新疆煤層氣開發(fā)、煤炭地下氣化與碳封存滾動(dòng)開發(fā)模式探討

王 剛 楊曙光 李瑞明 張 娜

(1.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心，新疆 830091;2.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 830091)

新疆地區(qū)分布有準(zhǔn)噶爾、塔里木、吐哈、三塘湖及天山系列盆地，沉積盆地面積廣、侏羅系煤及煤層氣資源豐富。據(jù)估算，2000m以淺的煤炭資源量為1.90×1012t，占全國(guó)的34.40%，位居全國(guó)第一；2000m以淺煤層氣資源量為9.51×1012m3，占全國(guó)的26%。同時(shí)，新疆作為我國(guó)低階煤最發(fā)育地區(qū)，低煤階煤層氣資源約占新疆總資源量的80%以上。

隨著中國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，對(duì)清潔能源需求量快速增加。2018年，中國(guó)天然氣消費(fèi)量2803×108m3，同比增長(zhǎng)18.10%，而天然氣產(chǎn)量1415.12×108m3，同比增長(zhǎng)6.40%，天然氣對(duì)外依存度升至49.51%，同期，石油對(duì)外依存度升至69.80%，中國(guó)油氣自我保障能力持續(xù)下降。中國(guó)作為“富煤、缺油、少氣”的地區(qū)，以煤炭作為主體能源的趨勢(shì)不會(huì)改變。根據(jù)2018年中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告數(shù)據(jù)，以熱值當(dāng)量計(jì)算，中國(guó)煤炭查明資源儲(chǔ)量規(guī)模(16666.73×108t)為石油(35.42×108t)和天然氣(55220.96×108m3)資源總量的134倍。由此可見，在中國(guó)油氣產(chǎn)量總體長(zhǎng)期趨穩(wěn)、大幅增產(chǎn)困難的情況下，煤及煤層氣的綜合勘探、開發(fā)、清潔利用將為中國(guó)能源安全提供堅(jiān)實(shí)保障。

作為中國(guó)西部的綜合能源基地及能源安全大通道，新疆將在煤層氣開發(fā)與煤炭清潔利用技術(shù)進(jìn)步的支持下，將傳統(tǒng)化石能源與新能源、物理、化學(xué)、生物等技術(shù)融合，充分開發(fā)利用豐富的煤炭資源，并將煤炭資源所產(chǎn)生的“溫室氣體”進(jìn)行碳捕集與碳儲(chǔ)存，以甲烷、氫能、電能為能源介質(zhì)輸送中東部地區(qū)，為中國(guó)清潔能源供應(yīng)體系提供保障。

1 新疆煤及煤層氣資源分布與利用

1.1 煤礦區(qū)分布與煤炭開采現(xiàn)狀

根據(jù)煤炭資源潛力評(píng)價(jià)成果，新疆35個(gè)煤田(煤產(chǎn)地、煤礦點(diǎn))的2000m以淺煤炭資源量為為1.90×1012t，主要分布于天山-庫(kù)魯克塔格山以北的準(zhǔn)噶爾、吐哈、伊犁等盆地。從煤炭資源埋深分布來(lái)看，埋深600～2000m的深部煤炭資源量占到總資源量的63.56%。煤炭資源以低煤階的長(zhǎng)焰煤、 不粘煤為主， 中煤階的氣煤、 肥煤、 焦煤次之。

2018年，新疆煤炭產(chǎn)量達(dá)到1.90×108t，穩(wěn)居全國(guó)第四，占全國(guó)總產(chǎn)量的5.36%。開采深度主要分布于500m以淺，對(duì)于600～2000m埋深的深部煤炭資源，由于其高地應(yīng)力、高瓦斯的特征，開發(fā)成本高、動(dòng)用率極低。

1.2 煤層氣資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)成果，新疆煤層氣資源量為9.51×1012m3，以低煤階煤層氣為主，主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地，總體勘查開發(fā)程度低。

以天山南、北兩側(cè)的山前逆沖推覆構(gòu)造帶為煤層氣富集有利區(qū)，在準(zhǔn)南煤田東部、庫(kù)拜煤田拜城礦區(qū)已建成4個(gè)煤層氣開發(fā)區(qū)塊，年產(chǎn)能達(dá)到1.5×108m3。

2 煤層氣及深部煤炭資源清潔利用技術(shù)

新疆侏羅系煤系地層蘊(yùn)含著以低煤階煤炭、煤層氣為主的豐富化石能源，其清潔、高效的開發(fā)利用技術(shù)基本獲得突破，并逐步開始工程試驗(yàn)及區(qū)塊開發(fā)。三維可視化的大數(shù)據(jù)地質(zhì)建模與數(shù)值模擬技術(shù)為煤層氣開發(fā)、煤炭地下氣化的技術(shù)銜接提供有效手段。

2.1 煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)

自沁水和鄂爾多斯盆地東緣的中高煤階煤層氣規(guī)模性勘探開發(fā)獲得成功后，新疆中低煤階煤層氣開發(fā)從2014年開始建設(shè)的阜康白楊河煤層氣開發(fā)利用先導(dǎo)性示范工程為起步，針對(duì)山前地區(qū)大傾角、厚煤層的地質(zhì)特點(diǎn)，經(jīng)過5年的科研創(chuàng)新與技術(shù)試驗(yàn)，逐漸形成“叢式定向鉆井-連續(xù)油管壓裂-自動(dòng)化排采”的高效鉆、壓、排技術(shù)系列。

借鑒“數(shù)字油田”理念，以高水平、高效益、可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)建設(shè)信息化煤層氣田，建立層序地層、構(gòu)造力學(xué)、測(cè)試數(shù)據(jù)、開發(fā)動(dòng)態(tài)等多級(jí)屬性融合的三維、可視化大數(shù)據(jù)地質(zhì)體，通過數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤層氣藏開發(fā)動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)、調(diào)整與優(yōu)化，解決地質(zhì)工程一體化難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣藏開發(fā)部署與剩余資源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)優(yōu)化，以最有效手段、最低成本來(lái)提高氣藏采收率，提高煤層氣藏勘探開發(fā)的技術(shù)水平及綜合效益。

2.2 深層煤炭地下氣化技術(shù)

對(duì)于新疆600m以深的深層煤炭資源清潔利用，通過微生物、化學(xué)技術(shù)將煤炭轉(zhuǎn)化為氫、甲烷、電力等清潔能源介質(zhì)，在有效動(dòng)用深部煤炭資源、大幅提高資源利用率的前提下，將有害的矸石、灰渣、二氧化碳等留存在地下，能夠有效減少物理采煤對(duì)自然環(huán)境的破壞。

2.2.1 生物采煤技術(shù)

煤作為一種具有多種復(fù)雜大分子有機(jī)組分的混合物，其有機(jī)質(zhì)會(huì)被發(fā)酵水解菌水解生成小分子的丙酸(CH3CH2COOH)、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸及甲醇等，進(jìn)而被產(chǎn)氫菌、光合細(xì)菌等分解轉(zhuǎn)化為乙酸(CH3COOH)并釋放氫氣(H2)，最后產(chǎn)甲烷菌可將乙酸(CH3COOH)轉(zhuǎn)化為甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)。

蘇現(xiàn)波、張懷文等通過不同煤種的微生物發(fā)酵產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了混合菌種發(fā)酵法生物制氫技術(shù)的可行性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)焰煤等低煤階煤由于活性官能團(tuán)含量高、易被微生物降解利用，且低階煤的氫含量高、有利于微生物分解產(chǎn)生氫氣。按產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，受微生物發(fā)酵導(dǎo)致pH值大幅變化進(jìn)而抑制菌種活性、生氣過程停止的影響，15g長(zhǎng)焰煤煤樣單次發(fā)酵實(shí)驗(yàn)消耗煤樣0.812g、產(chǎn)氣約370mL、氫濃度89.60%，長(zhǎng)焰煤發(fā)酵產(chǎn)純氫能力折合22.10m3/t。

煤炭微生物產(chǎn)甲烷的思路源于1994年Soctt提出利用本源菌強(qiáng)化煤層氣開采的設(shè)想。根據(jù)尤陸花等學(xué)者的研究，吐哈盆地大南湖煤田的長(zhǎng)焰煤在甲烷菌分解下，前20天發(fā)酵期可快速產(chǎn)生6.96ml/g的甲烷，準(zhǔn)南煤田四棵樹煤礦的煤樣經(jīng)60天發(fā)酵可產(chǎn)生15ml/g的甲烷。

由于產(chǎn)氫所產(chǎn)生的乙酸為產(chǎn)甲烷菌提供了原料，因此連續(xù)產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝可實(shí)現(xiàn)更高的氫氣、甲烷產(chǎn)率。氫氣作為高熱值的能源介質(zhì)，其燃燒產(chǎn)物為水，是最為清潔、低碳、安全的潔凈能源，因此煤炭微生物制氫將成為未來(lái)深部低階煤炭生物開采的重要研究方向。

2.2.2 化學(xué)采煤技術(shù)

以煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification，簡(jiǎn)稱UCG)為代表的化學(xué)采煤技術(shù)，借助V型對(duì)接水平井、U型井等煤層氣鉆井工藝，將氣化劑注入地下煤層進(jìn)行有控燃燒，將煤炭直接轉(zhuǎn)化成含有氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w并采出的采煤新技術(shù)，與傳統(tǒng)機(jī)械采煤相比具有建設(shè)成本低、生產(chǎn)效率高、煤炭回收率高、環(huán)境效益好、克服井下災(zāi)害及職業(yè)病等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)從源頭上杜絕煤炭燃燒所帶來(lái)的煙塵、二氧化碳、氮氧化物、硫化物等污染排放。

煤炭地下氣化是一項(xiàng)古老而又年輕的技術(shù)，早在1868年由德國(guó)科學(xué)家威廉·西蒙斯提出設(shè)想，1888年由俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫提出基本工藝，1912年由威廉·拉姆齊在英國(guó)達(dá)勒姆煤田首次進(jìn)行了地下氣化試驗(yàn)，1931年以后前蘇聯(lián)進(jìn)行了大量工程試驗(yàn)并進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，烏茲別克斯坦的安格連氣化站自1961年運(yùn)行以來(lái)生產(chǎn)至今。2012年，中國(guó)新奧集團(tuán)在內(nèi)蒙古烏蘭察布利用鉆井式UCG技術(shù)在埋深285m的褐煤中獲得成功工業(yè)化試驗(yàn)，日產(chǎn)富氧煤氣15×104m3。

為提高產(chǎn)出煤氣的熱值，減少大氣中氮?dú)獾挠绊?，以氧?水蒸氣作為氣化劑注入煤層，通過調(diào)節(jié)氣化劑組分、流量等措施，實(shí)現(xiàn)地下煤層的連續(xù)氣化，生產(chǎn)高熱值的氫氣、一氧化碳、甲烷、二氧化碳的混合氣。根據(jù)褐煤的O2-H2O(g)高溫氣化實(shí)驗(yàn)，可產(chǎn)生H2(41.68%)、CO(28.07%)、CH4(3.17%)、CO2(24.99%)的混合煤氣，熱值達(dá)到9.27～13.78MJ/m3。

煤炭地下氣化制氫是一項(xiàng)的復(fù)雜轉(zhuǎn)化過程，存在多種放熱、吸熱的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)溫度與煤氣組分有明顯控制關(guān)系，煤的干餾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在300～550℃時(shí)，煤炭熱解產(chǎn)生甲烷、焦油；溫度升至550～900℃時(shí)，甲烷逐漸減少，氫氣、一氧化碳組分增多，燃燒溫度在800℃時(shí)，氫氣組分達(dá)到最高。經(jīng)過變壓吸附法(PSA)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模氫氣提純，制取液氫(表1)。

表1 煤炭地下氣化(氧氣-水蒸氣)化學(xué)反應(yīng)過程

圖1 新疆煤層氣-煤炭地下氣化-碳封存技術(shù)體系

低煤階的褐煤、長(zhǎng)焰煤由于其水分、揮發(fā)份較高，高溫條件下易破碎、結(jié)構(gòu)疏松，氣化劑更容易擴(kuò)散到煤基質(zhì)表面，且不同于中煤階氣肥煤所具有的粘結(jié)性易使通道堵塞、氣化終止，因而低階煤的氣化反應(yīng)活性最高，最適合地下氣化。

煤炭地下氣化經(jīng)過上百年的發(fā)展，逐漸形成兩條地下氣化開發(fā)-綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈：

(1)煤地下氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(UCG-IGCC)，直接利用地下氣化產(chǎn)出的可燃煤氣所攜帶的高溫并燃燒聯(lián)合發(fā)電，其優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)效率(60%)大幅超過超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)(42%)；

(2)煤地下氣化與燃料電池發(fā)電(UCG-AFC)，依靠地下氣化產(chǎn)出的煤氣中氫氣含量高達(dá)40%以上的特點(diǎn)，利用這一廉價(jià)氫源進(jìn)行燃料電池發(fā)電，更為安全、環(huán)保、高效。

3 新疆煤層氣與深部煤炭綜合開發(fā)利用途徑

由于新疆距離能源消費(fèi)中心的中東部地區(qū)較遠(yuǎn)，受限于出疆道路偏少、運(yùn)力緊張，以電力通道、氣體/液體管道成為能源輸送的現(xiàn)實(shí)途徑。

未來(lái)，清潔能源生產(chǎn)將進(jìn)入跨界經(jīng)營(yíng)時(shí)代，煤層氣、氫氣、電力、太陽(yáng)能、碳存儲(chǔ)多元化業(yè)務(wù)匯為一體，實(shí)現(xiàn)煤炭傳統(tǒng)能源向清潔能源體系的革命性轉(zhuǎn)變。貫徹“地質(zhì)工程一體化”理念，以三維大數(shù)據(jù)地質(zhì)體為手段，實(shí)現(xiàn)“煤層氣開發(fā)-煤炭地下氣化-碳存儲(chǔ)”(CBM-UCG&IGCC-CCS)滾動(dòng)作業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)深部煤層層系資源的有效利用，除了將地下能源清潔提取以外，同時(shí)將煤矸石、廢渣、二氧化碳等有害物質(zhì)留存在煤層，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源的清潔開發(fā)。

新疆豐富的低階煤及煤層氣資源，尤其是600～2000m的深層資源，既是煤層氣開發(fā)主要目的層段，又是最適合煤炭地下氣化的煤層深度段，其合理開發(fā)步驟及技術(shù)體系可分為三個(gè)階段：煤層氣開發(fā)階段、煤炭地下氣化制氫-聯(lián)合循環(huán)發(fā)電階段、煤穴碳存儲(chǔ)階段。通過相互銜接，單一煤炭區(qū)塊可形成30～50年的開發(fā)周期，產(chǎn)出CNG、液氫、電力、碳排放指標(biāo)等多種效益產(chǎn)品(圖1)。

3.1 煤層氣勘探開發(fā)階段

煤層氣勘探開發(fā)對(duì)煤層氣區(qū)塊進(jìn)行300m×300m的規(guī)模布井，同時(shí)進(jìn)行大液量的體積壓裂，使煤層在井網(wǎng)連通下形成區(qū)域裂隙網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)煤層氣的排水降壓解吸開發(fā)。

煤層氣開發(fā)的主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品是CNG、民用燃?xì)?，可通過槽車、燃?xì)夤艿垒斔徒o用戶；所采出的高礦化度煤層水，結(jié)合太陽(yáng)能資源的光熱轉(zhuǎn)換利用，為煤炭地下氣化所需的氣化劑提供了充足的水蒸氣源；最后還形成氯化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉等混合鹽類，根據(jù)其規(guī)模選擇合適的處理工藝，深加工后可用于化工領(lǐng)域。

初步估算，新疆地區(qū)煤層氣井的產(chǎn)水量為2～40m3/d，以平均單井穩(wěn)定產(chǎn)水量4m3/d、煤炭地下氣化制氫耗水量10.14t/t來(lái)估算，年產(chǎn)能1×108m3規(guī)模的煤層氣田可支持2.91×108m3/a產(chǎn)氫規(guī)模的煤炭地下氣化工程。

由于光伏組件的光電轉(zhuǎn)化率(8%～20%)僅為光熱轉(zhuǎn)化率(65%)的1/3，利用更為高效的光熱轉(zhuǎn)化器將煤層氣井采出水高溫蒸發(fā)處理，將飽和水蒸氣作為氣化劑的一部分，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能資源的充分利用。

煤層氣開發(fā)形成了開發(fā)井網(wǎng)、疏干煤層水、廣泛且穩(wěn)定的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為煤炭地下氣化提供了有利條件。貫徹“地質(zhì)工程一體化”理念，伴隨煤層氣開發(fā)而不斷精細(xì)刻畫形成的三維、大數(shù)據(jù)地質(zhì)體模型，能夠?yàn)槊禾康叵職饣娜紵ǖ涝O(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供詳細(xì)地質(zhì)依據(jù)。

3.2 煤炭地下氣化制氫-聯(lián)合循環(huán)發(fā)電階段

煤炭地下氣化技術(shù)由于存在污染淺層地下水、地下煤層燃燒導(dǎo)致地表植被干枯、通過裂隙溝通地表形成地下煤火等生態(tài)問題，因此一般適宜600m以深的深部煤層地下氣化開采，鉆井式UCG技術(shù)也避免了對(duì)淺層地下水、地表生態(tài)、采空區(qū)沉陷、裂隙漏氣等影響。此外，深層煤炭地下氣化由于埋深大，易形成高溫、高壓條件，使煤炭氣化效率更高、單井產(chǎn)氣量更高、產(chǎn)氣品質(zhì)更好。歐洲國(guó)家主要致力于深層煤炭地下氣化與碳儲(chǔ)存項(xiàng)目，其工程試驗(yàn)深度主要在500～1000m，最深達(dá)到1400m。將高溫(700℃)、高壓(25MPa)環(huán)境下的超臨界水氣化制氫技術(shù)應(yīng)用于深層煤炭地下氣化領(lǐng)域，提高制氫效率，為深層煤炭利用與廉價(jià)制氫提供有效途徑。2014年，歐洲地區(qū)煤炭地下氣化制氫第二階段研究完成，為后續(xù)氫燃料電池技術(shù)發(fā)展提供氫源技術(shù)保障。

氫氣是公認(rèn)的綠色燃料，其熱值是汽油的2.7倍、煤炭的3.5倍。目前，世界規(guī)?；茪涔に嚪譃樘烊粴?水蒸氣重整制氫(SRM)、煤氣化制氫。由于原料成本與下游利用途徑的差異，國(guó)外以天然氣制氫工藝為主，而中國(guó)以煤氣化制氫為主。由于氫氣產(chǎn)能低、價(jià)格高，因此主要用于合成氨、劣質(zhì)原油加氫裂化、精細(xì)化工等，無(wú)法作為主流能源使用。

新疆豐富的低階煤炭資源有利于煤制氫工藝的推廣。不同于高耗水(8.4～30t/t)、高能耗(1.37～6.05t/t)、高碳排放(4～13.10t/t)的地面煤炭氣化工藝，煤炭地下氣化制氫工藝經(jīng)變壓吸附分離提純的高純度CO2可直接用于油田的化學(xué)驅(qū)替、碳封存，因此能夠以相對(duì)偏低的耗水量低(10.14t/t)、超低碳排放實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模廉價(jià)制取。

3.3 煤穴碳存儲(chǔ)階段

煤炭地下氣化后形成的廢棄煤穴具有良好的碳封存能力。根據(jù)徐冰等學(xué)者利用掃描電鏡、低溫氮?dú)馕絻x對(duì)地下氣化后煤焦的表面形貌、孔隙結(jié)構(gòu)等進(jìn)行表征，煤焦表面粗糙、孔裂隙發(fā)育，比表面積和孔容積較原煤分別增大5.63、1.62倍，具有與活性炭一樣的強(qiáng)大吸附能力，可作為優(yōu)異的吸附型碳儲(chǔ)存介質(zhì)。

深層煤田氣化形成的廢棄煤穴，作為吸附型碳存儲(chǔ)、壓力型空間碳存儲(chǔ)的良好空間，具有強(qiáng)大的碳封存能力，相比超深鹽水層封存、深海封存等技術(shù)，具有成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單、封存穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

作為中國(guó)煤炭、煤層氣資源最豐富的地區(qū)之一，新疆低階煤及煤層氣資源的開發(fā)利用程度低，適宜利用生物、化學(xué)技術(shù)開展煤炭地下氣化，具有廣闊的發(fā)展空間。熱演化程度偏低的新疆侏羅系煤系地層，煤類以長(zhǎng)焰煤、不粘煤為主，可建立“煤層氣開發(fā)-煤炭地下氣化制氫與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電-碳存儲(chǔ)”(CBM-UCG&IGCC-CCS)滾動(dòng)作業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式，以三維、可視化的大數(shù)據(jù)地質(zhì)體為依托，形成相互銜接、梯次融合的低成本開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)出氫能、電力、CNG、碳排放指標(biāo)等綠色能源或產(chǎn)品，以氣/液管道、電力通道等方式輸送往中東部能源消費(fèi)中心，實(shí)現(xiàn)煤炭傳統(tǒng)能源向清潔能源體系的革命性轉(zhuǎn)變，繼續(xù)奠定新疆作為綜合能源基地及能源安全大通道的歷史定位。