孔令峰 東 振 陳艷鵬 薛俊杰 徐加放

1. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 2. 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司發(fā)展計(jì)劃部 3. 中國石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

中國是世界第一大工業(yè)國，能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量已經(jīng)連續(xù)多年保持世界第一。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)[1]，2021年中國原煤產(chǎn)量40.7×108t，原油產(chǎn)量1.99×108t，天然氣產(chǎn)量2 053×108m3；與美國相比，中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占比高、油氣占比低，這是中國“富煤、貧油、少氣”的化石能源資源稟賦特點(diǎn)所決定的。近年來可再生能源發(fā)電量和裝機(jī)容量保持快速增長，根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)[2]，2021年我國全社會用電量8.3×1012kW·h，其中風(fēng)電發(fā)電量6 526×108kW·h，光伏發(fā)電量3 259×108kW·h，二者合計(jì)占全社會用電量的11.8%，2021年可再生能源裝機(jī)容量占全部電力裝機(jī)容量比例已經(jīng)提高到44.8%，但是市場消納和調(diào)峰儲能滯后問題依然突出[3]。在構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的能源體系過程中，相對“高碳”的煤炭行業(yè)、“低碳”的油氣行業(yè)、“零碳”的可再生能源行業(yè)都遇到了各種各樣的發(fā)展困境[4]，例如傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)能增長受安全環(huán)保等因素抑制、油氣產(chǎn)量提升難度大、清潔電力調(diào)峰儲能設(shè)施不足且成本較高等。部分問題可以通過各行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和管理創(chuàng)新逐步緩解，但類似煤炭清潔開發(fā)利用、大幅提升油氣產(chǎn)量、清潔電力調(diào)峰儲能、降低碳排放等重大問題，則需要各能源行業(yè)之間的通力合作才能夠有效解決，有必要探索多種能源互相融合發(fā)展的低碳能源生態(tài)圈建設(shè)問題。

為此，在國家加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系大背景下，筆者提出了基于中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)（ISCCC）構(gòu)建低碳能源生態(tài)圈的設(shè)想。首先，提出了中深層ISCCC構(gòu)建低碳能源生態(tài)圈內(nèi)涵，基于中深層ISCCC發(fā)展基礎(chǔ)與技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建了低碳能源生態(tài)圈戰(zhàn)略和技術(shù)路線，以期推動煤炭、油氣、可再生能源發(fā)電行業(yè)融合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

1 雙碳目標(biāo)下中國能源行業(yè)主要發(fā)展困境

煤炭企業(yè)面臨的最大問題是產(chǎn)能增長受到安全環(huán)保等因素抑制[5]，煤炭屬于“高碳”能源，環(huán)保問題一直備受詬病，特別是我國“雙碳”目標(biāo)的提出對煤炭清潔開發(fā)利用提出了更高要求[6-7]。我國中東部煤炭開采深度加深、開采難度加大、成本上升明顯；西北地區(qū)煤炭資源豐富，但距離東部消費(fèi)市場較遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本高，就地轉(zhuǎn)化成為主要發(fā)展方向。地面煤制油、煤制氣項(xiàng)目淡水消耗量大、碳排放強(qiáng)度高、環(huán)保制約因素較大，投資經(jīng)濟(jì)性受國際原油價(jià)格影響很大。2020年初，受主要石油出口國爭奪市場份額和全球新型冠狀病毒疫情爆發(fā)等因素影響，國際油價(jià)（布倫特）一度暴跌至20美元/桶（1 桶＝158.98 L）以下，煤化工行業(yè)一度陷入大面積虧損。

油氣開采企業(yè)面臨的最大問題是國內(nèi)油氣資源品質(zhì)劣質(zhì)化趨勢持續(xù)加劇，原油產(chǎn)能提升難度大，近年來天然氣產(chǎn)量雖然保持快速增長（2021年已超過1.6×108t油當(dāng)量），但主要增量來自超深層天然氣、致密氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源，成本相對較高，繼續(xù)保持快速增長的潛力逐步減小[8]。為實(shí)現(xiàn)國內(nèi)2×108t原油穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)，需要加大在勘探開發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)上的投入，如果國際油價(jià)（布倫特）長期保持在50美元/桶以下，國內(nèi)大部分新增原油產(chǎn)能的完全成本將高于進(jìn)口原油。一些老油田仍有繼續(xù)提高采收率的潛力，隨著CO2驅(qū)油、減氧空氣驅(qū)等提高采收率（EOR）技術(shù)日益成熟[9-10]，如果能夠保障低價(jià)、穩(wěn)定的CO2和N2供應(yīng)，國內(nèi)老油田產(chǎn)能規(guī)模有望大幅提高[11]。

可再生能源發(fā)電企業(yè)的發(fā)展受到發(fā)電波動性大、傳輸成本高、綠電上網(wǎng)難度大等各種因素制約。近幾年，中國新增發(fā)電裝機(jī)主要來自可再生能源發(fā)電，風(fēng)光發(fā)電資源主要集中在“三北”地區(qū)，遠(yuǎn)離主要用電中心[12]，電力生產(chǎn)中心與消費(fèi)中心地域跨度大、遠(yuǎn)距離輸送成本高；可再生能源發(fā)電具有較強(qiáng)的“季節(jié)性、間歇性、波動性”，大量接入骨干電網(wǎng)后，會對電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行、調(diào)峰難度、調(diào)峰成本造成挑戰(zhàn)。目前天然氣發(fā)電裝機(jī)比例較小，電網(wǎng)調(diào)峰仍主要依靠備用煤電機(jī)組，以油氣行業(yè)為代表的區(qū)域性企業(yè)自備電網(wǎng)，是“三北地區(qū)”重要的大型負(fù)荷中心，就地消納分布式清潔電力的潛力很大。

2 能源行業(yè)融合發(fā)展基礎(chǔ)條件分析

中國作為一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)大國，煤炭、石油、天然氣等化石能源在較長一個(gè)時(shí)期內(nèi)仍將是能源供應(yīng)保障主體，為建設(shè)現(xiàn)代能源體系，必須同時(shí)解決能源安全供應(yīng)和低碳效益開發(fā)兩大問題。近年來，一些能源企業(yè)主動采取革命性舉措突破發(fā)展困境，在能源轉(zhuǎn)型發(fā)展和多能融合發(fā)展方面取得了一些突破。例如，一批煤炭、電力和油氣企業(yè)開拓煤炭轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，投資建設(shè)煤制油氣和化工品項(xiàng)目，2021年全國煤制油、煤制氣、煤制烯烴、煤制乙二醇產(chǎn)能分別達(dá)到931×104t、61.25×108m3、1 672×104t和 675×104t[13]。煤炭開采與發(fā)電企業(yè)兼并重組，保障了電煤資源供應(yīng)，降低了中間成本，也為煤炭生產(chǎn)鎖定了市場，促進(jìn)了煤炭和電力行業(yè)互利雙贏；主要發(fā)電企業(yè)大規(guī)模投資可再生能源發(fā)電項(xiàng)目，推動了風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的快速發(fā)展。國內(nèi)油氣開采企業(yè)也在致力于清潔轉(zhuǎn)型發(fā)展，利用自備電網(wǎng)積極消納清潔電力，提高清潔能源生產(chǎn)和消費(fèi)比重，促進(jìn)天然氣與可再生能源融合發(fā)展；同時(shí)積極布局油氣資源戰(zhàn)略接替問題，設(shè)立公司重大科技專項(xiàng)攻關(guān)中深層煤炭地下氣化技術(shù)[14-17]。

國內(nèi)主要含油氣盆地內(nèi)煤炭與油氣資源廣泛疊合分布，油氣開采所需電力供應(yīng)主要來自煤電，煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展也需要油氣基礎(chǔ)設(shè)施的支持。在廣袤的“三北”地區(qū)，風(fēng)能、太陽能資源極為豐富，是近年來可再生能源發(fā)電裝機(jī)快速增長的主戰(zhàn)場，油氣田自備電網(wǎng)多是覆蓋面積很廣的大型工業(yè)配電網(wǎng)，消納可再生能源發(fā)電的潛力很大；一旦電解水技術(shù)成熟，有望通過綠電電解水制氫為附近煤化工提供規(guī)模氫氣，減少燃料煤用量和碳排放。隨著大量油藏逐步進(jìn)入生產(chǎn)后期以及大量低滲透原油儲量投入開發(fā)，大規(guī)模實(shí)施氣驅(qū)EOR項(xiàng)目對CO2的需求量很大[18]，利用枯竭油氣藏埋藏CO2的潛力也很大[19]，這也為煤化工項(xiàng)目的“碳減排”創(chuàng)造了條件?？缃缛诤习l(fā)展，需要以資源、技術(shù)和市場的“全面共享”為基礎(chǔ)，發(fā)揮各自傳統(tǒng)優(yōu)勢，通過優(yōu)劣互補(bǔ)降低生產(chǎn)成本、提高市場競爭力、促進(jìn)清潔發(fā)展、實(shí)現(xiàn)互利共贏。便利的能源基礎(chǔ)設(shè)施、優(yōu)越的地理位置條件、跨行業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)，為合力構(gòu)建化石能源與可再生能源全面融合發(fā)展的低碳能源生態(tài)圈創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

3 構(gòu)建低碳能源生態(tài)圈的設(shè)想

3.1 中深層ISCCC構(gòu)建低碳能源生態(tài)圈內(nèi)涵

在煤炭資源清潔開發(fā)利用領(lǐng)域，煤原位清潔轉(zhuǎn)化（In-situ Coal Clean Conversion，縮寫為 ISCCC）是一項(xiàng)非常有潛力的顛覆性技術(shù)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)煤炭清潔開發(fā)和轉(zhuǎn)化利用目標(biāo)。ISCCC是指通過石油工程技術(shù)在原始煤層構(gòu)建“地下氣化爐”，將大量沒有機(jī)械開采價(jià)值的中深層煤炭資源原位轉(zhuǎn)化為CH4、H2、CO、低碳烴等可燃?xì)怏w和焦油等液體產(chǎn)品，同時(shí)將產(chǎn)生的CO2用于氣體驅(qū)油或者回填到地下氣化腔、枯竭油氣藏或咸水層。區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的煤炭地下氣化概念，煤原位清潔轉(zhuǎn)化更強(qiáng)調(diào)合成氣中CO2的利用和埋藏，更符合“雙碳”目標(biāo)下的化石能源發(fā)展要求。目標(biāo)煤層埋深越大、氣化允許的上限壓力越高，ISCCC的工程難度也會呈現(xiàn)幾何級數(shù)增加，在運(yùn)行安全性、氣化燃燒可控性、井下監(jiān)測實(shí)時(shí)性、井筒完整性、設(shè)備工具可靠性等方面都會面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。國內(nèi)外已經(jīng)開展的現(xiàn)場試驗(yàn)主要集中在埋深500 m以淺的深度范圍，根據(jù)當(dāng)前工程技術(shù)水平并參考國內(nèi)煤礦主要開采深度范圍，本文將埋深500～4 000 m的煤層統(tǒng)稱“中深層”，其中500～1 000 m為“中等埋深層”、1 000～2 000 m為“深層”、2 000～4 000 m為“超深層”，除非另有所指。

中深層ISCCC與化石能源、可再生能源之間都有很好的融合性，能夠發(fā)揮關(guān)鍵樞紐作用協(xié)同“油、氣、熱、電、氫”五大能源領(lǐng)域、拓展化工領(lǐng)域，通過“油氣增產(chǎn)、余熱利用、灰氫與藍(lán)氫制備、清潔發(fā)電、低碳開發(fā)、新型煤化工生產(chǎn)”打造低碳能源生態(tài)圈（圖1）。具體來說，在油氣增產(chǎn)方面，合成氣中的CH4和焦油可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為國產(chǎn)天然氣、成品油；副產(chǎn)品CO2和N2可用于氣驅(qū)提高原油采收率，短期大幅提高國內(nèi)油氣產(chǎn)量。在余熱利用方面，由于生產(chǎn)井口合成氣溫度遠(yuǎn)高于地?zé)崴捎糜谟吞锷a(chǎn)熱利用、余熱發(fā)電或者外供采暖。在灰氫與藍(lán)氫制備方面，灰氫可通過合成氣提純獲得；西安交通大學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在超臨界水氣化條件下（溫度大于等于374.3 ℃、壓力大于等于22.1 MPa）煤的氣化反應(yīng)更高效，H2在合成氣中的體積比可超過50%[20]，一旦超深層煤超臨界水氣化和碳捕獲、利用與封存技術(shù)成熟推廣，可規(guī)模供應(yīng)H2用于化工、交通領(lǐng)域或支撐氫冶金等行業(yè)深度脫碳，成為藍(lán)氫制備的重要途徑之一。在清潔發(fā)電方面，通過建設(shè)氫燃料電池、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，縮寫為SOFC）、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（Integrated Gasification Combined Cycle，縮寫為IGCC），生產(chǎn)清潔電力供礦區(qū)自用或?yàn)轱L(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)提供調(diào)峰服務(wù)。低碳開發(fā)方面，與傳統(tǒng)煤制油氣相比，ISCCC具有環(huán)境友好、水資源消耗低、生產(chǎn)流程短、資源利用率高、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著的優(yōu)勢，廢棄氣化腔可用于就近埋藏CO2，還可以將廢棄氣化腔改造成地下儲氣庫，開展地下空間綜合利用。在新型煤化工方面，ISCCC產(chǎn)出的合成氣具有一定溫度、壓力，適宜作為附近煤化工企業(yè)的原料氣，利用新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)風(fēng)電和光伏發(fā)電項(xiàng)目電解水制綠氫，將綠氫與合成氣按照氫碳比2∶1的比例混合，用以生產(chǎn)甲醇、烯烴等單碳或雙碳化工原料，縮短現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)煤炭開采、原料供應(yīng)、化工生產(chǎn)一體化。

圖1 基于ISCCC的低碳能源生態(tài)圈示意圖

3.2 中深層ISCCC發(fā)展基礎(chǔ)與技術(shù)優(yōu)勢

中深層ISCCC既是煤炭行業(yè)的革命，也是油氣行業(yè)和電力行業(yè)的革命，也有條件催生一場“碳減排”領(lǐng)域的革命。國家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030年）明確提出，要在2030年實(shí)現(xiàn)規(guī)模化地下氣化開采工業(yè)示范，中深層ISCCC作為構(gòu)建低碳能源生態(tài)圈的關(guān)鍵樞紐，在資源規(guī)模、產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)、協(xié)同經(jīng)濟(jì)效益方面具有優(yōu)勢。

3.2.1 資源潛力巨大，技術(shù)成熟度不斷提高

根據(jù)中國石油天然氣集團(tuán)公司在鄂爾多斯盆地油氣勘查資料[15]，全盆地埋深4 000 m以淺的煤炭預(yù)測總資源量為6.92×1012t，其中埋深介于1 000～3 000 m的資源量約為4.4×1012t，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)超過國土資源部發(fā)布的全國2 000 m以淺煤炭總資源量5.9×1012t。據(jù)各省地礦部門發(fā)布的資料初步分析，準(zhǔn)東、哈密、三塘湖、二連、海拉爾等地區(qū)蘊(yùn)藏上萬億噸埋深500～2 500 m的優(yōu)質(zhì)褐煤和低變質(zhì)煙煤資源，很多已經(jīng)超出機(jī)械開采范圍，適于實(shí)施原位清潔轉(zhuǎn)化開發(fā)。在不與現(xiàn)有煤炭開采、煤電、煤化工產(chǎn)業(yè)爭煤前提下，保守預(yù)測全國埋深500～4 000 m煤炭總資源量約6×1012t[15,17,21-22]，Marc[23]認(rèn)為全球平均適宜地下氣化的煤炭資源比例約為7%，假設(shè)5%的煤炭資源（約3 000×108t）實(shí)施原位轉(zhuǎn)化開發(fā)，按照氣化率60%、噸煤平均轉(zhuǎn)化320 m3的CH4測算，相當(dāng)于增加57.6×1012m3的“天然氣可采儲量”。需要說明的是，CH4的噸煤轉(zhuǎn)化率與煤層埋深、煤階煤質(zhì)、氣化劑類型、氣化工藝、技術(shù)成熟度等都有關(guān)，并且隨著埋深增加出現(xiàn)“淺層富氫、深層富CH4、超深層超臨界水氣化極富氫”3種開發(fā)模式[17]，考慮研究埋深范圍不同，本文在噸煤CH4產(chǎn)率的取值上將有所差異。

目前國內(nèi)外ISCCC試驗(yàn)主要傾向于“水平井＋連續(xù)油管”為基礎(chǔ)的注入點(diǎn)可控后退（Controlled Retracting Injection Point，縮寫為CRIP）技術(shù)理念，重點(diǎn)瞄準(zhǔn)中深煤層攻關(guān)中高壓富氧氣化工藝，強(qiáng)化“甲烷化”反應(yīng)提高CH4產(chǎn)率。2019年10月，鄂爾多斯唐家會煤炭地下氣化項(xiàng)目成功實(shí)施世界上首次中等埋深煤層（煤層埋深522 m）平行水平井組（Parallel CRIP，縮寫為P-CRIP）氣化試驗(yàn)，首次應(yīng)用了大口徑同心連續(xù)油管，試驗(yàn)3 MPa純氧氣化，為推進(jìn)中深層ISCCC技術(shù)的擴(kuò)大試驗(yàn)和商業(yè)化邁出了關(guān)鍵一大步[14]，中國石油在內(nèi)的能源企業(yè)積極設(shè)立科技專項(xiàng)攻關(guān)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備工具。目前中深層ISCCC還有待嘗試更大埋深和更高氣化壓力下的多井組長周期連續(xù)氣化試驗(yàn)，確保將單井組日產(chǎn)和累產(chǎn)氣量提高到商業(yè)門檻以上，為實(shí)施地下地面一體化的商業(yè)化示范項(xiàng)目創(chuàng)造條件。

3.2.2 產(chǎn)品類型豐富，多產(chǎn)業(yè)融合優(yōu)勢明顯

由于煤質(zhì)、氣化劑類型和氣化壓力不同，合成氣的組分各有差異，可以根據(jù)市場需求選擇不同產(chǎn)品路線。圖2是以CH4為主要產(chǎn)品方向的中深層ISCCC協(xié)同發(fā)展項(xiàng)目，從提高能效和投資效益角度，選擇地面短流程、放棄地面甲烷化裝置（甲烷化反應(yīng)在地下完成），將CO變換后深冷分離CH4和H2。CH4以LNG形式銷售，焦油和低碳烴用于化工領(lǐng)域，H2可以作為化工原料，也可以通過管道外輸或液化后外銷，還可以通過氫燃料電池發(fā)電站生產(chǎn)清潔電力，產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)純水返回氣化系統(tǒng)循環(huán)利用。項(xiàng)目主要副產(chǎn)品為CO2和地面空分系統(tǒng)副產(chǎn)N2，部分CO2可以就地埋藏于廢棄氣化腔中（900 m以深煤層，理論上廢棄氣化腔、上部裂隙帶能以超臨界狀態(tài)埋藏超過50%的自產(chǎn)CO2），其余CO2可用于驅(qū)油提高采收率或埋藏到枯竭油氣田；N2除了少部分用于系統(tǒng)工藝外（管線吹掃、井筒保護(hù)等），大部分可以直接用于減氧空氣驅(qū)提高石油采收率[10]。風(fēng)電、光伏發(fā)電生產(chǎn)的綠電通過電解水反應(yīng)生產(chǎn)綠氫，與凈化后的合成氣共同輸送到附近化工廠生產(chǎn)甲醇等化工原料，也可以與N2通過化學(xué)反應(yīng)制氨，拓展工業(yè)制氨新途徑；同時(shí)電解水生產(chǎn)的氧氣可用于原位轉(zhuǎn)化反應(yīng)，減少地面空分裝置規(guī)模，降低地面投資。

圖2 中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化協(xié)同發(fā)展項(xiàng)目示意圖

3.2.3 低碳能源生態(tài)圈協(xié)同經(jīng)濟(jì)效益有競爭力

京津冀地區(qū)的天然氣、電力等清潔能源需求旺盛，蒙東地區(qū)油田氣驅(qū)提高采收率面臨氣源供給不穩(wěn)定、售價(jià)高等難題，以蒙東地區(qū)埋深約700 m的高揮發(fā)分、高熱值長焰煤ISCCC協(xié)同項(xiàng)目為例[24]分析經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目以CH4作為主產(chǎn)品，采用地下5 MPa純氧氣化工藝和地面短流程工藝設(shè)計(jì)，除了空分和給水系統(tǒng)，主要建設(shè)合成氣凈化、水煤氣變換、CH4和H2深冷分離、氫燃料電池電站和配套安全環(huán)保設(shè)施等。按照效益最大化原則，CH4以LNG形式銷售，低碳烴和焦油銷售給煉廠；H2就地用于氫燃料電池發(fā)電，余電上網(wǎng)銷售；CO2捕集后用于驅(qū)油提高采收率，N2經(jīng)過管輸用于低滲透—特低滲透油藏減氧空氣驅(qū)；硫磺和其他副產(chǎn)品暫不計(jì)收入。假設(shè)單井組平均日氣化煤炭260 t，產(chǎn)CH4約8.4×104m3（CH4產(chǎn)率為 320 m3/t）、H2約 10.5×104m3（含 CO變換產(chǎn)量）、低碳烴和焦油約6.7 t（產(chǎn)率為2.5%），副產(chǎn)CO2約15×104m3、N2約55×104m3。一個(gè)批次同時(shí)運(yùn)行18個(gè)P-CRIP井組，依次投產(chǎn)4個(gè)批次共72個(gè)井組，每批次服役期5年，項(xiàng)目生產(chǎn)期20年。

考慮氫氣產(chǎn)量波動和生產(chǎn)運(yùn)輸過程損耗，項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)100 MW氫燃料電池電站（能量轉(zhuǎn)換率40%），每天滿額發(fā)電量240×104kW·h，相比地面煤制天然氣項(xiàng)目，原位轉(zhuǎn)化在加壓用能、廢水廢渣處理方面具有節(jié)能優(yōu)勢，測算每天用電約80×104kW·h（總發(fā)電量30%），余電上網(wǎng)外供，同時(shí)每天生產(chǎn)中高溫純水約1 500 t。按照自發(fā)自用電成本0.45 元/（kW·h）測算CO2捕集成本僅為50元/t，考慮200 km以內(nèi)管輸成本，CO2抵達(dá)氣驅(qū)井口的總成本不超過100元/t。根據(jù)國內(nèi)CO2驅(qū)油項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，平均每注入3 t CO2可以增產(chǎn)1 t原油，該項(xiàng)目可以支撐50×104t/a規(guī)模的CO2驅(qū)油項(xiàng)目。副產(chǎn)品N2用于驅(qū)油提高采收率，可以按照“零成本”敞開供應(yīng)，按照工業(yè)制氮平均成本500元/t反算管輸距離，足以支撐500 km管輸距離以內(nèi)的N2驅(qū)油項(xiàng)目。

從全項(xiàng)目成本看，項(xiàng)目每天消耗煤炭約4 700 t，生 產(chǎn) 150×104m3天 然 氣（CH4產(chǎn) 率為 320 m3/t）、120 t低碳烴和焦油等產(chǎn)品，考慮項(xiàng)目耗電波動等情況，外輸電力按總發(fā)電量的60%和70%分別測算，按照CH4（LNG）出廠價(jià)格3 200 元/t、低碳烴和焦油售價(jià)2 000 元/t、外銷電價(jià)0.45 元/（kW·h）計(jì)算。按照現(xiàn)行工程造價(jià)水平估算，整個(gè)原位轉(zhuǎn)化＋氫燃料電池發(fā)電聯(lián)合項(xiàng)目總投資約52億元，其中地下原位轉(zhuǎn)化系統(tǒng)4批次共72個(gè)井組總投資約21.6億元、地面系統(tǒng)投資約18.4億元、100 MW氫燃料電池發(fā)電站投資約12億元。聯(lián)合項(xiàng)目每天折舊費(fèi)用約78萬元；參照地面煤制氣項(xiàng)目，估算每天生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用約200萬元[25]。項(xiàng)目不考慮CO2、N2銷售和余熱發(fā)電收益，扣除資源稅、所得稅后粗算項(xiàng)目年收益分別為3.67億元和3.91億元，投資收益率約為9%～10%，投資回收期約15年。需要說明的是，本案例項(xiàng)目考慮的條件比較理想（產(chǎn)品全部銷售、CO2全部用于驅(qū)油項(xiàng)目等），建議在具體生產(chǎn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性分析過程中，考慮能源政策、價(jià)格波動、產(chǎn)能波動、鄰近市場對產(chǎn)品消納能力、實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間等因素對經(jīng)濟(jì)效益的影響，以便為項(xiàng)目建設(shè)提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

4 構(gòu)建低碳能源生態(tài)圈戰(zhàn)略

4.1 低碳能源生態(tài)圈發(fā)展路線

以“油氣增產(chǎn)、協(xié)同開發(fā)”“天然氣接替，藍(lán)氫上產(chǎn)”“清潔轉(zhuǎn)型，氫電為主”作為三個(gè)階段發(fā)展目標(biāo)，按照“中等埋深—深層—超深層”逐步攻克ISCCC系列關(guān)鍵技術(shù)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，制定低碳能源生態(tài)圈發(fā)展路線（表1）。

表1 低碳能源生態(tài)圈三步走發(fā)展戰(zhàn)略表

4.1.1 中等埋深低碳能源生態(tài)圈

石油行業(yè)的加入將顯著加快ISCCC技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)進(jìn)程，2025年有望完成中等埋深I(lǐng)SCCC先導(dǎo)試驗(yàn)，到2035年項(xiàng)目將覆蓋多數(shù)中等埋深煤炭資源富集區(qū)和油氣生產(chǎn)區(qū)，預(yù)計(jì)每年氣化煤炭2.5×108t，天然氣產(chǎn)能達(dá)到500×108m3/a（因煤層埋深較淺導(dǎo)致氣化壓力上限較低，噸煤CH4產(chǎn)率按200 m3/t計(jì)算）、低碳烴和焦油產(chǎn)能達(dá)到400×104t/a、H2產(chǎn)能達(dá)到1 000×104t/a。副產(chǎn)品CO2足以支撐5 000×104t/a產(chǎn)能規(guī)模的CO2驅(qū)油提高采收率項(xiàng)目，副產(chǎn)品N2足以支撐上億噸產(chǎn)能規(guī)模的低滲透油藏減氧空氣驅(qū)高效開發(fā)項(xiàng)目，通過大范圍實(shí)施老油田提高采收率工程，推動數(shù)十億噸特低滲透難動用石油儲量的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

4.1.2 深層低碳能源生態(tài)圈

深層高壓氣化有利于強(qiáng)化“甲烷化”反應(yīng)，從而提高合成氣中CH4比例，考慮到油氣資源戰(zhàn)略接替的迫切需要，油氣行業(yè)有必要在2030年突破深層ISCCC技術(shù)，繼續(xù)解放中東部地區(qū)大量深層煤炭資源。中東部地區(qū)距離天然氣和氫氣的高端市場更近，氫氣通過管輸或液氫運(yùn)輸成本更低[26-28]，將為“氫能產(chǎn)業(yè)鏈”建設(shè)提供有力支撐。深層ISCCC的廢棄氣化腔也可以產(chǎn)生價(jià)值，能夠以超臨界狀態(tài)就地埋藏CO2或者改造為大容量、低運(yùn)行成本的煤穴儲氣庫[29]，以平均埋深1 500 m的深層ISCCC項(xiàng)目為例，每氣化1×108t煤炭資源，地下能夠形成約0.4×108m3的有效體積空間（煤密度1.4 t/m3、氣化效率60%），理論上可以形成超過60×108m3的天然氣庫容（按15 MPa計(jì)算），可以獲得20×108m3有效工作氣量（有效工作氣量占總庫容40%），在庫址資源稀缺的中東部地區(qū)十分珍貴。

4.1.3 超深層低碳能源生態(tài)圈

2 000 m以深的超深煤層有利于開展近臨界水氣化或超臨界水氣化[16-17]，氣化產(chǎn)物極富氫，地面配套工藝流程更短；超臨界水煤氣化制氫發(fā)電，有望在能效和清潔生產(chǎn)方面給傳統(tǒng)煤電行業(yè)帶來一場革命。利用天然地層作為“反應(yīng)容器”，能夠大幅降低工程造價(jià)、提高項(xiàng)目投資經(jīng)濟(jì)性，但對井筒和井下工具的材質(zhì)要求很高，需要同時(shí)滿足超高壓、高溫和強(qiáng)氧化、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的安全要求。超臨界水煤氣化技術(shù)的突破，對稠油的超臨界水氣化開發(fā)也具有借鑒意義，將低效率“采油”變?yōu)楦咝省安蓺狻保瑢P活大量超深層稠油資源[30]。

4.2 低碳能源生態(tài)圈背景下能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測

根據(jù)前文分析結(jié)果，預(yù)計(jì)2050年中等埋深和深層ISCCC項(xiàng)目的CH4、H2產(chǎn)能有望達(dá)到3 500×108m3/a、4 000×104t/a；超深層ISCCC項(xiàng)目的CH4、H2產(chǎn)能有望達(dá)到1 500×108m3/a、6 000×104t/a，二者累加后的中深層ISCCC項(xiàng)目（500～4 000 m）CH4總產(chǎn)能約 5 000×108m3/a、H2總產(chǎn)能約 1.0×108t/a（圖 3）。屆時(shí)每年約氣化煤炭16×108t，相當(dāng)于近一半的“煤炭產(chǎn)能”實(shí)現(xiàn)清潔轉(zhuǎn)型，“國產(chǎn)天然氣”產(chǎn)量增加1.5倍，可以支撐清潔電力裝機(jī)增加2倍，并為“氫能社會”2億輛氫燃料電池汽車提供低價(jià)氫源。如果將其中1/5的深層和超深層ISCCC廢棄氣化腔改造為煤穴儲氣庫，到2050年總庫容可達(dá)3 000×108m3，有效工作氣量達(dá)到 1 200×108m3，將徹底解決地下儲氣庫能力不足問題。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目估算[14,31-33]，我國建成低碳能源生態(tài)圈后，每年將產(chǎn)生約11×108t的CO2，其中廢棄氣化腔可以就地埋藏約6×108t[19]，EOR項(xiàng)目可以埋藏1.5×108t，剩余CO2可以全部埋藏到廢棄油氣藏或地下鹽水層、煤層中[11]。

圖3 中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化產(chǎn)能預(yù)測圖

按照中國能源轉(zhuǎn)型中情景估計(jì)[34]，不考慮中深層ISCCC業(yè)務(wù)，到2050年我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)有望轉(zhuǎn)型為：煤炭31%、石油15%、天然氣17%、水電和核電17%、其他可再生和氫能20%?？紤]中深層ISCCC的突破，2050年能源結(jié)構(gòu)有望進(jìn)一步清潔化，提前建成氫能社會，調(diào)整為煤炭15%、石油15%、天然氣25%、水電和核電17%、其他可再生和氫能28%，其中，中深層ISCCC業(yè)務(wù)總體能源貢獻(xiàn)率約16%，但對能源結(jié)構(gòu)的清潔化率貢獻(xiàn)超過30%（圖4）。

圖4 2050年中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測圖

5 低碳能源生態(tài)圈前景與挑戰(zhàn)

5.1 低碳能源生態(tài)圈前景分析

雙碳目標(biāo)下，化石能源的清潔低碳開發(fā)利用成為不可回避的重大科學(xué)問題，化石能源與可再生能源之間的融合發(fā)展也成為必然趨勢，基于中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)的低碳能源生態(tài)圈是我國未來能

源的潛在增長極之一，有望推動多種能源融合發(fā)展， 擁有廣闊的發(fā)展前景，體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1）能夠大幅提升油氣供給能力，夯實(shí)國內(nèi)能源自主供給基礎(chǔ)。國內(nèi)持續(xù)攀升的油氣對外依存度一直是影響我國能源安全的短板，技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展成為解決國內(nèi)油氣資源先天不足的根本手段。中深層ISCCC能夠在短時(shí)間倍增天然氣產(chǎn)量，快速提升國內(nèi)天然氣供給能力，作為副產(chǎn)品的CO2和N2，解決了一直制約氣驅(qū)提高原油采油率技術(shù)推廣的氣源問題，同時(shí)為石油工程技術(shù)開辟了“固體資源流態(tài)化開發(fā)”的新戰(zhàn)場，極大緩解油氣地下儲備空間不足的困局，對保障國內(nèi)油氣供給安全意義重大。

2）引領(lǐng)中深層煤炭資源清潔開發(fā)，推動煤炭產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展。中深層ISCCC不僅能夠盤活中深層煤炭資源，避免井工開采中洗煤環(huán)節(jié)對水資源浪費(fèi)，而且能夠減少煤炭利用過程中固體廢棄物、粉塵、污水、SO2等有害氣體對生態(tài)環(huán)境的影響；合成氣兼具能源和原料屬性，能夠?yàn)楝F(xiàn)代煤化工提供清潔原料，大大縮短煤炭從開采到利用過程的產(chǎn)業(yè)鏈長度，是煤炭清潔轉(zhuǎn)型的重要方向。低碳能源生態(tài)圈通過“源頭減碳”從根本上解決煤炭利用中的溫室氣體排放問題，在保障國家能源安全供給的前提下加快推動我國煤炭產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

3）催生多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的新業(yè)態(tài)，加速構(gòu)建清潔能源多元化供應(yīng)體系。低碳能源生態(tài)圈有望催生多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的新業(yè)態(tài)，并帶來整體經(jīng)濟(jì)效益的提升。超臨界水作為氣化過程中的載能工質(zhì)和均相、高速反應(yīng)媒介，能使煤炭化學(xué)能直接高效轉(zhuǎn)化為氫氣化學(xué)能，所含的硫、各種金屬及無機(jī)礦物質(zhì)成分，以灰渣形式留在地下，是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ牡叵略恢茪湫履Ｊ?，也是具有中國特色的原?chuàng)技術(shù)。高溫合成氣為固體燃料電池的規(guī)模應(yīng)用提供了新的工況場景，能夠充分發(fā)揮固體燃料電池在吃粗糧、低成本、高能效、環(huán)境友好等方面的優(yōu)勢，為化石能源的高效清潔發(fā)電提供了新技術(shù)路徑，新業(yè)態(tài)的出現(xiàn)有望為我國高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)更多清潔能源。

5.2 低碳能源生態(tài)圈面臨挑戰(zhàn)與對策

1930年起蘇聯(lián)、歐洲、中國、美國、澳大利亞、加拿大等世界主要富煤國家都組織實(shí)施了煤炭地下氣化現(xiàn)場試驗(yàn)，但由于環(huán)境污染（地層水污染、氣體泄漏、地表沉降等）、安全事故（井下爆炸引發(fā)火災(zāi)、氧氣短路增加合成氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)）、氣化效率低（合成氣熱值低、組分波動大）、能源政策（澳大利亞昆士蘭政府禁止開展現(xiàn)場試驗(yàn)）等原因未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。中深層煤炭原位清潔轉(zhuǎn)化在超高溫（1 000～1 200 ℃）、中高壓（5 MPa以上）、高腐蝕（H2O、H2、CO2、H2S)的密閉環(huán)境進(jìn)行，在全生命周期安全性、氣化燃燒可控性、產(chǎn)氣高效性、井筒完整性、裝備可靠性方面都面臨巨大挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)尚不具備中高壓（5 MPa以上）大型氣化物理模擬能力，在高壓氣化開發(fā)理論方面基礎(chǔ)薄弱，存在中深層煤炭原位清潔轉(zhuǎn)化地質(zhì)—開發(fā)—工程一體化關(guān)鍵技術(shù)體系不成熟，可燃套管、井下燃燒器、連續(xù)油管等裝備工具可靠性有待驗(yàn)證提高，500 m以深現(xiàn)場試驗(yàn)和多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展經(jīng)驗(yàn)不足等問題。

為建成低碳能源生態(tài)圈，建議從國家政策、企業(yè)配套、技術(shù)攻關(guān)三個(gè)方面持續(xù)發(fā)力：①煤炭原位清潔轉(zhuǎn)化屬于煤炭清潔利用范疇，符合國家化石資源稟賦特點(diǎn)和清潔低碳發(fā)展要求，應(yīng)積極推動國家出臺多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的鼓勵(lì)政策，營造積極的發(fā)展環(huán)境。建議設(shè)立國家級煤炭原位清潔轉(zhuǎn)化研發(fā)中心；研究制定相應(yīng)的稅收激勵(lì)、財(cái)政補(bǔ)貼、礦權(quán)保護(hù)等優(yōu)惠政策；建議不將煤原位清潔轉(zhuǎn)化列入煤炭產(chǎn)能限制，利用規(guī)模不計(jì)入燃煤總量控制范圍。②充分調(diào)動能源企業(yè)積極性，逐步完善企業(yè)體制機(jī)制，組織制定中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化中長期科技和業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃，以企業(yè)為主導(dǎo)構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合創(chuàng)新平臺，積極籌建煤原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)委員會和標(biāo)準(zhǔn)化組織，對組織開展產(chǎn)業(yè)協(xié)同示范的油田單位給予資金支持，通過優(yōu)化考核機(jī)制以充分調(diào)動更多油田單位積極性，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。③加大科技攻關(guān)力度，建立多學(xué)科跨行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)機(jī)制，加快形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系，以技術(shù)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中深層煤炭原位轉(zhuǎn)化是多學(xué)科多專業(yè)交叉的技術(shù)密集型新產(chǎn)業(yè)，是我國低碳能源生態(tài)圈能否建成的關(guān)鍵，目前該技術(shù)尚處于起步研究階段，在安全地質(zhì)評價(jià)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研發(fā)、可控氣化燃燒與動態(tài)監(jiān)測、高效產(chǎn)氣與催化增產(chǎn)、井筒完整性研究與裝備工具研發(fā)、合成氣綜合利用和廢棄腔碳埋藏等方向持續(xù)加大攻關(guān)力度，培養(yǎng)一支專門從事中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化的科研、技術(shù)、管理人才隊(duì)伍，加快現(xiàn)場試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，進(jìn)一步夯實(shí)低碳能源生態(tài)圈建設(shè)物質(zhì)基礎(chǔ)，爭取早日探索形成一條具有中國特色的能源高質(zhì)量融合發(fā)展新道路。

6 結(jié)論

1）中國是世界最大的工業(yè)國，資源稟賦與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展基本國情，決定了能源清潔轉(zhuǎn)型發(fā)展的現(xiàn)實(shí)路徑是從“高碳”能源逐步轉(zhuǎn)向“低碳”能源，不斷提升“零碳”能源供應(yīng)比重，而不是盲目追求100%的可再生能源供應(yīng)。構(gòu)建以中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)為基礎(chǔ)的低碳能源生態(tài)圈，能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)化石能源與可再生能源全面融合發(fā)展搭建橋梁，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置的同時(shí)解決各能源領(lǐng)域的發(fā)展難題，并帶來可觀的協(xié)同經(jīng)濟(jì)效益。

2）低碳能源生態(tài)圈將深刻改變我國能源產(chǎn)業(yè)格局，使中國化石能源由目前的煤、油分業(yè)發(fā)展，向煤、油、氣、電、氫、化工組合發(fā)展的新格局轉(zhuǎn)變。低碳能源生態(tài)圈能夠大幅提高國內(nèi)油氣供應(yīng)能力、有效解決煤炭資源清潔開發(fā)利用和可再生能源發(fā)電消納、調(diào)峰難題，在新型能源體系中發(fā)揮支柱作用，是符合中國國情、具有中國特色的化石能源清潔轉(zhuǎn)型發(fā)展之路。

3）中深層煤原位清潔轉(zhuǎn)化是已知溫度最高的化石能源原位開發(fā)方式，目前尚處于起步研究階段，該技術(shù)一旦取得突破，將大大推動化石能源技術(shù)革命進(jìn)程，對其他化石資源原位開發(fā)起到積極推動作用。油氣企業(yè)在地下化石資源的勘探開發(fā)利用方面具有技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)具備井下特殊裝備工具研發(fā)能力和油氣資源接替現(xiàn)實(shí)需求，油氣企業(yè)組織開展系統(tǒng)攻關(guān)研究，將有利于加快理論技術(shù)創(chuàng)新和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)度，有望成為推動該技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主力軍。