煤炭地下气化：天然气规模上产新途径

　　随着科技革命的到来，世界能源正在形成煤炭清洁化革命、非常规油气革命、新能源革命与智能化革命等多种能源革命跨界发展的新浪潮。人类利用能源也正在从高碳向低碳、非碳化发展。而“煤炭地下气化”有可能成为这次浪潮的新生力量。

　　煤炭地下气化是指将地层中的煤炭通过适当的工程工艺技术，在地下原位进行有控制的燃烧，在煤的热作用及化学作用下产生甲烷、氢气等可燃合成气的过程。

　　煤炭地下气化可有效避免因采煤引起的安全和生态环境问题，提高资源利用效率，变物理采煤为化学采气，有效缓解“富煤”和“气不足”之间的矛盾。如果该技术取得成功，将引领中国“天然气革命”，实现天然气产量跨越增长。

　　主要目的层为中深层

　　目前，煤炭地下气化技术已基本成熟，但受工艺技术本身及市场、安全环保等外部环境的影响，产业化步伐进展缓慢。中深层和产业融合将是未来煤炭地下气化的发展方向。

　　不考虑煤阶、地表条件等因素，初步匡算，中国埋深1000~3000米的可气化煤炭折合天然气资源量为（272~332）×1012 立方米，是常规天然气资源量的3倍，与非常规天然气资源量的总和相当，开发潜力巨大。

　　国内外的现场试验表明，浅层煤炭地下气化技术基本成熟，但并没有取得规模产业化发展，原因有三。一是地质选区过程中论证不充分，如因地层水大量涌入气化腔导致试验停止等；二是地下气化技术和工艺对地质、工程、地面要求非常高，技术本身仍存在需要完善之处；三是绝大部分浅层试验项目受外部环境的影响大，如国家环保政策导致试验停止、地表下陷和浅层水污染导致项目停止等。

　　而相对于浅层煤层，中深层煤炭地下气化有很多优点：一是气化炉远离地表及饮用水源，避免了直接环境污染；二是埋深增大有利于增加气化炉的密闭性，避免了大量裂隙导致的产出气泄漏；三是随着埋深增大温度提高，气化反应速度和热值也随之提高。

　　但随着埋深的增大，地层压力也随之加强，地层情况更为复杂，施工和监测控制技术难度增加，项目成本也随之上涨。为尽量避免可能的地下水污染以及避开与煤炭开采企业的业务范围重叠，煤炭地下气化未来一定是向中深层、深层甚至超深层发展。

　　发展面临挑战

　　中深层煤炭地下气化反应机理更为复杂，对工程工艺技术要求也更高，因此，中深层煤炭地下气化工业化试验仍面临诸多挑战。

　　受高温高压影响，中深层煤炭气化化学反应机理从简单的燃烧干馏反应为主变成甲烷化反应为主，地下反应过程更为复杂，反应腔的煤岩煤质、封闭性等反应条件对地下气化影响显著，这也使得其对地质选区标准的要求更高，对反应精准控制的工艺技术要求也随之增加。

　　环境影响也是挑战之一。煤炭地下气化对环境影响主要包括地下水污染及大量CO2的排放。地下水污染的途径包括污染物随煤气通过围岩裂隙向周围地层扩散和渗透以及在地下水中浸出并随之迁移。污染物包括苯及其衍生物、酚类化合物、多环芳烃、杂环化合物等有机污染物及氨氮、***和金属元素等无机污染物。这些污染物可以有效防控，但无法低成本根除。

　　产出气中CO2处理是煤炭地下气化规模化生产后必须面对的另一个环境问题。结合油气工业的开发实践，CO2有3种处理途径：一是用于邻近低渗油田的驱油并埋存，打造“煤炭地下气化—石化炼厂用氢—CO2提高原油采收率与埋存”石油石化净零排放示范工程；二是就近在合适地层中直接埋存；三是提纯后直接利用，一般用于食品行业，制成干冰用于制冷，以及开展CO2超临界萃取等。

　　石油石化企业将是主力军

　　由于煤炭地下气化的能量密度、产气速度和效率均远高于目前开发的非常规气，有望开辟中国特色的快速有效供气的战略新途径。据计算，厚度为10米的煤层可采出的气化天然气丰度约1.5×109立方米/平方千米（折合纯甲烷），高于目前绝大多数在产的常规及非常规天然气田。

　　不过，煤炭地下燃烧和气化过程极其复杂（包括一些可逆的化学反应），是多学科集成技术体系，对技术和工艺要求较高，涉及地下地质、钻完井、装备制造、地面处理等与天然气产业相关的诸多技术。

　　对此，石油石化企业由于资源目标主体不同和长期积累，具有煤炭企业难以比拟的中深层地下（井下）技术、天然气管网、化工、市场以及融合发展的整体优势。

　　首先，石油石化企业的油气田勘探开发技术，对地下气化项目有重要的促进作用。特别是定向钻井和连续油管等技术的进步，推动了近年来煤炭地下气化技术由巷道式向无井式的跨越式发展。

　　其次，石油石化企业成熟的地质综合评价技术（煤层气）、地球物理探测技术系列（地震、测井）、水平井钻完井技术、连续管集成技术、高温稠油热采技术系列、实时在线监测技术、地面天然气净化处理技术系列，可通过油气开发配套技术引领中深层煤炭地下气化产业发展，有针对性地完善煤炭地下气化的选址、建炉、注气、点火、生产等关键环节。

　　例如，采用三维地震、VSP（垂直地震剖面）及测井技术开展煤层精细构造解释及煤岩煤质、应力场评价，为建炉提供地质依据；采用微地震监测技术实时监测煤层气化造腔形态及大小变化；地下气化点火及控制环节可借鉴火烧油层技术的点火、注入控制和井筒完整性等部分工艺技术等等，有望推动中深层及深层煤炭地下气化项目取得实质性突破。

　　最后，煤炭地下气化由于其“地下、高温、流体”等属性，与石油石化企业现有油气产业链融合度高，不仅可因地制宜与天然气产业链、炼化业务、矿区用能替代、储气库业务、CO2驱油与埋藏业务、氢能产业链实现协同发展，实现资源的立体综合开发及利用，更能拉动石油石化企业相关技术服务产业向新兴业务的横向扩张和高精尖技术的纵深发展，实现煤炭地下气化产业与油气产业的高度融合发展，发挥“1+1>2”的协同效应。（■邹才能　作者系中国科学院院士，本报记者李惠钰整理）