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“煤炭地下气化”虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

煤炭地下气化(underground coal gasification，UCG)是我国清洁高效煤炭能源结构发展战略所驱，可能成为弥补我国天然气供需缺口的多元化途径之一，在碳减排方面也具极大优势。我国是煤炭地下气化现场试验时间最长和试验地点最多的国家，积累了大量经验与启示，但产业化尚未实现。目前我国对UCG技术发展及其产业化高度重视，预示新一轮UCG行动即将到来，尤其是贵州、新疆等地中深层气化项目的点火成功，提振了我国煤炭地下气化工程实践的信心。现整理出近期在《煤田地质与勘探》发表的煤炭地下气化相关研究成果，以期促进学者在煤炭地下气化研究领域的深度交流，推动煤炭地下气化产业化进程。

行业视野: 煤层气
类别; 41个
关键词; 35位
专家; 10篇
论文; 2095IP
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煤炭地下气化的敏感性地质因素探讨

作者(Author)：周泽, 易同生, 秦勇, 周永峰, 汪凌霞, 孔维敏

摘要：相对于地面煤化工装置，煤炭地下气化(UCG)炉体为地质体，地质条件准确认识是推进UCG气化成功的关键前提。为了最大限度避免煤炭地下气化选区选址地质风险，以贵州复杂地质条件为例，系统探讨其煤炭地下气化的敏感性地质因素。通过收集梳理贵州煤炭资源勘查资料，建立归一化的参数分级赋值、参数权重向量算法、参数权重积算法等数学模型，准确获取研究区地质参数量化数据；基于由26个地质因素构成的地质参数集，采用数理统计方法，识别地质风险关键因素对复杂构造区煤层UCG可行性的交叉影响，查明建炉可行性、过程易控性、气化安全性、开发经济性“四性”指标敏感性地质风险源。结果表明：“四性”指标地质参数的敏感性有所差异，建炉可行性、过程易控性、气化安全性、开发经济性的地质因素敏感性依次变弱，UCG可行性对建炉可行性的依赖性最强，过程易控性次之，其他两个条件离散性相对较大，敏感性明显降低；就敏感性程度而言，26项地质参数中最为敏感的是煤的坚固性系数，其他8个主控地质因素分别是煤层厚度、煤层倾角、煤厚变异系数、夹矸厚度系数、断层指数、煤层埋深、奥亚膨胀度和黏结指数，影响建炉可行性、过程易控性两个方面。就贵州UCG敏感性地质因素来说，UCG项目成功与否的关键在于建炉可行性，气化炉选址应优先考虑构造发育特征及其对煤层条件的影响；为持续推进煤炭地下气化产业发展，下一步或可立足于我国煤炭资源特性及赋存条件实际，以“四性”认识为基础建立统一的UCG地质风险评价准则，进而为典型地质条件先导性试验区选址提供科学依据。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

111

18
煤炭地下气化试验综述与产业化发展建议

作者(Author)：东振, 陈艳鹏, 孔令峰, 王峰, 陈浩, 薛俊杰, 张梦媛, 陈姗姗, 赵宇峰, 喻岳钰, 龚万兴, 孙宏亮, 王兴刚

摘要：在实现碳达峰碳中和(“双碳”)目标和保障国家能源安全的双重需求驱动下，我国煤炭地下气化(UCG)迎来了新的历史发展机遇期。为科学制定技术攻关路线、加快产业化发展，按时间顺序梳理了煤炭地下气化试验历程，将其分为矿井式气化、直井/定向井气化、水平井气化3个发展阶段，探究了不同阶段推动气化技术革新的底层逻辑，从技术和非技术两个方面分析了未能产业化的原因并提出产业化发展建议。研究表明：(1)水平井+可控注入点后退气化工艺不仅能够有效规避浅层气化在地表沉降、淡水污染方面的风险，而且在扩大煤炭纵向开发范围、提高单井控煤量、提升粗煤气品质、保障连续气化方面具有优势，是当前和今后一个时期的主流技术路线。(2)我国是现场试验时间最长的国家，长期处于矿井式气化阶段，虽然我国中深层煤炭地下气化攻关试验刚起步，但是由于该技术攻关难度大、技术成熟度低，主要富煤国家在技术研发上基本属于同一起跑线，有希望成为我国钻井式气化技术弯道超车的新赛道。(3)技术适用性不强是造成矿井式、直井式气化产业化困难的主要技术原因，技术成熟度较低是制约水平井气化产业化的主要技术原因，长期稳产高产问题尚未得到彻底解决。(4)常规天然气低成本开发和页岩气革命的冲击，民众对浅层气化诱发环境污染的担忧，政府对煤炭地下气化的政策转向，是导致国外试验终止的主要非技术原因；发展规划长期空白、科研试验主体相对单一、科研投入不足、产业扶持政策未出台、联合创新机制未建立是阻碍我国气化产业化的非技术原因。提出我国UCG产业化建议：新时期要充分认识煤炭地下气化技术的复杂性和挑战性，按照“干成”“干好”两个维度，破解“长期稳产”和“高产优产”两个核心问题，通过同步推进科研攻关和现场试验不断提高技术成熟度，在生产端采用“先物理采气后化学气化”的梯级开发方式避免与煤层气开发竞争，在利用端积极探索与油气、新能源、煤化工融合发展模式以提高经济效益。作为一种“人造气藏”的颠覆性开发方式，煤炭地下气化攻关成功后能为其他矿产资源的流态化开发提供技术借鉴，助推我国化石能源非常规开发技术实现新跨越。

煤田地质与勘探

104
煤炭地下气化高温喷淋井筒温度应力场研究

作者(Author)：唐洋, 谢娜, 熊浩宇, 何胤, 黄顺潇

摘要：煤炭地下气化是对传统物理采煤技术补充的新一代化学采煤技术。气化过程中井筒受到高温和内压载荷的共同作用。针对煤炭地下气化生产井井身结构特点，基于传热理论建立了环空喷淋注水降温条件下的井筒瞬态温度计算模型，结合井筒压力模型基础上，根据弹性力学及壁圆筒理论建立了套管–水泥环–地层围岩组合体温度应力场计算模型。结果表明：高温时，井筒各部分因热膨胀或热收缩受限制而使井筒应力增加。在自然降温条件下套管、水泥环的理论计算最大应力分别为2 640.6、151.3 MPa，均超过本身材料许用压应力，在不考虑温度时，套管、水泥环轴向应力分别只有28.4、15.0 MPa，远小于考虑温度时的结果；在环空注水降温方式下，通过控制喷淋腔温度能够有效降低井筒应力；随着套管内压增大，井筒应力也随之增大，且套管内压变化会造成套管和水泥环应力方向发生改变，在对其进行强度校核时需要分情况讨论；在水泥环两侧交面处的应力落差一般较大，水泥环性能参数也与井筒应力密切相关，随着水泥环弹性模量降低或泊松比增加套管−水泥环的应力随之降低，即胶结性能好，高韧性、高泊松比性能的水泥环材料能够降低套管−水泥环应力。上述研究认识可以为煤炭地下气化生产井结构设计及生产工艺提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

176

78
煤炭地下气化项目技术经济评价研究进展述评

作者(Author)：易同生, 秦勇, 周永峰, 汪凌霞, 金军, 周泽

摘要：煤炭地下气化(UCG)是我国清洁高效煤炭能源结构发展战略所驱，其产业化前景取决于项目的经济社会效益。立足这一背景，回顾了国内外UCG项目经济评价研究进展，总结了UCG项目经济竞争力的当前理解，通过案例介绍了煤炭地下气化–蒸气轮机联合循环发电–CO2捕集与储存(UCG-CCGT-CCS)经济评价基本模型及主要认识，讨论了深化UCG项目经济评价研究的方向性启示。结果显示，国内外目前对UCG经济性的认识存在差异，普遍对浅部UCG项目商业竞争力持乐观态度，但对深部UCG经济性认识分歧较大；财务分析基本方法与技术经济参数、适应性数学工具的结合形成了UCG项目技术经济评价模型，国内外UCG技术经济研究各有特色；UCG项目经济性极大程度上取决于合成气利用路线及CO2处理方式和成本，其中腔体宽度因子(HWR)、合成气成分、发电效率、CO2处理对合成气发电总成本的影响最为强烈。分析认为，加强技术经济参数针对性研究是深化我国UCG经济评价的当务之急，系统剖析现有UCG现场试验案例经济性特点是破解目前认识差异困局的客观途径；深化煤炭地下气化–二氧化碳循环利用(UCG–CCU)过程及其工程行为，研究可为研发低成本CO2处理技术提供依据；创新发展UCG工艺技术，将约束因素向效益型方向转变，则是提高UCG开采效益的根本途径。

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煤田地质与勘探

2023年第07期

227

134
中国煤炭地下气化现场试验探索历程与前景展望

作者(Author)：秦勇, 易同生, 杨磊, 周永峰, 王军, 汪凌霞

摘要：低碳高效煤炭能源结构转型是碳达峰碳中和(“双碳”)背景下我国能源持续发展的必由之路，煤炭地下气化(UCG)正是其中的一项重要战略选择。基于历史文献调研，分析了我国UCG现场试验探索历程，展望了我国UCG产业化前景。分析认为，我国UCG技术发展和现场试验历程先后经历了初步尝试、沉寂/复苏、广泛探索、技术突破、试验扩展5个发展阶段，为我国新一轮UCG产业化探索奠定了深厚的科学技术基础。以上历程中，3项成果为我国UCG技术发展做出了里程碑式贡献，一是徐州马庄矿井式UCG先导试验首战成功，二是发明“长通道大断面两阶段(LLTS)”UCG工艺，三是内蒙古乌兰察布钻井式UCG现场试验成功。长通道大断面两阶段(LLTS-UCG)工艺，是我国唯一被国际UCG领域公认的创新成果，长通道突破了国际上当时气流通道长度的限制，增加单炉可气化煤量，极大提高了UCG单炉产气能力；大断面提高单炉日产气量，两阶段注气提高煤气转化率，获得了高质量合成气，开创了我国UCG商业化生产先河，且控制方法简单，其基本思想和基本工艺对中深部UCG技术发展同样具有借鉴价值。从国家需求、技术成熟度、资源潜力、保障措施四个方面展望了我国UCG产业化前景，提出了发展重点和产业政策体系建设的建议。一是我国UCG产业化推进短期内重点依赖浅层，需进一步探索低环境损伤高转化率UCG过程调控机理，建立构造煤层、多薄煤层等复杂地质条件UCG技术体系；长远则寄希望于中深层，关键在于发展多场耦合条件下的UCG–煤层气资源–CO2储存与利用(UCG–CBM–CCUS)协同高效联产工艺技术。二是建议政府制订具有可操作性的UCG产业政策体系，为推进UCG产业化进程提供激励机制及法规保障。研究认识，一方面有利于坚定我国UCG产业化探索之路的信心，另一方面也为进一步创新适合于我国地质条件的UCG工艺技术提供了某些参考。

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煤田地质与勘探

2023年第07期

218

115
苏联煤炭地下气化产业化历史回顾与评述

作者(Author)：孔维敏, 周永峰, 易同生, 李萍, 秦勇, 周泽

摘要：我国能源资源禀赋是缺油少气富煤，煤炭地下气化(UCG)技术产业化是我国低碳高效煤炭能源结构发展转型的一个重要途径，有助于充分利用煤炭资源助力碳达峰碳中和(“双碳”)目标顺利实现。系统查阅并梳理文献资料，回顾了苏联UCG现场试验与产业发展历史，目的是为我国当前UCG技术发展和产业化进程提供借鉴。研究显示，苏联UCG技术发展和产业化过程前后经历了上百年历史，作为全球UCG技术发明者和唯一实现商业化生产国家，给世界留下了珍贵的原创性UCG工艺技术遗产。苏联首次提出UCG构想和第一个UCG炉体结构草案，为全球UCG技术发展做出了奠基性贡献。发明了气流法、直井火力贯通、煤层水平井长通道等技术，首创矿井式－钻井式联合UCG工艺和注氧/注蒸气UCG工艺，对不同地质条件煤层开展了不同气化工艺的现场试验，创造了单个UCG场站连续商业化生产50年以上的历史记录，证明了UCG技术商业应用可行性及其战略价值。将UCG产业化上升到国家战略层面，UCG技术研发放在优先地位，高度重视“政−产−学−研−用”协同推进，这是苏联UCG商业化生产取得成功的重要原因。鉴往知来，UCG产业化作为弥补我国天然气自给能力不足及实现“双碳”目标的潜在技术途径，需要政府从国家战略层面予以强力推动，UCG科学技术创新在国家科技计划体系中应占有更为重要的地位，构建UCG专业技术人才培养体系则是实现UCG战略目标的首要基础。其中，苏联围绕煤层增渗和气化控制两大核心开展UCG技术研发的思路值得借鉴，但构建有效气化通道以提高煤炭气化采收率仍是当前UCG技术发展的主要方向之一。

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煤田地质与勘探

2023年第07期

260

88
美国煤炭地下气化先导试验及其对现代UCG技术的贡献

作者(Author)：黄婉, 王军, 汪凌霞, 易同生, 陈可心, 秦勇

摘要：煤炭地下气化(UCG)产业化有助于煤炭能源结构转型发展，提高煤炭资源的低碳化利用水平，是一项符合可持续发展战略的环境友好型能源开发技术。20世纪80—90年代的国际能源危机，促使美国大力发展UCG技术，先后开展了6大系列UCG先导试验，极大推进了UCG技术进步，为全球现代UCG技术的形成提供了关键基础。系统收集整理美国40余年的UCG先导试验成果，梳理关键技术发展路径，目的是为我国正在推进的UCG技术产业化进程提供启示和借鉴。研究表明，美国通过UCG先导试验和技术探索，确定了适宜于UCG技术的煤层和煤质条件，创新发展了钻井式UCG方法和工艺，尤其是发明了可控后退式注入点(CRIP)和双水平井(P-CRIP)技术，提供了气化通道建造、气化过程控制、合成气质量提高三方面技术难题的解决方案；提出了相邻孔腔相互融合的技术思路，为从单炉开始扩大UCG气化规模奠定了可行基础。在政府层面上组织实施系统的协同科技研发计划，是美国UCG技术创新能力持续释放的关键。同时，美国UCG系列试验尚有诸多技术难题有待进一步解决，如UCG炉地质密封性及其动态监测评价、气化通道动态监控与稳定性、煤层充分气化保障技术、炉宽安全有效扩展技术、UCG炉环境监测与控制、与碳减排密切结合的UCG技术等，为我国UCG技术发展提供了需要关注的重点方向。

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煤田地质与勘探

2023年第07期

212

93
欧盟国家煤炭地下气化先导试验历程与进展述评

作者(Author)：金黎黎, 杨磊, 吴亚荣, 王小芳, 易同生, 秦勇

摘要：煤炭地下气化(UCG)是我国煤炭能源结构转型的重要路径。欧盟国家在UCG领域开展了80余年探索，丰富的经验可为推进我国UCG产业化提供借鉴。英国是世界上最先筹备UCG先导试验的国家。在1944—2014年，欧盟国家先后借鉴前苏联及美国经验，分3阶段至少实施了12个UCG先导试验项目，为UCG技术进步做出了重要贡献。发明了盲孔法及V型炉体结构，率先将浅部UCG先导试验成功延伸到深度500~1000 m，系统环境监测结果为消减UCG环境安全担忧提供了实际依据。同时，欧盟国家成功与失败案例均给将来的UCG技术发展带来珍贵启示。UCG炉密封性地质条件研究及针对性的工程技术措施极其重要。提高气化效率及产品气质量，是实现UCG项目商业竞争力的关键。依靠自修复功能可以在短时间内使UCG炉附近地下水环境风险自行解除，但环境动态监控需要加强。

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煤田地质与勘探

2023年第07期

238

90

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