張金華，陳艷鵬，張夢(mèng)媛，陳振宏，東 振，陳 浩，陳姍姍，薛俊杰

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

當(dāng)前，以綠色低碳為方向的新一輪能源革命正在全球蓬勃興起，煤炭地下氣化作為一種煤原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)，變物理采煤為化學(xué)采煤，具有安全性高、環(huán)境友好、高效等特點(diǎn)[1-3]。煤炭地下氣化是指將地層中的煤炭通過適當(dāng)工程工藝技術(shù)，在地下原位進(jìn)行有控制的不完全燃燒，通過煤的熱解以及煤與氧氣、水蒸氣發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CH4、H2、CO等可燃合成氣的過程[2，4]，實(shí)現(xiàn)“潔煤增氣”。

煤炭地下氣化研究歷史悠久。1868年德國科學(xué)家威廉·西蒙斯首次提出了煤炭地下氣化的概念，1888年前蘇聯(lián)著名化學(xué)家門捷列夫提出了煤炭地下氣化的基本工藝，1912年英國化學(xué)工程師拉姆賽設(shè)計(jì)的礦井式盲孔爐地下氣化獲得成功，由此揭開煤炭地下氣化研究的熱潮[2，4，5]。早期煤炭地下氣化主要為礦井式/巷道式[1，2，5，6]，20世紀(jì)30年代至60年代，前蘇聯(lián)的煤炭地下氣化技術(shù)研究達(dá)到頂峰，并初步實(shí)現(xiàn)了地下煤氣化生產(chǎn)空氣煤氣的工業(yè)化應(yīng)用，其中烏茲別克斯坦安格林氣化項(xiàng)目從1965年至今仍在運(yùn)行；我國也先后在山西大同、徐州新河、山東新汶孫村等地開展了巷道式煤炭地下氣化工業(yè)性試驗(yàn)[3]。20世紀(jì)70年代至80年代末期，美國在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了可控注入點(diǎn)連續(xù)后退(controlled retraction injection point，CRIP)氣化關(guān)鍵性技術(shù)變革。隨著水平井技術(shù)和鉆井裝備的進(jìn)步，鉆井式煤炭地下氣化已成為主流[2，7]，澳大利亞、南非、美國、加拿大、中國等國相繼啟動(dòng)了鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的研究和試驗(yàn)[6]。歷經(jīng)百余年探索初步驗(yàn)證煤炭地下氣化技術(shù)具備可行性，鉆井式中深層高壓富氧氣化將成為煤炭地下氣化的突破方向。但是，煤炭地下氣化商業(yè)化開發(fā)仍面臨著安全選址、穩(wěn)定運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境保護(hù)等諸多問題[1，4]。其中，水文地質(zhì)條件是關(guān)鍵要素之一，其對(duì)煤炭地下氣化的選址、運(yùn)行及環(huán)境保護(hù)具有重要的影響。因此，開展水文地質(zhì)條件與煤炭地下氣化的相互影響分析，對(duì)于煤炭地下氣化的商業(yè)化具有重要的指導(dǎo)意義。

1 典型氣化項(xiàng)目

煤炭地下氣化過程中，目標(biāo)煤層頂?shù)装鍘r層的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)都處于不斷變化中，裂隙帶等將發(fā)育，誘發(fā)頂?shù)装逅莼驕贤ㄉ舷潞畬?，影響氣化效果[8-10]。通過對(duì)國內(nèi)外煤炭地下氣化試驗(yàn)項(xiàng)目梳理，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)項(xiàng)目失敗或終止的技術(shù)問題主要涉及氣化爐的密閉性、氣化運(yùn)行控制以及水文地質(zhì)問題等方面(表1)。例如在水文地質(zhì)條件不利的區(qū)域可能出現(xiàn)氣化腔大量涌水、地層水污染等現(xiàn)象，制約著煤炭地下氣化的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 典型煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)終止原因

地下水和環(huán)境的監(jiān)測(cè)是煤炭地下氣化效果評(píng)價(jià)重要途徑之一。1976—1979年，Livermore勞倫斯實(shí)驗(yàn)室在懷俄明州粉河盆地的Hoe Creek現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了三次煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該氣化項(xiàng)目的目標(biāo)煤層厚度30m，埋深300m，煤質(zhì)為低灰高水分亞煙煤，氣化采用連通直井式(LVW)工藝。Hoe Creek I的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)涵蓋11口鉆井，在氣化過程中以及氣化后的兩年多時(shí)間里進(jìn)行了水樣的采集和測(cè)試分析。Hoe Creek II的監(jiān)測(cè)井共有14口，同樣對(duì)氣化過程中以及氣化后9個(gè)月的時(shí)期內(nèi)的水樣進(jìn)行了采集和測(cè)試分析[7]。Hoe Creek系列試驗(yàn)顯示，淺層煤炭地下氣化存在地表下陷和地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。1997年，西班牙、比利時(shí)和英國共同在西班牙El Tremedal進(jìn)行了煤炭地下氣化試驗(yàn)。該氣化項(xiàng)目的目標(biāo)煤層厚2.0～3.0m，煤層底部埋深約560m，傾角29°，煤質(zhì)為C類亞煙煤，氣化采用線性CRIP工藝[11，12]。項(xiàng)目進(jìn)行了兩階段氣化試驗(yàn)，分別氣化了9d和5d，第一階段氣化中發(fā)生了大量水涌入氣化腔，壓力急劇下降，導(dǎo)致生產(chǎn)線水淹、氣化試驗(yàn)被迫停止(表2)。

表2 第一階段氣化主要事件

2 水文地質(zhì)條件與煤炭地下氣化選址

水文地質(zhì)條件對(duì)煤炭地下氣化的影響貫穿于煤炭地下氣化整個(gè)流程，科學(xué)選址目的不僅要有利于穩(wěn)定高效產(chǎn)出粗煤氣，同時(shí)要在源頭上盡量降低地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)或避免污染。氣化工程中，水主要來自四個(gè)方面：煤層中存在的水(靜態(tài)水)；從地表及周緣滲入到氣化腔中的地下水(動(dòng)態(tài)水)；存在于煤層礦物中的結(jié)合水；作為氣化劑，向氣化爐中人工添加的水[13]。其中，前兩個(gè)方面的水，包括靜態(tài)水和動(dòng)態(tài)水，是煤炭地下氣化選址考慮的主要水文地質(zhì)條件。

科學(xué)選址是實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化商業(yè)化開發(fā)的重要前提，但目前仍未建立統(tǒng)一的煤炭地下氣化選址評(píng)價(jià)體系。國內(nèi)外學(xué)者圍繞不同研究區(qū)域，提出了各自基于煤田地質(zhì)構(gòu)造、煤質(zhì)、煤層圍巖性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等眾多因素的煤炭地下氣化選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[6，14-22]。在不同學(xué)者提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，水文地質(zhì)條件都是重要的關(guān)鍵因素之一，是地下氣化爐選址必須考慮的最基本地質(zhì)條件，但水文地質(zhì)評(píng)價(jià)具體參數(shù)和指標(biāo)還尚處于初始研究階段。

初步研究顯示，水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)涉及的因素主要包括地下水賦存特征、涌水量、距含水層的遠(yuǎn)近、隔水層的效果、水補(bǔ)給程度及防治難度等[23，24]。水文地質(zhì)條件與煤炭地下氣化相互作用、相互影響[25，26]。首先，良好的水力封堵，有利于補(bǔ)充氣化反應(yīng)所需的水分，并阻止氣化產(chǎn)生的煤氣向四周擴(kuò)散。氣化爐內(nèi)外氣-水壓力平衡有效約束產(chǎn)生的粗煤氣，防止氣體向四周逸散。在氣化過程中，氣化爐頂部形成地下水降落漏斗，地下水流涌入，補(bǔ)充水氣，產(chǎn)生的粗煤氣在圍壓的約束下進(jìn)入生產(chǎn)井被抽出(如圖1所示)。其次，氣化過程中，溫度、壓力等參數(shù)的變化將改變地下水徑流特征，破壞滲流場(chǎng)平衡，影響氣化爐腔體的封閉性，當(dāng)涌水量增加到一定量時(shí)，水分會(huì)帶走氣化工作面大量熱量，使得溫度急劇下降，進(jìn)而煤氣熱值大大降低，嚴(yán)重甚至導(dǎo)致氣化失敗。第三，氣化后在燃空區(qū)中留下的污染物通過遷移或者滲透方式威脅到地下水。

圖1 氣化過程中地下水流狀態(tài)

在前期水文地質(zhì)條件勘探評(píng)價(jià)過程中，應(yīng)盡量查清區(qū)域內(nèi)氣化煤層頂、底板隔水層和直接、間接含水層的水文地質(zhì)條件(包括巖層滲透率、對(duì)水的滲透系數(shù)等)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)直接、間接含水層通過水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、抽(注)水試驗(yàn)等手段獲取水文地質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)氣化爐涌水量。針對(duì)水文地質(zhì)條件相關(guān)參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者初步研究提出了一些指標(biāo)參數(shù)參考值(表3)。例如，國內(nèi)學(xué)者研究認(rèn)為煤層頂、底板直接充水的煤田不宜進(jìn)行煤炭地下氣化[5，17，26]。煤層頂、底板應(yīng)為弱透水及以下低滲透性巖層，即煤層頂、底板巖層對(duì)水的滲透系數(shù)小于10-4cm/s，且透水率小于10Lu。氣化煤層底部有承壓含水層存在時(shí)，應(yīng)當(dāng)評(píng)價(jià)煤層底板隔水層的安全性，底板隔水層能承受的水頭值應(yīng)大于承壓含水層水頭值。

表3 部分水文地質(zhì)條件參數(shù)指標(biāo)建議值

對(duì)于選擇進(jìn)行煤炭地下氣化的區(qū)域，如果有隔水層將煤層與含水層隔開，即煤層與含水層沒有接觸，則此時(shí)有利于煤炭地下氣化；反之，不利于煤層氣化[23，24]。最佳水文地質(zhì)狀況是，進(jìn)行煤炭地下氣化的煤層與頂板含水層和底板含水層都有隔水層隔開，且頂板隔水層的厚度足夠厚，頂板塌陷后也不會(huì)完全破壞隔水層的隔水功能。國內(nèi)學(xué)者建議底板隔水層的厚度應(yīng)保障底板含水層不會(huì)被加熱到100℃[5，16]。

科學(xué)部署氣化抽注水是可行方案之一。當(dāng)氣化區(qū)的目標(biāo)煤層與上覆及下伏含水層不是完全隔離，或者上覆含水層處于氣化過程中造成巖石變形及導(dǎo)水裂縫范圍內(nèi)時(shí)，通常在氣化前進(jìn)行抽水作業(yè)，使氣化區(qū)域處于降水漏斗范圍內(nèi)；與此同時(shí)，為了保證地下水滲流場(chǎng)的平衡，保障氣化區(qū)域地下水水位的恢復(fù)，在氣化作業(yè)區(qū)一定范圍布置注水井，采用油田注水方法進(jìn)行科學(xué)注水，既保證在注水期間不影響到煤炭的安全氣化作業(yè)[28，29]，又能在氣化后對(duì)地下水位進(jìn)行恢復(fù)。

3 煤炭地下氣化對(duì)地下水的影響

煤炭地下氣化過程中，由于傳熱強(qiáng)化以及燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生大量的焦油等殘留物[30，31]。煤炭地下氣化污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)主要在于，高壓下煤氣向周圍可滲透地層的擴(kuò)散以及氣化后殘留物在地下水流中的溶解及滲透遷移。氣化區(qū)地下水污染的主要途徑包括：污染物隨煤氣向周圍地層的擴(kuò)散和滲透，氣化殘留污染物在地下水中的浸出及遷移。另外，二氧化碳、氨和硫化氫等泄漏氣體會(huì)改變地下水的pH值，進(jìn)而影響地下水的化學(xué)需氧量和生物需氧量[16]。

地下水污染風(fēng)險(xiǎn)在很大程度上取決于煤層頂?shù)装鍘r層的封閉性及穩(wěn)定性，煤層的低滲透性和圍巖的吸附性會(huì)阻止或降低污染物向周圍擴(kuò)散。通過科學(xué)選址、氣化鉆孔封閉、氣化過程中控制污染物逃逸、氣化燃空區(qū)污染物處理等措施，能夠有效地降低地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)或避免污染[21]。

為減少地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，氣化煤層的頂?shù)装鍛?yīng)具有良好的隔水性，以隔絕煤層和含水層的水力聯(lián)系，保證在一定時(shí)期內(nèi)氣化反應(yīng)產(chǎn)生的污染物不會(huì)污染水體。在氣化過程中，逸出的二氧化碳、氨及硫化物可能改變地下水水化學(xué)反應(yīng)，氣化后燃空區(qū)殘留污染物因地下水的淋濾、滲透作用而產(chǎn)生遷移，引起地下水污染。陳亞偉等[32]應(yīng)用場(chǎng)地影響指數(shù)及單項(xiàng)污染指數(shù)較好地表征了地下氣化對(duì)地下水質(zhì)量影響的程度。

煤炭地下氣化燃空區(qū)的頂板塌陷也會(huì)造成嚴(yán)重的地下水污染問題。因此，在評(píng)價(jià)煤炭地下氣化水文地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)該確保氣化煤層與頂?shù)装搴畬又g有致密性的隔水層隔開，以實(shí)現(xiàn)頂板塌陷后也不完全破壞隔水層的隔水功能[26]。例如，美國懷俄明州Hoe Creek 煤炭地下氣化試驗(yàn)項(xiàng)目在氣化期間頂板塌陷導(dǎo)通了上部含水層，燃燒產(chǎn)生的污染物沿導(dǎo)水裂隙遷移到上部含水層造成地下水污染。因此該問題應(yīng)在煤炭地下氣化區(qū)選址時(shí)給予充分考慮從而予以避免[16]。此外，也可以通過一定的措施防止對(duì)地下水的污染，例如選擇遠(yuǎn)離地下含水層的資源區(qū)域、控制氣化時(shí)的操作壓力、設(shè)置地下水屏障、將污水抽至地面凈化處理等[16]。

4 結(jié) 論

1)水文地質(zhì)條件制約著煤炭地下氣化長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，是煤炭地下氣化實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵要素之一，但當(dāng)前水文地質(zhì)評(píng)價(jià)具體參數(shù)和指標(biāo)還尚處于初始研究階段。

2)科學(xué)選址是實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化商業(yè)化開發(fā)的重要前提，既要有利于穩(wěn)定高效產(chǎn)出粗煤氣，又要在源頭上盡量降低地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)或避免污染。評(píng)價(jià)水文地質(zhì)條件的因素主要包括地下水賦存特征、涌水量、距含水層的遠(yuǎn)近、隔水層的效果、水補(bǔ)給程度及防治難度等。

3)煤炭地下氣化存在著氣化過程中高壓下煤氣向周圍可滲透地層的擴(kuò)散以及氣化后殘留物在地下水流中的溶解及滲透遷移的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。需要在煤炭地下氣化區(qū)選址時(shí)給予充分考慮從而予以避免，或者通過采取一定的措施防止對(duì)地下水的污染，并在氣化后的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然對(duì)地下水的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。