内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田煤炭地下气化可行性分析

李 维

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.内蒙古地质工程有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

本文以老三沟井田煤炭资源量、地质条件为基础，结合最新煤炭地下气化技术特点、经济性等分析了老三沟井田采用煤炭地下气化技术的可行性，通过理论分析和数据对比得出该井田适合进行煤炭地下气化技术应用的结论，并为后期地下气化工作开展提供有益参考与指导。

1 老三沟井田概况

准格尔煤田老三沟井田位于内蒙古自治区准格尔旗薛家湾镇西北，地理极值坐标：东经111°04′27″～111°11′05″，北纬39°56′59″～40°01′55″，井田面积63.46 km2。井田总体构造形态为一向西至南西西缓倾的单斜构造，含煤地层主要为上石炭统太原组上段，其次为下二叠统山西组，发育编号煤层10层，可采煤层有3层，6号煤层、9号煤层为全区可采的较稳定煤层，8号煤层为大部可采的较稳定煤层[2]。

2 老三沟井田煤炭地下气化可行性分析

2.1 资源地质条件

准格尔煤田属石炭纪、二叠纪复合煤田，位于华北聚煤区的北部，井田构造简单，多为小于5 m的小断层，且地层平缓。在地层层序上与华北石炭系、二叠系煤田相似，晚石炭世沉积古地理环境为泥炭沼泽相与冲积扇前平原相，此时的地壳下降幅度缓慢，与泥炭沼泽的堆积速度长期保持稳定，成煤条件极好。至早二叠世晚期，古地理环境转为山前冲积平原，成煤作用逐渐减弱，泥炭沼泽相趋于结束。老三沟井田含煤地层为二叠系下统的山西组(P1s)和石炭系上统的太原组上段(C2t2)。

老三沟井田煤炭资源丰富，勘探阶段探获煤炭资源总量超过19亿t，其中以长焰煤为主，含有部分不黏煤。井田可采煤层埋藏深度最浅为459.00 m，最深达731.96 m。井田内可采煤层可采累计厚度有一定变化，但多数在20～35 m之间，较为稳定。煤层倾角较小，大部分为0～5°，局部大于10°。煤层围岩主要由顶板、底板组成，本井田6号可采煤层顶板主要为黑色泥岩、砂岩，次为高岭石黏土岩、炭质泥岩，煤层底板以砂岩、泥岩为主，次为粉砂质泥岩；8号可采煤层顶板岩性为砂岩、砂质泥岩，少量泥岩，煤层底板以泥岩为主，个别为粗砂岩；9号可采煤层顶板主要为泥岩，次为粗砂岩，少量高岭石黏土岩、炭质泥岩，煤层底板以泥岩为主，少量高岭石黏土岩、粗砂岩、炭质泥岩。井田内含水层之间均有稳定的隔水层，隔水层泥岩、砂质泥岩、铝土质黏土岩占大多数，隔水性好[2]。

综上，从基本地质条件分析，老三沟井田构造简单、隔水性好、煤层围岩强度大，有利于地下气化运行中限制地面沉降及隆起作用[3]；就煤层而言，老三沟井田可采煤层厚度稳定、结构简单、倾角小、埋藏深度适中且属自燃煤层，有利于煤炭地下气化的实施；从资源条件分析，老三沟井田煤炭资源储量丰富，煤类适合地下气化用煤，按年产40亿m3天然气的规模生产，该煤田可持续产气约90 a。

2.2 煤炭地下气化技术发展已经成熟

煤炭地下气化技术从概念提出到现在，已发展100多年[4]。世界上很多国家都投入了大量人力、物力、财力进行技术开发研究，取得了一定的技术成果，从技术成熟度分析，煤炭地下气化技术大致经历了以下几个发展阶段。

1) 第一代煤炭地下气化技术。该技术始于20世纪20年代至50年代的苏联，主要采用垂直井气化技术，并成功应用在世界上唯一一座持续化运行的安格林商业气化站[5]。加拿大及中国以前的煤炭地下气化技术都是基于前苏联的垂直井气化技术，加拿大还利用煤层中已存在的天然通道并对其进行改良，建立连接注入井和产品井之间的通道来解决无法建立有效贯通问题。第一代煤炭地下气化技术由于钻井工程量大成本高，产品合成气的产量和质量不稳定，逐渐被第二代煤炭地下气化技术所取代。

学习风格是学习者持续一贯的带有个性特征的学习方式，是学习策略和学习倾向的总和，也就是学习者在长期的学习活动中逐渐形成的学习方式偏爱[1]。一般认为，学习者具有6种基本学习风格：视觉型学习风格、听觉型学习风格、独立型学习风格、触觉型学习风格、合作型学习风格和动觉型学习风格。由于学习风格与学习活动具有直接关系，不少学者提出学习者的学习风格特征会影响学习效果。学习风格是制定教学策略的主要考虑因素之一，中职生学习动机不强，很可能是因为教师在教学策略选择上对学生学习风格考虑不够。笔者在中职德育教学中，从中职生学习风格特点出发，设计教学方法，现介绍如下。

2) 第二代煤炭地下气化技术。第二代煤炭地下气化技术最先由美国研究提出，主要采用的是控制后退注气法[6]和急倾斜煤层法技术。该技术把定向钻井和反向燃烧结合在一起，在煤层中对垂直井和定向井进行联通。第二代煤炭地下气化技术由于气化规模小，生产不连续等诸多限制，无法实现煤炭地下气化项目的规模工业化生产。

3) 第三代煤炭地下气化技术。澳大利亚率先以前两代煤炭地下气化技术为基础开发研究第三代煤炭地下气化技术，在2011年成功投产，并连续运行了3年时间[7]。该技术采用连续油管技术，高温高压、富氧/纯氧气化技术，提高了气化效率，减少了钻井成本。第三代煤炭地下气化技术经过各项示范试验，取得了成功，生产了高质量的合成气并成功用于联产发电和合成油。

4) 第四代煤炭地下气化技术。目前，世界上最先进的煤炭地下气化技术由中为(上海)能源技术有限公司研发，整合前三代煤炭地下气化技术及其在实际生产运营过程中的优势与不足，通过将新型水平钻井及高温井技术，水文、地质模拟技术及监控，煤炭燃烧、热解、气化、催化重整技术及工艺模拟，二氧化碳捕集和储存技术，地下水污染防治和处理技术等进行完美整合与创新，代表世界上最前沿、最先进的煤炭地下气化技术。

煤炭地下气化技术发展至今，技术成熟度及适应性不断提高，为老三沟井田煤炭地下气化提供技术可靠性，井田若采用最新煤炭地下气化技术进行气化试验，必将加快井田进行规模生产煤制气产品的步伐。

2.3 经济效益分析

煤炭地下气化技术经济效益明显，与地面气化相比，基建投资降低53%～66%，生产成本较低仅为0.1元/m3[8]。对于生产相同的合成气、天然气代用品、发电等产品，地下气化比地面气化成本相对下降43%、14%、27%。由此可知，老三沟井田年产40亿m3煤制天然气配套资源，采用煤炭地下气化技术的经济效益是巨大的。

2.4 可行性分析结论

由地质资源条件、技术成熟度及经济效益三方面分析可知，老三沟井田采用煤炭地下气化技术生产煤制气产品是可行的，相较于本地区同类煤制气项目而言，老三沟井田应用地下气化技术将极大提升自身的竞争力并实现效益最大化。

3 实验区试验生产初步设想

3.1 依据地质资料，优选实验区

老三沟井田从普查到勘探，经过十多年的煤炭勘查工作，完成了大量的物探工程和钻探工程，在基础地质、煤及煤层气地质方面，积累了丰富的基础资料，包括区域地质背景、地层划分、煤岩芯、煤田地质研究资料等。特别是2015年由内蒙古地质工程有限责任公司对该井田的勘探工作，取得了大量详细的成果资料：①通过井田已有的大量二维、三维地震资料，可以确定可采煤层的连续性，圈定煤层；②依据56个施工钻孔的煤岩芯编录这一实物资料，按照由煤层测井曲线特征而建立的煤层曲线标准，可以准确确定煤层位置及煤层厚度；③查明了构造及其对煤层的影响；④通过对不同标高、不同煤阶、不同钻孔控制程度划定块段的储量计算，获得了相应煤炭资源储量数据。

依据以上老三沟井田地质资料，选择煤炭资源储量级别较高(332以上)，煤层较厚，煤质较好，埋藏深度适中及场地开发条件优越的地段，作为老三沟井田煤炭地下气化实验区。

3.2 开展试验

3.2.1 气化炉构建

井田实验区考虑采用第四代煤炭地下气化技术工艺构建一个煤炭地下气化炉，由一个注入井、一个产品井和将二者连接起来的水平通道组成(图1)。注入井和产品井间隔30 m，采用定向钻探技术，先施工一个水平定向注入井，再施工一个垂直产品井与之贯通。气化炉气化通道宽约20 m，包括燃烧区、气化区和热解区。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成合成气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的合成气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。

图1 气化炉示意图Fig.1 Gasifier schematic diagram

3.2.2 气化产品方向

井田采用第四代煤炭地下气化技术所产生的产品——合成气，合成气产品可用来生产氢气、天然气、燃气发电、液态二氧化碳、甲醇、烯烃、二甲醚、乙二醇、汽油、柴油、化肥等电力、燃料、化工产品(图2)。依据市场供需预测趋势(图3)，未来气化产品以生产氢气、天然气等清洁能源产品为主，辅以生产烯烃、液态二氧化碳等化工产品。

3.3 开展试验的融资

3.3.1 争取国家和地方政府的支持

国家能源局发布的《煤炭清洁高效利用行动计划(2015～2020年)》提出“推进煤炭地下气化示范工程建设，探索适合我国国情的煤炭地下气化发展路线。”2017年，内蒙古自治区办公厅发布《内蒙古自治区“十三五”开发区发展规划》，规划提出加快提升鄂尔多斯大路煤化工基地，不断推进煤炭就地转化，将大路工业园区发展成为国家级“煤化工及清洁能源生产示范基地”。据此，可以充分利用国家和地方政策规划要求，借助内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目，积极争取开展煤炭地下气化实验示范项目倾斜，发挥政府投入的引导和支持作用。

3.3.2 社会企业资金为主导投入

通过与第四代煤炭地下气化技术开发企业联系，如果技术开发企业有意愿、有能力进行井田煤炭地下气化开发生产，政府可以在资源配套、税费等政策上给予优惠，推动老三沟井田煤炭地下气化加快实验生产，并最终进入规模化生产，获取最好成果、最大收益。

此外，还可以充分调动社会各方面的积极性，形成井田以矿权和已有地质资料做股权，吸收其他技术、勘探、钻探等社会资金做股份的地下气化技术试验的融资新模式。

图2 合成气后续生产产品示范图Fig.2 Gasifier schematic diagram

图3 市场供需预测趋势图Fig.3 Market supply and demand forecast trend chart(注：产品缺口=需求量-产量;资料来源：中国行业咨询网；文献[9])

4 结 论

1) 内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田地质资源条件优越，现有煤炭地下气化技术成熟，经济效益显著，故井田应用煤炭地下气化技术是可行的。

2) 老三沟井田进行煤炭地下气化规模化生产前提是实验区的试验生产。选择煤炭资源储量级别较高(332)以上，煤层较厚，煤质较好，埋藏深度适中及场地开发条件优越的地段，选择老三沟井田煤炭地下气化实验区是基础，采用第四代地下气化技术及气化炉构建是关键。

3) 依据市场需求趋势分析，井田未来气化产品以生产氢气、天然气等清洁能源产品为主，辅以生产烯烃、液态二氧化碳等化工产品。

4) 老三沟井田煤炭地下气化试验开展需要争取国家和地方政府的支持，并积极引导社会企业资金的投入，研究结果为老三沟井田煤炭地下气化试验开展提供了有益参考。