國內煤炭地下氣化技術在鄂爾多斯盆地的管理運用前景

徐森 錢偉彬 肖玉燦 楊鎰澤

摘要：在世界能源正經歷從油氣向新能源轉換的背景下，天然氣在能源結構中的地位日漸凸顯。然而，中國現階段的能源結構仍以煤炭為主體，但隨著煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification， UCG）技術的不斷成熟，我國有望實現UCG業務，以減緩天然氣供需緊張問題。文章依據我國當下UCG技術的現狀與發展，分析UCG相關理論概念、技術方法和影響要素，同時指出UCG技術在我國企業中實施所面臨的機遇與挑戰，并具體分析鄂爾多斯盆地UCG的條件及實施路徑。研究認為，UCG技術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、企業、市場等協調支撐保障。

關鍵詞：煤炭地下氣化；煤炭；天然氣；氫能；清潔能源

中圖分類號：TD327.2? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0122-04

0 引言

當下，油氣資源對外依存度高是我國面臨的重大挑戰之一。國內天然氣開發低滲-非常規油氣儲量占比逐漸增大，預計未來10年的占比超過95%［1］，開發潛力逐步下降；并且，隨著科技革命的到來和全球對環境保護共識的增強，多種能源革命發展新浪潮已經來臨，如非常規油氣革命、煤炭清潔化革命、智能化革命與新能源革命等，促進人類可利用的能源由高碳向低碳和非碳化不斷發展［2］。在我國“碳中和”目標下，UCG的能量密度大、與石油石化產業的相關性強；此外，中深層UCG與油氣產業關聯度高、協同性好，可與化工、電力、氫能等產業深度融合形成產業集群，并成為煤炭資源清潔開發利用、油氣資源戰略接替、煤化工、電力、氫能等相關產業融合發展的樞紐，可以有效支撐“低碳能源生態圈”的建設。通過UCG技術，可以將深層的未開采的煤炭資源進行清潔、利用，以此緩解天然氣供應緊張的問題，同時有效解決中國大量使用煤炭排放CO2所產生的環境問題，為中國構建“清潔、低碳、安全、高效”的現代化能源體系提供新思路。

1 UCG技術相關理論

1.1 UCG概念

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

1.2 UCG技術原理

UCG結構主要由生產井、注入井、燃燒腔、監測及控制井、點火系統及其他相關系統組成（如圖1所示）。UCG是一系列物理、化學作用的連續階段，這個過程以氣固兩相界面為主體進行。根據化學反應的強弱程度，將其沿煤層的軸線方向劃分為氧化區、還原區、干燥區［3］（如圖2所示）。在氣化劑中注入氧氣后，點燃點火處，使其與煤炭發生反應，生成CO2，釋放大量熱能，形成一個面狀的燃燒區，即氧化面。氧化區產生的反應熱將還原區的煤層加熱到熾熱狀態，產生的CO2在熾熱的煤炭作用下，產生還原反應并生成 CO，濕煤區與煤壁之間進行熱傳遞，所含水分在干燥區內逐步滲透形成蒸氣，水蒸氣與高溫碳發生還原反應生成 CO、H2等。在還原區的反應完成后，高溫氣體對相鄰的干餾干燥區煤層進行加熱，產生熱解的可燃氣。

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，科學的選址在很大程度上能夠降低風險。在地質評價中，要反復考量煤巖煤質、坍塌規律、含水量、滲透性、頂板強度等多種影響要素的相互作用，并分析其對氣化過程可能產生的影響，為工程設計的選擇、前期的技術選擇及后期氣化爐的平穩運行提供重要參考和保障［3］。

最后，氣化過程中嚴格控制生產參數。可控制的主要參數包含注入速率、注入壓力、成分、溫度、注入點的位置等。同時，利用冷熱態壓裂技術、固體燃料點火技術、垂直孔熱態壓裂技術、定向鉆逆向鉆井技術、爆破技術、超短徑隧道預連通技術等手段，加快煤氣化爐的建設進程［4］。

2 我國UCG技術發展歷史及現狀

我國的UCG技術處于不斷探索階段，1958年以來，我國在多地礦區進行不同程度的UCG試驗，從順利產出可燃煤氣到建立“長通道大斷面氣化方式”，再到原煤炭部技術成果鑒定成功，2000年之后，山東、山西的礦區實現可供給居民使用。當下，我國現行的UCG技術研究項目已多達十幾個，不斷有項目試點成功，但目前缺乏規模化、商業化的參考項目。

國家發展改革委、國家能源局印發的《國家能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》明確指出，要在2030年實現“大規模地下氣化、礦井工業化”的示范目標。目前，國內的UCG技術日趨成熟，在建爐、點火、數據采集、氣化工藝、流程控制、污染物監測與處理等方面已取得突出進步，生產周期、煤氣成分、熱值的穩定性等已經具備工業化示范的條件，并且在示范項目中，成功地解決技術難題，形成標準、工藝包，實現工業化。

3 我國UCG技術的優勢與困難

當前，我國天然氣等能源主要靠進口滿足，實現能源結構的轉換刻不容緩。因此，我國必須利用自身煤炭資源豐富的優勢，借助UCG技術進行能源開發，同時認識目前利用UCG技術所面臨的困難，不斷探索。

3.1 資源方面

我國煤炭資源充足，《中國礦產資源報告（2017）》顯示，以熱值當量為標準計算，中國石油和天然氣資源量總和僅為煤炭總資源規模的1/14，油氣總產量約為煤炭產量的1/8；2014年原國土資源部重大項目《全國煤炭資源潛力評價》顯示，我國埋深2 000 m以內的煤炭資源總量為5.9萬億t。

由于技術、設備等因素的制約，煤礦開采深度集中在1 000 m以下，對1 000～2 000 m的煤層缺乏詳細的分析，所以對2 000 m以下的煤層未進行大規模的勘探。

3.2 技術方面

自20世紀50年代，我國對UCG技術不斷探討，以爭取開辟具有中國特色的有效供氣戰略新路徑。在此過程中，我國聯合各行業進行技術攻堅，使石油工程技術迅速發展，與此同時，這些技術的進步與發展對UCG技術問題的突破起到重要作用。高精度的三維地震勘探技術可以準確地識別地下油氣、煤炭和地下水的儲集層；深煤層“ U”形水平井等鉆井完井技術可以保證井眼的精確，防止工程發生塌方，實現規模化的地下建爐；大直徑連續油管及其配套設備的發展，以及復雜的井下作業技術的發展，為實現煤層精細控制提供豐富的經驗。

從整體來看，現有UCG技術體系不夠完善，產業化仍存在挑戰。例如，井下復雜情況使得氣化腔密閉性存在破壞風險；裝備工具的可靠性、井筒完整性、監測控制準確性和及時性等風險不能消除或控制。

3.3 安全環保方面

與地面煤制氣相比，UCG不會與傳統煤炭開采發生沖突，有效地避免淺水層污染、塌陷等問題；相較于地表，將氣化過程轉移到地下，極大地提高戰略安全性；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，不僅節約淡水資源，還可以擺脫水資源對技術的制約；此外，此技術沒有污染物排放，不會破壞淡水資源供應。

UCG過程中，由于溫度升高，巖體裂縫會滲入附近的含水層，從而污染地下水。此外，煤層在煤層氣化時，會在反應器附近產生燃空區。燃空區對巖層的移動和破壞會影響地表的生態環境，因此在實踐中，這些問題仍不可忽視。

3.4 經濟效益方面

從長遠來看，UCG的投資具有合理的經濟性。通過對天鵝山工程實驗資料的粗略估算，單爐可控煤75.6萬t，5年內累計產氣1.5億m3，全年有效生產330 d，日產CH4約92 000 m3，氣化面平均每天推進0.61 m。從土地投入來看，單井的總投資約為6 000萬元，有較大的競爭優勢。

然而，目前UCG技術的運營效率較高，投資規模較大，屬于技術密集型行業。在當前煤炭產能過剩的情況下，很多企業難以看到該技術的發展前景，加上價格環境變化迅速，使經濟效益存在較大風險。

4 我國煤UCG技術分析——以鄂爾多斯盆地為例

鄂爾多斯盆地位于我國中西部地區，是我國第二大沉積盆地，北起陰山，南抵秦嶺，東至呂梁山，西達騰格里沙漠，面積約37×104? km2，行政區劃屬陜西、甘肅、寧夏回族自治區、內蒙古自治區、山西。鄂爾多斯盆地礦產資源豐富，作為我國重要的能源化工基地，礦產資源的科學合理開發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利用礦產資源上存在的主要問題是由礦權重疊引起的，影響了資源勘探和開采的布局，阻礙資源轉化，為解決此問題可以利用鄂爾多斯盆地豐富的煤炭資源進行UCG，同時考慮礦權重疊的影響，有效地利用這一特點，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的主要煤層，結合其沉積環境、頁巖展布、礦物學特征、有機地球化學特征等方面進行分析，鄂爾多斯盆地具有豐富的開采潛力［5］。

根據盆地石炭-二疊系、侏羅系煤炭地質條件的認識及聚煤規律的研究，在大量油氣探井、地震、地面地質研究的基礎上，收集大量煤炭鉆孔及相關研究成果，按照煤層埋藏深度將兩套煤系各分為4個檔次（≤1 000 m、1 000～<1 500 m、1 500～<2 000 m、≥2 000 m），評價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）。

經上述分析，鄂爾多斯盆地的深層煤層儲量為4.4 Mt，保守估計，相當于33萬億m3天然氣可開采資源量，比鄂爾多斯盆地的常規和非常規天然氣總量高達16.31 Mm3，這其中還未包括所生產出來的H2、CO等資源。

4.2 鄂爾多斯盆地UCG的應對路徑

（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樞紐中心，周邊有多個氣田，同時區域內管網發達，連通2條西氣東輸管線、4條陜京線、1條榆濟線、3條靖西線、2條長呼線等對外輸氣管線，外輸能力7×1010 m3/y以上，可有效解決UCG產品外輸問題。

（2）CO2、N2驅油。鄂爾多斯盆地有長慶油田、延長油田等大型油田，合計年產油3 600萬t左右，利用CO2、N2驅油方面需求較大，其中長慶油田在2020年已進行綜合試驗站建設，探索形成CO2捕集、利用和封存技術體系，并計劃形成百萬噸、千萬噸的CO2驅油與埋存產業工程。

（3）化工、電力融合發展。陜北煤炭、化工、電力企業較多，UCG產品可以通過發電技術轉化為電能后對外供電，一是當地企業自身用電需求巨大，其中長慶油田建有“志-靖-安、寧-定-吳、隴東”三大電網，形成以110kV系統為中心、35 kV系統為骨架的電力網路，年供電量可達40億kW·h；二是可以通過與當地國家電網、陜西地方電力集團協商進行發電后調峰上網，滿足經濟發達地區的用電需求。此外，UCG產品也可直供當地化工企業進行深加工制作成甲醇、化肥等化工用品，實現VCG與化工的融合發展（如圖3所示）［3］。

針對盆地多種礦權重疊的特點，需要我國石油石化企業在開采時充分認識其可利用性，降低成本、有效利用。一是石油石化企業要轉變對中深層煤炭資源的認識，即在勘探過程中遇到大范圍的深層煤炭地層時，通過獲得的大量地質資料和現場調查數據，充分地了解不同地質、不同煤制的資源及可氣化條件，為日后企業對此技術的運用提供充分的資料，節省前期成本。二是UCG的實現要依賴石油化工技術的進步，部分油氣勘探開發技術和裝備同樣適用于UCG［6］。隨著產業一體化模式的推動，石油石化企業在面對礦權重疊的現象時，可能會更傾向于這種事半功倍的選擇，發揮協同效應，達到資源綜合利用的目的。

5 結語

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、產氣速度和生產效率方面，地下氣化都遠遠高于現在的天然氣水平，若進行大規模的工業化開采，可以減少傳統煤炭開采過程中產生的CO2、細顆粒物（PM2.5）等排放物，以達到節能減排、保護環境的目的。雖然UCG技術已較為成熟，但是由于地下情況復雜、工藝控制要求較高，礦權情況復雜，同時國內對安全生產、環境保護方面政策逐年收緊，煤炭地下氣化若要實現經濟、安全、環保等各項指標都達標，需進行大量的科學實驗和開發評價、改進。此外，UCG的高效利用需要多學科領域、多產業鏈融合發展，國家和地方完善政策和市場保障機制；油氣開采企業也應發揮行業引領作用。在多方的努力下，爭取借助UCG技術，在保障國家油氣自供安全的前提下，實現綠色、清潔發展。

6 參考文獻

［1］中國石油勘探開發研究院.集團公司煤炭地下氣化業務中長期發展戰略規劃（階段研究進展）［A］. 2020.

［2］鄒才能，李惠鈺. 煤炭地下氣化：天然氣規模上產新途徑［N］. 中國科學報，2020-07-01（003）.

［3］鄒才能，陳艷鵬，孔令峰，等.煤炭地下氣化及對中國天然氣發展的戰略意義［J］.石油勘探與開發，2019，46（2）：195-204.

［4］胡鑫蒙，趙迪斐，郭英海，等.我國煤炭地下氣化技術（UCG）的發展現狀與展望［J］.非常規油氣，2017，4（1）：108-115.

［5］吳鵬，曹地，朱光輝，等.鄂爾多斯盆地東緣臨興地區海陸過渡相頁巖氣地質特征及成藏潛力［J］.煤田地質與勘探，2021，49（6）：24-34.

［6］張千貴，李權山，范翔宇，等.中國煤與煤層共采理論技術現狀及發展趨勢［J］.天然氣工業，2022，42（6）：130-145.