燃氣開采系統的技術創新和發展趨勢分析

李金昱

山西華新煤成氣勘查開發有限公司 山西 太原 030000

我國能源資源總量豐富，但人均占有量低，且能源結構不合理，煤炭、石油、天然氣等化石能源占據較大的比重，能源消費結構不合理的問題較為突出，且我國是一個能源需求大國，在未來一段時期內能源需求將會持續增加，同時新能源開發力度不夠，現有的傳統化石能源資源開采存在一定的局限性和弊端。目前我國燃氣資源開采主要有兩種方式，分別是地下開采和地上開采。其中地下開采是指將天然氣輸送到地面進行存儲和開發；地上開采是指利用地面設施對天然氣進行存儲和開發。現階段我國主要采用的是地面開采方式，即將天然氣通過管道輸送到地面進行儲存。現階段，我國燃氣資源開采主要采用的是傳統的地下開采方式，這一方式存在一定的弊端，不僅會產生大量的環境污染問題，而且還會產生大量的安全隱患問題，因此要加強對燃氣資源開采系統的技術創新和發展趨勢研究[1-2]。

1 燃氣開采系統概述

燃氣開采系統是指利用先進的科學技術手段，將地下天然氣開采出來，并輸送到地面進行儲存，并將其應用到生活、工業等領域當中，促進能源利用效率的提高。

燃氣開采系統包括多種設備，分別為燃氣輪機、壓縮機、離心式壓縮機、燃氣換熱器等設備，這些設備都具有不同的功能和用途，其中燃氣輪機主要負責對天然氣進行壓縮、加熱、冷卻和運輸等工作；壓縮機是將天然氣從氣體中分離出來的重要設備；離心式壓縮機是指在氣井中利用離心式壓縮機對天然氣進行分離；燃氣換熱器主要用于天然氣在地下的存儲過程中與外界進行熱交換[3]。

現階段，燃氣開采系統主要包括采氣樹、儲氣井、集氣管道、氣井關和天然氣處理廠等。在對天然氣進行開采時，要先對天然氣的成分進行分析，根據分析結果來確定開采方案，管道式的開采方式，需要在管道中鋪設閥門，并將閥門連接到采氣樹中；井式開采方式，則要在井口設置集氣裝置，并將集氣裝置連接到氣井中；無源井式開采方式，則要將無源井內的壓力釋放出來，然后對天然氣進行采氣；有源井式開采方式，則要在有源井內安裝閥門并連接到集氣裝置中；有壓井式開采方式，則要將壓井管連接到集氣裝置中。

2 燃氣開采系統技術創新的必要性

2.1 實現國家能源戰略

我國油氣資源豐富，石油、天然氣、頁巖氣產量分別占全球的13%、19%和10%，是世界第二大原油生產國和第四大天然氣生產國。我國天然氣資源總量居世界第三位，探明儲量為1.45萬億m3，居世界第六位，在全球天然氣儲量中占有重要地位。截至2022年底，全國油氣產量已突破16億t。

我國是世界上最大的石油生產和消費國，石油和天然氣消費總量居全球第二位，石油、天然氣對外依存度分別為51.6%和48.1%。從2010年到2022年，我國的天然氣產量增長了35.5%，而石油產量增長了9.7%；天然氣產量增速超過石油產量增速的8個百分點。隨著天然氣產量的不斷增長，對天然氣資源的需求量也在不斷增加，為了保障我國能源安全，需要加快推進天然氣產供儲銷體系建設，促進天然氣產業高質量發展。因此，我國需要從戰略高度重視和推進天然氣產業發展，實施好國家能源戰略。

2.2 提升燃氣行業地位

天然氣是一種清潔、高效、經濟的能源，它的開采對于改善我國能源結構、緩解環境污染、保護生態環境具有重要意義。

由于天然氣自身的特性，開采難度大，為了滿足國家能源安全的戰略要求，對其進行勘探開發技術創新勢在必行。我國是一個以石油、天然氣為主要能源來源的國家，但石油、天然氣對外依存度已經達到了60%以上，而且隨著社會經濟和科技發展水平的提高，天然氣在一次能源中的比重越來越大。由于天然氣是一種潔凈的能源，能夠有效地緩解我國環境污染問題，改善城市空氣質量，保護生態環境，同時也具有替代常規能源、節約能源、提高經濟效益、增加就業機會、減少溫室氣體排放等重要意義，所以天然氣行業的地位不斷提升。

2.3 促進能源行業發展

我國的能源行業發展速度十分迅速，對天然氣的需求量也在逐年增長，天然氣的價格也在逐年增長，但相比于石油和煤炭，天然氣的價格還是偏低。近些年來，由于國際環境問題以及國際形勢的變化，我國的石油、煤炭價格都有不同程度的上漲。在能源供應方面，我國也加大了對天然氣生產企業的扶持力度。

但是目前我國天然氣產量總體上還處于較低水平，且天然氣進口依存度較高。根據國家能源局公布的數據顯示，2017年全國天然氣產量為1009.6億m3，同比增長9.4%；消費量為6374億m3，同比增長8.9%；全年凈進口量為5191億m3。天然氣進口依存度達到了40%，比2017年同比提高了6個百分點。天然氣的對外依存度過高，嚴重制約了我國能源行業的發展。所以，天然氣的開采技術創新迫在眉睫，只有加強技術創新才能促進能源行業的發展。

3 燃氣開采系統的技術創新

3.1 優化能源結構

能源結構的調整是一項復雜的系統工程，在充分利用可再生能源的同時，大力開發利用天然氣等清潔能源。提高天然氣在我國一次能源消費結構中的比重，是我國燃氣開采技術創新發展的重點之一。為解決天然氣管網建設中面臨的技術瓶頸，必須通過技術創新來解決。

（1）管輸工藝創新。我國天然氣管道建設起步較晚，因此，我國的管輸工藝還不能完全滿足天然氣輸送需求。同時，我國大部分的城市都沒有天然氣管道，且城市燃氣管網覆蓋范圍小，部分城市已建成的管網未延伸到用戶端。因此，在進一步發展和完善管輸工藝的基礎上，重點研究管輸工藝的創新問題。

（2）控制技術創新。天然氣是一種高能量密度的能源，因此，必須要提高天然氣管網的控制技術。我國現有管道系統中，大多數管道采用人工操作方式控制系統工作狀態，未采用自動控制方式進行自動控制。目前，我國天然氣管網系統中，仍未建立完善的安全控制系統，如調度中心、儲氣庫和配氣站等。隨著國家對燃氣管道安全的重視程度不斷提高，必須加強安全控制系統建設，以降低管網運行中發生事故的概率。

3.2 提高燃氣使用效率

提高燃氣使用效率的途徑有很多，技術創新的途徑也有很多，下面將就其中的幾個方面進行闡述。

第一，合理設計、制造燃氣設備。燃氣設備的設計、制造要考慮到其技術、經濟和環境保護等多方面因素，在設計上要使設備在運行過程中能夠將其壽命延長到10年以上，將其在運行過程中的維護費用降至最低。

第二，提高燃氣使用效率。這包括燃氣設備本身的熱效率和燃氣系統的熱效率兩方面。（1）燃氣設備自身熱效率主要指燃氣設備本身的熱效率，即在保證安全的前提下，盡可能提高其熱效率，這對燃氣設備來說是非常重要的，它決定了燃氣設備運行過程中消耗的能量。（2）燃氣系統的熱效率，這是指燃氣系統在運行過程中所消耗的能量與其產生的熱量之比，其影響因素主要包括燃氣輸送系統和使用系統兩個方面，這兩個方面的效率決定了整個燃氣系統的效率，因此要提高燃氣使用效率，首先應提高其燃氣輸送系統的效率[4]。

3.3 推進清潔能源發展

為了有效提高燃氣的燃燒效率，必須要在燃氣開采系統中進行相關的技術創新。首先，需要對燃氣開采系統進行有效的改造，從而提高燃燒效率。其次，可以將一些對環境有污染的燃料進行有效地替代，比如可以將一些煤炭、石油、天然氣等燃料進行替代，這樣不僅能夠降低燃氣開采系統中污染物的排放量，還能夠提高燃氣開采系統的環保性。最后，需要對現有的燃氣開采系統進行有效的升級改造，例如可以將一些燃燒效率較低且污染較大的燃油轉換為天然氣等清潔能源。除此之外，還需要對燃氣開采系統進行相關技術創新，比如可以在燃氣開采系統中采用先進的環保技術。

3.4 加強智能化燃氣管控

在智能化技術應用方面，我國相關企業積極開發燃氣管控系統，將物聯網技術、智能控制技術、傳感技術以及通信技術等應用到燃氣管控系統中，有效提升了燃氣管控系統的智能化水平，如在長慶油田開展的“數字化智能平臺”項目，實現了燃氣生產、輸配、安全監管等環節的信息互聯互通，使數據集中共享，提高了管控效率。

目前我國還存在一些制約燃氣管理的問題，如我國城市燃氣管道和設施建設標準相對較低，城鎮燃氣管網存在大量的漏損泄漏問題；城鎮燃氣設施設計標準相對較低，設計、施工、運行等方面缺少規范和標準；城鎮燃氣的監測系統不完善。這些問題需要通過技術創新來解決，如采用先進的智能化燃氣管網監測技術，對管網進行實時監控，通過智能控制技術、傳感技術、通信技術等對燃氣管網進行遠程控制和管理，以實現城鎮燃氣的智能化管控。

4 燃氣開采系統發展趨勢

4.1 智能化

隨著我國煤礦智能化的不斷推進，智能化技術在燃氣開采系統中的應用將進一步發展。智能化燃氣開采系統的本質是通過各種先進信息技術對燃氣開采生產過程進行數字化、自動化、智能化的控制，使其成為一個能夠自行組織生產的獨立系統。智能化燃氣開采系統通常包括：（1）監控監測與故障診斷，包括運行參數和安全監測。（2）自動控制，包括遠程控制和就地控制。（3）遠程控制，包括無線通信技術和遙控技術。（4）協同工作，包括工業互聯網、物聯網、云計算等技術。（5）信息傳輸與共享，包括生產調度、設備管理等。

4.2 低碳環保

根據《中華人民共和國環境保護法》，為改善生態環境，保護生態系統，防治污染和其他公害，保障人體健康，促進經濟社會可持續發展，制定本法。國家對大氣、水、固體廢棄物和噪聲等污染實施綜合防治。天然氣是清潔能源，采用天然氣替代煤炭對環境的影響最小。《大氣污染防治法》明確規定：“國家鼓勵和支持使用天然氣替代煤炭等高污染燃料”。燃氣開采系統中的煤礦瓦斯排放的污染物主要有：CO、SO2、NOX等有害氣體和粉塵、固體顆粒物。為改善燃氣開采系統的環境保護，在煤層氣開發利用過程中采用以下技術手段：

（1）井下抽采技術，如水平井分段壓裂、水平井壓裂、多分支水平井等技術，該技術可以減少瓦斯的抽采量，降低排放濃度，還能提高單井產量。

（2）地面抽采技術，如地面鉆井抽采技術、井下高壓大排量抽采技術、地面遠距離抽采技術等。

（3）煤層氣發電技術，利用煤層氣發電是一種清潔能源，將煤層氣轉化為電能，達到節省燃料的目的，同時實現清潔能源利用。

（4）煤層氣液化和氣化技術。將煤層氣轉化為液態天然氣和氣態甲烷后，經過凈化處理和液化處理，達到燃氣運輸標準后進行安全輸送。同時，對氣體進行氣化處理后進入工業鍋爐，實現對氣體的液化和氣化。

4.3 資源綜合利用

我國是能源資源匱乏的國家，在國民經濟發展中對能源的需求很大，而我國煤炭、石油、天然氣等一次能源資源都相對缺乏。為滿足我國經濟發展對能源的需求，近年來，國家加大了對煤炭和石油的開發力度，但我國能源結構中煤炭、石油等一次能源占絕對優勢，天然氣、液化石油氣等二次能源消費量很小，我國在一次能源生產和消費中對天然氣等二次能源的利用還不夠充分。

根據國家“十四五”規劃綱要中提出的“在有條件的地方，積極發展天然氣、煤層氣和頁巖氣等非常規天然氣資源開采”的要求，結合我國天然氣開采實際情況和國情特點，針對不同情況應該采取不同的開發利用模式。其中，對有條件的地方，應積極發展天然氣、煤層氣和頁巖氣等非常規天然氣資源開采；對于經濟欠發達地區，應大力發展天然氣、液化石油氣等二次能源的消費，提高對能源的綜合利用效率；對于經濟發達地區，應充分利用天然氣次能源開發產生的廢熱、余熱，發展高質量的能源消費。

此外，天然氣在化工產品生產中具有多種用途，其中主要包括：天然氣化工原料、化工產品生產過程中產生的熱能及余熱；天然氣化工生產過程中產生的工藝介質等；天然氣在發電、供熱過程中產生的余壓及余熱；天然氣在輸送過程中產生的冷能等。

5 結束語

燃氣開采系統是一種新型的能源開采方式，對我國社會經濟的發展具有重要的意義。燃氣開采系統主要由管網系統、天然氣凈化系統、液化裝置三部分構成，在這一過程中需要使用到一些先進技術，如液化天然氣技術、凈化技術等。燃氣開采系統的主要目的是將天然氣從地下輸送到地面，利用相應的設備進行儲存和開發，最終實現對燃氣資源的有效利用。現階段，我國在燃氣開采過程中存在一定的問題，如燃氣開采效率低、資源浪費嚴重等，因此要加強對燃氣開采系統的技術創新和發展趨勢研究，使其能夠實現可持續發展，從而推動我國能源行業的快速發展。