孔令峰 張軍賢 李華啟 朱興珊 趙晨暉 徐加放

1. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司規(guī)劃計(jì)劃部 2. 中國(guó)石油海洋工程有限公司 3. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

0 引言

迫于“煤炭資源相對(duì)豐富、油氣資源相對(duì)不足”的一次能源稟賦現(xiàn)實(shí)，近年來(lái)中國(guó)現(xiàn)代煤化工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)取得了革命性進(jìn)步，在煤制油、煤制氣和煤制烯烴等方面達(dá)到世界領(lǐng)先水平[1-4]。國(guó)內(nèi)煤炭資源中，大部分是沒有井工（機(jī)械）開采價(jià)值的優(yōu)質(zhì)中深層煤炭資源。在眾多的煤炭“固體流態(tài)法”開采技術(shù)思路中[5-6]，全球范圍內(nèi)已經(jīng)廣泛開展研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)的是煤炭地下氣化技術(shù)（Underground Coal Gasification，以下簡(jiǎn)稱“UCG”）。以石油工程相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代UCG技術(shù)，則被廣泛認(rèn)為是技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)方面可行、革命性的煤炭資源清潔開發(fā)利用技術(shù)，或能從根本上將傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵀h(huán)保能源產(chǎn)業(yè)[7]。全球首次UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)至今已經(jīng)有80多年的研發(fā)試驗(yàn)歷程，已有多個(gè)礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目取得了局部突破。雖然近幾年礦場(chǎng)試驗(yàn)和商業(yè)化進(jìn)程都不及預(yù)期，但全球范圍內(nèi)依然在堅(jiān)持不懈地開展研究和探索。

1 UCG的發(fā)展現(xiàn)狀

煤炭地下氣化是將地下煤炭在原位進(jìn)行有控制的氣化。由于煤層埋深和煤質(zhì)不同，地下氣化單元建設(shè)方式和氣化劑選擇有所不同，主要產(chǎn)出物和構(gòu)成比例差異較大。中淺煤層可利用采煤巷道，深煤層則需要借助石油水平井鉆井技術(shù)。比較理想的地下氣化單元設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制目標(biāo)，是形成燃燒面、氣化區(qū)、焦化區(qū)和干餾（熱解）區(qū)的合理分布，各區(qū)隨著氣化腔和熱場(chǎng)擴(kuò)展穩(wěn)步依次推進(jìn)（圖1）[8]。從國(guó)內(nèi)外以往礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目看，淺煤層低壓氣化多選用空氣和水蒸氣作為氣化劑，合成氣組分中H2和CO含量高，熱值較低；中深煤層可進(jìn)行中高壓氣化，多選用富氧空氣或純氧和水作為氣化劑，合成氣中CH4含量高，熱值較高。氣化反應(yīng)特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)可逆，氣化效率、合成氣品質(zhì)的影響因素眾多，氣化過(guò)程動(dòng)態(tài)控制難度很大。無(wú)論是淺層還是中深層，全世界范圍內(nèi)還沒有真正的商業(yè)UCG項(xiàng)目建成。

圖1 煤炭地下氣化反應(yīng)過(guò)程示意圖

1.1 淺煤層UCG

蘇聯(lián)自20世紀(jì)30年代開始開展了多次淺煤層UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)，1947—1965年期間陸續(xù)投產(chǎn)了5個(gè)淺層（300 m以淺）小型生產(chǎn)項(xiàng)目[9]。20世紀(jì)60年代中期以后，隨著天然氣的快速開發(fā)，蘇聯(lián)新組建的天然氣工業(yè)部認(rèn)為UCG過(guò)于復(fù)雜，決定停止項(xiàng)目的進(jìn)一步開發(fā)。1996—2011年期間，俄羅斯JSC“Gazprom Promgaz”公司又進(jìn)一步提升了相關(guān)技術(shù)，仍主要針對(duì)淺煤層，以小井距直井和定向井鉆孔建設(shè)地下氣化單元[10]，在南非等多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，但沒有成規(guī)模的商業(yè)化項(xiàng)目建成。

美國(guó)在20世紀(jì)70年代“石油危機(jī)”后開始積極研究試驗(yàn)淺層UCG技術(shù)，并創(chuàng)新了以水平井和連續(xù)油管應(yīng)用為代表的現(xiàn)代UCG技術(shù)理念[9]，即可控后退注入點(diǎn)技術(shù)（Controlled Retracting Injection Point，以下簡(jiǎn)稱CRIP），包括線性水平井（L-CRIP）和平行水平井（P-CRIP）兩種地下氣化單元方案（圖2）。水平井?dāng)U大了地下氣化單元規(guī)模，井間連通更為容易；連續(xù)油管回托注氣使氣化劑注入更加容易，在長(zhǎng)通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)分段氣化，提高了氣化效率。20世紀(jì)90年代以后，美國(guó)的油氣產(chǎn)量快速提升，天然氣價(jià)格大幅度降低，繼續(xù)實(shí)施UCG項(xiàng)目的必要性降低，隨后主要致力于優(yōu)化完善氣化過(guò)程3D模擬技術(shù)[11]。

澳大利亞在美國(guó)之后研究試驗(yàn)最為積極，曾經(jīng)提出過(guò)12個(gè)淺層商業(yè)化項(xiàng)目（300 m以淺）。其中，1999—2013年期間，澳大利亞Linc Energy公司在昆士蘭欽奇拉(Chinchilla)進(jìn)行了淺層UCG的半商業(yè)化嘗試；2006年后，相繼又有美國(guó)Carbon Energy、澳大利亞Cougar Enengy公司開展了淺煤層氣化先導(dǎo)試驗(yàn)[9,12]。Linc Energy公司早期借鑒了蘇聯(lián)技術(shù)，2010—2012年首次成功試驗(yàn)了P-CRIP地下氣化單元，2011—2013年采用了改進(jìn)后的L-CRIP地下氣化單元方案，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行，完成了合成氣發(fā)電和合成油試驗(yàn)。澳大利亞政府監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)淺層地下水污染物超標(biāo)，隨即叫停了全部試驗(yàn)項(xiàng)目[13]。

1.2 中深煤層UCG

歐洲國(guó)家最早在第二次世界大戰(zhàn)以后就開展了一些淺煤層的UCG試驗(yàn)，自20世紀(jì)80年代開始主要致力于中深層UCG技術(shù)研發(fā)和試驗(yàn)，最近十年來(lái)則力求將UCG與發(fā)電、制氫、氫燃料電池和CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕集和埋藏）等產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合[9,14]。其中，試驗(yàn)比較系統(tǒng)的是德國(guó)和比利時(shí)于1978—1987年開展的圖林(Thulin)試驗(yàn)項(xiàng)目（埋深860 m）和英國(guó)、比利時(shí)等六國(guó)于1991—1998年開展的西班牙埃爾曲萊麥迪爾(El Tremedal)試驗(yàn)項(xiàng)目（埋深580 m）。Thulin項(xiàng)目開展了多種方式的小井距直井與中半徑水平井地下連通，成功進(jìn)行了滲流氣化試驗(yàn)，驗(yàn)證了多種氣化劑的中高壓氣化工藝，后因井筒多次腐蝕破壞結(jié)束。El Tremedal項(xiàng)目試驗(yàn)了薄煤層、L-CRIP地下氣化單元，進(jìn)行了多次CRIP操作，但連續(xù)氣化時(shí)間較短，選址也未能避開含水層，最后一次點(diǎn)火破壞了井筒，地下水涌入導(dǎo)致試驗(yàn)終止。

圖2 兩種水平井氣化單元示意圖

英國(guó)為了彌補(bǔ)北海油田產(chǎn)量遞減導(dǎo)致的天然氣供應(yīng)缺口，21世紀(jì)初以來(lái)對(duì)UCG技術(shù)商業(yè)化的推動(dòng)力度很大，截至2015年共批準(zhǔn)27個(gè)灣口和淺海區(qū)域的UCG項(xiàng)目授權(quán)許可[15]，部分目的煤層埋深超過(guò)1 000 m，但這些小企業(yè)的UCG試驗(yàn)項(xiàng)目因?yàn)榄h(huán)保團(tuán)體的抵制均未能投入實(shí)施[16]。

2009—2012年，在加拿大阿爾伯塔省政府資助下，借助歐洲相關(guān)技術(shù)，天鵝山（Swan Hills）UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目在埋深1 400 m的煤層高壓富氧氣化試驗(yàn)取得突破[17]。試驗(yàn)采用L-CRIP地下氣化單元，有效水平段長(zhǎng)度達(dá)1 400 m，前后多次點(diǎn)火運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了幾次注入點(diǎn)后退操作，成功驗(yàn)證了10～12 MPa壓力下的高壓純氧氣化工藝。據(jù)稱累計(jì)氣化煤層（燃空區(qū)）長(zhǎng)度合計(jì)約200 m，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)4 000 h。

近年來(lái)，歐盟一直在持續(xù)資助UCG技術(shù)研究和試驗(yàn)，主要集中在波蘭、保加利亞和羅馬尼亞等東歐國(guó)家，但以研究項(xiàng)目和室內(nèi)模擬為主，僅在波蘭實(shí)施了兩個(gè)在采煤巷道內(nèi)進(jìn)行的UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)。

1.3 中國(guó)的研究試驗(yàn)情況

中國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開始了UCG相關(guān)技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代連續(xù)開展了一系列在人工采煤巷道或淺煤層進(jìn)行的礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目[18]，部分采煤巷道UCG項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了短期小規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。2013年內(nèi)蒙古烏蘭察布淺層UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目（煤層埋深280 m）首次在煤層水平井和連續(xù)管應(yīng)用方面取得突破[19]。2018年7月，新疆哈密淺煤層小井距直井UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目成功點(diǎn)火。2018年10月，貴州盤江礦區(qū)山腳樹礦在廢氣采煤巷道內(nèi)開展的低壓氣化試驗(yàn)項(xiàng)目成功點(diǎn)火，首次在采煤巷道內(nèi)使用了連續(xù)管和可視化裝置。2019年10月，鄂爾多斯中深煤層UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目（煤層埋深522 m），成功改進(jìn)并實(shí)施了P-CRIP地下氣化單元，首次應(yīng)用了3.5英寸（1英寸=25.4 mm）大口徑同心連續(xù)油管，嘗試了3 MPa純氧氣化，為推進(jìn)UCG技術(shù)的商業(yè)化邁出了關(guān)鍵的一大步[20]。但中深煤層UCG還有待于開展更大埋深和更高氣化壓力下的單井組長(zhǎng)周期連續(xù)氣化試驗(yàn)，進(jìn)一步開展多井組擴(kuò)大試驗(yàn)，為商業(yè)化示范項(xiàng)目的實(shí)施創(chuàng)造條件。

2 UCG技術(shù)商業(yè)化面臨的主要問題

UCG相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械采煤具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，是一種革命性的煤炭清潔開采和利用方式。UCG技術(shù)原理并不復(fù)雜，但在工程方面專業(yè)跨度大，要建立連續(xù)、穩(wěn)定、可控的地下氣化工作系統(tǒng)的難度較大[21]。其中，決定氣化效率和效益方面的一些關(guān)鍵技術(shù)，例如氣化過(guò)程模擬、測(cè)控、地下與地面生產(chǎn)集成等，距離商業(yè)化還存在一定差距[22]。這些差距近年來(lái)在歐洲、加拿大和澳大利亞的持續(xù)研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)推動(dòng)下，已經(jīng)有所縮小[14,23-28]。先前的礦場(chǎng)試驗(yàn)中遇到的一些安全環(huán)保問題，雖然出現(xiàn)事故的試驗(yàn)項(xiàng)目比例很小，但對(duì)投資者和政府部門進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)的信心影響很大。

在不同的國(guó)家，UCG商業(yè)化面對(duì)的主要難題也不盡相同，主要集中在資源、市場(chǎng)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等方面。北美和澳大利亞等地區(qū)煤炭資源豐富、品質(zhì)好，但沒有市場(chǎng)需求。歐洲有市場(chǎng)需求，西歐國(guó)家研究試驗(yàn)也非常積極，但可用的煤炭資源品質(zhì)較差，煤層薄、埋深大，導(dǎo)致產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性較差；東歐國(guó)家煤炭資源比較豐富、品質(zhì)較好，但缺少石油工業(yè)體系支撐，商業(yè)化推動(dòng)難度較大；南非則與東歐的情況類似。印度、巴基斯坦等國(guó)市場(chǎng)需求旺盛，但煤炭資源品質(zhì)較差，多為高灰煤，礦場(chǎng)試驗(yàn)和商業(yè)化進(jìn)展并不順利。總體來(lái)看，隨著石油工程相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步以及環(huán)保要求的提高，全球更加關(guān)注中深層UCG氣化技術(shù)。

中國(guó)煤炭資源豐富、品質(zhì)好，市場(chǎng)需求旺盛，專業(yè)技術(shù)人才實(shí)力雄厚，資本充裕，相關(guān)研發(fā)試驗(yàn)也最為積極。中國(guó)的石油工業(yè)體系完整，但由于行業(yè)劃分歷史因素，石油行業(yè)鮮有參與UCG技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，配套工程技術(shù)和裝備工具研發(fā)還不夠系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)中深層煤炭資源蘊(yùn)藏量巨大，綜合地質(zhì)條件優(yōu)越，適于地下氣化的可選目標(biāo)較多[7]。中國(guó)的能源資源稟賦特點(diǎn)和油氣供需矛盾，決定了對(duì)UCG技術(shù)商業(yè)化的需求較為緊迫，尤其是針對(duì)沒有機(jī)械開采價(jià)值的中深部高品質(zhì)煤炭資源。國(guó)家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）明確提出，要力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)UCG技術(shù)的工業(yè)化示范。預(yù)計(jì)中深層鉆井式UCG將會(huì)成為未來(lái)商業(yè)化的主流方向，油氣開采企業(yè)的參與和引領(lǐng)作用至關(guān)重要[29]。

2.1 淺煤層氣化存在較大環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)

淺煤層多是軟煤（褐煤），頂?shù)装迥z結(jié)一般較為疏松，煤層和頂?shù)装宓臐B透性較好，有利于氣體擴(kuò)散和氣化腔擴(kuò)展。淺煤層鉆孔比較簡(jiǎn)單，低壓、低溫氣化可以通過(guò)注入空氣實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)的低品質(zhì)合成氣多用于發(fā)電，對(duì)地面系統(tǒng)配套要求也低，整體投資較低，在地處偏遠(yuǎn)、電力缺乏地區(qū)，具有較為明顯的投資經(jīng)濟(jì)性。但如果煤層距離可飲用水層較近，合成氣和一些污染物就比較容易逃逸或滲流到附近水層中。美國(guó)（Hoe Creek 和Williams項(xiàng)目）和澳大利亞（Chinchilla 和Kingaroy項(xiàng)目）的一些淺層UCG試驗(yàn)項(xiàng)目，由于增壓氣化操作或廢棄氣化腔處置不當(dāng)?shù)仍?，曾發(fā)生過(guò)地下水污染事故[9,15]。這些項(xiàng)目煤層埋深僅為50～260 m，選址時(shí)未能避開淺層含水層?？梢哉f(shuō)，淺煤層地下氣化的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)是先天性的，利用技術(shù)手段難以消除。

2.2 中深煤層氣化工程難度較大

中深煤層的煤巖和頂?shù)装逡话爿^為致密，滲透性較差，合成氣和污染物逃逸導(dǎo)致環(huán)保問題的幾率相對(duì)降低。中深煤層可以實(shí)施中高壓富氧氣化，容易獲得高品質(zhì)合成氣，產(chǎn)品路線選擇多，但相應(yīng)的鉆完井投資和地面系統(tǒng)配套投資也將大幅上升。由于煤層滲透性差，不利于氣化腔的自然擴(kuò)展，必須要在煤層中利用水平鉆孔方式形成并保持較長(zhǎng)的氣化通道，在一條氣化通道內(nèi)實(shí)施多次注入點(diǎn)后退。隨著氣化過(guò)程的繼續(xù)，新的注入點(diǎn)和氣化腔依次沿著氣化通道后退，焦油、煤灰和其他固體殘留物將在燃后的氣化通道中聚集，到氣化中后期很容易堵塞氣化通道。如果氣化目標(biāo)是煙煤，煤層在高溫下容易膨脹變形，對(duì)井筒完整性的威脅也很大。高溫高壓合成氣通常含有強(qiáng)腐蝕性組分，對(duì)金屬管材的腐蝕作用也很強(qiáng)，容易造成井筒和管柱破壞失效，導(dǎo)致氣化過(guò)程終止。

世界上早期開展的幾次中深煤層氣化試驗(yàn)，都以半道終止或因井下發(fā)生事故結(jié)束，原因主要是無(wú)法建立有效氣化通道、井筒堵塞、涌水問題或井下管柱破壞，采用的化學(xué)點(diǎn)火工藝也有很多局限性。歐洲（Thulin、La Haute Deule、El Tremedal）和加拿大（Swan Hills）開展的中深層試驗(yàn)項(xiàng)目曾發(fā)生過(guò)井筒堵塞、腐蝕破壞甚至井噴等安全事故[9,17,29]。此外，隨著氣化腔的擴(kuò)展，氣化劑（氧氣和水）噴嘴距離氣化面越來(lái)越遠(yuǎn)，并受到煤炭氣化后固體殘留物的阻礙，有效抵達(dá)遠(yuǎn)端氣化面的能力降低，導(dǎo)致氣化效率下降，合成氣品質(zhì)變差。歐洲20世紀(jì)80—90年代開展的3個(gè)中深層氣化試驗(yàn)項(xiàng)目，因定向井技術(shù)水平的限制，可以實(shí)現(xiàn)的地下氣化單元規(guī)模較小，小井距氣化通道貫通效果不理想，氣化試驗(yàn)時(shí)間也較短。加拿大Swan Hills深層UCG試驗(yàn)項(xiàng)目（圖3）遇到了氣化通道堵塞、管柱腐蝕破壞等問題，最后因?yàn)檫B續(xù)油管焊接點(diǎn)發(fā)生刺漏而導(dǎo)致井噴事故[30]。

圖3 加拿大Swan Hills深層UCG示范項(xiàng)目示意圖

2.3 目前技術(shù)水平下投資經(jīng)濟(jì)性較差

中深層UCG對(duì)鉆完井技術(shù)要求高，相關(guān)裝備、工具和材料的耐高溫、耐高壓和防腐等級(jí)高，地下氣化單元建造成本高昂。單爐必須控制足夠規(guī)模的煤炭資源，實(shí)現(xiàn)足夠規(guī)模的日產(chǎn)量，才能夠達(dá)到商業(yè)門限產(chǎn)量的要求。歐洲的一些數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在理想狀態(tài)下，氣化劑在單側(cè)水平徑向方向可抵達(dá)3倍于煤層厚度的距離，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮一定的氣化效率，設(shè)計(jì)氣化腔的單側(cè)水平徑向?qū)挾纫话銥槊簩雍穸鹊?.0～1.5倍[25,31]。

從可以查閱到的國(guó)外幾次中深煤層礦場(chǎng)試驗(yàn)資料來(lái)看，實(shí)際氣化腔寬度僅與煤層厚度相當(dāng)，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量也不高[17,32-33]。加拿大Swan Hills的UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)的粗煤氣日產(chǎn)量?jī)H為11.3h104m3，其中CH4含量約4.2h104m3，另有CO和H2組分可在地面合成CH4約0.5h104m3，粗煤氣有效組分折合CH4約4.7h104m3[17]。從投資經(jīng)濟(jì)性考慮，這個(gè)日產(chǎn)量規(guī)模需要提高到3倍以上才能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)門檻，也就是日產(chǎn)粗煤氣量超過(guò)40h104m3。但該項(xiàng)目在擴(kuò)大產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)之前就發(fā)生了井噴事故[30]，雖然后續(xù)的改進(jìn)試驗(yàn)方案于2014年重新獲得了阿爾伯塔省政府批準(zhǔn)，但并沒有繼續(xù)實(shí)施。

由于中深層UCG項(xiàng)目主要用于生產(chǎn)替代油氣或化工原料，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展受油氣價(jià)格行情影響較大[7]。2014年下半年開始，隨著國(guó)際原油價(jià)格的斷崖式下跌，國(guó)際天然氣價(jià)格也隨之大幅下跌，國(guó)內(nèi)外計(jì)劃實(shí)施的UCG礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，大都已經(jīng)推遲或取消。

2.4 選址和系統(tǒng)配套條件對(duì)UCG項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)力影響較大

國(guó)內(nèi)目前有些地面煤制氣項(xiàng)目，由于選址距離產(chǎn)品市場(chǎng)較遠(yuǎn)，造成甲烷產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)成本較高，大大的削弱了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。例如在新疆伊犁建設(shè)的煤制氣項(xiàng)目，即便出廠成本可以控制到1.6元/m3，也遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)靥烊粴忾T站價(jià)格，只能外輸?shù)綎|部市場(chǎng)。由于管輸距離較長(zhǎng)，抵達(dá)京津冀地區(qū)后的總成本將高達(dá)2.4元/m3，與進(jìn)口LNG價(jià)格基本相當(dāng)，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而導(dǎo)致虧損；而內(nèi)蒙古東部地區(qū)煤制氣項(xiàng)目，天然氣管輸至北京市門站的成本僅約0.2元/m3，按當(dāng)前北京市門站價(jià)格1.88元/m3結(jié)算情況下，整體可以實(shí)現(xiàn)盈利。

產(chǎn)品路線以合成天然氣為主的中深層UCG項(xiàng)目，其地面工程部分建設(shè)投資占比也很高。同等規(guī)模的UCG與地面煤制氣項(xiàng)目在煤、水和電的消耗量方面相差并不大，淡水消耗主要在地面系統(tǒng)配套的鍋爐和工藝消耗，淡水用量很?。淮蟛糠炙陌l(fā)生在地下氣化過(guò)程，可以使用地層鹽水進(jìn)行氣化[17]，用水成本可以大幅下降。在深部地層鹽水豐富地區(qū)，UCG項(xiàng)目產(chǎn)生的CO2還可以就地回注到地下鹽水層，滿足碳減排和清潔環(huán)保生產(chǎn)要求。中深層UCG項(xiàng)目選擇富氧氣化工藝，需要大型空分裝置支持，電耗占生產(chǎn)成本比例較大。UCG項(xiàng)目選址要盡可能考慮煤電資源豐富地區(qū)，否則外購(gòu)電成本將非常高。

3 中深層UCG商業(yè)化路徑探析

中深層UCG技術(shù)屬于化石能源清潔開發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)性和顛覆性技術(shù)，一旦商業(yè)化取得突破，將會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣和氫能的供應(yīng)格局產(chǎn)生巨大影響。以往的研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)已經(jīng)取得了一些成果，現(xiàn)代的石油工程技術(shù)手段能夠提供一些必要的工程技術(shù)保障。例如，煤層水平井鉆完井和基于集束連續(xù)油管的可控后退注氣技術(shù)等，理論上可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地下建爐和對(duì)氣化過(guò)程的有效導(dǎo)控。煤層氣勘探開發(fā)涉及煤炭地質(zhì)、水文地質(zhì)研究和煤層精細(xì)勘探等技術(shù)日益成熟；大口徑水平井鉆完井技術(shù)已經(jīng)較為成熟，可以實(shí)現(xiàn)大位移、平滑井眼軌跡。隨著稠油火驅(qū)技術(shù)的日益完善，采出井的抗高溫固井技術(shù)也已經(jīng)成熟，在油層點(diǎn)火、氧化劑注入、燃燒面推進(jìn)、溫度及壓力監(jiān)測(cè)等生產(chǎn)測(cè)控方面也積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，對(duì)UCG生產(chǎn)測(cè)控有一定的借鑒意義。氣化通道水平井段采用柔性可燃油管完井也證實(shí)了一定的有效性，基本能夠消除煤層受熱膨脹變形導(dǎo)致的剪切破壞影響，保障集束連續(xù)油管與井下工具的順利進(jìn)出和氣化劑注入通道暢通；柔性可燃油管在實(shí)施后退點(diǎn)火時(shí)可以利用高溫燃燒掉，順利形成新的氣化腔，從而保證氣化通道的完整性及氣化過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行[17,32]。

雖然中深層UCG項(xiàng)目成功建立并維持氣化通道已經(jīng)不是難題，但全球范圍內(nèi)尚未順利實(shí)現(xiàn)單個(gè)井組地下氣化單元的完整、連續(xù)和穩(wěn)定的氣化過(guò)程，也沒有開展過(guò)多井組先導(dǎo)試驗(yàn)，距離商業(yè)化要求仍然較遠(yuǎn)。以往礦場(chǎng)試驗(yàn)也遇到一些工程問題依未得到有效解決。

3.1 中深層UCG技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)路徑

中深層UCG作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性和顛覆性技術(shù)，其研發(fā)應(yīng)用需要嚴(yán)格遵循“基礎(chǔ)研究→技術(shù)研發(fā)→試驗(yàn)應(yīng)用”三個(gè)基本階段，每個(gè)階段都不能缺失。目前，中深層UCG整體仍處于技術(shù)研發(fā)—試驗(yàn)應(yīng)用的復(fù)合階段，技術(shù)研發(fā)與礦場(chǎng)試驗(yàn)密不可分，需要同步進(jìn)行、互相驗(yàn)證、互相提升。中深層UCG技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)全過(guò)程都離不開現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基地的支持，每項(xiàng)關(guān)鍵裝備、工具和工藝的適用性、安全性和匹配性，都需要在地下煤層進(jìn)行實(shí)地礦場(chǎng)試驗(yàn)，加以充分驗(yàn)證。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基地選址與商業(yè)項(xiàng)目選址原則是一致的，應(yīng)該集中到煤炭資源條件較好和配套設(shè)施完善的區(qū)域。

中深層UCG技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)首先需要解決工程可實(shí)現(xiàn)問題，包括煤層精細(xì)勘測(cè)與評(píng)價(jià)、大規(guī)模地下氣化單元設(shè)計(jì)與施工、數(shù)值模擬指導(dǎo)下的生產(chǎn)運(yùn)行和測(cè)控工藝，以及配套裝備和工具、安全控制手段及操作規(guī)范等諸多方面，打通所有技術(shù)環(huán)節(jié)和工藝流程，驗(yàn)證每項(xiàng)關(guān)鍵裝備及工具的適用性、安全性與匹配性。地下氣化腔都要經(jīng)歷從小到大過(guò)程，都是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，全過(guò)程都要依靠數(shù)模，并形成嚴(yán)格的操作規(guī)范。雖然歐洲和加拿大在中深層UCG數(shù)值模擬方面進(jìn)展很大，但是由于礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目太少，還沒有經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證，優(yōu)化完善也不夠充分。安全高效的氣化通道完井、點(diǎn)火、溫壓測(cè)控、氣化參數(shù)及時(shí)調(diào)控、井筒材質(zhì)、井筒完整性維持等諸多方面的難題還有待攻克。

在工程可實(shí)現(xiàn)前提下，UCG技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用也是一個(gè)較長(zhǎng)的優(yōu)化完善過(guò)程，商業(yè)化UCG項(xiàng)目還要實(shí)現(xiàn)較好的投資經(jīng)濟(jì)性。地下氣化單元優(yōu)化工作非常關(guān)鍵，必須要做好選址、設(shè)計(jì)與實(shí)施工作，盡可能降低單位工程投資。地下氣化單元需要控制大規(guī)模煤炭?jī)?chǔ)量，日產(chǎn)氣量要盡可能的高，氣化過(guò)程要盡可能的安全、連續(xù)、平穩(wěn)、受控。中深層UCG技術(shù)商業(yè)化不是簡(jiǎn)單的規(guī)模放大過(guò)程，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣之前，還需要依次完成多井組先導(dǎo)試驗(yàn)、半商業(yè)化示范和商業(yè)化示范（含地面工程）過(guò)程，每個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都不可以逾越，都需要通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)驗(yàn)證。

3.2 中深層UCG選址方向

中深層UCG項(xiàng)目選址不僅要基于地下煤炭資源品位和綜合地質(zhì)條件，同樣也要考慮地面工程系統(tǒng)配套問題，應(yīng)優(yōu)選選擇距離產(chǎn)品市場(chǎng)、天然氣管網(wǎng)和煉化裝置較近的地區(qū)，確保甲烷、氫氣、低碳烴及焦油等產(chǎn)品的銷售渠道暢通，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

涉及地下因素的選址條件，主要有中深煤層地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件、煤質(zhì)、煤層厚度和埋深等諸多因素[31]?？傮w上，目的煤層要求構(gòu)造穩(wěn)定、頂?shù)装迕荛]性好、傾角大小合適，遠(yuǎn)離較大斷層、裂縫和水動(dòng)力活躍的含水層，單煤層厚度要足夠大，灰分、硫分含量越低越好，但應(yīng)盡量避開焦煤。煤炭?jī)?chǔ)量規(guī)模要足夠大，埋深大于井工開采下限為好，盡量不與煤電和地面煤化工爭(zhēng)煤。煤層埋深越深，氣化壓力可以越高，有利于提高煤氣品質(zhì)。但氣化壓力也不宜過(guò)大，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，理論上煤層埋深達(dá)到2 000 m以后，水蒸氣很可能會(huì)達(dá)到“近臨界水”溫度壓力條件，甚至是“超臨界水”條件，氣化反應(yīng)會(huì)極其劇烈，控制難度極大，對(duì)金屬管材的腐蝕作用也極強(qiáng)，氣化安全挑戰(zhàn)極高。國(guó)內(nèi)外UCG研究試驗(yàn)尚未涉及“近臨界水”和“超臨界水”氣化領(lǐng)域，通常保守推薦煤層埋深盡量不要超過(guò)1 800 m。

涉及地面因素的選址條件，主要是煤田附近的水（蒸汽）電路訊和油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施等公用工程配套條件，產(chǎn)品市場(chǎng)需求（距離市場(chǎng)遠(yuǎn)近）等因素，盡可能降低地面工程部分投資和生產(chǎn)運(yùn)行成本。國(guó)內(nèi)主要含油氣盆地內(nèi)中深層煤炭資源豐富，油氣開采相關(guān)地面系統(tǒng)配套工程條件較好，應(yīng)優(yōu)先在油區(qū)選址建設(shè)UCG項(xiàng)目，可為UCG項(xiàng)目提供水電路訊和油氣管道等設(shè)施接入便利，發(fā)揮與油氣開采的協(xié)同效應(yīng)[7,29,34]。同時(shí)，UCG項(xiàng)目產(chǎn)出的甲烷可以補(bǔ)充天然氣產(chǎn)量，焦油、低碳烴和氫氣產(chǎn)品可以補(bǔ)充煉油化工原料；利用UCG余熱可用于油區(qū)伴熱、發(fā)電等“用能替代”，提高油氣商品率；副產(chǎn)品氮?dú)饪梢杂糜隍?qū)油提高采收率；副產(chǎn)品二氧化碳可以直接埋藏于廢棄地下氣化腔內(nèi)，也可用于驅(qū)油提高原油采收率，或與深層煤層氣開發(fā)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤炭和煤層氣綜合開采。如果在天然氣消費(fèi)市場(chǎng)附近建設(shè)深層UCG項(xiàng)目，不僅能夠提高項(xiàng)目的投資經(jīng)濟(jì)性，還可能將廢棄氣化腔改造為煤穴儲(chǔ)氣庫(kù)[35]，有利于解決天然氣調(diào)峰、儲(chǔ)備能力不足和建造、運(yùn)行成本較高等問題。

3.3 中深層UCG地下氣化單元設(shè)計(jì)優(yōu)化方向

根據(jù)上述分析，中深層UCG技術(shù)主要難點(diǎn)在地下工程部分，降低成本的關(guān)鍵是優(yōu)化地下工程部分的設(shè)計(jì)，即地下氣化單元的設(shè)計(jì)。中深層UCG項(xiàng)目地下氣化單元建造成本高昂，從降低單位產(chǎn)品固定成本角度分析，地下氣化單元規(guī)模應(yīng)盡可能大，控制足夠多的煤炭?jī)?chǔ)量。但首先要在工程可實(shí)現(xiàn)前提下，盡可能降低氣化通道堵塞和井筒失效風(fēng)險(xiǎn)。以往試驗(yàn)采用過(guò)的L-CRIP和P-CRIP兩種地下氣化單元方案，都不能夠完全滿足這些要求。

參照國(guó)內(nèi)外礦場(chǎng)試驗(yàn)和相關(guān)研究成果，綜合L-CRIP和P-CRIP兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，筆者提出了一種針對(duì)中深煤層商業(yè)UCG項(xiàng)目的新型“斜梯形”地下氣化單元設(shè)計(jì)方案（圖4）[36]。這種“斜梯形”地下氣化單元兼具L-CRIP和P-CRIP方案的優(yōu)點(diǎn)，獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是能夠規(guī)避氣化通道堵塞問題，有效避開小斷層和大裂縫。主井筒距離氣化通道較遠(yuǎn)，基本不受高溫影響，失效的幾率很低；即使某個(gè)分支水平井氣化通道遇到堵塞或井筒破壞情況，可以直接棄置掉，只是浪費(fèi)掉該支水平井氣化通道控制的小部分煤炭資源，對(duì)整體氣化爐的影響較小；當(dāng)氣化爐區(qū)域內(nèi)遇到有潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)的小斷層或大裂縫時(shí)，可以通過(guò)加大分支水平井的間距或優(yōu)化一下軌跡直接避開，從而不影響整個(gè)氣化爐的部署，有利于提高目標(biāo)區(qū)域煤炭資源的動(dòng)用率。

3.4 中深層UCG商業(yè)化項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)力分析

國(guó)內(nèi)中深層UCG技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，最終要看商業(yè)項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。暫以京津冀天然氣目標(biāo)市場(chǎng)為例，在國(guó)際原油（布倫特）長(zhǎng)期平均價(jià)格60美元/桶情形下，天然氣門站價(jià)格按照1.88元/m3測(cè)算，反推到距離1 000 km左右的內(nèi)蒙古、陜西和山西地區(qū)中深層UCG商業(yè)項(xiàng)目，天然氣管輸費(fèi)按照0.15元/m3測(cè)算，則UCG商業(yè)項(xiàng)目合成天然氣可實(shí)現(xiàn)出廠價(jià)格最高為1.73元/m3（含增值稅）。下面以合成天然氣產(chǎn)能20h108m3/a的深層UCG項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)單測(cè)算一下技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

圖4 雙主支和多分支水平井組合——“斜梯形”地下氣化單元示意圖

按照“斜梯形”地下氣化單元設(shè)計(jì)概念，遵循保守謹(jǐn)慎原則，可將單支水平氣化通道長(zhǎng)度控制到200 m，氣化通道與注入井主井筒夾角保守設(shè)計(jì)到30°，則地下氣化單元總寬度為100 m。假設(shè)是15 m有效厚度煤層，可將氣化腔寬度設(shè)定為30 m。氣化通道間距按照60 m設(shè)計(jì)，相鄰氣化通道的后退注入點(diǎn)交錯(cuò)分布，保證留有30 m以上寬度的隔離煤柱，理論上不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模坍塌問題[25,37]。水平井主井筒有效長(zhǎng)度按照1 200 m設(shè)計(jì)，可以布置20支分支水平井氣化通道，單爐氣化通道總長(zhǎng)度可以達(dá)到4 000 m。參照加拿大天鵝山試驗(yàn)項(xiàng)目埋深、煤質(zhì)和氣化速率參數(shù)，采用相同的富氧氣化工藝，選取3.5″連續(xù)油管作為注氧通道[8]，理論上單井粗煤氣產(chǎn)量可以達(dá)到加拿大天鵝山試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)量的3倍以上，其中甲烷約14h104m3（地面考慮甲烷化工藝）。按此日產(chǎn)量估算，單個(gè)地下氣化單元總服役時(shí)間約5年（每年有效運(yùn)行時(shí)間300天），理論上可以累產(chǎn)甲烷約1.9h108m3。

參照煤層氣水平井鉆完井投資水平，考慮到大尺寸井筒和耐高溫固井完井材料、精準(zhǔn)導(dǎo)向小井距分支水平井鉆井和耐高溫耐腐蝕封堵工藝等因素，按照目前的工程技術(shù)水平，粗略估算上述成對(duì)水平井主井和20支分支水平井的總造價(jià)將達(dá)8 000萬(wàn)元。項(xiàng)目共需要48組地下氣化單元同時(shí)運(yùn)行，在20年評(píng)價(jià)期內(nèi)需要建造4個(gè)輪次地下氣化單元，共需服役192組地下氣化單元，總投資約153.6億元，其中首批48組投資38.4億元。參照國(guó)內(nèi)地面煤制氣項(xiàng)目，不考慮廠外公用工程，估算地面工程總投資約98億元，單位甲烷產(chǎn)品操作成本約0.43元/m3。按此粗略估算，項(xiàng)目全生命周期內(nèi)單位甲烷固定成本約0.63元/m3，則單位甲烷生產(chǎn)成本約1.06元/m3（不考慮稅費(fèi)）；考慮6%的煤炭資源稅和10%天然氣增值稅等稅費(fèi)，則單位甲烷完全成本約1.25元/m3。項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)8%的財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率基準(zhǔn)要求，甲烷出廠價(jià)格則需要達(dá)到1.45元/m3左右。如果考慮二氧化碳捕集與埋藏，則單位甲烷完全成本增加約0.15元/m3[38]，出廠價(jià)格需要提高到1.6元/m3。對(duì)于京津冀目標(biāo)市場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)的最高出廠價(jià)格1.73元/m3（含增值稅）來(lái)說(shuō)，仍然具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

可見，相較于褐煤地面煤制氣項(xiàng)目，即便不考慮“無(wú)工開采價(jià)值煤炭資源”的有效開發(fā)利用和環(huán)保效益因素，中深層UCG商業(yè)項(xiàng)目理論上仍具有0.15元/m3左右的單位成本優(yōu)勢(shì)。中深層UCG商業(yè)項(xiàng)目相較于國(guó)產(chǎn)常規(guī)天然氣并沒有成本優(yōu)勢(shì)，但與非常規(guī)天然氣的成本水平相當(dāng)，對(duì)于進(jìn)口天然氣則具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。對(duì)于中等埋深UCG項(xiàng)目，地下氣化單元建設(shè)投資會(huì)略有降低，同時(shí)合成氣品質(zhì)也略有下降，地面部分投資和運(yùn)行成本方面基本沒有差別，所以總體上與深層UCG項(xiàng)目的單位甲烷完全成本相差不會(huì)很大。國(guó)內(nèi)中深層UCG項(xiàng)目一旦形成規(guī)模，將會(huì)有效替代進(jìn)口天然氣[7,34]，尤其是在高油價(jià)、高氣價(jià)情形下能夠起到平抑進(jìn)口氣價(jià)格的重要作用，對(duì)保障國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)、降低用氣成本意義重大。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前全球范圍內(nèi)開展的中深煤層地下氣化試驗(yàn)項(xiàng)目較少，還沒有順利實(shí)現(xiàn)單個(gè)地下氣化單元的完整氣化過(guò)程，距離真正的商業(yè)化依然較遠(yuǎn)。中深層UCG發(fā)展前景較好，但地下工程難度較大，首先要解決地下工程可實(shí)現(xiàn)問題。其次，選址既要基于地下煤炭資源品位和綜合地質(zhì)條件，也要考慮地面工程系統(tǒng)配套問題。新型“斜梯形”地下氣化單元設(shè)計(jì)方案，在實(shí)現(xiàn)有效控制大量煤炭資源的同時(shí)，縮短了單分支水平井氣化通道的長(zhǎng)度，大幅降低了堵塞或井筒破壞幾率，也將潛在事故對(duì)整體氣化爐的影響降低到很小程度；而且分支水平井部署靈活，有利于避開有潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)的小斷層或大裂縫，提高目標(biāo)區(qū)域煤炭資源的動(dòng)用率。

國(guó)內(nèi)主要含油氣盆地內(nèi)中深層煤炭資源豐富，地面系統(tǒng)配套工程條件較好，UCG項(xiàng)目可以發(fā)揮與油氣開采的協(xié)同效應(yīng)。優(yōu)先選擇在新疆準(zhǔn)東、哈密、三塘湖，內(nèi)蒙古鄂爾多斯、二連、海拉爾等煤炭資源條件優(yōu)越的油區(qū)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基地，全面支撐技術(shù)研發(fā)、礦場(chǎng)試驗(yàn)和商業(yè)示范項(xiàng)目建設(shè)，或是推動(dòng)中深層UCG技術(shù)商業(yè)化的最優(yōu)路徑。中國(guó)是目前世界上UCG研究試驗(yàn)最為積極的國(guó)家，在資源、市場(chǎng)、技術(shù)、資金、政策等方面綜合優(yōu)勢(shì)突出，油氣對(duì)外依存度持續(xù)高企成為UCG的重要驅(qū)動(dòng)力，如果能夠探索出一種跨行業(yè)企地融合發(fā)展的商業(yè)模式，有望在“十四五”期間實(shí)現(xiàn)中深煤層UCG技術(shù)的商業(yè)化突破，成為世界UCG技術(shù)的領(lǐng)跑者。