富油煤原位熱解開發地下體系封閉方法探討

郭 威，劉 召，孫友宏，李 強，鄧孫華

(1.吉林大學 建設工程學院，吉林 長春 130026；2.油頁巖地下原位轉化與鉆采技術國家地方聯合工程實驗室，吉林 長春 130026；3.頁巖油氣資源勘探開發省部共建協同創新中心，吉林 長春 130026；4.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林 長春 130026；5.中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083)

我國原油對外依存度高，能源安全存在巨大威脅[1]。富油煤是一種中低成熟度的煤基油氣資源，焦油產率大于7%，其中的有機質在350～500℃條件下可裂解為油氣[2-4]。根據2019 年中國煤炭地質總局研究成果，我國富油煤資源潛力巨大，主要分布于陜西、內蒙古、新疆、甘肅和寧夏5 個省(自治區)[5]。因此，推進富油煤向油氣產品的工業轉化是實現煤炭清潔低碳利用，增加國內油氣供給的戰略選擇。地下原位熱解轉化是對富油煤“留碳取油”的重要方式，該技術是通過注熱井注入熱量原位加熱富油煤層，使內部有機質裂解產生油氣，并通過采油工藝開采到地面的開發方式[2-3]。地下原位熱解技術是油頁巖的重要開發方式，目前已進行了廣泛的室內裂解機理研究，并且在我國松遼盆地開展先導試驗工程成功產油，驗證了技術的可行性[6]。油頁巖與富油煤的物化性質及有機質結構雖具有差異性，但是固體有機質轉化、儲層高效加熱方法以及油氣采收等地下原位熱解關鍵技術具有相通之處。

儲層高效加熱是地下原位熱解技術的核心。目前，地下原位加熱方法根據傳熱方式可分為對流加熱、傳導加熱、輻射加熱和化學加熱[7]。其中，對流加熱是加熱效率較高、開發應用效果較好的方式，通過注熱井注入熱流體通過熱對流的形式原位加熱儲層，常用的熱流體主要是氮氣、空氣、二氧化碳、水蒸氣等。由于地下儲層存在熱流體的滲流作用，可強化加熱效率，同時具有驅替裂解油氣的作用。以加熱方式為特征的各種原位熱解技術具有不同的優缺點，但是共同目標均是高效加熱儲層，提高注入能量利用率。在高含水地層，特別是地下水滲流速度大的目標儲層進行原位熱解開發時，避免開采區涌水造成注入熱量損失對于原位熱解技術至關重要[8]。通過體系封閉將富油煤原位熱解開采區相對封閉在地下三維空間內，構建地下 “密閉反應釜”是提高開采能量利用率的關鍵技術，同時也可以抑制裂解區有機烴、重金屬元素等產物向周圍含水層擴散污染。研發適宜的地下體系封閉技術是富油煤地下原位熱解高效綠色開發的必然選擇。

地下體系封閉技術是通過降低局部儲層有效孔隙率、水相滲透率的方式弱化或隔絕封閉區域內外的傳質過程。地下體系封閉技術主要包括地下凍結技術、注漿帷幕技術、氣驅止水封閉技術，以及泡沫止水方法和氣驅?冷凍結合法等[9]。地下凍結與注漿帷幕是目前最為成熟的封閉技術，廣泛應用于巷道施工、基坑維護、地基處理等基礎工程，并且在地下資源開發中也得到應用，如殼牌公司和吉林大學分別采用地下凍結技術和注漿帷幕技術為油頁巖原位裂解區構建止水屏障[10-11]。氣驅止水封閉技術是吉林大學針對大規模油頁巖原位開采自主研發的快速、低成本施工的地下體系封閉方法[12]。不同的地下體系封閉技術具有不同的地層適應性，需要根據地質條件、設備條件和原位熱解工藝進行合理選擇。

筆者立足富油煤地下原位熱解技術，分析總結現有地下體系封閉技術的原理、適應性及優缺點，并結合富油煤層結構、地下水條件、開發工藝等，篩選出適合不同富油煤儲藏特點的地下原位熱解體系封閉技術。為進一步開展體系封閉技術實施，還設計了體系封閉方案設計?監測?修復以及環境恢復方法，提出了富油煤地下原位熱解開發一體化技術構想，以期為富油煤地下原位熱解先導試驗及未來工業化應用提供技術支撐。

1 地下體系封閉技術現狀分析

1.1 地下凍結技術

地下凍結技術(Artificial Ground Freezing，AGF)是通過向地下封閉井筒內注液氮、超冷鹽水等低溫冷流體，用熱傳導的方式將井筒周圍孔隙水和地層基質凍結在一起，通過群井施工使凍結體交圈形成連續的地下凍結墻[13]，技術原理如圖1 所示。由于地下凍結體周圍存在溫度梯度，需要保持低溫冷流體持續注入，維持凍結墻的長期有效。孔隙水的凍結可完全占據孔裂隙空間，實現對地下水滲流通道的完全低溫封堵，是實現開采區地下體系絕對封閉的有效措施。

圖1 地下凍結技術原理與殼牌公司凍結墻試驗井位布置方案[10]Fig.1 Principle of AGF technology and well layout of Shell’s freezing wall tests[10]

該技術的優點如下：(1) 地層原始結構的影響可逆；工程結束地層溫度升高恢復后，凍結體逐漸解凍消失，地層原始孔隙結構可基本恢復原狀。(2) 非均質地層適應性強；凍結體呈規則的圓柱狀擴展，由于地層溫度降低速度較慢，地層裂隙、層理和水力裂縫等非均質性因素對凍結體的形成與形態影響較小。(3) 凍結封閉性好，凍結區域幾乎不可滲；飽和地下水凍結成冰占據了全部孔裂隙空間，凍結體可認為完全不可滲，可實現地下體系絕對封閉。

該技術的缺點如下：(1) 凍結效率低，封閉半徑小，封閉速度慢，成本高；熱傳導換熱效率低，一般單井凍結半徑小于1 m，施工時間長達數月，能量利用率約為50%。在大規模長期開發過程中，凍結過程需長期運行，施工成本較高。(2) 高地下水流速地層的適應性差，甚至失效；井筒周圍凍結體外緣溫度相對較高，易受地下水流作用解凍，造成凍結范圍畸形縮小，甚至難以形成連續的凍結墻。

綜上，考慮到凍結速率較慢、封閉性好和凍結半徑小等特點，該技術較適于小規模富油煤原位熱解先導工程，可實現有限熱解區域的完全封閉。

1.2 注漿帷幕技術

注漿帷幕技術是通過注漿井向目標地層注入水泥漿，通過水泥漿固結封堵地下孔裂隙，并利用群井聯結固結體形成連續的地下注漿帷幕[14]，技術原理如圖2所示。注漿帷幕不僅可實現對地下水的有效封堵，水泥漿的固結也可以提高巖土體的抗變形能力。因此，該技術常用于未固結或高滲地層，如基坑維護或地基強化處理等領域。另外，在煤田開采和油頁巖原位開發等領域也常用于處理頂板水害、邊水入侵的問題，如吉林大學在我國松遼盆地油頁巖原位轉化開采先導工程中，通過群井注漿帷幕，形成了垂直地下水流方向的連續帷幕墻，有效降低了原位裂解加熱區的涌水量[15]。

圖2 注漿帷幕技術原理Fig.2 Technical principle of grouting curtain

該技術優點如下：(1) 注漿帷幕封閉性好，封閉速度快；水泥漿液固結后占據地層原始孔裂隙，形成相對不可滲固結體，可在1～2 d 內實現傳質通道的完全封堵。(2) 漿液配方可根據地層條件調節；從擴大漿液擴散半徑和降低成本的角度考慮，注漿帷幕技術更適合于高滲地層，而致密地層和含斷層、大裂隙地層需通過優化漿液配方或注漿工藝解決注漿難和漏失問題。

該技術的缺點如下：(1) 地層結構影響不可逆；水泥漿液固結會永久占據孔裂隙空間，對地層孔裂隙結構和力學性質的影響不可逆。(2) 封閉半徑小，施工成本較高；水泥漿液黏度大，且隨著水化時間延長而顯著增加，造成漿液在地層擴散半徑有限，約1 m；考慮到注漿帷幕具有一次施工、長期有效的特點，相較于地下凍結技術，施工成本較低。(3) 埋深和滲透性對設備要求影響大；注漿帷幕施工是將水泥漿高壓壓入地層的過程，目標儲層埋深大、滲透性差會提高注漿施工設備能力。

綜上，與地下凍結技術相類似，注漿帷幕技術適于小規模富油煤原位熱解試采。在高滲水流速地層體系封閉好，并具有處理突發涌水事件、封堵大斷層和裂隙的優勢，但是需要優化漿液配方或注漿工藝。而在低滲儲層中，可選用超細水泥、劈裂注漿的方式提高固結體半徑。

1.3 氣驅止水封閉技術

氣驅止水封閉技術是吉林大學針對油頁巖地下原位轉化開采自主研發的新型地下體系封閉技術[9,12]。該技術是通過在向熱解區邊緣的注氣井注入高壓氣體，建立高氣相飽和度的高壓充氣區，充氣區前緣形成氣體壓力與孔隙水壓力和毛細管力的平衡邊界，從而降低水相相對滲透率和抑制開采區污染物擴散，技術原理如圖3 所示。該技術在我國松遼盆地農安地區和扶余地區油頁巖原位開采試驗工程均取得成功應用，驗證了技術可行性與高效性。

圖3 氣驅止水封閉技術原理[9]Fig.3 Schematic of water-stopping and sealing technology by gas flooding[9]

該技術的優點如下：(1) 氣體流動性強且單井封閉半徑大；在稍高于地層孔隙水壓力的注氣壓力下即可實現半徑高達數十米的單井止水封閉半徑，施工和運行成本低。(2) 施工過程不影響地層結構與性質；氣驅止水封閉過程僅是動態氣驅水過程，不影響地層原始結構，施工完成后地層可以恢復至初始狀態。(3) 儲層地質特性對止水封閉范圍影響大；油頁巖等各向異性地層，垂直層理方向的低滲特性可以顯著抑制氣流的浮力效應，使氣驅前緣擴展速度沿垂直層理方向上趨于相對一致，有利于擴大止水封閉范圍。(4) 注入氣流具有油氣驅替作用；邊緣氣體滲流的存在可以有效控制地下流體流向，提高對裂解區油氣的驅替作用。

該技術的缺點如下：含斷層或溶洞等構造的地層適用性差；高滲通道會引發注入氣體竄流，不利于發揮止水封閉效果。

綜上，氣驅止水封閉技術可以快速建立范圍大的體系封閉區域，尤其在高含水或高地下水流速儲層可發揮較好的止水能力。通過合理布局止水井與開采井，可以充分發揮邊緣氣驅對開采區油氣和載熱介質等流體的驅替和控制作用。

1.4 泡沫止水技術

泡沫止水技術是通過將黏度較高的泡沫注入目標地層，利用賈敏效應(氣阻效應)阻止地下水沿高滲通道竄流，實現封堵地下高含水層。該技術廣泛應用于石油工程，處理石油開發中邊水、底水問題[16-17]。起泡劑和穩泡劑等配方的不同，泡沫的穩定性、半衰期、黏度和耐溫性等性能各不相同，需要根據實際工程特點選用適宜的發泡配方。

該技術的優點如下：(1) 止水封閉范圍大且可控；泡沫具有一定的黏度，但是遠小于水泥漿液黏度，可獲得較大且可控的單井封閉范圍，且施工成本較低。(2) 滲透率極差大且非均質儲層適用性強；注入泡沫會優先封堵裂縫等高滲通道，因此在滲透率極差大且非均質性強的儲層具有較好的封閉效果。(3) 不影響地層結構與性質；泡沫消泡后，地層原始兩相滲流特性恢復。(4) 注入泡沫具有油氣驅替作用；與氣驅止水封閉技術類似，注入泡沫可以發揮對開采區流體的驅替作用。

該技術的缺點如下：止水封閉效果取決于泡沫性能與補注周期；隨著時間的延長，邊緣區域消泡嚴重，泡沫止水性能下降，需要結合泡沫半衰期及地下涌水情況定期補注泡沫。

綜上，泡沫止水技術地層適應性強，單井封閉半徑大，施工成本較低，且具有油氣驅替作用，適宜于大規模富油煤地下原位熱解開發中體系封閉。但是，富油煤地下原位熱解開采區溫度高、地下環境含油、地下水礦化度高，需要合理設計注泡沫井位以及泡沫配方，提高泡沫耐溫、耐鹽和耐油性質。

2 富油煤地下原位熱解開發體系封閉技術篩選

地下原位熱解是油頁巖和富油煤等成熟度較低的非常規油氣資源開發利用方式，選擇適合的地下體系封閉技術是保障儲層高效加熱和保護地下生態的關鍵。根據前述研究現狀的調研，本文總結了以上各種技術的特點、應用情況和地層適應性(表1)。結合富油煤層地質特點、熱解開發工藝及規模，探討分析適于富油煤地下原位熱解開發的體系封閉技術。

表1 4 種地下體系封閉技術特點Table 1 Characteristics of 4 underground system sealing methods

我國富油煤主力區塊，如榆神礦區、神府礦區等地質構造簡單，內生裂隙發育程度低，尚未發現大斷層構造，煤層傾角小；埋深一般介于30～700 m，煤層厚度約10 m，甚至更厚[18]。此外，煤層原始滲透率一般高于頁巖1～3 個數量級[19]。此類礦區較適宜開展地下原位熱解開發。礦區的地質特點對地下體系封閉技術的選用影響較大，結合各類體系封閉技術特點，分如下5 方面討論富油煤原位熱解開采適宜的地下體系封閉技術。

(1)對于埋深淺的富油煤層(<100 m)，考慮到氣體泄漏及高壓注氣對近地表含水層的潛在影響，氣驅止水封閉技術適用性較低。而泡沫止水、注漿帷幕和地下凍結法具有較強適用性。

(2)對于中深富油煤層，氣驅止水封閉工藝中氣體泄漏等影響可忽略，該技術適用性強；而地下凍結法施工中的長井筒熱損失顯著提升，適用性降低。

(3)對于薄煤層(<5 m)，由于漿液和泡沫滲流的可控性，地下凍結、注漿帷幕和泡沫止水法適用性強。而氣驅止水封閉技術具有封閉半徑大、能耗低的特點，在厚煤層應用中具有顯著降低成本的優勢。

(4)對于不同的熱解工藝，氣驅止水封閉技術和泡沫止水技術可為熱解開發區提供惰性氣體、含氧氣體、泡沫等滲流場，具有熱解油氣驅替、原位流體控向、壓力調控等作用，可根據熱解開發工藝的不同，合理選用。

(5)對于小規模原位熱解開采試驗，富油煤地下原位熱解開發技術驗證階段需要開展小規模先導試驗時，封閉區域小，封閉性要求高，可采用地下凍結和注漿帷幕技術。而在大規模熱解開發中，封閉區域大，選用氣驅止水封閉和泡沫止水技術可以大幅縮減工程投資。

富油煤地下原位熱解開發技術尚處于研發階段，實際應用中，應充分結合煤層地質特點、開發工藝、規模、工程投資等，合理選擇適宜的體系封閉技術。

另外，現有的地下體系封閉技術來源于淺層基礎工程、石油工程等領域，難以完全滿足富油煤地下原位熱解開發需求。因此，亦可開展針對性技術攻關研究，未來技術攻關可有如下2 個方向：

(1) 創新技術原理，彌補技術缺陷：注漿帷幕技術可通過劈裂注漿的方式有效擴大漿液擴散半徑[20]；氣驅止水封閉技術可通過儲層潤濕改性，發揮親氣介質中高壓注氣后殘余氣的氣阻效應，實現靜態止水封閉效果，克服持續高壓注氣的影響[21]；地下凍結技術可采用水平井擴大凍結范圍等。目前此類創新性技術尚在研發，仍需通過深入研究完善施工工藝。

(2) 融合現有技術體系，發揮復合技術優勢：通過開采區或群井高壓氣驅，調控單井漿液擴散方向，實現定向注漿[22]；通過冷氣驅與地下凍結法的結合，實現對流傳熱形式凍結地層，發揮氣驅止水與地下凍結的復合技術優勢[23]。現有技術融合需要綜合考慮不同技術的特點，從而研發優勢突出的新型復合體系封閉技術。

3 地下體系封閉設計?監測?修復和環境恢復系統方法建議

地下體系封閉技術以最大程度隔絕熱解區內外物質與能量交換為目標，需要開發前精細設計、開發中嚴密監測和開發后安全恢復，建立地下體系封閉的設計?監測?修復和環境恢復的系統方法，如圖4 所示。

圖4 地下體系封閉設計?監測?修復和環境恢復系統方法Fig.4 System methods of design-monitoring-restoration of underground system sealing and environmental restoration

3.1 地下體系封閉方案設計

地下體系封閉技術的選取與地質和水文地質條件、熱解開發工藝和開發規模等因素密不可分。設計前，應通過物探、鉆探等手段充分了解目標儲層地質構造，明確地層走向、傾角、斷裂、溶洞等情況。此外，通過巖樣和水樣測試、抽水試驗和區域水文地質調查等評估方法了解儲層孔滲、地下水滲流方向與強度、地下水化學特征等。結合熱解開發工藝、規模以及井網規劃，合理選擇地下體系封閉技術，制定井位布置和井身結構方案、注入流體配方、注入參數等施工技術方案。最后，通過礦場尺度的數值模擬評估地下體系封閉效果，優化并確定施工方案。

3.2 地下體系封閉效果監測

地下體系封閉效果監測主要包括：(1) 地下封閉工藝關鍵參數，決定防滲帷幕的可靠性。如泡沫止水技術中泡沫擴散范圍，地下凍結技術中凍結體半徑和溫度場，氣驅止水封閉技術中兩相分布、壓力和飽和度等。(2) 止水封閉效果監測，決定防滲帷幕的實時效果。如開采區涌水速率、涌水方向和開采區外污染物濃度等。

地下封閉工藝關鍵參數與止水封閉效果相互關聯，止水封閉效果減弱表明需要調整地下封閉工藝關鍵參數。開采區涌水與開采區外生態污染情況是地下體系封閉技術實施效果的主要評價指標，在建立地下封閉體系后，通過生產井、監測井等不同位置鉆孔的實時涌水量、水位，以及監測井污染物濃度來評價。

3.3 地下封閉體系功能修復

地下封閉體系功能修復是保障封閉效果長期有效的關鍵，是指采取調控工藝或增設封閉井等措施修復封閉功能減弱，甚至失效的封閉體系。如地下凍結技術中通過強化地下換熱使凍結區擴展或交圈，恢復連續的凍結帷幕；氣驅止水封閉技術中通過提高注氣壓力增大充氣區范圍；泡沫止水技術中通過縮短泡沫補注周期以抑制泡沫擴散范圍的縮小。地下封閉體系修復需結合地下溫度場、封閉井狀態等，詳細了解涌水方向和涌水量變化，合理調控封閉工藝參數；涌水量顯著增加時可在涌水方向增加封閉井水量。

3.4 地下環境恢復

地下環境恢復是指開采完成后，撤銷連續的防滲帷幕并恢復至原始地下狀態的過程。如氣驅止水封閉完成后可通過井筒短時安全泄壓或地層長期壓力消散實現恢復。地下凍結技術和泡沫止水技術可通過自然過程實現融化和消泡，進而恢復至原始狀態。注漿帷幕技術中地層結構恢復僅可通過儲層改造實現。

4 富油煤地下原位熱解一體化開發技術構想

對流加熱是實現富油煤地下原位熱解高效開發的有效措施，通過注入熱流體加熱儲層，同時驅替并攜帶油氣產物至地表。因此，富油煤地下原位熱解開發是流體注入與流體采出的過程，采出流體主要是油、烴類氣體、二氧化碳及其他氣體。實現富油煤地下原位熱解高效開發，需要整合熱解工藝、驅采工藝、體系封閉工藝和地面循環工藝等不同技術環節，建立一體化高效開發模式，如圖5 所示。通過合理規劃開采區規模與開發方案，選擇適宜的體系封閉技術，建立富油煤地下熱解與體系封閉工藝的協同關系尤為重要。例如：氣驅止水封閉技術與泡沫止水技術既可實現對開采區的封閉作用，也可以通過調整注氣、注泡沫壓力發揮調節原位熱解區范圍、控制熱解區流體流動、驅替油氣產物等作用。因此，在選用適宜體系封閉技術后，建立體系封閉關鍵工藝與熱解開采工藝的參數關聯、效果互評的協同關系可有效促進注入能量高效利用，實現熱解油氣高效采收。

圖5 富油煤地下原位熱解開發及二氧化碳地質封存一體化技術體系構想Fig.5 Conception of integrated technology of underground in-situ pyrolysis exploitation of tar-rich coal and CO2 geological storage

另外，在碳中和背景下，通過整合體系封閉、富油煤原位熱解、產物驅采、CO2地質封存等工藝技術，形成富油煤地下原位熱解一體化開發技術體系，是實現富油煤資源綠色高效開發的重要發展方向。

CO2是富油煤高溫熱解產物中含量相對較大的非烴氣體，也是常見的溫室氣體[24]。然而CO2具有降低油水界面張力和黏度的作用。因此，通過地面分離產物氣體，將產物CO2和其他介質共同作為載熱介質和氣驅止水注入流體，可以充分發揮CO2混相驅替的優勢，提高熱解油氣采收率。同時，富油煤中有機質充分轉化，孔裂隙大量釋放，可為CO2封存提供充足的地下空間，進而實現富油煤開發后CO2地質封存，形成富油煤地下原位熱解開發及CO2地質封存一體化技術體系。但是，富油煤地下原位熱解技術尚處于研發階段，富油煤熱解殘渣孔滲性、地下水特征、蓋層密閉性與長期封存安全性仍需進一步探討。

5 結論

a.梳理總結了地下凍結、注漿帷幕、氣驅止水、泡沫止水4 類地下體系封閉技術的原理、優缺點，評價了各類技術的地層適應性。

b.結合富油煤層埋深、厚度、構造等地質特點，以及原位熱解開發工藝與規模，討論了不同體系封閉技術在富油煤原位熱解開發中的適用性；給出了體系封閉技術發展趨勢，即創新現有技術原理、發展復合封閉技術。

c.針對地下體系封閉技術的工程實施，圍繞開發前精細設計、開發中嚴密監測和開發后安全恢復，提出地下體系封閉設計?監測?修復和環境恢復的系統方法建議。

d.以低碳和高效為目標，整合富油煤原位熱解、體系封閉、產物驅采、CO2地質封存等關鍵技術，提出了富油煤地下原位熱解開發及CO2地質封存一體化技術構想。

e.注漿帷幕、地下凍結和氣驅止水封閉技術已在油頁巖原位轉化開采試驗中成功應用，在富油煤原位熱解開發中的應用前景巨大；未來工作中建議深入探究富油煤熱解特性，并開展體系封閉對熱解開發過程的影響研究。