鄒才能，陳艷鵬，孔令峰，孫粉錦，陳姍姍，東振

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司，北京 100007）

0 引言

隨著科技革命的到來(lái)，世界能源正在形成煤炭清潔化革命、非常規(guī)油氣革命、新能源革命與智能化革命等多種能源革命跨界發(fā)展新浪潮，人類利用能源正在從高碳向低碳、非碳化發(fā)展。“煤炭地下氣化”將有可能成為這次浪潮的新生力量：它針對(duì)中國(guó)“富煤但油氣不足”資源賦存特點(diǎn)，利用地下閑置煤炭資源制造甲烷、氫氣等人工氣，對(duì)中國(guó)天然氣工業(yè)發(fā)展極具戰(zhàn)略性意義。

當(dāng)前中國(guó)能源面臨油氣對(duì)外依存度高的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，2018年油氣對(duì)外依存度已分別達(dá)到71%和43%，隨著能源需求峰值的到來(lái)，預(yù)計(jì)對(duì)外依存度還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。煤炭地下氣化能量密度大、與石油石化產(chǎn)業(yè)相關(guān)性強(qiáng)，通過(guò)“煤炭地下氣化-石化煉廠用氫-CO2提高原油采收率及埋存”產(chǎn)業(yè)鏈打造石油石化循環(huán)經(jīng)濟(jì)凈零排放示范區(qū)，不僅可將大量地層深部閑置煤炭資源進(jìn)行清潔化利用，緩解天然氣供應(yīng)緊張局面，還能有效解決中國(guó)由煤炭燃燒排放 CO2引起的環(huán)境問(wèn)題，更能為“氫經(jīng)濟(jì)”時(shí)代到來(lái)儲(chǔ)備資源和技術(shù)，為中國(guó)“清潔、低碳、安全、高效”的現(xiàn)代能源體系建設(shè)開辟新路徑。

本文基于國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，提出了地下煤炭氣化基本概念、機(jī)理與模式，分析了目前面臨的挑戰(zhàn)，以及在中國(guó)的發(fā)展?jié)摿εc發(fā)展路徑。

1 煤炭地下氣化技術(shù)內(nèi)涵

1.1 煤炭地下氣化概念

“煤炭地下氣化”（Underground Coal Gasification,簡(jiǎn)稱UCG）是指將地層中的煤炭通過(guò)適當(dāng)工程工藝技術(shù)，在地下原位進(jìn)行有控制的燃燒，在煤的熱作用及化學(xué)作用下產(chǎn)生CH4、H2等可燃合成氣的過(guò)程[1-6]。煤炭地下氣化可有效避免因采煤引起的安全和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、提高資源利用效率，能變物理采煤為化學(xué)采氣，有效緩解“富煤”和“氣不足”之間的矛盾，如果成功，將開啟中國(guó)“天然氣革命”，實(shí)現(xiàn)天然氣產(chǎn)量跨越增長(zhǎng)。

1.2 煤炭地下氣化機(jī)理

單個(gè)煤炭地下氣化單元主要由1口注入井、1口生產(chǎn)井、地下氣化爐、點(diǎn)火系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部分組成（見(jiàn)圖1），獨(dú)立單元或多個(gè)單元運(yùn)行過(guò)程中，還需配套地面監(jiān)控室、地面注入設(shè)備和產(chǎn)出氣處理系統(tǒng)等[7]。

煤炭地下氣化是由一系列連續(xù)階段構(gòu)成的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，氣化過(guò)程主要是在氣固兩相界面進(jìn)行，按照化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)弱程度，沿氣化通道軸向分為氧化區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)[8]（見(jiàn)圖2）。

圖1 煤炭地下氣化示意圖

圖2 煤炭地下氣化燃燒區(qū)示意圖（圖中溫度為反應(yīng)溫度）

①氧化區(qū)。氣化劑中的O2通過(guò)注入井注入后，在點(diǎn)火處經(jīng)點(diǎn)火后遇煤燃燒產(chǎn)生 CO2，并釋放大量的反應(yīng)熱，形成面狀燃燒空間即氣化面，燃燒區(qū)稱為氧化區(qū)，當(dāng)注入氣化劑中O2濃度接近于零時(shí)，不再發(fā)生燃燒反應(yīng)，氧化區(qū)結(jié)束。氧化區(qū)反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度為800～1 200 ℃。

②還原區(qū)。氧化區(qū)產(chǎn)生的反應(yīng)熱使還原區(qū)煤層處于熾熱狀態(tài)，氧化區(qū)生成的 CO2與熾熱的炭發(fā)生還原反應(yīng)生成 CO，水蒸氣與熾熱的炭發(fā)生還原反應(yīng)生成CO、H2等。由于還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行煤層和氣流溫度逐漸降低，當(dāng)溫度降低使還原反應(yīng)程度較弱時(shí)，還原區(qū)結(jié)束，還原區(qū)反應(yīng)溫度為 600～900 ℃。

③干餾干燥區(qū)。還原區(qū)結(jié)束后，氣流溫度仍然很高，對(duì)緊鄰的干餾干燥區(qū)煤層進(jìn)行加熱，釋放出熱解可燃?xì)?，同時(shí)產(chǎn)生甲烷化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為200～600 ℃。

從化學(xué)反應(yīng)角度來(lái)講，3個(gè)區(qū)域沒(méi)有嚴(yán)格的界限，氧化區(qū)、還原區(qū)也有煤的熱解反應(yīng)，3個(gè)區(qū)域的劃分僅指示氣化通道中氧化、還原、熱解反應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)弱。經(jīng)過(guò)這3個(gè)反應(yīng)區(qū)以后，生成了可燃組分主要為H2、CO、CH4的合成氣。隨著氣化反應(yīng)過(guò)程的不斷進(jìn)行，氣化反應(yīng)區(qū)逐漸向生產(chǎn)井移動(dòng)。因此，可燃?xì)怏w主要來(lái)源于 3種反應(yīng)：煤的燃燒熱解、CO2的還原和水蒸氣的分解。反應(yīng)區(qū)溫度和反應(yīng)比表面積控制這 3個(gè)反應(yīng)的強(qiáng)度，同時(shí)也決定了合成氣的組分和熱值。受不同煤階及煤巖煤質(zhì)的影響，一般情況下1 t煤經(jīng)地下氣化可生產(chǎn)合成氣1 490～2 470 m3[9]，熱值為4 187～7 117 J/m3。

1.3 煤炭地下氣化工藝流程及關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)

煤炭地下氣化流程可大致分為 6個(gè)主要階段，包含8大系列25項(xiàng)主要技術(shù)（見(jiàn)圖3）。

圖3 煤炭地下氣化流程及相關(guān)技術(shù)匯總圖

首先是氣化爐的選址。UCG項(xiàng)目的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性依賴于諸多地質(zhì)和非地質(zhì)因素，科學(xué)選址能夠最大程度降低風(fēng)險(xiǎn)。地質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程要充分考慮煤巖煤質(zhì)、滲透性、含水量以及頂板強(qiáng)度、坍塌規(guī)律、滲透性等諸多影響因素的相互作用及對(duì)氣化過(guò)程的影響，為工程設(shè)計(jì)與后期平穩(wěn)運(yùn)行提供依據(jù)和保障。

然后是在優(yōu)選的有利區(qū)建造氣化爐，即建爐。一般采用煤層氣開發(fā)鉆井技術(shù)，需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一是在注入井和生產(chǎn)井之間建立通道的方法，即定向井貫通技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在電力貫通、爆炸壓裂、水力壓裂和逆向燃燒 4種連通方法中，只有逆向燃燒是可行的。

建爐之后是點(diǎn)火運(yùn)行。與稠油熱采點(diǎn)火類似，使用點(diǎn)火化合物，然后向井筒內(nèi)投入熱焦炭，注入富氧空氣，在壓力作用下使煤自燃。煤燃燒后根據(jù)需要優(yōu)化日產(chǎn)量等系列開發(fā)參數(shù)，確保系統(tǒng)在最理想狀態(tài)運(yùn)行。

控制是地下氣化核心環(huán)節(jié)。煤炭地下氣化是熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其核心是燃燒的可控制性?？刂茪饣紵^(guò)程的主要因素除了地質(zhì)條件、煤巖煤質(zhì)等內(nèi)部因素，還有氣化劑配比、氣化反應(yīng)溫度和壓力、生產(chǎn)壓差等外部因素。UCG過(guò)程直接可控參數(shù)主要包括氣化劑注入壓力、注入速率、注入組分、注入溫度、線性CRIP（受控注入點(diǎn)后退氣化）結(jié)構(gòu)中注入點(diǎn)位置和生產(chǎn)井口壓力。注入壓力控制合成氣的可燃?xì)怏w組分，壓力越高，CH4占比越高，CO和 H2占比越低，根據(jù)西班牙EI Tremedal現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，壓力為5 MPa時(shí)，可燃組分比例為55%[10]。

產(chǎn)出氣經(jīng)井下降溫后進(jìn)入地面處理環(huán)節(jié)。合成氣是 CO、CH4、H2、CO2和其他雜質(zhì)的混合物，主要雜質(zhì)是顆粒、焦油以及硫化合物等，利用前需要凈化提純。凈化一般有 4個(gè)目的：降溫，脫水，回收有價(jià)值副產(chǎn)品，除去有害雜質(zhì)。

經(jīng)地面處理的合成氣可實(shí)現(xiàn)綜合利用，包括 CO2的利用與埋存，以及可燃?xì)怏w的綜合利用，如用于氣輪機(jī)發(fā)電、用作化學(xué)原料生產(chǎn)甲醇或其他化工產(chǎn)品等。

在煤炭地下氣化過(guò)程中，污染物防控貫穿始終，需在不同的工藝階段做好預(yù)測(cè)、控制和處理。監(jiān)測(cè)資料為控制提供依據(jù)，監(jiān)測(cè)與建爐、運(yùn)行、控制和地面過(guò)程同步，UCG運(yùn)行過(guò)程中必要的監(jiān)測(cè)包括生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、氣化腔變化監(jiān)測(cè)、產(chǎn)物組分監(jiān)測(cè)、污染物監(jiān)測(cè)等。

1.4 煤炭地下氣化模式

一般認(rèn)為，地下氣化過(guò)程包含非均相和均相兩種類型的反應(yīng)，前者是氣化劑或氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物與固體煤或煤焦的反應(yīng)，后者是氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物之間的相互作用或與氣化劑的反應(yīng)。煤炭地下氣化過(guò)程的實(shí)質(zhì)是煤中的固相炭與氣相中的 O2、水蒸氣、CO2、H2等之間的相互熱化學(xué)平衡。影響該化學(xué)平衡的主要因素包括氣化介質(zhì)、接觸方式、工藝條件等。

根據(jù)不同條件下煤炭地下氣化主要反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物組分的差別，大致將煤炭地下氣化按深度分為 3個(gè)層段，小于500 m的淺層（氣化反應(yīng)壓力一般小于4.0 MPa、氣化反應(yīng)溫度大于1 000 ℃）、500～2 200 m的中深層（氣化反應(yīng)壓力一般大于等于 4.0 MPa、小于22.1 MPa，氣化反應(yīng)溫度大于1 000 ℃）和大于2 200 m的深層（氣化反應(yīng)壓力一般大于等于22.1 MPa、溫度大于1 000 ℃），對(duì)應(yīng)深度范圍內(nèi)煤炭地下氣化有3種開發(fā)模式（見(jiàn)圖4）：一是淺層富氫模式，低壓下氣化劑經(jīng)過(guò) 3個(gè)反應(yīng)區(qū)與煤反應(yīng)生成合成氣，以干餾反應(yīng)、產(chǎn)物富含氫為特征，如波蘭巴巴拉現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用埋深20 m的煤層，產(chǎn)出氣中CH4體積占比為2.5%，H2占 36%，CO 占 32%，CO2占 15%，N2占 13%[10]；二是中深層富甲烷模式，隨著壓力的升高，反應(yīng)向氣體體積減小方向進(jìn)行直至達(dá)到平衡，由于 CO和 CO2的甲烷化反應(yīng)都是體積縮小的反應(yīng)，因此此時(shí) CH4產(chǎn)率隨著壓力提高迅速增加，這一過(guò)程以甲烷化反應(yīng)占主導(dǎo)、產(chǎn)物以富含甲烷為特征，如加拿大天鵝山現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目選取埋深1 400 m的煤層，產(chǎn)出物中CH4占37%，H2占15%，CO占5%，CO2占41%[10]；三是深層超臨界極富氫模式，當(dāng)壓力持續(xù)增加至22.1 MPa以后，氣化劑中的水蒸氣進(jìn)入超臨界狀態(tài)（374.3 ℃，22.1 MPa），此時(shí)化學(xué)反應(yīng)超出上述的一般非均相和均相反應(yīng)的范疇，轉(zhuǎn)為以超臨界水作為氣化反應(yīng)介質(zhì)發(fā)生超臨界氣化，實(shí)現(xiàn)煤的熱解、氣化、凈化、變換和分離同時(shí)進(jìn)行[11]，此時(shí)以水的超臨界反應(yīng)、產(chǎn)物極富氫為特征，地面超臨界水煤氣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示產(chǎn)出氣中CH4占3%～4%，H2占55%～62%，CO占1%，CO2占32%～39%[12]。

圖4 煤炭地下氣化的3種開發(fā)模式（CH2—H2含量，CCH4—CH4含量，p—反應(yīng)壓力，T—反應(yīng)溫度）

1.5 煤炭地下氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀

1868年，德國(guó)科學(xué)家William Siemens首次提出將地面氣化爐搬到地下煤礦直接氣化煤炭，第一次提出煤炭原地氣化的可能性[13]。1888年，俄羅斯化學(xué)家Mendeleev提出了煤地下氣化（UCG）的基本工藝[14-15]。1906—1910年，美國(guó)化學(xué)家Betts獲得美國(guó)、加拿大和英國(guó) 3個(gè)煤炭地下氣化技術(shù)專利，標(biāo)志著煤炭地下氣化技術(shù)的相對(duì)成熟[16]。

西方工業(yè)國(guó)家對(duì) UCG的工業(yè)化試驗(yàn)隨著國(guó)際油價(jià)的高低起伏幾經(jīng)起落，但對(duì)UCG的研究試驗(yàn)從未停止。20世紀(jì)30年代開始，前蘇聯(lián)、美國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)、英國(guó)以及澳大利亞等國(guó)家相繼開展煤炭地下氣化制氣、制氫、與發(fā)電融合等不同目的的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[17]，持續(xù)改進(jìn)完善煤炭地下氣化工藝及技術(shù)，發(fā)展了CRIP工藝等，并持續(xù)將煤炭地下氣化向中深層推進(jìn)。加拿大于2009—2011年利用CRIP工藝在阿爾伯塔省天鵝山開展的煤炭地下氣化項(xiàng)目，是迄今為止目的煤層最深（埋深1 400 m）的UCG工業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[10]。

中國(guó)在1958—1962年就探索過(guò)已開采煤炭礦區(qū)的地下氣化試驗(yàn)，此后在黑龍江、河南也開展了多次有井式地下氣化試驗(yàn)。20世紀(jì) 90年代初在徐州實(shí)施的“長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段”的氣化工藝，產(chǎn)出合成氣中H2含量最高可達(dá)60%～80%。2009—2015年，在內(nèi)蒙古烏蘭察布完成了“L”型爐、“V”型爐、“單元面采爐”等無(wú)井式氣化爐試驗(yàn)，開發(fā)了無(wú)需點(diǎn)火的移動(dòng)單元后退氣化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了富氧氣連續(xù)生產(chǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)5個(gè)月，合成氣有效組分含量大于50%，獲得了氣化爐連續(xù)運(yùn)行的調(diào)控參數(shù)并取得了多項(xiàng)專利和技術(shù)成果[18-19]。受多種因素影響，烏蘭察布試驗(yàn)項(xiàng)目未能繼續(xù)完成商業(yè)化。近年來(lái)，中國(guó)部分民營(yíng)企業(yè)從制氫或制氣等不同角度涉足煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)，分別在內(nèi)蒙古和新疆開展淺層煤炭地下氣化的前期工作；此外，大型油公司也有意結(jié)合自身天然氣產(chǎn)業(yè)鏈，在煤炭井工開采范圍外開展深層煤炭地下氣化業(yè)務(wù)增加天然氣供給能力，這都將積極推動(dòng)中國(guó)煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 中國(guó)煤炭地下氣化開發(fā)潛力

2.1 中國(guó)煤炭資源量及煤炭地下氣化開發(fā)潛力

國(guó)土資源部重大項(xiàng)目“全國(guó)煤炭資源潛力評(píng)價(jià)”的成果顯示，全國(guó)埋深2 000 m以淺的煤炭資源總量為5.9×1012t，主要分布在華北、西北和東北晚石炭世—早二疊世、晚二疊世、早中侏羅世以及晚侏羅世—早白堊世等 4個(gè)主要成煤期的煤系中，其中探獲煤炭資源量 2.02×1012t，預(yù)測(cè)資源量 3.88×1012t[20]。目前煤礦企業(yè)開采深度集中在1 000 m以淺，埋深1 000～2 000 m的煤炭資源由于暫不具備礦井開采技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件而沒(méi)有開展精細(xì)評(píng)價(jià)，埋深2 000 m以深的煤炭資源更是沒(méi)有進(jìn)行規(guī)?？辈?，1 000 m以深煤炭資源是地下氣化主要目標(biāo)，可氣化潛力大。

據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)陸上埋深1 000～3 000 m的煤炭資源量為3.77×1012t[20-21]，主要分布在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、塔里木、二連、海拉爾、松遼等含油氣盆地中，這些中深層煤炭經(jīng)過(guò)地下氣化可生成巨量的甲烷和氫氣。按氣化動(dòng)用率 40%計(jì)算，折合等熱值甲烷（天然氣）資源量為（272～332）×1012m3（暫不考慮煤階及地表?xiàng)l件影響，見(jiàn)圖5），是常規(guī)天然氣資源量的3倍，與非常規(guī)天然氣資源量的總和基本相當(dāng)，開發(fā)潛力巨大。

圖5 中國(guó)煤炭地下氣化資源量與天然氣資源量對(duì)比圖

2.2 重點(diǎn)地區(qū)煤炭地下氣化開發(fā)潛力

煤層發(fā)育、地理位置極佳的鄂爾多斯和二連盆地是煤炭地下氣化實(shí)施的重點(diǎn)有利目標(biāo)。鄂爾多斯盆地煤炭地下氣化資源潛力巨大，全盆地發(fā)育上古生界石炭-二疊系和中生界侏羅系兩套煤層，合計(jì)含煤面積超過(guò)29×104km2，埋深4 000 m以淺的煤炭預(yù)測(cè)總資源量為 6.92×1012t[22]。僅盆地東緣部分煤層氣礦權(quán)區(qū)塊中埋深800～2 200 m、適合進(jìn)行地下氣化的煤炭資源量即為183×108t，初步測(cè)算地下氣化可動(dòng)用煤炭資源量73.2×108t，折合純甲烷資源量 1.46×1012m3，按 50%的采收率計(jì)算，大致相當(dāng)于一個(gè)年產(chǎn)天然氣 150×108m3、可連續(xù)開采50年的大型氣田。

二連盆地成煤時(shí)間晚，含煤面積 0.90×104km2，2 000 m以淺的煤炭資源量為6 819×108t，埋深500～1 000 m的資源量占90%以上，盆地地下氣化可動(dòng)用煤炭資源量754×108t，折合純甲烷資源量12.5×1012m3，按 50%的采收率計(jì)算，大致相當(dāng)于一個(gè)年產(chǎn)天然氣1 000×108m3、可連續(xù)開采50年的超大型氣田。

3 煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

3.1 煤炭地下氣化面臨的主要問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外淺層煤炭地下氣化試驗(yàn)項(xiàng)目沒(méi)有取得規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要原因有 3個(gè)，一是選區(qū)問(wèn)題，地質(zhì)選區(qū)過(guò)程中論證不充分，如因地層水大量涌入氣化腔導(dǎo)致試驗(yàn)停止等；二是地下氣化技術(shù)和工藝對(duì)地質(zhì)、工程、地面要求非常高，技術(shù)本身仍存在需要完善之處，如因貫通工藝導(dǎo)致試驗(yàn)失敗、連續(xù)管燃燒事故導(dǎo)致試驗(yàn)停止、產(chǎn)出氣通道受阻導(dǎo)致試驗(yàn)停止等；三是絕大部分淺層試驗(yàn)項(xiàng)目受外部環(huán)境的影響大，如國(guó)家環(huán)保政策導(dǎo)致試驗(yàn)停止、地表下陷和淺層水污染導(dǎo)致項(xiàng)目停止等[8,13,23-26]（見(jiàn)表1）。

國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，淺層煤炭地下氣化技術(shù)基本成熟，但要走向產(chǎn)業(yè)化需要完善工藝技術(shù)和提高經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合相關(guān)技術(shù)進(jìn)展、相關(guān)產(chǎn)業(yè)形勢(shì)和環(huán)保要求來(lái)看，煤炭地下氣化發(fā)展方向一是向深層發(fā)展，避開環(huán)境敏感區(qū)和傳統(tǒng)煤礦采掘區(qū)；二是產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，如與發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，與碳捕獲、利用與封存產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，與制氫產(chǎn)業(yè)的結(jié)合以及與燃料電池產(chǎn)業(yè)的結(jié)合等[25]。

3.2 煤炭地下氣化發(fā)展的主要目的層

中深層是煤炭地下氣化發(fā)展的主要目的層，相對(duì)于淺層煤層，中深層煤炭地下氣化有很多優(yōu)點(diǎn)：一是氣化爐遠(yuǎn)離地表及飲用水源，避免了直接環(huán)境污染；二是埋深增大有利于增加氣化爐的密閉性，避免了大量裂隙導(dǎo)致的產(chǎn)出氣泄漏；三是隨埋深增大溫度提高，氣化反應(yīng)速度和熱值隨之提高。但隨著埋深的增大，地層壓力也隨之增大，地層情況更為復(fù)雜，施工和監(jiān)測(cè)控制技術(shù)難度增加，項(xiàng)目成本也隨之增加。為盡量避免可能的地下水污染以及避開與煤炭開采企業(yè)的業(yè)務(wù)范圍重疊，煤炭地下氣化未來(lái)一定是向中深層、深層甚至超深層發(fā)展。

3.3 中國(guó)中深層煤炭地下氣化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

中深層煤炭地下氣化工業(yè)化試驗(yàn)仍面臨 3方面挑戰(zhàn)。核心是中深層煤炭地下氣化反應(yīng)機(jī)理更為復(fù)雜，對(duì)工程工藝技術(shù)要求更高。受高溫高壓影響，中深層煤炭氣化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理從簡(jiǎn)單的燃燒干餾反應(yīng)為主變成甲烷化反應(yīng)為主，地下反應(yīng)過(guò)程更為復(fù)雜，反應(yīng)腔的煤巖煤質(zhì)、封閉性等反應(yīng)條件對(duì)地下氣化影響顯著，使得對(duì)地質(zhì)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的要求更高，對(duì)反應(yīng)精準(zhǔn)控制的工藝技術(shù)要求也隨之增加。

表1 國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)煤炭地下氣化項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表（據(jù)文獻(xiàn)[8,13,23-26]，有修改）

圖6 煤炭地下氣化產(chǎn)出CO2綜合利用示意圖

其次是環(huán)境影響。煤炭地下氣化對(duì)環(huán)境影響主要包括地下水污染及大量 CO2的排放。地下水污染的途徑包括污染物隨煤氣通過(guò)圍巖裂隙向周圍地層擴(kuò)散和滲透以及在地下水中浸出并隨之遷移[27]，污染物包括苯及其衍生物、酚類化合物、多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物等有機(jī)污染物[28-29]及氨氮、氰化物和金屬元素等無(wú)機(jī)污染物[28]，這些污染物可以有效防控，但無(wú)法低成本根除。產(chǎn)出氣中 CO2處理是煤炭地下氣化規(guī)?；a(chǎn)后必須面對(duì)的另一個(gè)環(huán)境問(wèn)題。結(jié)合油氣工業(yè)的開發(fā)實(shí)踐，CO2有 3種處理途徑（見(jiàn)圖6）：一是用于鄰近低滲油田的驅(qū)油并埋存，打造“煤炭地下氣化-石化煉廠用氫-CO2提高原油采收率與埋存”石油石化凈零排放示范工程；二是就近在合適地層中直接埋存；三是提純后直接利用，一般用于食品行業(yè)，制成干冰用于制冷，以及開展CO2超臨界萃取等等。

最后是經(jīng)濟(jì)性影響。據(jù)初步測(cè)算，當(dāng)前條件下20×108m3/a生產(chǎn)規(guī)模、煤層埋深800 m的地下氣化項(xiàng)目產(chǎn)出甲烷單位成本約為1.1～1.3元/ m3，與進(jìn)口氣價(jià)格具有一定的可比性，但價(jià)格優(yōu)勢(shì)不明顯，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性受外部因素影響較大。同時(shí)，新能源低廉化對(duì)煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)影響巨大，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)從煤炭、石油、天然氣、新能源“一大三小”的現(xiàn)狀調(diào)整到煤炭、油氣、新能源“三足鼎立”狀態(tài)的趨勢(shì)不可避免，一旦新能源低廉化發(fā)展進(jìn)程迅速，地下氣化等煤炭清潔化利用項(xiàng)目可能受到嚴(yán)重影響。因此，如何降低開發(fā)成本將成為中國(guó)煤炭地下氣化商業(yè)化過(guò)程中面臨的重要制約因素之一。

4 煤炭地下氣化對(duì)中國(guó)天然氣工業(yè)的戰(zhàn)略意義

4.1 中國(guó)天然氣工業(yè)供需矛盾突出

世界能源正經(jīng)歷油氣向新能源的第3次重大轉(zhuǎn)換，形成石油、天然氣、煤炭、新能源“四分天下”的新格局，天然氣在其中發(fā)揮著重要的橋梁作用。2017年，中國(guó)一次能源生產(chǎn)中，石油、天然氣、煤炭及新能源分別占8%、5%、70%、17%，煤炭占比最大，呈現(xiàn)“一大三小”格局。中國(guó)天然氣工業(yè)發(fā)展已進(jìn)入新階段，在生態(tài)環(huán)境建設(shè)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的背景下，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的地位日益凸顯，中國(guó)天然氣發(fā)展迎來(lái)“黃金時(shí)代”[30-31]。

中國(guó)油氣消費(fèi)量快速增長(zhǎng)，對(duì)外依存度加速擴(kuò)大。2007—2018年，國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量增長(zhǎng)乏力，從1.86×108t上升至2.15×108t后連續(xù)3年下降，消費(fèi)量從3.78×108t增長(zhǎng)至6.25×108t[32（]見(jiàn)圖7），供需缺口持續(xù)擴(kuò)大，2018年原油對(duì)外依存度已達(dá)71%；國(guó)內(nèi)天然氣產(chǎn)量從695×108m3快速上升至2018年的1 580×108m3（其中頁(yè)巖氣 107×108m3），天然氣消費(fèi)量保持高速增長(zhǎng)，2018年國(guó)內(nèi)天然氣總消費(fèi)量2 766×108m3[33]（見(jiàn)圖7），對(duì)外依存度達(dá) 43%。受能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和消費(fèi)需求增長(zhǎng)等因素推動(dòng)，未來(lái)油氣對(duì)外依存度將進(jìn)一步擴(kuò)大。預(yù)計(jì)2020年中國(guó)天然氣需求量達(dá)到3 500×108m3，占一次能源消費(fèi)總量的10%，缺口約（1 700～1 800）×108m3；2030年天然氣需求量約（5 500～6 000）×108m3，占一次能源消費(fèi)總量的12%，缺口約（3 500～4 000）×108m3；2050年天然氣需求量約（6 500～7 000）×108m3[34]，占一次能源消費(fèi)總量的15%，缺口約（4 000～5 000）×108m3。在全球多極分化明顯、地緣政治日趨緊張的環(huán)境下，天然氣供應(yīng)的巨大缺口將對(duì)中國(guó)能源安全造成極大挑戰(zhàn)，并可能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)、外交等系列連鎖反應(yīng)。如何快速有效增加天然氣供給已成為制約生態(tài)文明發(fā)展的重大能源問(wèn)題。

圖7 2007—2018年國(guó)內(nèi)原油和天然氣產(chǎn)量、消費(fèi)量

同時(shí)，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展承載的環(huán)境壓力巨大。內(nèi)部表現(xiàn)為大范圍、高強(qiáng)度的霧霾天氣倒逼能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，外部則表現(xiàn)為CO2減排任務(wù)艱巨。目前中國(guó)CO2、SO2排放量的85%，氮氧化合物排放量的60%，煙塵的70%都來(lái)自于燃煤，燃煤過(guò)程排放的污染物是導(dǎo)致區(qū)域灰霾等大氣復(fù)合污染問(wèn)題的重要原因[35]。中國(guó)煤炭一支獨(dú)大的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的能源發(fā)展模式，一方面要提升清潔能源在能源消費(fèi)總量中的占比，另一方面必須堅(jiān)持推動(dòng)化石能源尤其是煤炭的清潔高效利用和綠色開采，加大煤炭由一次能源向二次能源的轉(zhuǎn)化力度，為“美麗中國(guó)”建設(shè)提供強(qiáng)有力支撐。

4.2 煤炭地下氣化可開辟中國(guó)天然氣規(guī)模上產(chǎn)戰(zhàn)略新途徑

“清潔、低碳、安全、高效”的現(xiàn)代能源體系是中國(guó)能源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。在天然氣資源不能充分滿足市場(chǎng)需求急劇增加、新能源還沒(méi)有替代油氣實(shí)現(xiàn)低廉規(guī)模供應(yīng)的情況下，能源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、解決能源環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵是要立足國(guó)情加強(qiáng)煤炭高效清潔利用。為此，國(guó)家出臺(tái)系列政策鼓勵(lì)和支持煤炭清潔高效利用，其中煤炭地下氣化由于變物理采煤為化學(xué)采氣，不僅能有效改善因采煤引起的安全和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，而且將煤炭利用從直接燃燒利用終端轉(zhuǎn)移到成熟的天然氣產(chǎn)業(yè)中。國(guó)家能源局印發(fā)的《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃（2015—2020年）》指出，要“推進(jìn)煤炭地下氣化示范工程建設(shè)，探索適合我國(guó)國(guó)情的煤炭地下氣化發(fā)展路線”，“積極開展二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)研究和示范；鼓勵(lì)現(xiàn)代煤化工企業(yè)與石油企業(yè)及相關(guān)行業(yè)合作，開展驅(qū)油、微藻吸收、地質(zhì)封存等示范，為其他行業(yè)實(shí)施更大范圍的碳減排積累經(jīng)驗(yàn)”[36]。目前，地面煤制合成天然氣已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段，以國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)已經(jīng)核準(zhǔn)的慶華新疆伊犁、內(nèi)蒙古匯能、大唐克旗和大唐阜新等為代表的煤制氣項(xiàng)目產(chǎn)能預(yù)計(jì)將達(dá)622×108m3/a，但煤炭地下氣化仍處于前期研究階段。

與地面煤制氣項(xiàng)目相比，煤炭地下氣化更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)且關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得突破，由于其能量密度、產(chǎn)氣速度和效率均遠(yuǎn)高于目前開發(fā)的非常規(guī)氣，將有望開辟中國(guó)特色的快速有效供氣的戰(zhàn)略新途徑。厚度為 10 m的煤層可技術(shù)采出的氣化天然氣豐度約 1.5×109m3/km2（折合純甲烷），高于目前絕大多數(shù)在產(chǎn)的常規(guī)及非常規(guī)天然氣田。按照單井氣化面寬度70 m、水平段長(zhǎng)800 m（不含靶前距200 m）、日燃燒0.4 m粗算，單個(gè)氣化爐（單組水平井）日產(chǎn)純甲烷氣最高約3×104m3，單爐持續(xù)生產(chǎn)5年累計(jì)可產(chǎn)出約 2×108m3甲烷氣；1 km2可實(shí)施單井9口，可建商品氣產(chǎn)能10×108m3/a，穩(wěn)產(chǎn)1.5年。

煤炭地下氣化產(chǎn)出合成氣中H2占相當(dāng)大比例，因此發(fā)展煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)，可為“氫經(jīng)濟(jì)”時(shí)代的到來(lái)儲(chǔ)備資源和技術(shù)。氫是一種潔凈的能源載體，搭建氫能源聯(lián)用平臺(tái)能夠在可再生能源、電能、油氣等不同種類能源之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，使能源得到有效的儲(chǔ)存與利用。目前氫能與燃料電池技術(shù)已被國(guó)家列入未來(lái)能源發(fā)展的重要方向和戰(zhàn)略新興業(yè)務(wù)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。地下氣化產(chǎn)物中H2含量可根據(jù)溫度、壓力和氣化劑等條件控制，最高可達(dá) 60%左右，未來(lái)可在需要時(shí)根據(jù)技術(shù)手段控制H2產(chǎn)出物比例。因此，煤炭地下氣化之于中國(guó)能源工業(yè)，有甚于頁(yè)巖氣革命之于美國(guó)能源工業(yè)。

5 石油石化企業(yè)是煤炭地下氣化的主力軍

5.1 煤炭地下氣化是跨學(xué)科、跨專業(yè)、實(shí)踐性強(qiáng)的綜合性業(yè)務(wù)

煤炭地下氣化是實(shí)用工程和基礎(chǔ)科學(xué)的交叉學(xué)科，包括物理學(xué)和化學(xué)、流體力學(xué)和固體力學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)和水文地質(zhì)、自動(dòng)控制等學(xué)科。諸多因素的相互作用使煤炭地下燃燒和氣化過(guò)程極其復(fù)雜（包括一些可逆的化學(xué)反應(yīng)），給氣化過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此，煤炭地下氣化技術(shù)和工藝要求高，是多學(xué)科集成技術(shù)體系，涉及到地下地質(zhì)、鉆完井、裝備制造、地面處理等與天然氣產(chǎn)業(yè)相關(guān)的諸多技術(shù)，石油石化企業(yè)具有煤炭企業(yè)難以比擬的中深層地下（井下）技術(shù)、天然氣管網(wǎng)、化工、市場(chǎng)以及融合發(fā)展的整體優(yōu)勢(shì)。

5.2 石油石化企業(yè)發(fā)展煤炭地下氣化業(yè)務(wù)可充分發(fā)揮資源綜合開發(fā)優(yōu)勢(shì)

一是石油石化企業(yè)在油氣勘探過(guò)程中逐漸加深對(duì)中深層煤炭資源認(rèn)識(shí)。油氣企業(yè)礦權(quán)區(qū)廣泛分布不同時(shí)期形成的含煤地層，鄂爾多斯、塔里木、準(zhǔn)噶爾、二連等含油氣盆地油氣勘探開發(fā)過(guò)程中鉆遇大面積分布的中深層含煤地層，獲取了較為豐富的煤層地質(zhì)和分析化驗(yàn)資料，對(duì)發(fā)育于不同地質(zhì)時(shí)期、具有不同煤巖煤質(zhì)的中深層煤炭及可氣化資源有一定的認(rèn)識(shí)。由于資源目標(biāo)主體不同和長(zhǎng)期積累，相比煤炭企業(yè)，石油石化企業(yè)在深部地質(zhì)探測(cè)理論和技術(shù)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

二是部分油氣勘探開發(fā)技術(shù)及裝備可用于中深層及深層煤炭地下氣化。一方面，油氣田勘探開發(fā)技術(shù)對(duì)地下氣化項(xiàng)目有重要的促進(jìn)作用，特別是定向鉆井和連續(xù)油管等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了近年來(lái)煤炭地下氣化技術(shù)由巷道式向無(wú)井式的跨越式發(fā)展。另一方面，石油石化企業(yè)成熟的地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)（煤層氣）、地球物理探測(cè)技術(shù)系列（地震、測(cè)井）、水平井鉆完井技術(shù)、連續(xù)管集成技術(shù)、高溫稠油熱采技術(shù)系列、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、地面天然氣凈化處理技術(shù)系列可經(jīng)過(guò)油氣開發(fā)配套技術(shù)引領(lǐng)中深層煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通過(guò)針對(duì)性完善用于煤炭地下氣化的選址、建爐、注氣、點(diǎn)火、生產(chǎn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如采用三維地震、VSP（垂直地震剖面）及測(cè)井技術(shù)開展煤層精細(xì)構(gòu)造解釋及煤巖煤質(zhì)、應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)，為建爐提供地質(zhì)依據(jù)；采用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤層氣化造腔形態(tài)及大小變化；火燒油層技術(shù)的點(diǎn)火、注入控制和井筒完整性等部分工藝技術(shù)可借鑒于地下氣化點(diǎn)火及控制環(huán)節(jié)等等，有望推動(dòng)中深層及深層煤炭地下氣化項(xiàng)目取得實(shí)質(zhì)性突破。

三是可充分發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。煤炭地下氣化由于其“地下、高溫、流體”等屬性，與石油石化企業(yè)現(xiàn)有油氣產(chǎn)業(yè)鏈融合度高，不僅可在不同地區(qū)因地制宜地與天然氣產(chǎn)業(yè)鏈、煉化業(yè)務(wù)、礦區(qū)用能替代、儲(chǔ)氣庫(kù)業(yè)務(wù)、CO2驅(qū)油與埋藏業(yè)務(wù)、氫能產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源的立體綜合開發(fā)及利用，更能拉動(dòng)石油石化企業(yè)相關(guān)技術(shù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)向新興業(yè)務(wù)的橫向擴(kuò)張和高精尖技術(shù)的縱深發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)與油氣產(chǎn)業(yè)的高度融合發(fā)展，發(fā)揮“1+1＞2”的協(xié)同效益。

6 結(jié)論與討論

煤炭地下氣化技術(shù)已基本成熟，受工藝技術(shù)本身以及市場(chǎng)、安全環(huán)保等外部環(huán)境影響導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化步伐進(jìn)展緩慢，中深層和產(chǎn)業(yè)融合是煤炭地下氣化未來(lái)發(fā)展方向。

不考慮煤階、地表?xiàng)l件等因素，初步匡算中國(guó)埋深1 000～3 000 m的可氣化煤炭折合天然氣資源量為（272～332）×1012m3，是常規(guī)天然氣資源量的3倍，與非常規(guī)天然氣資源量的總和基本相當(dāng)，開發(fā)潛力巨大。

煤炭地下氣化能量密度、產(chǎn)氣速度和效率均遠(yuǎn)高于目前開發(fā)的非常規(guī)氣，可開辟中國(guó)特色的快速有效供氣的戰(zhàn)略新途徑，有望成為具有中國(guó)特色的天然氣技術(shù)革命，煤炭地下氣化之于中國(guó)能源工業(yè)，其意義有甚于頁(yè)巖氣革命之于美國(guó)能源工業(yè)。

煤炭地下氣化具有“地下、高溫、流體”等屬性，與石油石化企業(yè)現(xiàn)有油氣產(chǎn)業(yè)鏈有著天然的融合，石油石化企業(yè)具有發(fā)展中深層煤炭地下氣化的一體化優(yōu)勢(shì)，可在“淺層富氫、中深層富甲烷以及深層極富氫”3種模式中根據(jù)不同需求和相應(yīng)技術(shù)成熟度優(yōu)選技術(shù)路徑發(fā)展煤炭地下氣化業(yè)務(wù)。

煤炭地下氣化在中國(guó)有需求、有資源、有基礎(chǔ)、有技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化之路已初現(xiàn)曙光，但仍面臨機(jī)理上、技術(shù)上、環(huán)保上以及經(jīng)濟(jì)上等各方面的不確定因素，需要開展針對(duì)性的室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性及工業(yè)化試驗(yàn)。石油石化等企業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，力推和引領(lǐng)中國(guó)煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)中國(guó)天然氣革命和推動(dòng)氫工業(yè)快速發(fā)展。