国内煤炭地下气化技术在鄂尔多斯盆地的管理运用前景

徐森 钱伟彬 肖玉灿 杨镒泽

摘要：在世界能源正经历从油气向新能源转换的背景下，天然气在能源结构中的地位日渐凸显。然而，中国现阶段的能源结构仍以煤炭为主体，但随着煤炭地下气化（Underground Coal Gasification， UCG）技术的不断成熟，我国有望实现UCG业务，以减缓天然气供需紧张问题。文章依据我国当下UCG技術的现状与发展，分析UCG相关理论概念、技术方法和影响要素，同时指出UCG技术在我国企业中实施所面临的机遇与挑战，并具体分析鄂尔多斯盆地UCG的条件及实施路径。研究认为，UCG技术可为解决我国油气资源匮乏问题提供新的解决路径，但仍需政策、技术、企业、市场等协调支撑保障。

关键词：煤炭地下气化；煤炭；天然气；氢能；清洁能源

中图分类号：TD327.2    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0122-04

0 引言

当下，油气资源对外依存度高是我国面临的重大挑战之一。国内天然气开发低渗-非常规油气储量占比逐渐增大，预计未来10年的占比超过95%［1］，开发潜力逐步下降；并且，随着科技革命的到来和全球对环境保护共识的增强，多种能源革命发展新浪潮已经来临，如非常规油气革命、煤炭清洁化革命、智能化革命与新能源革命等，促进人类可利用的能源由高碳向低碳和非碳化不断发展［2］。在我国“碳中和”目标下，UCG的能量密度大、与石油石化产业的相关性强；此外，中深层UCG与油气产业关联度高、协同性好，可与化工、电力、氢能等产业深度融合形成产业集群，并成为煤炭资源清洁开发利用、油气资源战略接替、煤化工、电力、氢能等相关产业融合发展的枢纽，可以有效支撑“低碳能源生态圈”的建设。通过UCG技术，可以将深层的未开采的煤炭资源进行清洁、利用，以此缓解天然气供应紧张的问题，同时有效解决中国大量使用煤炭排放CO2所产生的环境问题，为中国构建“清洁、低碳、安全、高效”的现代化能源体系提供新思路。

1 UCG技术相关理论

1.1 UCG概念

依靠适宜的工程工艺技术燃烧地层中的煤炭，在煤的热作用及化学作用下产生可燃合成气，如CH4、H2、CO及CO2，这一反应过程即UCG［2］。UCG可以用于生产清洁能源或化工原料，也被称作“气化采煤”。

1.2 UCG技术原理

UCG结构主要由生产井、注入井、燃烧腔、监测及控制井、点火系统及其他相关系统组成（如图1所示）。UCG是一系列物理、化学作用的连续阶段，这个过程以气固两相界面为主体进行。根据化学反应的强弱程度，将其沿煤层的轴线方向划分为氧化区、还原区、干燥区［3］（如图2所示）。在气化剂中注入氧气后，点燃点火处，使其与煤炭发生反应，生成CO2，释放大量热能，形成一个面状的燃烧区，即氧化面。氧化区产生的反应热将还原区的煤层加热到炽热状态，产生的CO2在炽热的煤炭作用下，产生还原反应并生成 CO，湿煤区与煤壁之间进行热传递，所含水分在干燥区内逐步渗透形成蒸气，水蒸气与高温碳发生还原反应生成 CO、H2等。在还原区的反应完成后，高温气体对相邻的干馏干燥区煤层进行加热，产生热解的可燃气。

其次，选择和建造气化炉。气化炉装置是煤层中的空穴，所以一定要保证煤层及其周边的岩体可靠，维持气化炉的完整性，科学的选址在很大程度上能够降低风险。在地质评价中，要反复考量煤岩煤质、坍塌规律、含水量、渗透性、顶板强度等多种影响要素的相互作用，并分析其对气化过程可能产生的影响，为工程设计的选择、前期的技术选择及后期气化炉的平稳运行提供重要参考和保障［3］。

最后，气化过程中严格控制生产参数。可控制的主要参数包含注入速率、注入压力、成分、温度、注入点的位置等。同时，利用冷热态压裂技术、固体燃料点火技术、垂直孔热态压裂技术、定向钻逆向钻井技术、爆破技术、超短径隧道预连通技术等手段，加快煤气化炉的建设进程［4］。

2 我国UCG技术发展历史及现状

我国的UCG技术处于不断探索阶段，1958年以来，我国在多地矿区进行不同程度的UCG试验，从顺利产出可燃煤气到建立“长通道大断面气化方式”，再到原煤炭部技术成果鉴定成功，2000年之后，山东、山西的矿区实现可供给居民使用。当下，我国现行的UCG技术研究项目已多达十几个，不断有项目试点成功，但目前缺乏规模化、商业化的参考项目。

国家发展改革委、国家能源局印发的《国家能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》明确指出，要在2030年实现“大规模地下气化、矿井工业化”的示范目标。目前，国内的UCG技术日趋成熟，在建炉、点火、数据采集、气化工艺、流程控制、污染物监测与处理等方面已取得突出进步，生产周期、煤气成分、热值的稳定性等已经具备工业化示范的条件，并且在示范项目中，成功地解决技术难题，形成标准、工艺包，实现工业化。

3 我国UCG技术的优势与困难

当前，我国天然气等能源主要靠进口满足，实现能源结构的转换刻不容缓。因此，我国必须利用自身煤炭资源丰富的优势，借助UCG技术进行能源开发，同时认识目前利用UCG技术所面临的困难，不断探索。

3.1 资源方面

我国煤炭资源充足，《中国矿产资源报告（2017）》显示，以热值当量为标准计算，中国石油和天然气资源量总和仅为煤炭总资源规模的1/14，油气总产量约为煤炭产量的1/8；2014年原国土资源部重大项目《全国煤炭资源潜力评价》显示，我国埋深2 000 m以内的煤炭资源总量为5.9万亿t。

由于技术、设备等因素的制约，煤矿开采深度集中在1 000 m以下，对1 000～2 000 m的煤层缺乏详细的分析，所以对2 000 m以下的煤层未进行大规模的勘探。

3.2 技术方面

自20世纪50年代，我国对UCG技术不断探讨，以争取开辟具有中国特色的有效供气战略新路径。在此过程中，我国联合各行业进行技术攻坚，使石油工程技术迅速发展，与此同时，这些技术的进步与发展对UCG技术问题的突破起到重要作用。高精度的三维地震勘探技术可以准确地识别地下油气、煤炭和地下水的储集层；深煤层“ U”形水平井等钻井完井技术可以保证井眼的精确，防止工程发生塌方，实现规模化的地下建炉；大直径连续油管及其配套设备的发展，以及复杂的井下作业技术的发展，为实现煤层精细控制提供丰富的经验。

从整体来看，现有UCG技术体系不够完善，产业化仍存在挑战。例如，井下复杂情况使得气化腔密闭性存在破坏风险；装备工具的可靠性、井筒完整性、监测控制准确性和及时性等风险不能消除或控制。

3.3 安全环保方面

与地面煤制气相比，UCG不会与传统煤炭开采发生冲突，有效地避免浅水层污染、塌陷等问题；相较于地表，将气化过程转移到地下，极大地提高战略安全性；通过合理充分利用深层煤炭资源，深入挖掘资源价值，能够有效降低煤炭井工的开采成本；通过将地下盐水气化，不仅节约淡水资源，还可以摆脱水资源对技术的制约；此外，此技术没有污染物排放，不会破坏淡水资源供应。

UCG过程中，由于温度升高，岩体裂缝会渗入附近的含水层，从而污染地下水。此外，煤层在煤层气化时，会在反应器附近产生燃空区。燃空区对岩层的移动和破坏会影响地表的生态环境，因此在实践中，这些问题仍不可忽视。

3.4 经济效益方面

从长远来看，UCG的投资具有合理的经济性。通过对天鹅山工程实验资料的粗略估算，单炉可控煤75.6万t，5年内累计产气1.5亿m3，全年有效生产330 d，日产CH4约92 000 m3，气化面平均每天推进0.61 m。从土地投入来看，单井的总投资约为6 000万元，有较大的竞争优势。

然而，目前UCG技术的运营效率较高，投资规模较大，属于技术密集型行业。在当前煤炭产能过剩的情况下，很多企业难以看到该技术的发展前景，加上价格环境变化迅速，使经济效益存在较大风险。

4 我国煤UCG技术分析——以鄂尔多斯盆地为例

鄂尔多斯盆地位于我国中西部地区，是我国第二大沉积盆地，北起阴山，南抵秦岭，东至吕梁山，西达腾格里沙漠，面积约37×104  km2，行政区划属陕西、甘肃、宁夏回族自治区、内蒙古自治区、山西。鄂尔多斯盆地矿产资源丰富，作为我国重要的能源化工基地，矿产资源的科学合理开发在很大程度上影响着我国资源供给情况。目前，鄂尔多斯盆地在开发利用矿产资源上存在的主要问题是由矿权重叠引起的，影响了资源勘探和开采的布局，阻碍资源转化，为解决此问题可以利用鄂尔多斯盆地丰富的煤炭资源进行UCG，同时考虑矿权重叠的影响，有效地利用这一特点，为UCG提供可靠保障。

4.1 鄂尔多斯盆地煤炭资源

鄂尔多斯盆地煤炭资源充足，主要含煤层系为石炭-二叠系、三叠系和侏罗系，其中侏罗系延安组煤层和石炭-二叠系本溪组、太原组、山西组是盆地煤田勘探开发的主要煤层，结合其沉积环境、页岩展布、矿物学特征、有机地球化学特征等方面进行分析，鄂尔多斯盆地具有丰富的开采潜力［5］。

根据盆地石炭-二叠系、侏罗系煤炭地质条件的认识及聚煤规律的研究，在大量油气探井、地震、地面地质研究的基础上，收集大量煤炭钻孔及相关研究成果，按照煤层埋藏深度将两套煤系各分为4个档次（≤1 000 m、1 000～<1 500 m、1 500～<2 000 m、≥2 000 m），评价全盆地煤炭总资源量约为4.4×1012 t。其中，石炭-二叠系含煤总面积为18.4×104  km2，煤炭资源量为2.3×1012  t；侏罗系含煤总面积为12.4×104  km2，煤炭资源量为2.1×1012  t（见表2）。

经上述分析，鄂尔多斯盆地的深层煤层储量为4.4 Mt，保守估计，相当于33万亿m3天然气可开采资源量，比鄂尔多斯盆地的常規和非常规天然气总量高达16.31 Mm3，这其中还未包括所生产出来的H2、CO等资源。

4.2 鄂尔多斯盆地UCG的应对路径

（1）管道输送。鄂尔多斯盆地所在的榆林市为我国陆上天然气管网枢纽中心，周边有多个气田，同时区域内管网发达，连通2条西气东输管线、4条陕京线、1条榆济线、3条靖西线、2条长呼线等对外输气管线，外输能力7×1010 m3/y以上，可有效解决UCG产品外输问题。

（2）CO2、N2驱油。鄂尔多斯盆地有长庆油田、延长油田等大型油田，合计年产油3 600万t左右，利用CO2、N2驱油方面需求较大，其中长庆油田在2020年已进行综合试验站建设，探索形成CO2捕集、利用和封存技术体系，并计划形成百万吨、千万吨的CO2驱油与埋存产业工程。

（3）化工、电力融合发展。陕北煤炭、化工、电力企业较多，UCG产品可以通过发电技术转化为电能后对外供电，一是当地企业自身用电需求巨大，其中长庆油田建有“志-靖-安、宁-定-吴、陇东”三大电网，形成以110kV系统为中心、35 kV系统为骨架的电力网路，年供电量可达40亿kW·h；二是可以通过与当地国家电网、陕西地方电力集团协商进行发电后调峰上网，满足经济发达地区的用电需求。此外，UCG产品也可直供当地化工企业进行深加工制作成甲醇、化肥等化工用品，实现VCG与化工的融合发展（如图3所示）［3］。

针对盆地多种矿权重叠的特点，需要我国石油石化企业在开采时充分认识其可利用性，降低成本、有效利用。一是石油石化企业要转变对中深层煤炭资源的认识，即在勘探过程中遇到大范围的深层煤炭地层时，通过获得的大量地质资料和现场调查数据，充分地了解不同地质、不同煤制的资源及可气化条件，为日后企业对此技术的运用提供充分的资料，节省前期成本。二是UCG的实现要依赖石油化工技术的进步，部分油气勘探开发技术和装备同样适用于UCG［6］。随着产业一体化模式的推动，石油石化企业在面对矿权重叠的现象时，可能会更倾向于这种事半功倍的选择，发挥协同效应，达到资源综合利用的目的。

5 结语

综上所述，我国拥有丰富的煤矿资源，并且可开采率较高。在能量密度、产气速度和生产效率方面，地下气化都远远高于现在的天然气水平，若进行大规模的工业化开采，可以减少传统煤炭开采过程中产生的CO2、细颗粒物（PM2.5）等排放物，以达到节能减排、保护环境的目的。虽然UCG技术已较为成熟，但是由于地下情况复杂、工艺控制要求较高，矿权情况复杂，同时国内对安全生产、环境保护方面政策逐年收紧，煤炭地下气化若要实现经济、安全、环保等各项指标都达标，需进行大量的科学实验和开发评价、改进。此外，UCG的高效利用需要多学科领域、多产业链融合发展，国家和地方完善政策和市场保障机制；油气开采企业也应发挥行业引领作用。在多方的努力下，争取借助UCG技术，在保障国家油气自供安全的前提下，实现绿色、清洁发展。

6 参考文献

［1］中国石油勘探开发研究院.集团公司煤炭地下气化业务中长期发展战略规划（阶段研究进展）［A］. 2020.

［2］邹才能，李惠钰. 煤炭地下气化：天然气规模上产新途径［N］. 中国科学报，2020-07-01（003）.

［3］邹才能，陈艳鹏，孔令峰，等.煤炭地下气化及对中国天然气发展的战略意义［J］.石油勘探与开发，2019，46（2）：195-204.

［4］胡鑫蒙，赵迪斐，郭英海，等.我国煤炭地下气化技术（UCG）的发展现状与展望［J］.非常规油气，2017，4（1）：108-115.

［5］吴鹏，曹地，朱光辉，等.鄂尔多斯盆地东缘临兴地区海陆过渡相页岩气地质特征及成藏潜力［J］.煤田地质与勘探，2021，49（6）：24-34.

［6］张千贵，李权山，范翔宇，等.中国煤与煤层共采理论技术现状及发展趋势［J］.天然气工业，2022，42（6）：130-145.