貴州省煤炭地下氣化選址的地質(zhì)影響因素

張曼婷 付 煒，2 王 凱

（1.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550008；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；3.中國(guó)石油青海油田公司采氣三廠，甘肅 敦煌 736202）

0 引言

煤炭地下氣化技術(shù)作為一種開(kāi)采地下煤炭資源的新技術(shù)，具有成本低、煤炭資源利用率高、污染少、安全等特點(diǎn)［1-3］。因此在國(guó)際上再次受到廣泛關(guān)注。貴州省素有“江南煤海”之稱，其煤炭資源具有總量多、潛力大、分布廣、煤質(zhì)好、煤類全等特點(diǎn)。上二疊統(tǒng)作為中國(guó)西南部最重要的含煤地層，也是貴州省最占優(yōu)勢(shì)的含煤地層，普遍具有煤層層數(shù)多、煤層總厚度大、單層厚度薄、埋深大的賦存特征。運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行煤炭開(kāi)采具有很大的局限性，主要體現(xiàn)在開(kāi)采難度大、采礦成本高、殘留多、對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重、井下開(kāi)采安全性低等方面［4-6］。煤炭地下氣化技術(shù)可以使高技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、高安全風(fēng)險(xiǎn)的傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采向綠色、清潔、安全的煤氣資源轉(zhuǎn)化，并顯著提升能源開(kāi)發(fā)利用率，有利于貴州省綠色經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。選擇適宜的地質(zhì)條件是煤炭地下氣化能否成功的主控因素。以往煤炭地下氣化過(guò)程中遇到的問(wèn)題往往都是由于未能清楚認(rèn)識(shí)氣化煤層地質(zhì)條件造成的。因此進(jìn)行煤炭地下氣化的地質(zhì)影響因素分析具有十分重要的意義。

1 煤炭地下氣化的地質(zhì)影響因素分析

1.1 地質(zhì)構(gòu)造條件

構(gòu)造條件對(duì)煤炭地下氣化的效果有重要的影響，其中斷層是最主要的影響因素。在煤炭地下氣化過(guò)程中，當(dāng)氣化煤層與斷層間隔水層厚度不足時(shí)，煤氣易沿?cái)鄬由⒁?，且地下水可能沿?dǎo)水裂隙帶涌入氣化區(qū)，這將導(dǎo)致煤炭氣化中斷。隨著氣化工作面的推進(jìn)與燃空區(qū)面積的擴(kuò)大，燃空區(qū)以上的斷層可能引起頂板坍塌［7］。

貴州省主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M的海陸交互相地層，其形成于晚古生代，地理位置位于畢節(jié)—六盤水一線以東、遵義—安順—興仁一線以西的地區(qū)，其中盤縣、水城、納雍之間的地區(qū)是煤層發(fā)育最好的區(qū)域。其構(gòu)造單元隸屬于上揚(yáng)子地塊黔北隆起區(qū)織金穹盆構(gòu)造變形區(qū)和畢節(jié)弧形褶皺帶。貴州省晚二疊世含煤地層在構(gòu)造演化上具有“多期發(fā)展、強(qiáng)烈分異、定型較晚”的特點(diǎn)，形成了以褶皺和逆沖斷層為主體的復(fù)雜構(gòu)造格局。喜山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大型向斜或復(fù)向斜成為區(qū)內(nèi)最主要的控煤構(gòu)造。全省含煤地層被分割賦存于盤關(guān)、格目底、三塘等100 余個(gè)獨(dú)立向斜單元［8-10］。以盤關(guān)向斜為例（圖1），斷層主要發(fā)育在向斜構(gòu)造邊部，而向斜內(nèi)一般為小型斷層，因此遠(yuǎn)離向斜翼部斷層發(fā)育區(qū)的區(qū)域?qū)γ禾康叵職饣欣?。此外，為防止地下水沿?dǎo)水裂隙帶涌入氣化區(qū)，綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的井下氣化經(jīng)驗(yàn)，采用Marek等的建議，氣化爐與斷層斷面之間的安全距離應(yīng)不小于250 m［11］5。

1.2 煤層賦存條件

1.2.1 煤層厚度

氣化煤層的氣化熱值、熱效率及資源采出率與煤層厚度密切相關(guān)［8］21。氣化煤層厚度越大，產(chǎn)出的煤氣熱值也越大，但煤炭氣化程度會(huì)隨之降低。且氣化煤層變質(zhì)程度越低，對(duì)厚度要求就越高［11］4。當(dāng)氣化煤層厚度小于1.5 m時(shí)，在頂?shù)装鍘r層的冷卻作用下，地下氣化煤氣熱值及熱效率會(huì)降低［9］110。而當(dāng)氣化煤層厚度大于15 m 時(shí)，燃空區(qū)覆巖的塌落范圍有增大的風(fēng)險(xiǎn)。

貴州省上二疊統(tǒng)含煤巖系厚度變化較大，多為76～543 m，煤層層數(shù)與厚度自西向東呈減小的趨勢(shì)。可采煤層層數(shù)一般為9～20層，大部分可采煤層厚度介于1.0～2.5 m。從氣化安全、經(jīng)濟(jì)合理性等因素考慮，結(jié)合貴州省煤層單層厚度薄、層數(shù)多的特征，氣化煤層總厚以1.5～15.0 m 為宜，另根據(jù)黃溫鋼（2014）的研究，煤層夾矸厚度不應(yīng)大于0.50 m［12］78。

1.2.2 煤層埋深

圖1 盤關(guān)向斜構(gòu)造剖面簡(jiǎn)圖

煤層埋深較淺時(shí)易引發(fā)環(huán)境污染等問(wèn)題。煤層埋深越大，地層壓力就越大，從而導(dǎo)致圍巖孔裂隙和滲透性降低，增加了煤炭地下氣化爐的密封性，可大大降低氣化劑及煤氣的漏失。深部煤炭地下氣化中采用較高的氣化壓力有利于炭的直接氫化，促使煤氣組分中甲烷含量增加及煤氣熱值提高，同時(shí)不易污染地下水且有利于工藝控制［13］。但隨著深度增加，煤炭地下氣化對(duì)技術(shù)設(shè)備和地質(zhì)勘探等的要求也隨之提高，需要綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素選擇適宜的煤層埋深。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的煤層氣井埋深一般不超過(guò)1 000 m［14］，而根據(jù)貴州省自然資源廳2016 年的調(diào)查成果，貴州省多數(shù)含煤向斜單元1 000 m以淺的煤層氣資源量比例高，埋深條件較好。目前國(guó)內(nèi)煤炭地下氣化技術(shù)的應(yīng)用多集中在深度為200～300 m 的淺部煤層中，而英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)、荷蘭、西班牙等歐洲國(guó)家地下氣化試驗(yàn)以深度1 000 m 以上的中—深部煤層為主。綜合貴州省煤層埋深與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的井下氣化煤層埋深認(rèn)為，貴州省煤炭地下氣化理想的煤層埋藏深度為200～1 000 m。

1.2.3 煤層傾角

煤層傾角主要影響煤炭地下氣化過(guò)程和煤氣質(zhì)量。在緩傾斜煤層與傾斜煤層進(jìn)行氣化過(guò)程中煤層不易垮落，滲流燃燒環(huán)境一般，CO2的還原和水蒸氣的分解難以完全進(jìn)行［15］。急傾斜煤層相較于傾斜、緩傾斜或近水平煤層而言，其煤層厚度小于煤層斜高及走向長(zhǎng)度。在氣化過(guò)程中受干餾煤氣突出壓力、膨脹應(yīng)力和重力的影響，裸露煤將發(fā)生破裂并落入氣化區(qū)形成滲流通道，且煤層燃燒后形成的灰渣易自動(dòng)掉落氣化底面，使地下氣化的化學(xué)反應(yīng)更充分的進(jìn)行。但是當(dāng)煤層傾角過(guò)大時(shí)會(huì)給建爐施工造成一定的困難，采用常規(guī)手段難以達(dá)到有效氣化。在已開(kāi)展的煤炭地下氣化工程及試驗(yàn)中，國(guó)外氣化煤層傾角一般小于10°，國(guó)內(nèi)多介于12°～70°。位于中梁山的急傾斜、高瓦斯、薄煤層群煤層氣抽采—煤炭地下氣化科學(xué)試驗(yàn)井——中梁1井的成功實(shí)施，表明了急傾斜煤層地下氣化效果更好。結(jié)合國(guó)內(nèi)外成功的煤炭地下氣化工程及試驗(yàn)，傾角小于70°的急傾斜煤層是有利于增加氣化效益的煤層。

1.3 煤質(zhì)條件

1.3.1 煤級(jí)

所有煤級(jí)煤均適合煤炭地下氣化，但其氣化效果也因煤級(jí)而異［16］。貴州省煤炭資源豐富，各變質(zhì)階段的煤類均有分布，煤類較為齊全。褐煤內(nèi)部孔裂隙較為發(fā)育，為高溫氣流的通過(guò)提供了通道，且較高的水分在高溫條件下分解產(chǎn)生的氫氣能有效增加熱值、提高反應(yīng)活性。對(duì)于煙煤，尤其是黏結(jié)性強(qiáng)的煙煤，在地下氣化過(guò)程中會(huì)分泌膠質(zhì)物質(zhì)使得煤粒黏結(jié)，不利于氣化。無(wú)煙煤具有更高的固定碳含量，其反應(yīng)活性較低、機(jī)械強(qiáng)度大、滲透性差，導(dǎo)致其地下氣化難度相對(duì)較大。而褐煤中較發(fā)育的孔裂隙有利于氣化反應(yīng)中高溫氣流通過(guò)，且其較高的水分在高溫下分解產(chǎn)生H2可增加熱值并且有利于增加氣化反應(yīng)活性。因此褐煤是煤炭地下氣化的理想煤級(jí)［3，17］。

1.3.2 煤的灰分含量

煤在氣化過(guò)程中產(chǎn)生的灰分會(huì)附著在煤層表面，阻礙煤與氣化劑的接觸，從而影響氣化速率、增加熱損。但當(dāng)煤層灰分含量大于20%時(shí)，在氣化過(guò)程中可對(duì)頂板起到一定的支撐作用，減少燃空區(qū)覆巖移動(dòng)和地表下沉［18］。因此應(yīng)選擇中—中高灰分煤作為氣化煤層，即灰分含量介于20%～40%為宜。貴州省上二疊統(tǒng)煤層灰分含量一般介于15%～35%，平均值為22%，多為中—中高灰分煤，其灰分含量適宜進(jìn)行地下氣化。

1.3.3 煤的硫分含量

硫分含量并不影響氣化的進(jìn)行，但若高含硫煤氣逸散到空氣中會(huì)造成環(huán)境污染，且氣化后的高硫煤氣腐蝕性強(qiáng)，對(duì)管線等設(shè)備也具有較大的破壞作用［19］。高含硫煤氣在進(jìn)入凈化系統(tǒng)后會(huì)增加凈化系統(tǒng)的壓力和防腐難度，降低煤氣的經(jīng)濟(jì)效益。因此，應(yīng)選擇特低硫煤或低硫煤作為氣化煤層，即煤層中硫分含量應(yīng)小于1%。貴州省上二疊統(tǒng)煤層硫分含量平均為3.78%，硫分含量小于1%的特低—低硫煤主要分布在貴州省西北部的陸相區(qū)。

1.3.4 煤的水分含量

煤中水分在高溫條件下分解產(chǎn)生的氫氣能有效增加熱值、提高反應(yīng)活性，但過(guò)高的水分會(huì)增加氧化劑的供應(yīng)，從而降低氣化效率和煤氣熱值［12］135。綜合考慮，應(yīng)選擇中等或中高全水分煤層作為氣化煤層，即煤層中全水分含量應(yīng)介于8%～20%。

1.4 水文地質(zhì)條件

氣化煤層涌水量與上覆含水層距離等水文地質(zhì)條件均能在氣化過(guò)程中對(duì)環(huán)境構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)［20］。氣化過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體可以通過(guò)圍巖裂縫滲透到周圍地層，氣化結(jié)束后導(dǎo)水破裂帶或頂板冒落裂隙帶易導(dǎo)致地下水涌入氣化區(qū)，致使殘留灰分被浸出，從而增加地下水pH 值及無(wú)機(jī)物質(zhì)濃度［21］。因此，煤炭地下氣化選址應(yīng)避開(kāi)水源地及大型水體，氣化煤層的上覆地層最好沒(méi)有含水層，若有含水層，根據(jù)貴州省井下煤炭地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)，與含水層的最近距離應(yīng)不小于100 m為宜。

貴州省上二疊統(tǒng)含煤地層富水性較弱，地表水和富水性強(qiáng)的灰?guī)r含水層間多發(fā)育有一定厚度的相對(duì)隔水層，破碎帶、斷層帶的導(dǎo)水性相對(duì)于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)較弱，含煤地層與強(qiáng)含水層或地表水間的水力聯(lián)系通道較難建立起來(lái)，有利于煤炭地下氣化。

2 結(jié)束語(yǔ)

貴州省煤炭地下氣化選址時(shí)應(yīng)考慮的主要地質(zhì)因素有地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存條件、煤質(zhì)和水文地質(zhì)條件。綜合國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化經(jīng)驗(yàn)，貴州省煤炭地下氣化地質(zhì)選址應(yīng)滿足：氣化爐選址以遠(yuǎn)離向斜翼部斷層發(fā)育區(qū)為宜，氣化煤層與斷層的距離不宜小于250 m；氣化煤層總厚介于1.5～15.0 m、煤層傾角小于70°、埋深介于200～1 000 m；灰分含量介于20%～40%、硫分含量小于1%、全水分含量介于8%～20%，煤級(jí)以褐煤最佳；地下氣化煤層與含水層的最近距離應(yīng)不小于100 m，同時(shí)應(yīng)避開(kāi)水源地及大型水體。