國內(nèi)煤炭地下氣化技術(shù)在鄂爾多斯盆地的管理運(yùn)用前景

徐森 錢偉彬 肖玉燦 楊鎰澤

摘要：在世界能源正經(jīng)歷從油氣向新能源轉(zhuǎn)換的背景下，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的地位日漸凸顯。然而，中國現(xiàn)階段的能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主體，但隨著煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification， UCG）技術(shù)的不斷成熟，我國有望實(shí)現(xiàn)UCG業(yè)務(wù)，以減緩天然氣供需緊張問題。文章依據(jù)我國當(dāng)下UCG技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展，分析UCG相關(guān)理論概念、技術(shù)方法和影響要素，同時(shí)指出UCG技術(shù)在我國企業(yè)中實(shí)施所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并具體分析鄂爾多斯盆地UCG的條件及實(shí)施路徑。研究認(rèn)為，UCG技術(shù)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(shù)、企業(yè)、市場(chǎng)等協(xié)調(diào)支撐保障。

關(guān)鍵詞：煤炭地下氣化；煤炭；天然氣；氫能；清潔能源

中圖分類號(hào)：TD327.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0122-04

0 引言

當(dāng)下，油氣資源對(duì)外依存度高是我國面臨的重大挑戰(zhàn)之一。國內(nèi)天然氣開發(fā)低滲-非常規(guī)油氣儲(chǔ)量占比逐漸增大，預(yù)計(jì)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?qū)Νh(huán)境保護(hù)共識(shí)的增強(qiáng)，多種能源革命發(fā)展新浪潮已經(jīng)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(jìn)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(biāo)下，UCG的能量密度大、與石油石化產(chǎn)業(yè)的相關(guān)性強(qiáng)；此外，中深層UCG與油氣產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、協(xié)同性好，可與化工、電力、氫能等產(chǎn)業(yè)深度融合形成產(chǎn)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(guān)產(chǎn)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(shè)。通過UCG技術(shù)，可以將深層的未開采的煤炭資源進(jìn)行清潔、利用，以此緩解天然氣供應(yīng)緊張的問題，同時(shí)有效解決中國大量使用煤炭排放CO2所產(chǎn)生的環(huán)境問題，為中國構(gòu)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(shù)相關(guān)理論

1.1 UCG概念

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

1.2 UCG技術(shù)原理

UCG結(jié)構(gòu)主要由生產(chǎn)井、注入井、燃燒腔、監(jiān)測(cè)及控制井、點(diǎn)火系統(tǒng)及其他相關(guān)系統(tǒng)組成（如圖1所示）。UCG是一系列物理、化學(xué)作用的連續(xù)階段，這個(gè)過程以氣固兩相界面為主體進(jìn)行。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)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(diǎn)燃點(diǎn)火處，使其與煤炭發(fā)生反應(yīng)，生成CO2，釋放大量熱能，形成一個(gè)面狀的燃燒區(qū)，即氧化面。氧化區(qū)產(chǎn)生的反應(yīng)熱將還原區(qū)的煤層加熱到熾熱狀態(tài)，產(chǎn)生的CO2在熾熱的煤炭作用下，產(chǎn)生還原反應(yīng)并生成 CO，濕煤區(qū)與煤壁之間進(jìn)行熱傳遞，所含水分在干燥區(qū)內(nèi)逐步滲透形成蒸氣，水蒸氣與高溫碳發(fā)生還原反應(yīng)生成 CO、H2等。在還原區(qū)的反應(yīng)完成后，高溫氣體對(duì)相鄰的干餾干燥區(qū)煤層進(jìn)行加熱，產(chǎn)生熱解的可燃?xì)狻?/p>

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(xué)的選址在很大程度上能夠降低風(fēng)險(xiǎn)。在地質(zhì)評(píng)價(jià)中，要反復(fù)考量煤巖煤質(zhì)、坍塌規(guī)律、含水量、滲透性、頂板強(qiáng)度等多種影響要素的相互作用，并分析其對(duì)氣化過程可能產(chǎn)生的影響，為工程設(shè)計(jì)的選擇、前期的技術(shù)選擇及后期氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行提供重要參考和保障［3］。

最后，氣化過程中嚴(yán)格控制生產(chǎn)參數(shù)。可控制的主要參數(shù)包含注入速率、注入壓力、成分、溫度、注入點(diǎn)的位置等。同時(shí)，利用冷熱態(tài)壓裂技術(shù)、固體燃料點(diǎn)火技術(shù)、垂直孔熱態(tài)壓裂技術(shù)、定向鉆逆向鉆井技術(shù)、爆破技術(shù)、超短徑隧道預(yù)連通技術(shù)等手段，加快煤氣化爐的建設(shè)進(jìn)程［4］。

2 我國UCG技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

我國的UCG技術(shù)處于不斷探索階段，1958年以來，我國在多地礦區(qū)進(jìn)行不同程度的UCG試驗(yàn)，從順利產(chǎn)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(shù)成果鑒定成功，2000年之后，山東、山西的礦區(qū)實(shí)現(xiàn)可供給居民使用。當(dāng)下，我國現(xiàn)行的UCG技術(shù)研究項(xiàng)目已多達(dá)十幾個(gè)，不斷有項(xiàng)目試點(diǎn)成功，但目前缺乏規(guī)模化、商業(yè)化的參考項(xiàng)目。

國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《國家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》明確指出，要在2030年實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模地下氣化、礦井工業(yè)化”的示范目標(biāo)。目前，國內(nèi)的UCG技術(shù)日趨成熟，在建爐、點(diǎn)火、數(shù)據(jù)采集、氣化工藝、流程控制、污染物監(jiān)測(cè)與處理等方面已取得突出進(jìn)步，生產(chǎn)周期、煤氣成分、熱值的穩(wěn)定性等已經(jīng)具備工業(yè)化示范的條件，并且在示范項(xiàng)目中，成功地解決技術(shù)難題，形成標(biāo)準(zhǔn)、工藝包，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

3 我國UCG技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與困難

當(dāng)前，我國天然氣等能源主要靠進(jìn)口滿足，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(shì)，借助UCG技術(shù)進(jìn)行能源開發(fā)，同時(shí)認(rèn)識(shí)目前利用UCG技術(shù)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(chǎn)資源報(bào)告（2017）》顯示，以熱值當(dāng)量為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(chǎn)量約為煤炭產(chǎn)量的1/8；2014年原國土資源部重大項(xiàng)目《全國煤炭資源潛力評(píng)價(jià)》顯示，我國埋深2 000 m以內(nèi)的煤炭資源總量為5.9萬億t。

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

3.2 技術(shù)方面

自20世紀(jì)50年代，我國對(duì)UCG技術(shù)不斷探討，以爭(zhēng)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(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，使石油工程技術(shù)迅速發(fā)展，與此同時(shí)，這些技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展對(duì)UCG技術(shù)問題的突破起到重要作用。高精度的三維地震勘探技術(shù)可以準(zhǔn)確地識(shí)別地下油氣、煤炭和地下水的儲(chǔ)集層；深煤層“ U”形水平井等鉆井完井技術(shù)可以保證井眼的精確，防止工程發(fā)生塌方，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的地下建爐；大直徑連續(xù)油管及其配套設(shè)備的發(fā)展，以及復(fù)雜的井下作業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)煤層精細(xì)控制提供豐富的經(jīng)驗(yàn)。

從整體來看，現(xiàn)有UCG技術(shù)體系不夠完善，產(chǎn)業(yè)化仍存在挑戰(zhàn)。例如，井下復(fù)雜情況使得氣化腔密閉性存在破壞風(fēng)險(xiǎn)；裝備工具的可靠性、井筒完整性、監(jiān)測(cè)控制準(zhǔn)確性和及時(shí)性等風(fēng)險(xiǎn)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(huì)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(zhuǎn)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(jià)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(duì)技術(shù)的制約；此外，此技術(shù)沒有污染物排放，不會(huì)破壞淡水資源供應(yīng)。

UCG過程中，由于溫度升高，巖體裂縫會(huì)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(shí)，會(huì)在反應(yīng)器附近產(chǎn)生燃空區(qū)。燃空區(qū)對(duì)巖層的移動(dòng)和破壞會(huì)影響地表的生態(tài)環(huán)境，因此在實(shí)踐中，這些問題仍不可忽視。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益方面

從長遠(yuǎn)來看，UCG的投資具有合理的經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)天鵝山工程實(shí)驗(yàn)資料的粗略估算，單爐可控煤75.6萬t，5年內(nèi)累計(jì)產(chǎn)氣1.5億m3，全年有效生產(chǎn)330 d，日產(chǎn)CH4約92 000 m3，氣化面平均每天推進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

然而，目前UCG技術(shù)的運(yùn)營效率較高，投資規(guī)模較大，屬于技術(shù)密集型行業(yè)。在當(dāng)前煤炭產(chǎn)能過剩的情況下，很多企業(yè)難以看到該技術(shù)的發(fā)展前景，加上價(jià)格環(huán)境變化迅速，使經(jīng)濟(jì)效益存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

4 我國煤UCG技術(shù)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(dá)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(nèi)蒙古自治區(qū)、山西。鄂爾多斯盆地礦產(chǎn)資源豐富，作為我國重要的能源化工基地，礦產(chǎn)資源的科學(xué)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(chǎn)資源上存在的主要問題是由礦權(quán)重疊引起的，影響了資源勘探和開采的布局，阻礙資源轉(zhuǎn)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(jìn)行UCG，同時(shí)考慮礦權(quán)重疊的影響，有效地利用這一特點(diǎn)，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(jié)合其沉積環(huán)境、頁巖展布、礦物學(xué)特征、有機(jī)地球化學(xué)特征等方面進(jìn)行分析，鄂爾多斯盆地具有豐富的開采潛力［5］。

根據(jù)盆地石炭-二疊系、侏羅系煤炭地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)及聚煤規(guī)律的研究，在大量油氣探井、地震、地面地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，收集大量煤炭鉆孔及相關(guān)研究成果，按照煤層埋藏深度將兩套煤系各分為4個(gè)檔次（≤1 000 m、1 000～<1 500 m、1 500～<2 000 m、≥2 000 m），評(píng)價(jià)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(jīng)上述分析，鄂爾多斯盆地的深層煤層儲(chǔ)量為4.4 Mt，保守估計(jì)，相當(dāng)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(dá)16.31 Mm3，這其中還未包括所生產(chǎn)出來的H2、CO等資源。

4.2 鄂爾多斯盆地UCG的應(yīng)對(duì)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(wǎng)樞紐中心，周邊有多個(gè)氣田，同時(shí)區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)發(fā)達(dá)，連通2條西氣東輸管線、4條陜京線、1條榆濟(jì)線、3條靖西線、2條長呼線等對(duì)外輸氣管線，外輸能力7×1010 m3/y以上，可有效解決UCG產(chǎn)品外輸問題。

（2）CO2、N2驅(qū)油。鄂爾多斯盆地有長慶油田、延長油田等大型油田，合計(jì)年產(chǎn)油3 600萬t左右，利用CO2、N2驅(qū)油方面需求較大，其中長慶油田在2020年已進(jìn)行綜合試驗(yàn)站建設(shè)，探索形成CO2捕集、利用和封存技術(shù)體系，并計(jì)劃形成百萬噸、千萬噸的CO2驅(qū)油與埋存產(chǎn)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(chǎn)品可以通過發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)化為電能后對(duì)外供電，一是當(dāng)?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(wǎng)，形成以110kV系統(tǒng)為中心、35 kV系統(tǒng)為骨架的電力網(wǎng)路，年供電量可達(dá)40億kW·h；二是可以通過與當(dāng)?shù)貒译娋W(wǎng)、陜西地方電力集團(tuán)協(xié)商進(jìn)行發(fā)電后調(diào)峰上網(wǎng)，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的用電需求。此外，UCG產(chǎn)品也可直供當(dāng)?shù)鼗て髽I(yè)進(jìn)行深加工制作成甲醇、化肥等化工用品，實(shí)現(xiàn)VCG與化工的融合發(fā)展（如圖3所示）［3］。

針對(duì)盆地多種礦權(quán)重疊的特點(diǎn)，需要我國石油石化企業(yè)在開采時(shí)充分認(rèn)識(shí)其可利用性，降低成本、有效利用。一是石油石化企業(yè)要轉(zhuǎn)變對(duì)中深層煤炭資源的認(rèn)識(shí)，即在勘探過程中遇到大范圍的深層煤炭地層時(shí)，通過獲得的大量地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，充分地了解不同地質(zhì)、不同煤制的資源及可氣化條件，為日后企業(yè)對(duì)此技術(shù)的運(yùn)用提供充分的資料，節(jié)省前期成本。二是UCG的實(shí)現(xiàn)要依賴石油化工技術(shù)的進(jìn)步，部分油氣勘探開發(fā)技術(shù)和裝備同樣適用于UCG［6］。隨著產(chǎn)業(yè)一體化模式的推動(dòng)，石油石化企業(yè)在面對(duì)礦權(quán)重疊的現(xiàn)象時(shí)，可能會(huì)更傾向于這種事半功倍的選擇，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，達(dá)到資源綜合利用的目的。

5 結(jié)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(chǎn)氣速度和生產(chǎn)效率方面，地下氣化都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的天然氣水平，若進(jìn)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(chǎn)生的CO2、細(xì)顆粒物（PM2.5）等排放物，以達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的目的。雖然UCG技術(shù)已較為成熟，但是由于地下情況復(fù)雜、工藝控制要求較高，礦權(quán)情況復(fù)雜，同時(shí)國內(nèi)對(duì)安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)方面政策逐年收緊，煤炭地下氣化若要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)標(biāo)，需進(jìn)行大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和開發(fā)評(píng)價(jià)、改進(jìn)。此外，UCG的高效利用需要多學(xué)科領(lǐng)域、多產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展，國家和地方完善政策和市場(chǎng)保障機(jī)制；油氣開采企業(yè)也應(yīng)發(fā)揮行業(yè)引領(lǐng)作用。在多方的努力下，爭(zhēng)取借助UCG技術(shù)，在保障國家油氣自供安全的前提下，實(shí)現(xiàn)綠色、清潔發(fā)展。

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