煤炭地下氣化關鍵技術綜述

于小波，李玉海，萬發明，齊 悅，高 庚，邵臣良

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413；2.大慶油田勘探開發研究院規劃研究室，黑龍江 大慶 163712；3.大慶油田有限責任公司科技發展部，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在我國具有舉足輕重的戰略地位。煤炭地下氣化開發利用，是實現碳達峰、碳中和目標的一個重要途徑和手段，是我國實現優化調整能源結構的現實選擇，也是新能源和替代能源發展戰略要求。相關能源單位提出了煤炭地下氣化業務“扶持培育、服務油氣、并重發展及清潔發展”四步走發展戰略及發展目標，將煤炭地下氣化業務制定為未來具成長性的戰略新能源業務，作為新能源開發業務的重要方向。

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，超過常規天然氣，以及致密砂巖氣、頁巖氣、煤層氣等非常規天然氣資源量之和，開發潛力巨大。UCG儲量豐度、產氣速度和效率均遠高于目前開發的非常規氣，可開辟快速有效供氣的戰略新途徑，有望成為具有中國特色的天然氣技術革命。在新疆、內蒙古、黑龍江等產煤大省，煤炭未動用資源儲量巨大，特點是層厚度大，煤層品質好，遠景煤炭資源儲量巨大，具有充足的資源基礎，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的資源基礎。

3 國內外煤炭地下氣化技術

蘇聯是世界上進行地下氣化現場試驗最早的國家,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的攻關與現場試驗，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，突破了氣化穩定控制、多爐協同作業、燃空區探測、污染物監測與處理等關鍵技術，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場試驗，形成了以“U”型氣化爐、CRIP、熱電聯產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、可連續造腔等關鍵技術的氣化爐建造工藝；加拿大天鵝山項目“4 測3 控”技術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。

目前國內三家公司擁有地下煤層氣化相關技術，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煤炭地下氣化技術工業化示范項目成功投產，實現國內第一個“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發展成為產業化技術的企業，在內蒙古烏蘭察布建有氣化采煤工業化示范基地，2009 年6 月成功產氣發電。氣化爐實現30個月連續生產，氣化爐產氣規模可調，單爐產能可達到50×104m3/d以上。

我國UCG 目前規模化關鍵技術及產業鏈延伸方面還有待深入研究，以克服UCG 產業存在的技術、產品定位、管理和運作等方面問題。

4 煤炭地下氣化關鍵技術

煤炭地下氣化關鍵技術首先需要在地質條件、地表條件、技術條件、環境保護和經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進行技術攻關，主要包括氣化爐建造技術、運行控制技術。其中氣化爐建造技術要在井型優選、注氣井與采出井連通的精準入靶技術、鉆井液防漏堵漏技術、井筒完整性技術等方面進行重點研究；運行控制技術要在實時監測和控制技術、可控后退燃燒技術方面進行重點研究。

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、地質構造、目標煤層、煤巖煤質、頂底板、封蓋條件、水文條件和地表條件等方面研究，進行多參數評價：包括煤炭資源量和資源豐度，構造條件，埋深、單層厚度和傾角，煤階、滲透率、工業分析、粘結指數GRI、熱值和焦油產率，頂板巖性、頂板厚度、含水性、滲透性和裂縫發育，蓋層巖性和區域蓋層厚度，含水層，地形條件、水電供給、居民保護區、煤礦邊界和煤礦開采深度。應當建立技術條件、環境影響和經濟效益評價三個方面的評價標準，建立相關的評價關鍵參數、評價參數和參數體系。

4.2 煤炭地下氣化爐建造技術

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，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，需開展相關氣化爐井身結構優化設計、目的層精準穿針入靶技術、煤層地下施工鉆井液防漏堵漏技術調研研究及防井口帶壓及抗高溫管柱應力補償技術、多通道高溫高壓井口技術、可燃套管技術等井筒完整性方面應重點開展研究。

4.3 煤炭地下氣化運行控制技術

針對氣化腔形態、氣化過程圍巖應力及腔內溫壓監測難度大問題應建立完善的氣化運行監測系統；針對粗煤氣產量與組分變化范圍寬，難以控制粗煤氣品質以及確定運行控制指標問題，建立粗煤氣品質控制技術。應開展相關研究研制適用于氣化燃燒環境下的監測設備，開展氣化與燃燒實驗，揭示控制規律，攻關氣化劑、溫壓等指標對制氣率和轉化率的控制機理，突破氣化運行控制技術。

同時由于煤層重復點火困難，常規連續管裝備響應速度慢，自動化程度低，不滿足多通道高壓隨程動態注入要求；缺乏應對井下卡阻、氣化通道堵塞等井下復雜的作業工藝和專業工具。應在可控燃燒技術方面需要進行研究，優化化學點火工藝，提高重復點火成功率，研制可控燃燒工具和多通道連續管注入工具，研制氣化專用裝備，開發井下復雜處理工藝和工具。

總結借鑒國內外煤炭地下氣化技術，結合煤炭埋藏地質特點，針對上述關鍵技術開展研究，將對煤炭地下氣化技術的發展壯大奠定堅實基礎。

5 認識及展望

（1）國家高度重視清潔、綠色能源發展，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，探索適合我國國情的UCG發展路線”，煤炭地下氣化是煤炭資源清潔高效利用的環境友好綠色技術。

（2）我國要力爭2030 年前實現碳達峰，2060 年前實現碳中和的戰略目標。因此對新能源發展是良好的機遇，而煤炭地下氣化技術能夠使煤炭資源得到清潔、綠色、安全性開發利用，能夠有效改善能源結構，煤炭氣化后的灰渣留在地下，避免廢氣、廢水、廢渣對地面的環境造成污染，同時可使現階段對于深層煤炭應用礦井式方式無法開采的資源得到很好的開發利用。

（3）煤炭地下氣化技術產生的CO2，可以有效應用其驅油來提高原油采收率，CO2驅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、溶解氣驅和混相效應。CO2的有效利用一方面響應了國家碳達峰、碳中和的減排戰略目標，另一方面實現了CO2驅油后的地質埋存，兼具良好的經濟效益和社會效益。

綜上，煤炭地下氣化技術具有廣闊的發展前景，如其實現商業化運作，在能源接替方面將產生深遠影響。