劉曰武 劉 暢 丁玖閣，3)

*(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190)

?(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049)

隨著社會(huì)發(fā)展和人類的進(jìn)步，能源緊缺已成為難以逾越的世界難題，尤其我國(guó)油氣能源的緊張局勢(shì)日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在2018 年石油對(duì)外依存度達(dá)70.9%，天然氣對(duì)外依存度達(dá)43%。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年中國(guó)油氣對(duì)外依存度還將繼續(xù)上升，我國(guó)目前油氣能源受到國(guó)外能源的制約，能源資源安全問(wèn)題日益加劇。地下煤氣化技術(shù)有希望成為解決我國(guó)油氣能源危機(jī)的重要手段之一。

我國(guó)陸上埋深1000 ～3000 m 的煤炭資源量按氣化動(dòng)用率40%計(jì)算，折合等熱值甲烷為2.72×1014～3.32×1014m3，資源量超過(guò)常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣資源量之和，遠(yuǎn)大于目前已投入開(kāi)發(fā)的天然氣資源總量，有望成為具有中國(guó)特色的天然氣技術(shù)革命[1]。

煤炭地下氣化 (underground coal gasification，UCG) 是通過(guò)注入通道將氣化劑注入到地下煤層中，使煤炭與氣化劑在原位煤層中發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣、一氧化碳和甲烷等可燃?xì)怏w的化學(xué)采煤方法。煤炭地下氣化實(shí)現(xiàn)了煤炭地下清潔密閉開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)固體廢棄物排放，該方法是集建井、采煤、氣化三大工藝為一體的清潔能源開(kāi)發(fā)方式。目前流行的“U” 型井開(kāi)發(fā)模式的煤炭地下氣化原理流程示意圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，煤炭地下氣化主要包括地面和地下2 個(gè)部分。地面部分包括4 個(gè)中心、2 套控制裝置以及相應(yīng)的地面管線。4 個(gè)中心包括氣化劑制備及注入控制中心、粗煤氣分離凈化處理中心、產(chǎn)品集輸及利用中心和監(jiān)測(cè)及控制中心。2 套控制裝置分別為連續(xù)油管控制裝置和余熱處理裝置。地下部分主要包括注入井、生產(chǎn)井和監(jiān)測(cè)井3 個(gè)部分。注入井是水平井，其垂直井段和部分水平井段的井筒內(nèi)有連續(xù)油管，連續(xù)油管內(nèi)部是同心分層的氣化劑、燃燒劑和冷卻劑的注入通道。注入井和生產(chǎn)井之間的水平段是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵連通通道，是注入點(diǎn)受控后退氣化技術(shù)(controlled retraction injection point，CRIP) 實(shí)施的主要通道，也是氣化腔形成的基礎(chǔ)部位。

煤炭地下氣化過(guò)程在地下氣化通道中完成。氣化通道分為三個(gè)反應(yīng)區(qū)：氧化區(qū)、還原區(qū)和干燥干餾區(qū)。煤炭地下氣化反應(yīng)的示意圖如圖2 所示。

本文在大量調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合重大項(xiàng)目的需求，對(duì)國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化開(kāi)發(fā)技術(shù)模式的發(fā)展歷程和趨勢(shì)進(jìn)行分析總結(jié)，主要包括以下6 方面的內(nèi)容：

(1)煤炭地下氣化的基本原理及研究意義概述。

(2)煤炭地下氣化的萌芽階段：早期基本理論的提出及工藝措施。

(3) 鉆孔式煤炭地下氣化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)狀況。

(4) 直井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的循序漸進(jìn)過(guò)程。

(5) 水平井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的突破性進(jìn)展。

(6)通過(guò)對(duì)煤炭地下氣化開(kāi)發(fā)模式的發(fā)展歷程的分析，指出了煤炭地下氣化開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及其過(guò)程中關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題。

1 煤炭地下氣化萌芽階段

圖1 煤炭地下氣化原理流程圖(根據(jù)文獻(xiàn)[2] 修改)

圖2 煤炭地下氣化反應(yīng)的示意圖(根據(jù)文獻(xiàn)[3] 修改)

我們將煤炭地下氣化基本原理的提出到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案的規(guī)劃階段稱為煤炭地下氣化“萌芽階段”。這個(gè)階段的工作主要包括4 個(gè)小的方面：(1)煤炭地下氣化基本概念和思想的提出；(2)煤炭地下氣化工藝的建立；(3)煤炭地下氣化技術(shù)專利的申請(qǐng)；(4)煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。這些工作為煤炭地下氣化奠定了良好的基礎(chǔ)，但在這一階段最終只是一個(gè)美好的愿景，沒(méi)有走到現(xiàn)實(shí)世界中來(lái)，因此稱之為“萌芽階段”。

1.1 煤炭地下氣化思想的提出

1868 年德國(guó)科學(xué)家威廉西蒙在給化學(xué)學(xué)會(huì)的報(bào)告中，提到“不是將煤輸送到位于鋼爐附近的煤氣發(fā)生爐，而是將這些煤氣發(fā)生爐放置在煤礦中以燃燒松散的煤，產(chǎn)生的氣體將通過(guò)管道系統(tǒng)輸送到煤氣爐”[4]。西蒙熔鐵爐(煤氣發(fā)生爐) 的示意圖如圖3所示。

圖3 西蒙熔鐵爐(煤氣發(fā)生爐) (根據(jù)文獻(xiàn)[5] 修改)

這是煤炭地下氣化概念的首次提出，為以后的理論研究和技術(shù)探索指明了新的方向。

1.2 煤炭地下氣化工藝的建立

1888 年，俄羅斯科學(xué)家德米特里·門捷列夫第一次提到了煤炭不用開(kāi)采，而是以原始形態(tài)在地下轉(zhuǎn)化為燃料氣體，通過(guò)管道網(wǎng)絡(luò)輸送的可能性。并在之后提出了“在煤層中鉆了幾個(gè)孔后，用其中一個(gè)孔注入空氣，另一個(gè)孔來(lái)生產(chǎn)或者抽取燃料氣體混合物，這些混合物可以很容易地長(zhǎng)距離輸送到燃?xì)鉅t” 的工藝方案[6-7]。門捷列夫的地下氣化設(shè)想圖的示意圖如圖4 所示。

圖4 門捷列夫的地下氣化設(shè)想圖(根據(jù)文獻(xiàn)[5] 修改)

1.3 煤炭地下氣化方案的提出及專利申請(qǐng)

1906-1910 年，美國(guó)工程師安森· 加德納·貝茨提出了幾個(gè)實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化的具體方案，三次申請(qǐng)并獲得了地下氣化方案專利，還討論了方案的許多細(xì)節(jié)[8-10]。貝茨的氣化設(shè)計(jì)方案的示意圖如圖5所示。

圖5 貝茨的氣化設(shè)計(jì)方案(根據(jù)文獻(xiàn)[5] 修改)

1.4 煤炭地下氣化試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

1913 年，英國(guó)化學(xué)家威廉·拉姆齊首次設(shè)計(jì)了利用氣化爐法生產(chǎn)燃料氣體的實(shí)驗(yàn)。但是由于第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，拉姆齊直到去世都未能開(kāi)始他的試驗(yàn)[3，11-12]。

1933 年底，蘇聯(lián)頓涅茨克煤炭化學(xué)研究所發(fā)明了“氣流氣化”方法，并申請(qǐng)了專利?！皻饬鳉饣狈椒ㄊ侵赣擅簩拥装?、頂板、碎石和煤層組成氣化通道，在氣化通道內(nèi)對(duì)煤炭進(jìn)行氣化[3，13-14]。

2 鉆孔式煤炭地下氣化初步實(shí)現(xiàn)階段

鉆孔式技術(shù)是在地表上按照一定的網(wǎng)絡(luò)布局，從地面向煤層進(jìn)行鉆孔，包括進(jìn)氣孔和出氣孔。在進(jìn)氣孔中點(diǎn)火，使煤層發(fā)生氣化產(chǎn)生煤氣，由出氣鉆孔采出[15]。鉆孔式煤炭地下氣化主要有2 種鉆孔方式，排列式垂直鉆孔方式和垂直鉆孔交連于水平鉆孔方式，分別如圖6 和圖7 所示。

2.1 排列式垂直鉆孔方式

圖6 鉆孔式地下氣化(根據(jù)文獻(xiàn)[5] 修改) (單位：m)

圖7 英國(guó)斯賓尼試驗(yàn)下傾煤層流程圖(根據(jù)文獻(xiàn)[5] 修改)

1933 年，蘇聯(lián)在莫斯科的Krutova 礦區(qū)進(jìn)行了第一次UCG 試驗(yàn)。將一塊10 m×10 m 的煤區(qū)從煤層中隔離出來(lái)，一邊注入空氣，另一邊輸出合成氣，由于煤層的非均質(zhì)性，火焰?zhèn)鞑シ较螂y以控制。20 世紀(jì)40 年代，開(kāi)始試驗(yàn)在煤層中鉆孔。使用矩形和圓形的鉆孔陣列，它們之間的距離非常近(大約幾米)如圖6 所示。在氣化過(guò)程中，首先將熱木炭投入第一排井中，然后用第二排井注入空氣，再用第三排井回收產(chǎn)生的氣體[16-17]。

2.2 垂直鉆孔交連于水平鉆孔方式

英國(guó)在紐曼·斯賓尼的下傾煤層下進(jìn)行了UCG試驗(yàn)。首先在采煤面上鉆了一個(gè)孔，使其從采石場(chǎng)表面向下傾斜約70 m 的煤層中“穿過(guò)”。從地面鉆幾個(gè)井眼與煤層井眼相交，分別作為注入孔(注入空氣)、生產(chǎn)孔(排出混合煤氣)、排水孔(用于收集水和熱解產(chǎn)物) 和界限孔，如圖7 所示[5]。

2.3 鉆孔式煤炭地下氣化的評(píng)價(jià)

對(duì)于鉆孔式煤炭地下氣化技術(shù)，無(wú)論是排列式垂直鉆孔方式還是垂直鉆孔交連于水平鉆孔方式，主要的貢獻(xiàn)在于將煤炭地下氣化技術(shù)變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，在煤炭地下氣化技術(shù)歷史發(fā)展過(guò)程中奠定了重要的里程碑。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：適合于淺煤層的煤炭氣化，技術(shù)操作難度低，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)移動(dòng)注氣和采氣以保證煤氣產(chǎn)量，施工工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)成本低。

其缺點(diǎn)為：由于淺層施工，容易污染地下水資源、發(fā)生地面塌陷；由于地層的密閉性差，合成氣容易逸散；由于自然滲透率很低，難以控制反應(yīng)速度及火焰前沿的發(fā)展方向。

2.4 鉆孔初步發(fā)展階段的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題

鉆孔初步發(fā)展階段的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題包括4 個(gè)方面：

(1) 鉆孔過(guò)程中的巖石破碎相關(guān)力學(xué)問(wèn)題；

(2) 鉆孔孔壁的穩(wěn)定性問(wèn)題；

(3) 鉆孔附近煤層氣化的熱動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；

(4)注入孔與生產(chǎn)孔之間合成氣在煤層中的滲透問(wèn)題。

3 直井鉆井式煤炭地下氣化循序發(fā)展階段

直井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)主要是指：利用石油天然氣行業(yè)的鉆井技術(shù)，從地面向煤層中鉆兩口垂直井，一口作為注入井，一口作為生產(chǎn)井，然后在井間建立貫通通道，使氣化劑能從注入井注入到煤層中與煤發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，生成的粗煤氣沿貫通通道從生產(chǎn)井產(chǎn)出，如圖8 所示。

圖8 直井鉆井式煤炭地下氣化工藝圖

煤炭地下氣化的技術(shù)手段之一是通道貫通，通道貫通的方法主要有：火力滲透貫通法、電力貫通法和水力壓裂貫通法等。

3.1 火力滲透貫通方式

火力滲透貫通法的核心是通過(guò)熱力作用在已鉆好的兩垂直井之間形成一條貫通通道。其基本的工藝操作過(guò)程為：(1)首先向生產(chǎn)井的井底投入燃燒的焦炭或點(diǎn)火裝置，鼓入壓縮空氣，對(duì)煤層進(jìn)行點(diǎn)火；(2)生產(chǎn)井初始點(diǎn)火成功后，在注入井注入壓縮空氣，注入的壓縮空氣通過(guò)煤層向生產(chǎn)井滲透；(3)到生產(chǎn)井井底后，燃燒和氣化向著壓縮空氣的來(lái)流方向移動(dòng)，從而形成貫通的火力通道[18]。火力貫通又分為高壓火力貫通和常壓火力貫通。

1942 年，蘇聯(lián)在Podmoskovnaya 進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中3 號(hào)盤區(qū)采取了火力貫通方式，每隔20 m 施工1 個(gè)垂直井，采用火力滲透貫通氣化通道，氣化劑為空氣。滲透貫通所建立的地下氣化爐氣化通道距離短、供風(fēng)阻力大、服務(wù)時(shí)間短。

3.2 電力貫通方式

電力貫通是將兩個(gè)電極分別插入注入井和生產(chǎn)井中的煤層，通入高壓電，在電流的熱效應(yīng)下，煤層的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生變化，煤層焦化形成孔隙較大的氣化通道。

20 世紀(jì)80 年代，法國(guó)在Echaux 煤田的30 m 深的煤層中進(jìn)行了電力貫通試驗(yàn)。在第一次實(shí)驗(yàn)中，要使電極間的煤碳?xì)饣?，但極高的氣化溫度(1500°C)導(dǎo)致設(shè)備在24 h 內(nèi)遭到破壞。后來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用了冷卻系統(tǒng)，但只是減少了煤炭焦化所需電力，沒(méi)有其他更多技術(shù)進(jìn)步。美國(guó)、英國(guó)、波蘭等都在電力貫通方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但是沒(méi)有取得更好的進(jìn)展。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是速度較快，丟煤少。其缺點(diǎn)在于：設(shè)備較復(fù)雜，操作不夠簡(jiǎn)便，電流方向不易控制，煤層電阻大，耗電多，設(shè)備易腐蝕；當(dāng)煤層中含水量較大時(shí)，該法將消耗大量電能，增加貫通成本。

3.3 水力壓裂貫通方式

水力壓裂是利用高壓水泵裝置，從鉆孔向預(yù)定的煤層注入帶支撐劑的高壓水，使煤層壓裂，在兩井之間形成貫通的裂縫?；竟に囀疽鈭D如圖9 所示。

1979 年，法國(guó)在Bruay-en-Artoi 煤田進(jìn)行了水力壓裂貫通試驗(yàn)。由于注入井段附近的正常反向燃燒氣化和生產(chǎn)井附近的異常自燃同時(shí)發(fā)生，因此在1981 年6 月結(jié)束了該項(xiàng)試驗(yàn)，徹底關(guān)閉了Bruay-en-Artois 煤礦。

美國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)等的水力壓裂試驗(yàn)均未成功。該方法的優(yōu)點(diǎn)為貫通速度快，電耗小，安全性高；缺點(diǎn)為設(shè)備較復(fù)雜，操作不方便，液流不易控制，高靜壓會(huì)降低滲透性，不適用于深層煤炭。

圖9 兩井之間的水力壓裂貫通技術(shù)示意圖(根據(jù)文獻(xiàn)[2] 修改)

3.4 各種貫通方式的綜合評(píng)價(jià)

英國(guó)Bayton 試驗(yàn)測(cè)試了幾種貫通方法。第一次試驗(yàn)使用壓縮空氣連接垂直工藝井。過(guò)程緩慢，但可以通過(guò)增加氧氣在壓縮氣流中的比例來(lái)加速，通道相對(duì)狹窄，需要較高的空氣壓力。第二次嘗試使用電力貫通，將電極置于注入井和生產(chǎn)井的底部，并使用高壓在兩者之間熱解煤。發(fā)現(xiàn)電流方向無(wú)法控制。不同氣化通道貫通法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比情況如表1所示。

3.5 鉆井式地下煤氣化階段的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題

鉆井式地下煤氣化是鉆孔煤氣化技術(shù)的深化發(fā)展，該階段的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題除了鉆孔式地下煤氣化的基本問(wèn)題外，還包括以下3 個(gè)方面：

(1)注入井和產(chǎn)出井之間不同貫通方式的相關(guān)力學(xué)問(wèn)題，如電力貫通的巖石破碎力學(xué)問(wèn)題、水力壓裂裂縫形成及延伸問(wèn)題等；

(2)注入井和產(chǎn)出井之間的連通通道的流體流動(dòng)問(wèn)題：流動(dòng)狀態(tài)、流動(dòng)穩(wěn)定性等；

(3)注入井與生產(chǎn)井之間的連通通道與煤層的流體滲透以及傳熱問(wèn)題等。

4 水平井鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)突破階段

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外主要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致試驗(yàn)終止的工藝因素中，地質(zhì)選址占30%，工藝技術(shù)占70%，其中氣化爐建造工藝針對(duì)性與完整性、氣化運(yùn)行控制可靠性分別占工藝技術(shù)因素的31% 和69%。水平井技術(shù)的出現(xiàn)從根本上解決了煤炭地下氣化技術(shù)中注入井和生產(chǎn)井井間通道連通不暢的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了煤炭地下氣化技術(shù)瓶頸的突破，開(kāi)啟了煤炭地下氣化技術(shù)新的里程碑。利用石油天然氣開(kāi)發(fā)的水平井穿針技術(shù)、連續(xù)油管技術(shù)以及注入點(diǎn)受控后退氣化技術(shù)，大大加速了煤炭地下氣化商業(yè)化開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。

表1 不同氣化通道貫通法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比[19]

4.1 “U” 型水平井技術(shù)

1863 年，瑞士工程師提出了水平井的建議。水平井是指一種井斜角大于或等于86°，并保持這種角度鉆完一定長(zhǎng)度水平段的定向井。一口水平井與一口垂直井的組合就形成了目前煤炭地下氣化技術(shù)上常用的“U” 型井開(kāi)發(fā)技術(shù)。U 型井最早產(chǎn)生于開(kāi)采食鹽的生產(chǎn)實(shí)踐，后來(lái)逐漸引入到石油、天然氣及煤層氣開(kāi)采領(lǐng)域；在煤炭地下氣化中U型井連通技術(shù)是指從水平井注入氣化劑，在水平段氣化腔內(nèi)進(jìn)行氣化，氣化腔位置變化是依靠連續(xù)油管通過(guò)CRIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，最終由生產(chǎn)井輸送出合成氣的過(guò)程，如圖10 所示。

U 型井貫通技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括以下4 個(gè)方面：(1) 用U 型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)煤層預(yù)熱，減小熱損，提高氣化效率；(2)具有水平井及直井兩個(gè)井口，快速、高產(chǎn)、高采出率；(3) 單位面積生產(chǎn)成本低；(4) 增加氣體有效供給范圍，提高氣體導(dǎo)流能力，減少煤層傷害。

圖10 U 型貫通井技術(shù)(根據(jù)文獻(xiàn)[19] 修改)

其缺點(diǎn)是：由于采用新型鉆井技術(shù)，其為兩井連通、地質(zhì)導(dǎo)向、欠平衡鉆井等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合，因此，技術(shù)難度較大，鉆井成本較高。

4.2 “U” 型水平井中的CRIP 技術(shù)

由美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的CRIP 氣化工藝將定向鉆井和反向燃燒結(jié)合在一起，生產(chǎn)井為直井，注入井為連通了生產(chǎn)井的水平井。

該項(xiàng)技術(shù)是在1981 年的第7 屆UCG 研討會(huì)上提出的。其工藝過(guò)程是：首先在距離生產(chǎn)井不遠(yuǎn)處將煤層點(diǎn)燃，開(kāi)始進(jìn)行氣化反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)腔附近的煤燃燒用盡后，注入點(diǎn)后退，形成新的氣化反應(yīng)腔，如圖11 所示。該方法可以對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行精確控制。CRIP 工藝適合于深部厚煤層，生產(chǎn)井可以連通多個(gè)注入點(diǎn)，產(chǎn)生的煤氣通過(guò)燃燒完的燃空區(qū)流入到生產(chǎn)井，氣體的流動(dòng)阻力較小，避免堵塞，熱損失減小，煤氣熱值提高。

圖11 注入點(diǎn)受控后退氣化工藝示意圖

CRIP 技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是氣化過(guò)程能夠得到有效的控制。因?yàn)樗阶⑷肟孜惶幱诿簩拥撞浚瑲饣^(guò)程在受控條件下由注入點(diǎn)后退逐段進(jìn)行。這一特點(diǎn)特別適用于深層煤層和特厚煤層。氣化深層煤層時(shí)，一個(gè)產(chǎn)氣孔可連接一組垂直注入孔，煤氣可通過(guò)已燒過(guò)的空穴流動(dòng)，解決了在極高的巖層壓力下保持通道的問(wèn)題。氣化厚煤層時(shí)，當(dāng)空穴擴(kuò)大并發(fā)生大冒頂時(shí)，可保持垂直注入孔的完整性。CRIP 工藝的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)氣量大，還有可能回收因發(fā)生大冒頂從旁路逸出的煤氣。利用CRIP 技術(shù)還可以加大生產(chǎn)井與注入井之間的井距，減少鉆井?dāng)?shù)量，減少鉆井成本；也可以使沉降造成的注水井損傷最小化，大量的煤可以通過(guò)一次注射進(jìn)行氣化處理。

CRIP 工藝的主要缺點(diǎn)是需要連續(xù)控制點(diǎn)火，操作難度大，另外氣化規(guī)模小，生產(chǎn)不連續(xù)。

4.3 “U” 型水平井實(shí)際應(yīng)用案例

2009-2011 年，加拿大SwanHills 合成燃料公司在埋深1400 m，厚度7 ～8 m 煤層中，進(jìn)行了迄今為止全球煤層埋深最大的UCG 試驗(yàn)。天鵝山UCG 項(xiàng)目中氣化爐溫度主要使用熱電偶入井間接監(jiān)測(cè)，采用微地震技術(shù)監(jiān)測(cè)氣化腔的大小與形狀，該項(xiàng)目采用L-CRIP 技術(shù)，試驗(yàn)了4 個(gè)氣化腔，測(cè)試氣化劑水氧比范圍2 ～3:1，氣化腔壓力8 ～12 MPa，粗煤氣組分甲烷含量達(dá)到37%，可燃組分比例59%，熱值29 兆焦/千克。

2011 年10 月，加拿大天鵝山項(xiàng)目注入井總長(zhǎng)度超過(guò)2800 m。采用的多通道連續(xù)油管外層管外徑2 ～3/8 英寸，內(nèi)層管外徑1/2 英寸，兩管之間的環(huán)形通道置有測(cè)井電纜，配套燃燒器、熱電偶等工具儀器，成功實(shí)現(xiàn)了井下點(diǎn)火、氣化劑注入和注入點(diǎn)后退控制等功能。但是，在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，連續(xù)油管作業(yè)也出現(xiàn)一些問(wèn)題，如不能到達(dá)設(shè)計(jì)點(diǎn)火位置、管體受擠壓損傷、后退拖動(dòng)遇卡、腐蝕造成管道穿孔破裂等，影響了UCG 項(xiàng)目的穩(wěn)定運(yùn)行。該項(xiàng)目最終于2011 年10 月因注入井發(fā)生爆炸而停產(chǎn)。艾伯塔省能源管理局對(duì)事故開(kāi)展了詳細(xì)調(diào)查，SwanHills合成燃料公司在操作程序和設(shè)計(jì)控制方面進(jìn)行了改進(jìn)。

在頁(yè)巖氣開(kāi)采領(lǐng)域，2016 年美國(guó)鉆出世界最長(zhǎng)水平段頁(yè)巖井Purple Hayes HI 井，其水平井段長(zhǎng)度達(dá)到18 544 英尺(5652.21 m)，常規(guī)連續(xù)油管可進(jìn)入水平井段的深度超過(guò)3000 m。兩者對(duì)照，未來(lái)UCG水平井段也會(huì)向更長(zhǎng)方向發(fā)展[20-22]。

4.4 水平井地下煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題

水平井鉆井技術(shù)在地下煤氣化技術(shù)的應(yīng)用，使得地下煤氣化技術(shù)取得了突破性的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上形成的CRIP 技術(shù)使地下煤氣化技術(shù)日趨工業(yè)化。該階段的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題除了鉆井式地下煤氣化的基本問(wèn)題外，產(chǎn)生了新的4 個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，燃燒氣化腔體中流體流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；

(2) 注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，使用CRIP 技術(shù)后，不同燃燒氣化腔體之間的流體流動(dòng)問(wèn)題及傳熱傳質(zhì)問(wèn)題；

(3)燃燒氣化腔體外，腔體邊緣以及腔體不同深度中溫度、壓力以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；

(4) 煤層中熱應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題等。

5 鉆井式煤炭地下氣化的發(fā)展綜合評(píng)價(jià)

煤炭地下氣化技術(shù)從思想的提出，到目前采用各類新型鉆井技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化開(kāi)發(fā)的實(shí)踐，經(jīng)過(guò)了一百多年的歷史。對(duì)于鉆井式煤炭地下氣化的發(fā)展，從煤炭地下氣化的開(kāi)發(fā)模式、煤炭地下氣化開(kāi)發(fā)模式的對(duì)比分析、鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的新發(fā)展以及地下煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題4 個(gè)方面進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和總結(jié)。

5.1 煤炭地下氣化開(kāi)發(fā)模式的發(fā)展歷程

縱觀鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展歷史和技術(shù)進(jìn)化的順序，我們將其分為5 個(gè)階段：(1) 萌芽階段，完成了理論的提出和工藝的創(chuàng)建；(2) 初步發(fā)展階段，大孔徑淺層鉆孔煤炭地下氣化得到實(shí)際應(yīng)用；(3) 循序發(fā)展階段；(4) 技術(shù)突破階段；(5) 未來(lái)發(fā)展階段，如圖12 所示。

5.2 煤炭地下氣化開(kāi)發(fā)模式的對(duì)比分析

煤炭地下氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)模式的對(duì)比情況，如表2所示。

表2 表明：現(xiàn)代煤炭地下氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)模式，從鉆孔式開(kāi)發(fā)，到直井式開(kāi)發(fā)，再到U 型水平井、楔形水平井和多分支井開(kāi)發(fā)模式，開(kāi)發(fā)方法越來(lái)越精細(xì)，主要鉆井模式發(fā)展的突出特點(diǎn)表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

圖12 煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展歷程圖

(1)鉆井模式逐步復(fù)雜化。氣化通道逐步從直井發(fā)展到楔形水平，未來(lái)期望的技術(shù)是多分枝水平井。井型的突破是煤炭地下氣化技術(shù)向縱深發(fā)展的基礎(chǔ)，石油天然氣工業(yè)技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展，是煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展的新的生力軍；

(2)鉆井模式的發(fā)展是煤炭地下氣化進(jìn)入深層煤炭的技術(shù)基石。深層煤炭地下氣化的優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)為地表煤氣逸散的可能性的降低、地面沉降現(xiàn)象的減少和地下水污染的避免。深層水平井的U 型井技術(shù)、楔形水平技術(shù)以及未來(lái)的水平分支井等技術(shù)都為地下煤氣化的點(diǎn)火和氣化腔以及產(chǎn)氣通道提供了有利技術(shù)和工藝的支撐；

(3) 水平井技術(shù)和可控后退式CRIP 點(diǎn)火技術(shù)是煤炭地下氣化的里程碑。水平井以及在此基礎(chǔ)上衍生的相關(guān)技術(shù)引進(jìn)自石油天然氣工業(yè)，但功不可沒(méi)，可控后退式CRIP 點(diǎn)火技術(shù)作為以水平井技術(shù)基礎(chǔ)上特有的煤炭地下氣化技術(shù)，已在目前國(guó)內(nèi)外的先導(dǎo)試驗(yàn)中發(fā)揮了巨大的作用。

5.3 鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)的新發(fā)展

隨著世界各國(guó)煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展，鉆井式煤炭地下氣化的技術(shù)不斷進(jìn)步。由于水平井解決井間貫通通道能力的獨(dú)特性，未來(lái)將發(fā)展成為主要的技術(shù)方式，其中包括楔形水平井、多分支水平井以及水平井井工廠等模式。

楔形水平井的注入井和生產(chǎn)井均為水平井，一口直井為兩口水平井的對(duì)接提供目標(biāo)，并用于點(diǎn)火啟動(dòng)氣化，注入和生產(chǎn)井按照規(guī)定的水平段間距(井距)，在煤層中平行鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深后，兩口井再次造斜向?qū)Ψ姐@進(jìn)并在第三口直井匯合。楔形水平井氣化爐沿點(diǎn)火直井注入易燃物，與已經(jīng)注入的氧氣混合，混合物被點(diǎn)燃后啟動(dòng)氣化。隨后沿注入井連續(xù)注入氣化劑，氣化過(guò)程中注入井和生產(chǎn)井的氣化工作面保持同步后退。楔形水平井結(jié)構(gòu)通過(guò)移動(dòng)注入管柱來(lái)實(shí)現(xiàn)，依靠著火點(diǎn)沿注入井的自然燃燒后退來(lái)保持與同步后退的煤表面接觸，與煤層充分燃燒后合成氣由生產(chǎn)井排出。楔形水平井煤炭地下氣化生產(chǎn)工藝流程圖如圖13 所示。

多分支水平井以及水平井井工廠等模式雖然已在地下油氣資源開(kāi)發(fā)中得到了一定的應(yīng)用，但是目前國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化先導(dǎo)試驗(yàn)中未見(jiàn)實(shí)施報(bào)道，隨著煤炭地下氣化技術(shù)的深入發(fā)展，多分支水平井以及水平井井工廠技術(shù)或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)在煤炭地下氣化技術(shù)中成為發(fā)展的新力量。

5.4 地下煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題

地下煤氣化技術(shù)從鉆孔式地下煤氣化發(fā)展到綜合利用水平井鉆井技術(shù)及CRIP 技術(shù)，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展階段，總結(jié)該發(fā)展過(guò)程所涉及的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題主要包括以下8 個(gè)方面：

?

圖13 楔形水平井煤炭地下氣化生產(chǎn)工藝流程圖(根據(jù)文獻(xiàn)[5] 修改)

(1)鉆孔的巖石破碎及孔壁和煤層附近巖層的應(yīng)力應(yīng)變穩(wěn)定性問(wèn)題；

(2)注入井孔與生產(chǎn)井孔之間以及煤層中的流體流動(dòng)問(wèn)題；

(3)注入井和產(chǎn)出井之間不同貫通方式及連通通道的流體流動(dòng)及傳熱問(wèn)題；

(4)注入井和產(chǎn)出井之間的及燃燒氣化腔體中流體流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；

(5)注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，燃燒氣化腔體中流體流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；

(6)燃燒氣化腔體外，腔體邊緣以及腔體不同深度中溫度、壓力以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；

(7) 注入井和產(chǎn)出井之間的水平井筒中，使用CRIP 技術(shù)后，不同燃燒氣化腔體之間的流體流動(dòng)問(wèn)題及傳熱傳質(zhì)問(wèn)題；

(8)在不同工藝工況條件下的變溫變壓變空間條件下，包括巖石破裂問(wèn)題、燃燒動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、流體流動(dòng)問(wèn)題、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題等的多場(chǎng)耦合力學(xué)問(wèn)題。

6 結(jié)論及建議

本文通過(guò)研究UCG 技術(shù)的理論起源、技術(shù)探索、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)施發(fā)展，分析了不同時(shí)期UCG 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。得到的主要結(jié)論如下：

(1)早期理論是對(duì)煤炭地下氣化具有總的指導(dǎo)意義，縱觀其發(fā)展歷史，所有技術(shù)發(fā)展都是在西蒙的理論和門捷列夫的工藝技術(shù)指導(dǎo)下完成的，并且是循序漸進(jìn)完善的。

早期鉆孔技術(shù)是通過(guò)在淺層煤層多排鉆孔，一排作為注入孔，一排作為生產(chǎn)井，從注入孔鼓入氣化劑，通過(guò)煤炭燃燒反應(yīng)和煤炭自身滲透性，由生產(chǎn)井輸出合成氣。由于煤炭滲透方向性不可控制，煤炭開(kāi)采率很低。

直井鉆井循序發(fā)展階段是在早期鉆孔技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)下，增加了煤層貫通技術(shù)。通過(guò)不同的貫通方式，在注入井和生產(chǎn)井之間增加貫通通道，控制了煤層反應(yīng)方向，提高了煤層開(kāi)采效率，但是由于貫通方法不成熟，對(duì)煤層滲透性要求較高，導(dǎo)致了大部分直井鉆井試驗(yàn)的失敗。

(2)水平井鉆井式技術(shù)突破階段是在直井的基礎(chǔ)上，利用水平井技術(shù)，將直井和水平井組合形成U 型井，主要在水平段氣化腔進(jìn)行氣化，增加了通道的連貫性，提高了煤炭開(kāi)采率。CRIP 工藝是指在U 型井內(nèi)氣化過(guò)程在受控條件下由注入點(diǎn)后退逐段進(jìn)行，煤氣可通過(guò)已燒過(guò)的空穴流動(dòng)，解決了在極高的巖層壓力下保持通道的問(wèn)題。

(3) 煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)?？v觀UCG 的發(fā)展史，每一次試驗(yàn)都為技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在前人的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)了煤炭氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)楔形、多分支井和水平井井工廠等水平井組合技術(shù)將成為未來(lái)的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。

(4)提出了不同技術(shù)條件下的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，不僅包括巖石破裂問(wèn)題、燃燒動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、流體流動(dòng)問(wèn)題、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，而且是這些力學(xué)問(wèn)題在不同工藝工況條件下的變溫變壓變空間條件下的多場(chǎng)耦合力學(xué)問(wèn)題，需要多學(xué)科協(xié)作共同聯(lián)合攻關(guān)完成。