于小波，李玉海，万发明，齐 悦，高 庚，邵臣良
（1.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413；
2.大庆油田勘探开发研究院规划研究室，黑龙江 大庆 163712；
3.大庆油田有限责任公司科技发展部，黑龙江 大庆 163453）
我国能源具有“富煤、缺油、少气”的特点，煤炭资源约占总的化石能源94%，因此煤炭资源的有效开发在我国具有举足轻重的战略地位。煤炭地下气化开发利用，是实现碳达峰、碳中和目标的一个重要途径和手段，是我国实现优化调整能源结构的现实选择，也是新能源和替代能源发展战略要求。相关能源单位提出了煤炭地下气化业务“扶持培育、服务油气、并重发展及清洁发展”四步走发展战略及发展目标，将煤炭地下气化业务制定为未来具成长性的战略新能源业务，作为新能源开发业务的重要方向。
我国埋深800～3000m 可气化煤炭折合天然气资源量为（272～332）×1012m3，超过常规天然气，以及致密砂岩气、页岩气、煤层气等非常规天然气资源量之和，开发潜力巨大。UCG储量丰度、产气速度和效率均远高于目前开发的非常规气，可开辟快速有效供气的战略新途径，有望成为具有中国特色的天然气技术革命。在新疆、内蒙古、黑龙江等产煤大省，煤炭未动用资源储量巨大，特点是层厚度大，煤层品质好，远景煤炭资源储量巨大，具有充足的资源基础，其煤系地层具有丰度高、类型好、生气潜力大、分布范围广的特点，具备适宜煤炭地下气化技术的资源基础。
苏联是世界上进行地下气化现场试验最早的国家,受能源危机的影响,美国、英国、法国、德国、比利时和东欧许多国家在20世纪也都进行了煤炭地下气化的试验。着手开展了煤炭地下气化技术的攻关与现场试验，主要包括矿井式（有井式）（图1）和钻井式（无井式）（图2）两种。
图1 矿井式（有井式）
图2 钻井式（无井式）
我国经过30多年矿井式煤炭地下气化的探索与试验，突破了气化稳定控制、多炉协同作业、燃空区探测、污染物监测与处理等关键技术，形成了以“长通道、大断面、两阶段”为核心的矿井式煤炭地下气化工艺。
国外钻井式煤炭地下气化现场试验，形成了以“U”型气化炉、CRIP、热电联产等为核心的钻井式气化工艺，验证了钻井式煤炭地下气化技术可行。澳大利亚钦奇拉项目是以“U”型气化炉为代表的，突破了气化通道贯通、可连续造腔等关键技术的气化炉建造工艺；
加拿大天鹅山项目“4 测3 控”技术为代表的注入点可控后退气化运行控制工艺（CRIP），提高了粗煤气制气率和气化效率。
目前国内三家公司拥有地下煤层气化相关技术，包括新疆国利衡清洁能源科技有限公司、中为（上海）能源技术有限公司、新奥集团。其中新疆国利衡清洁能源科技有限公司与俄罗斯科学院可燃矿物研究所、中国石油大学（北京）等科研院所共同合作，建立新疆首个煤炭地下气化工程，位于吐鲁番市鄯善县库木塔格沙尔湖煤田；
中为（上海）能源技术有限公司与澳大利亚澳中能源集团合作开展研究，于2019 年11 月27日，中为能源鄂尔多斯唐家会矿区煤炭地下气化技术工业化示范项目成功投产，实现国内第一个“长通道”地下水平对接气化炉；
新奥集团是中国较早将煤炭地下气化技术发展成为产业化技术的企业，在内蒙古乌兰察布建有气化采煤工业化示范基地，2009 年6 月成功产气发电。气化炉实现30个月连续生产，气化炉产气规模可调，单炉产能可达到50×104m3/d以上。
我国UCG 目前规模化关键技术及产业链延伸方面还有待深入研究，以克服UCG 产业存在的技术、产品定位、管理和运作等方面问题。
煤炭地下气化关键技术首先需要在地质条件、地表条件、技术条件、环境保护和经济效益评价等方面进行选址评价，其次要在煤炭地下气化工艺及配套技术进行技术攻关，主要包括气化炉建造技术、运行控制技术。其中气化炉建造技术要在井型优选、注气井与采出井连通的精准入靶技术、钻井液防漏堵漏技术、井筒完整性技术等方面进行重点研究；
运行控制技术要在实时监测和控制技术、可控后退燃烧技术方面进行重点研究。
4.1 煤炭地下气化选址研究
煤炭地下气化选址包括资源量、地质构造、目标煤层、煤岩煤质、顶底板、封盖条件、水文条件和地表条件等方面研究，进行多参数评价：包括煤炭资源量和资源丰度，构造条件，埋深、单层厚度和倾角，煤阶、渗透率、工业分析、粘结指数GRI、热值和焦油产率，顶板岩性、顶板厚度、含水性、渗透性和裂缝发育，盖层岩性和区域盖层厚度，含水层，地形条件、水电供给、居民保护区、煤矿边界和煤矿开采深度。应当建立技术条件、环境影响和经济效益评价三个方面的评价标准，建立相关的评价关键参数、评价参数和参数体系。
4.2 煤炭地下气化炉建造技术
地下气化炉位于原位的煤层中，主要由进气井（通道）、出气井（通道）、气化通道和集气（气流）通道四要素组成。地下气化炉按施工方法可分为矿井式和钻井式两大类，由于矿井式气化建炉过程还需要人工在井下作业，一般适用于老矿井遗弃煤炭资源的回收和浅部煤层气化。所以钻井式地下气化炉将具有更广阔的前景。
目前地下气化炉建造钻完井技术面临井底易漏、易塌，井底高温、高压、气体腐蚀等难题，需开展相关气化炉井身结构优化设计、目的层精准穿针入靶技术、煤层地下施工钻井液防漏堵漏技术调研研究及防井口带压及抗高温管柱应力补偿技术、多通道高温高压井口技术、可燃套管技术等井筒完整性方面应重点开展研究。
4.3 煤炭地下气化运行控制技术
针对气化腔形态、气化过程围岩应力及腔内温压监测难度大问题应建立完善的气化运行监测系统；
针对粗煤气产量与组分变化范围宽，难以控制粗煤气品质以及确定运行控制指标问题，建立粗煤气品质控制技术。应开展相关研究研制适用于气化燃烧环境下的监测设备，开展气化与燃烧实验，揭示控制规律，攻关气化剂、温压等指标对制气率和转化率的控制机理，突破气化运行控制技术。
同时由于煤层重复点火困难，常规连续管装备响应速度慢，自动化程度低，不满足多通道高压随程动态注入要求；
缺乏应对井下卡阻、气化通道堵塞等井下复杂的作业工艺和专业工具。应在可控燃烧技术方面需要进行研究，优化化学点火工艺，提高重复点火成功率，研制可控燃烧工具和多通道连续管注入工具，研制气化专用装备，开发井下复杂处理工艺和工具。
总结借鉴国内外煤炭地下气化技术，结合煤炭埋藏地质特点，针对上述关键技术开展研究，将对煤炭地下气化技术的发展壮大奠定坚实基础。
（1）国家高度重视清洁、绿色能源发展，国家能源局《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2030 年)》提出“推进UCG示范工程建设，探索适合我国国情的UCG发展路线”，煤炭地下气化是煤炭资源清洁高效利用的环境友好绿色技术。
（2）我国要力争2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和的战略目标。因此对新能源发展是良好的机遇，而煤炭地下气化技术能够使煤炭资源得到清洁、绿色、安全性开发利用，能够有效改善能源结构，煤炭气化后的灰渣留在地下，避免废气、废水、废渣对地面的环境造成污染，同时可使现阶段对于深层煤炭应用矿井式方式无法开采的资源得到很好的开发利用。
（3）煤炭地下气化技术产生的CO2，可以有效应用其驱油来提高原油采收率，CO2驱油机理主要是降低原油粘度、改善流度比、原油体积膨胀、萃取和汽化原油中的轻烃、降低界面张力、溶解气驱和混相效应。CO2的有效利用一方面响应了国家碳达峰、碳中和的减排战略目标，另一方面实现了CO2驱油后的地质埋存，兼具良好的经济效益和社会效益。
综上，煤炭地下气化技术具有广阔的发展前景，如其实现商业化运作，在能源接替方面将产生深远影响。
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