自身的特性，開采難度大，為了滿足國家能源安全的戰(zhàn)略要求，對(duì)其進(jìn)行勘探開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新勢(shì)在必行。我國是一個(gè)以石油、天然氣為主要能源來源的國家，但石油、天然氣對(duì)外依存度已經(jīng)達(dá)到了60%以上，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展水平的提高，天然氣在一次能源中的比重越來越大。由于天然氣是一種潔凈的能源，能夠有效地緩解我國環(huán)境污染問題，改善城市空氣質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也具有替代常規(guī)能源、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益、增加就業(yè)機(jī)會(huì)、減少溫室氣體排放等重要意義，所以天然氣行業(yè)的地位不斷提升。

2.3 促進(jìn)能源行業(yè)發(fā)展

我國的能源行業(yè)發(fā)展速度十分迅速，對(duì)天然氣的需求量也在逐年增長，天然氣的價(jià)格也在逐年增長，但相比于石油和煤炭，天然氣的價(jià)格還是偏低。近些年來，由于國際環(huán)境問題以及國際形勢(shì)的變化，我國的石油、煤炭價(jià)格都有不同程度的上漲。在能源供應(yīng)方面，我國也加大了對(duì)天然氣生產(chǎn)企業(yè)的扶持力度。

但是目前我國天然氣產(chǎn)量總體上還處于較低水平，且天然氣進(jìn)口依存度較高。根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，2017年全國天然氣產(chǎn)量為1009.6億m3，同比增長9.4%；消費(fèi)量為6374億m3，同比增長8.9%；全年凈進(jìn)口量為5191億m3。天然氣進(jìn)口依存度達(dá)到了40%，比2017年同比提高了6個(gè)百分點(diǎn)。天然氣的對(duì)外依存度過高，嚴(yán)重制約了我國能源行業(yè)的發(fā)展。所以，天然氣的開采技術(shù)創(chuàng)新迫在眉睫，只有加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新才能促進(jìn)能源行業(yè)的發(fā)展。

3 燃?xì)忾_采系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

3.1 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在充分利用可再生能源的同時(shí)，大力開發(fā)利用天然氣等清潔能源。提高天然氣在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重，是我國燃?xì)忾_采技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重點(diǎn)之一。為解決天然氣管網(wǎng)建設(shè)中面臨的技術(shù)瓶頸，必須通過技術(shù)創(chuàng)新來解決。

（1）管輸工藝創(chuàng)新。我國天然氣管道建設(shè)起步較晚，因此，我國的管輸工藝還不能完全滿足天然氣輸送需求。同時(shí)，我國大部分的城市都沒有天然氣管道，且城市燃?xì)夤芫W(wǎng)覆蓋范圍小，部分城市已建成的管網(wǎng)未延伸到用戶端。因此，在進(jìn)一步發(fā)展和完善管輸工藝的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究管輸工藝的創(chuàng)新問題。

（2）控制技術(shù)創(chuàng)新。天然氣是一種高能量密度的能源，因此，必須要提高天然氣管網(wǎng)的控制技術(shù)。我國現(xiàn)有管道系統(tǒng)中，大多數(shù)管道采用人工操作方式控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，未采用自動(dòng)控制方式進(jìn)行自動(dòng)控制。目前，我國天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，仍未建立完善的安全控制系統(tǒng)，如調(diào)度中心、儲(chǔ)氣庫和配氣站等。隨著國家對(duì)燃?xì)夤艿腊踩闹匾暢潭炔粩嗵岣?，必須加?qiáng)安全控制系統(tǒng)建設(shè)，以降低管網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)生事故的概率。

3.2 提高燃?xì)馐褂眯?/h3>

提高燃?xì)馐褂眯实耐緩接泻芏?，技術(shù)創(chuàng)新的途徑也有很多，下面將就其中的幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

第一，合理設(shè)計(jì)、制造燃?xì)庠O(shè)備。燃?xì)庠O(shè)備的設(shè)計(jì)、制造要考慮到其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)等多方面因素，在設(shè)計(jì)上要使設(shè)備在運(yùn)行過程中能夠?qū)⑵鋲勖娱L到10年以上，將其在運(yùn)行過程中的維護(hù)費(fèi)用降至最低。

第二，提高燃?xì)馐褂眯?。這包括燃?xì)庠O(shè)備本身的熱效率和燃?xì)庀到y(tǒng)的熱效率兩方面。（1）燃?xì)庠O(shè)備自身熱效率主要指燃?xì)庠O(shè)備本身的熱效率，即在保證安全的前提下，盡可能提高其熱效率，這對(duì)燃?xì)庠O(shè)備來說是非常重要的，它決定了燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行過程中消耗的能量。（2）燃?xì)庀到y(tǒng)的熱效率，這是指燃?xì)庀到y(tǒng)在運(yùn)行過程中所消耗的能量與其產(chǎn)生的熱量之比，其影響因素主要包括燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)和使用系統(tǒng)兩個(gè)方面，這兩個(gè)方面的效率決定了整個(gè)燃?xì)庀到y(tǒng)的效率，因此要提高燃?xì)馐褂眯?，首先?yīng)提高其燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)的效率[4]。

3.3 推進(jìn)清潔能源發(fā)展

為了有效提高燃?xì)獾娜紵?，必須要在燃?xì)忾_采系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新。首先，需要對(duì)燃?xì)忾_采系統(tǒng)進(jìn)行有效的改造，從而提高燃燒效率。其次，可以將一些對(duì)環(huán)境有污染的燃料進(jìn)行有效地替代，比如可以將一些煤炭、石油、天然氣等燃料進(jìn)行替代，這樣不僅能夠降低燃?xì)忾_采系統(tǒng)中污染物的排放量，還能夠提高燃?xì)忾_采系統(tǒng)的環(huán)保性。最后，需要對(duì)現(xiàn)有的燃?xì)忾_采系統(tǒng)進(jìn)行有效的升級(jí)改造，例如可以將一些燃燒效率較低且污染較大的燃油轉(zhuǎn)換為天然氣等清潔能源。除此之外，還需要對(duì)燃?xì)忾_采系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，比如可以在燃?xì)忾_采系統(tǒng)中采用先進(jìn)的環(huán)保技術(shù)。

3.4 加強(qiáng)智能化燃?xì)夤芸?/h3>

在智能化技術(shù)應(yīng)用方面，我國相關(guān)企業(yè)積極開發(fā)燃?xì)夤芸叵到y(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及通信技術(shù)等應(yīng)用到燃?xì)夤芸叵到y(tǒng)中，有效提升了燃?xì)夤芸叵到y(tǒng)的智能化水平，如在長慶油田開展的“數(shù)字化智能平臺(tái)”項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)馍a(chǎn)、輸配、安全監(jiān)管等環(huán)節(jié)的信息互聯(lián)互通，使數(shù)據(jù)集中共享，提高了管控效率。

目前我國還存在一些制約燃?xì)夤芾淼膯栴}，如我國城市燃?xì)夤艿篮驮O(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)存在大量的漏損泄漏問題；城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等方面缺少規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；城鎮(zhèn)燃?xì)獾谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善。這些問題需要通過技術(shù)創(chuàng)新來解決，如采用先進(jìn)的智能化燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理，以實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)燃?xì)獾闹悄芑芸亍?/p>

4 燃?xì)忾_采系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 智能化

隨著我國煤礦智能化的不斷推進(jìn)，智能化技術(shù)在燃?xì)忾_采系統(tǒng)中的應(yīng)用將進(jìn)一步發(fā)展。智能化燃?xì)忾_采系統(tǒng)的本質(zhì)是通過各種先進(jìn)信息技術(shù)對(duì)燃?xì)忾_采生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的控制，使其成為一個(gè)能夠自行組織生產(chǎn)的獨(dú)立系統(tǒng)。智能化燃?xì)忾_采系統(tǒng)通常包括：（1）監(jiān)控監(jiān)測(cè)與故障診斷，包括運(yùn)行參數(shù)和安全監(jiān)測(cè)。（2）自動(dòng)控制，包括遠(yuǎn)程控制和就地控制。（3）遠(yuǎn)程控制，包括無線通信技術(shù)和遙控技術(shù)。（4）協(xié)同工作，包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)。（5）信息傳輸與共享，包括生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理等。

4.2 低碳環(huán)保

根據(jù)《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》，為改善生態(tài)環(huán)境，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)，防治污染和其他公害，保障人體健康，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，制定本法。國家對(duì)大氣、水、固體廢棄物和噪聲等污染實(shí)施綜合防治。天然氣是清潔能源，采用天然氣替代煤炭對(duì)環(huán)境的影響最小?！洞髿馕廴痉乐畏ā访鞔_規(guī)定：“國家鼓勵(lì)和支持使用天然氣替代煤炭等高污染燃料”。燃?xì)忾_采系統(tǒng)中的煤礦瓦斯排放的污染物主要有：CO、SO2、NOX等有害氣體和粉塵、固體顆粒物。為改善燃?xì)忾_采系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)，在煤層氣開發(fā)利用過程中采用以下技術(shù)手段：

（1）井下抽采技術(shù)，如水平井分段壓裂、水平井壓裂、多分支水平井等技術(shù)，該技術(shù)可以減少瓦斯的抽采量，降低排放濃度，還能提高單井產(chǎn)量。

（2）地面抽采技術(shù)，如地面鉆井抽采技術(shù)、井下高壓大排量抽采技術(shù)、地面遠(yuǎn)距離抽采技術(shù)等。

（3）煤層氣發(fā)電技術(shù)，利用煤層氣發(fā)電是一種清潔能源，將煤層氣轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到節(jié)省燃料的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔能源利用。

（4）煤層氣液化和氣化技術(shù)。將煤層氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)天然氣和氣態(tài)甲烷后，經(jīng)過凈化處理和液化處理，達(dá)到燃?xì)膺\(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行安全輸送。同時(shí)，對(duì)氣體進(jìn)行氣化處理后進(jìn)入工業(yè)鍋爐，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的液化和氣化。

4.3 資源綜合利用

我國是能源資源匱乏的國家，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對(duì)能源的需求很大，而我國煤炭、石油、天然氣等一次能源資源都相對(duì)缺乏。為滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求，近年來，國家加大了對(duì)煤炭和石油的開發(fā)力度，但我國能源結(jié)構(gòu)中煤炭、石油等一次能源占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，天然氣、液化石油氣等二次能源消費(fèi)量很小，我國在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中對(duì)天然氣等二次能源的利用還不夠充分。

根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃綱要中提出的“在有條件的地方，積極發(fā)展天然氣、煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源開采”的要求，結(jié)合我國天然氣開采實(shí)際情況和國情特點(diǎn)，針對(duì)不同情況應(yīng)該采取不同的開發(fā)利用模式。其中，對(duì)有條件的地方，應(yīng)積極發(fā)展天然氣、煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源開采；對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，應(yīng)大力發(fā)展天然氣、液化石油氣等二次能源的消費(fèi)，提高對(duì)能源的綜合利用效率；對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，應(yīng)充分利用天然氣次能源開發(fā)產(chǎn)生的廢熱、余熱，發(fā)展高質(zhì)量的能源消費(fèi)。

此外，天然氣在化工產(chǎn)品生產(chǎn)中具有多種用途，其中主要包括：天然氣化工原料、化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱能及余熱；天然氣化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工藝介質(zhì)等；天然氣在發(fā)電、供熱過程中產(chǎn)生的余壓及余熱；天然氣在輸送過程中產(chǎn)生的冷能等。

5 結(jié)束語

燃?xì)忾_采系統(tǒng)是一種新型的能源開采方式，對(duì)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。燃?xì)忾_采系統(tǒng)主要由管網(wǎng)系統(tǒng)、天然氣凈化系統(tǒng)、液化裝置三部分構(gòu)成，在這一過程中需要使用到一些先進(jìn)技術(shù)，如液化天然氣技術(shù)、凈化技術(shù)等。燃?xì)忾_采系統(tǒng)的主要目的是將天然氣從地下輸送到地面，利用相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)存和開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)赓Y源的有效利用?，F(xiàn)階段，我國在燃?xì)忾_采過程中存在一定的問題，如燃?xì)忾_采效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等，因此要加強(qiáng)對(duì)燃?xì)忾_采系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢(shì)研究，使其能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，從而推動(dòng)我國能源行業(yè)的快速發(fā)展。