贵州省煤炭地下气化选址的地质影响因素

张曼婷 付 炜，2 王 凯

（1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550008；2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100；3.中国石油青海油田公司采气三厂，甘肃 敦煌 736202）

0 引言

煤炭地下气化技术作为一种开采地下煤炭资源的新技术，具有成本低、煤炭资源利用率高、污染少、安全等特点［1-3］。因此在国际上再次受到广泛关注。贵州省素有“江南煤海”之称，其煤炭资源具有总量多、潜力大、分布广、煤质好、煤类全等特点。上二叠统作为中国西南部最重要的含煤地层，也是贵州省最占优势的含煤地层，普遍具有煤层层数多、煤层总厚度大、单层厚度薄、埋深大的赋存特征。运用现有技术进行煤炭开采具有很大的局限性，主要体现在开采难度大、采矿成本高、残留多、对环境污染较严重、井下开采安全性低等方面［4-6］。煤炭地下气化技术可以使高技术风险、高环境风险、高安全风险的传统煤炭开采向绿色、清洁、安全的煤气资源转化，并显著提升能源开发利用率，有利于贵州省绿色经济强省战略目标的实现。选择适宜的地质条件是煤炭地下气化能否成功的主控因素。以往煤炭地下气化过程中遇到的问题往往都是由于未能清楚认识气化煤层地质条件造成的。因此进行煤炭地下气化的地质影响因素分析具有十分重要的意义。

1 煤炭地下气化的地质影响因素分析

1.1 地质构造条件

构造条件对煤炭地下气化的效果有重要的影响，其中断层是最主要的影响因素。在煤炭地下气化过程中，当气化煤层与断层间隔水层厚度不足时，煤气易沿断层散逸，且地下水可能沿导水裂隙带涌入气化区，这将导致煤炭气化中断。随着气化工作面的推进与燃空区面积的扩大，燃空区以上的断层可能引起顶板坍塌［7］。

贵州省主要含煤地层为上二叠统龙潭组的海陆交互相地层，其形成于晚古生代，地理位置位于毕节—六盘水一线以东、遵义—安顺—兴仁一线以西的地区，其中盘县、水城、纳雍之间的地区是煤层发育最好的区域。其构造单元隶属于上扬子地块黔北隆起区织金穹盆构造变形区和毕节弧形褶皱带。贵州省晚二叠世含煤地层在构造演化上具有“多期发展、强烈分异、定型较晚”的特点，形成了以褶皱和逆冲断层为主体的复杂构造格局。喜山运动导致大型向斜或复向斜成为区内最主要的控煤构造。全省含煤地层被分割赋存于盘关、格目底、三塘等100 余个独立向斜单元［8-10］。以盘关向斜为例（图1），断层主要发育在向斜构造边部，而向斜内一般为小型断层，因此远离向斜翼部断层发育区的区域对煤炭地下气化更有利。此外，为防止地下水沿导水裂隙带涌入气化区，综合国内外现有的井下气化经验，采用Marek等的建议，气化炉与断层断面之间的安全距离应不小于250 m［11］5。

1.2 煤层赋存条件

1.2.1 煤层厚度

气化煤层的气化热值、热效率及资源采出率与煤层厚度密切相关［8］21。气化煤层厚度越大，产出的煤气热值也越大，但煤炭气化程度会随之降低。且气化煤层变质程度越低，对厚度要求就越高［11］4。当气化煤层厚度小于1.5 m时，在顶底板岩层的冷却作用下，地下气化煤气热值及热效率会降低［9］110。而当气化煤层厚度大于15 m 时，燃空区覆岩的塌落范围有增大的风险。

贵州省上二叠统含煤岩系厚度变化较大，多为76～543 m，煤层层数与厚度自西向东呈减小的趋势。可采煤层层数一般为9～20层，大部分可采煤层厚度介于1.0～2.5 m。从气化安全、经济合理性等因素考虑，结合贵州省煤层单层厚度薄、层数多的特征，气化煤层总厚以1.5～15.0 m 为宜，另根据黄温钢（2014）的研究，煤层夹矸厚度不应大于0.50 m［12］78。

1.2.2 煤层埋深

图1 盘关向斜构造剖面简图

煤层埋深较浅时易引发环境污染等问题。煤层埋深越大，地层压力就越大，从而导致围岩孔裂隙和渗透性降低，增加了煤炭地下气化炉的密封性，可大大降低气化剂及煤气的漏失。深部煤炭地下气化中采用较高的气化压力有利于炭的直接氢化，促使煤气组分中甲烷含量增加及煤气热值提高，同时不易污染地下水且有利于工艺控制［13］。但随着深度增加，煤炭地下气化对技术设备和地质勘探等的要求也随之提高，需要综合技术与经济因素选择适宜的煤层埋深。

根据国内外煤层气开发经验，具有商业开采价值的煤层气井埋深一般不超过1 000 m［14］，而根据贵州省自然资源厅2016 年的调查成果，贵州省多数含煤向斜单元1 000 m以浅的煤层气资源量比例高，埋深条件较好。目前国内煤炭地下气化技术的应用多集中在深度为200～300 m 的浅部煤层中，而英国、德国、法国、比利时、荷兰、西班牙等欧洲国家地下气化试验以深度1 000 m 以上的中—深部煤层为主。综合贵州省煤层埋深与国内外现有的井下气化煤层埋深认为，贵州省煤炭地下气化理想的煤层埋藏深度为200～1 000 m。

1.2.3 煤层倾角

煤层倾角主要影响煤炭地下气化过程和煤气质量。在缓倾斜煤层与倾斜煤层进行气化过程中煤层不易垮落，渗流燃烧环境一般，CO2的还原和水蒸气的分解难以完全进行［15］。急倾斜煤层相较于倾斜、缓倾斜或近水平煤层而言，其煤层厚度小于煤层斜高及走向长度。在气化过程中受干馏煤气突出压力、膨胀应力和重力的影响，裸露煤将发生破裂并落入气化区形成渗流通道，且煤层燃烧后形成的灰渣易自动掉落气化底面，使地下气化的化学反应更充分的进行。但是当煤层倾角过大时会给建炉施工造成一定的困难，采用常规手段难以达到有效气化。在已开展的煤炭地下气化工程及试验中，国外气化煤层倾角一般小于10°，国内多介于12°～70°。位于中梁山的急倾斜、高瓦斯、薄煤层群煤层气抽采—煤炭地下气化科学试验井——中梁1井的成功实施，表明了急倾斜煤层地下气化效果更好。结合国内外成功的煤炭地下气化工程及试验，倾角小于70°的急倾斜煤层是有利于增加气化效益的煤层。

1.3 煤质条件

1.3.1 煤级

所有煤级煤均适合煤炭地下气化，但其气化效果也因煤级而异［16］。贵州省煤炭资源丰富，各变质阶段的煤类均有分布，煤类较为齐全。褐煤内部孔裂隙较为发育，为高温气流的通过提供了通道，且较高的水分在高温条件下分解产生的氢气能有效增加热值、提高反应活性。对于烟煤，尤其是黏结性强的烟煤，在地下气化过程中会分泌胶质物质使得煤粒黏结，不利于气化。无烟煤具有更高的固定碳含量，其反应活性较低、机械强度大、渗透性差，导致其地下气化难度相对较大。而褐煤中较发育的孔裂隙有利于气化反应中高温气流通过，且其较高的水分在高温下分解产生H2可增加热值并且有利于增加气化反应活性。因此褐煤是煤炭地下气化的理想煤级［3，17］。

1.3.2 煤的灰分含量

煤在气化过程中产生的灰分会附着在煤层表面，阻碍煤与气化剂的接触，从而影响气化速率、增加热损。但当煤层灰分含量大于20%时，在气化过程中可对顶板起到一定的支撑作用，减少燃空区覆岩移动和地表下沉［18］。因此应选择中—中高灰分煤作为气化煤层，即灰分含量介于20%～40%为宜。贵州省上二叠统煤层灰分含量一般介于15%～35%，平均值为22%，多为中—中高灰分煤，其灰分含量适宜进行地下气化。

1.3.3 煤的硫分含量

硫分含量并不影响气化的进行，但若高含硫煤气逸散到空气中会造成环境污染，且气化后的高硫煤气腐蚀性强，对管线等设备也具有较大的破坏作用［19］。高含硫煤气在进入净化系统后会增加净化系统的压力和防腐难度，降低煤气的经济效益。因此，应选择特低硫煤或低硫煤作为气化煤层，即煤层中硫分含量应小于1%。贵州省上二叠统煤层硫分含量平均为3.78%，硫分含量小于1%的特低—低硫煤主要分布在贵州省西北部的陆相区。

1.3.4 煤的水分含量

煤中水分在高温条件下分解产生的氢气能有效增加热值、提高反应活性，但过高的水分会增加氧化剂的供应，从而降低气化效率和煤气热值［12］135。综合考虑，应选择中等或中高全水分煤层作为气化煤层，即煤层中全水分含量应介于8%～20%。

1.4 水文地质条件

气化煤层涌水量与上覆含水层距离等水文地质条件均能在气化过程中对环境构成潜在风险［20］。气化过程中产生的有害气体可以通过围岩裂缝渗透到周围地层，气化结束后导水破裂带或顶板冒落裂隙带易导致地下水涌入气化区，致使残留灰分被浸出，从而增加地下水pH 值及无机物质浓度［21］。因此，煤炭地下气化选址应避开水源地及大型水体，气化煤层的上覆地层最好没有含水层，若有含水层，根据贵州省井下煤炭地质工作经验，与含水层的最近距离应不小于100 m为宜。

贵州省上二叠统含煤地层富水性较弱，地表水和富水性强的灰岩含水层间多发育有一定厚度的相对隔水层，破碎带、断层带的导水性相对于国内其他地区较弱，含煤地层与强含水层或地表水间的水力联系通道较难建立起来，有利于煤炭地下气化。

2 结束语

贵州省煤炭地下气化选址时应考虑的主要地质因素有地质构造、煤层赋存条件、煤质和水文地质条件。综合国内外煤炭地下气化经验，贵州省煤炭地下气化地质选址应满足：气化炉选址以远离向斜翼部断层发育区为宜，气化煤层与断层的距离不宜小于250 m；气化煤层总厚介于1.5～15.0 m、煤层倾角小于70°、埋深介于200～1 000 m；灰分含量介于20%～40%、硫分含量小于1%、全水分含量介于8%～20%，煤级以褐煤最佳；地下气化煤层与含水层的最近距离应不小于100 m，同时应避开水源地及大型水体。