非常规油气高质量发展战略方向优选

近10年来,化石能源多样化趋势明显,从常规油气领域向致密油/页岩油、致密气/页岩气、煤炭地下气化等非常规领域发展。油气藏类型增多,资源规模、品位、勘探开发难度及效益存在差异。要实现不同类型油气藏规模效益开发及绿色高质量发展,必须对化石能源未来发展方向和类型做出选择。分析国内外能源消费结构变化规律、现状及未来发展趋势,煤炭和石油一直保持主体地位,天然气占比逐年上升。对比研究不同类型化石能源单位体积能量密度、资源规模、开发成本、开发现状、技术成熟度等主要指标,结果显示煤炭地下气化具有能量密度最高、可采资源量最大、开采成本低等特点,在增加天然气供应、推动煤炭行业绿色低碳发展和助力实现碳中和方面拥有技术优势,可优选为非常规油气战略方向,为高质量发展开拓新路径。

煤炭地下气化试验综述与产业化发展建议

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2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。

倾斜煤层煤层气与煤炭地下气化协调开发技术构想

煤层气(CBM)开发与煤炭地下气化(UCG)是我国煤基天然气生产的重要来源,新疆前陆冲断带倾斜煤层发育区煤与煤层气资源丰富。为深入剖析倾斜煤层CBM与UCG协调开发可行性,系统剖析了现有CBM与UCG关键技术及其对CBM−UCG协调开发的借鉴意义,分析了倾斜煤层CBM与UCG协调开发优势、技术路径、面临的主要问题和未来研究方向,得到以下认识:①“CBM开发疏干效应”“UCG热作用解吸效应”“UCG采动卸压效应”下CBM−UCG协调开发可形成相互促进的良性循环;②提出了直井+顺煤层倾向井“先抽后烧”、顺煤层倾向井组合“边抽边烧”、定向L型CBM井+顺煤层倾向UCG井“边烧边抽”、下部煤层布置沿倾向UCG井+上部煤层布置定向L型CBM井“先抽后烧再抽”、复杂井型“井工厂式”布置等协调开发技术路径;③CBM与UCG协调开发面临地质选区评价理论基础研究薄弱、缝网条件下UCG热作用扩展范围不清、倾斜煤层UCG过程岩层移动卸压范围不明等理论问题;同时面临CBM−UCG协调开发“井工厂式”钻井技术、CBM井与UCG井协调开发生产制度、CBM与UCG协调开发地质动态测控、CBM井密封性与耐高温性保护等工程问题;④要强化倾斜煤层CBM与UCG协调开发地质选址评价研究、开发动态理论研究、工程协调技术先导性试验研究,确保协调开发安全、有序、可控、高效。

全球煤炭地下气化发展态势及展望——基于专利分析

文章采用合享(Incopat)全球专利数据库商业专利检索系统对煤炭地下气化(UCG)领域的专利技术进行检索,以此探究全球UCG发展态势。研究显示:从对全球UCG专利申请数量、申请趋势、布局地区、主要专利申请人的分析来看,目前UCG产业正处于高速发展阶段。自2001年以来,UCG专业领域的专利逐年上升,尤其是在2013年以后,UCG技术领域的专利申请量进入快速增长的阶段,申请的专利囊括了整个UCG的产业链,专利技术功效也主要集中于经济、高效、灵活可控、安全、稳定运行等方面。本轮UCG产业的发展主要得益于我国相关技术的快速发展,我国UCG专利申请量从2013年开始进入飞速增长的阶段。总体来说,随着石油工程类高精尖技术应用,深层煤炭地下气化体现出强大的活力和经济优势。

近距离煤层重复采动覆岩破坏规律及“两带”发育高度分析

为研究近距离煤层重复采动下覆岩破坏规律与“两带”发育高度,预防工作面开采过程中由导水漏风通道引起的工作面顶板漏水、采空区自燃等各种安全事故,以鄂尔多斯市某煤矿为工程背景,采用井下窥视法和数值模拟对近距离煤层开采后覆岩破坏规律以及“两带”发育高度进行分析,揭示了规律形成的原因。研究结果表明:在近距离煤层重复采动影响下,“两带”发育高度远超过上煤层开采,下煤层推进80 m时裂隙带最大发育高度为88 m,与地表贯通形成导水漏风通道;初次采动与重复采动时的裂采比分别为19.33、29.33;裂隙带的发育呈台阶式上升,阶段间的变化表现为激跳形式;覆岩的破坏表现为“拱形→帽形→马鞍形→外O内蝶形”;数值模拟及拟合公式所预测的“两带”发育高度与实测值之间误差率为1%左右,验证了预测的准确性,可为相似工作面的开采以及相似工程提供借鉴。

煤矿井下辅助运输现状及发展趋势探讨

井下辅助运输系统作为煤矿智能化建设的关键部分,是集驱动、控制、运维和管理等先进技术于一体的高效、安全、趋向智能化和无人化的运输系统,其核心在于新技术与新理论在井下的应用实践。为此,对我国煤矿井下辅助运输系统的研究现状进行了总结与分析,对其未来的发展趋势进行了探讨。首先,介绍了有轨辅助运输在车辆设计与优化、轨道结构与布局、电机车控制与自动化等方面的技术,目前有轨电机车无人驾驶技术尚未达到自主自动驾驶程度,辅助运输系统应重点研究精细化闭环管控和高级辅助驾驶技术;其次,阐述了目前无轨运输在设计构建、安全管理和经济效益方面的研究现状,认为井下无轨运输车辆无人驾驶技术目前受限于汽车自动驾驶技术,并不能满足井下复杂环境的要求,且低功耗和防爆设计难度较大,暂未有实际进展;最后,分析了辅助运输系统在自动化与智能化、新型动力系统、无线通信和远程监控技术等关键技术的发展要求,提出未来煤矿井下辅助运输将朝向自动化、智能化、节能环保和数据驱动的方向发展。

平顶山矿区煤矿地下空间资源开发利用探究

中国平煤神马集团所属平顶山矿区,经过近70年的煤炭开采,形成了大量的煤矿地下空间资源,包括井工煤矿开采后遗留的井筒、巷道、硐室、采空区以及遗留煤炭、煤层气、地热水等。有巨大开发利用潜力和价值的特殊资源,引起了诸多领域广泛的关注,开展了不同方向前期理论研究和初步试验,通过对平顶山矿区煤矿地下空间进行调查、分类和分析,结合空间赋存特点提出了开展抽水蓄能、压缩空气储能、CO_(2)地质封存、地热能利用、建立仓储库、煤层气抽采等针对性的开发利用方案,为关闭退出矿井多元化开发提供思路。

A review of the geomechanics aspects of a double fatality coal burst at Austar Colliery in NSW,Australia in April 2014

A coal burst occurred on 15 April, 2014 at the Austar Coal Mine, located west of Newcastle, NSW,Australia. The burst resulted in fatal injuries to two men working as part of the mining crew at the development face. At the time, a continuous miner was being used to mine a longwall development gate road through heavily structured coal, at a depth of approximately 550 m. A number of pre-cursor bumps had occurred on previous shifts, emanating from the coal ribs of the roadway, in proximity to the coal face.This paper reviews the geological, geotechnical and mining conditions and circumstances leading up to the coal burst event; and presents and discusses the available evidence and possible interpretations relating to the geomechanical behaviour mechanisms that may have been critical factors in this incident. The paper also discusses some key technical and operational considerations of ground support systems and mining practices and strategies needed for operating in such conditions in the future.

煤炭地下气化项目技术经济评价研究进展述评

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-CO_(2)捕集与储存(UCGCCGT-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CO_(2)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、CO_(2)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CO_(2)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。

煤矿井下近钻头随钻测量技术研究现状和发展趋势

近钻头随钻测量集成了近钻头多参数测量、跨螺杆钻具供电和通信、涡轮连续发电和高速泥浆脉冲无线传输等多项关键核心技术,可以获取钻头附近多种类型参数,是煤矿井下智能钻探技术的关键组成之一。在充分借鉴地面石油与天然气钻探领域近钻头随钻测量开发经验和发展路径的基础上,分析了现有技术应用于煤矿井下的局限性,依托煤矿井下现阶段随钻测量技术,提出了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究思路,探讨了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究现状,重点解决结构小型化、仪器单元化、防爆模块化、测量协同化和控制整体化的研发技术难题。在煤矿智能化建设大背景下,提出未来需要从近钻头多参数一体化测量、近钻头参数动态监测、近钻头旋转导向钻进和近钻头自适应钻进等方面入手,大力推动煤矿井下近钻头随钻测量与5G通信、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的融合发展。

残采区群柱遗煤资源绿色开采与地下空间开发技术挑战

残采区遗留煤柱群(后文简称“群柱”)分布广泛,储量可观,且多为稀缺优质资源,具有良好的开采价值与潜力。残采区群柱遗煤资源长期滞留极易自然发火,污染环境、危害健康且加剧碳排放。残采区群柱遗煤资源受内在特征及外部环境影响可能会发生链式失稳,引发覆岩垮落、地表沉陷、动载矿压、瓦斯涌出、涌水溃砂(泥/煤泥)或火区扩展等多元灾害,并威胁安全绿色开采。残采区群柱遗煤资源开采还会形成大体积的采动空间,也是潜在的可开发“资源”,用于储CO_(2)、储氢、储油、储水等。残采区群柱遗煤资源开采面临的主要技术挑战包括:赋存状况如何精准勘探、附近积水如何超前处理、自然发火如何有效防控、周边积气如何充分处置、开采方法如何科学选择、围岩如何针对性控制等。群柱遗煤资源开采涉及到地下空间的“充填主动开发”与“注浆被动改造”,面临的技术挑战有:关键域充填/注浆位置在哪里、关键域充填/注浆材料用什么、关键域充填/注浆技术参数优化、关键域充填/注浆地下空间稳定运维等技术难题。上述研究有望为残采区群柱遗煤资源绿色开采和空间资源的高效开发提供科学指导与决策依据。残采区群柱遗煤资源的安全绿色高采出率开采与地下空间开发任重道远,需要严格遵守《煤矿安全规程》和地方各级政府部门制定的技术规范与要求,综合考虑精准勘探、积水处理、发火防控、积气处置、方法选择、围岩控制及其他隐患治理等,因地制宜开展群柱遗煤资源开采与地下空间开发的“安全论证-方案设计-理论突破-技术攻关-装备研制”,力争实现残采区群柱遗煤资源的绿色开采与地下空间开发基础理论与关键技术的突破,助力我国煤炭工业的高质量发展。

煤炭地下气化腔CO_(2)埋存的研究进展及发展趋势

CO_(2)捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现,是解决温室效应的重要手段.在众多地质埋存空间中,煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点,但与传统埋存方式相比,相关工作仍处于理论探索阶段,缺乏现场实施案例.为推动该埋存方式的发展,文章从以下3方面开展工作.(1)介绍UCG和CO_(2)气化腔埋存的国内外研究进展,并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段,目前尚处于理论探索阶段.(2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO_(2)埋存机理等多个角度出发,通过与其他埋存方式对比,分析了气化腔埋存的特点与优势:注入性良好;密闭性与未开发煤层类似,但更为复杂;显著节约CO_(2)运输成本;埋存潜力巨大;埋存机理非常复杂,需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO_(2)与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响.(3)阐明CO_(2)气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题,并指出未来发展趋势.在以上工作的基础上,建议国家出台相关政策鼓励和支持UCG及后续的CO_(2)气化腔埋存,丰富CCS体系,推动煤炭资源的清洁化和低碳化利用.

河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价

为保证煤矿关闭后遗留地下空间的合理利用、避免资源浪费,本文以河南省空间资源量超过10 000 m~3的典型煤矿城市(郑州市、平顶山市、三门峡市和洛阳市)为例,对煤矿地下空间开发利用适宜性展开研究,利用层次分析法建立了有关煤矿城市地下空间开发利用适宜性评价体系。该评价体系包括安全性、稳定性、空间资源量、空间环境、经济性等5大类以及相应的20小项评价指标。最后根据所建评价体系、结合专家打分法,得出河南省4个典型煤矿城市开发适宜度由高到低依次为:郑州市25.59、平顶山市23.21、三门峡市8.86和洛阳市8.56。论文采用城市之间横向对比的思路,为河南全省乃至全国各煤矿城市地下空间适宜性评价提供参考。

基于油气开发工程的深部煤炭地下气化关键技术

煤炭地下气化技术(UCG)作为一种潜在的煤炭清洁开采手段,由于技术及经济等因素制约尚未规模化应用,仍处于工程试验阶段,需要进行关键技术攻关。调研国内外相关技术发展历程和现状后发现:工程试验项目多以浅部煤层为主,技术相对成熟,而深部煤炭地下气化在环境保护方面更有优势,但是制约深部煤炭地下气化发展的气化炉构建和气化燃烧控制等关键技术还需进一步攻关试验。结合深部煤炭地下气化特点,利用油气开发工程上成熟的U型井精准对接技术、高温高压防腐技术、火驱油藏电点火技术、连续油管技术等,可针对性解决气化炉U型井连通、高温高压腐蚀、深部煤层原位点火、气化运行控制、气化炉燃烧监测等关键技术问题,推动深部煤炭地下气化技术进步,促进煤炭清洁开采产业发展。

煤矿井下无轨辅助运输技术现状及展望

煤矿井下无轨胶轮车辅助运输系统在煤矿井下辅助运输的合理运用,能够保证煤矿井下生产作业过程中,辅助运输系统在平稳态势下安全、有序、高效运行,推动整体煤矿生产活动的有序进行,并确保职工的人身安全和资产安全。煤矿无轨胶轮车辅助运输作业的安全性和适用率都具有较高的技术要求,煤矿管理人员必须进行技术手段及设备的不断更新与调整,对煤矿辅助运输系统做出有效的调整,切实保证辅助运输系统安全、有序、高效运行。因此,要合理适应煤矿生产的具体需要,在矿井的建设、生产过程中,必须结合自身的条件与辅助运输设备,形成有效的辅助运输措施,助力煤矿的安全有效生产。

太原东山煤地下气化模型试验研究

通过地下气化模型试验,获得了东山煤地下气化过程的一般规律。进行了东山煤空气气化及纯氧 水蒸气气化试验,研究了鼓风量及气氧比对煤气组成的影响、气化过程的稳定性以及试验条件下的煤层气化速率变化,进行了纯氧 水蒸气地下气化的物料衡算。试验结果表明,东山煤空气气化可以生产低热值空气煤气,鼓风量会影响空气煤气的组成;纯氧 水蒸气地下气化可以获得合格的二甲醚合成原料气,但需根据气化工作面的移动及煤气组成变化,采用移动点供风气化维持气化过程连续稳定进行。气化过程的物料衡算可以用来预测气化煤气的基本组成。气氧比影响煤气组成变化,试验条件下适宜的气氧比范围为1 8～2 2。气化工作面扩展速率在供风点附近出现最大值,变化平稳,瘦煤地下气化具有较高的稳定性。

国内外煤炭地下气化技术发展现状

煤炭地下气化技术作为第二代采煤法有广泛应用前景,值得深入研究。分析了煤炭地下气化所涉及的气化炉设计、选择及贯通技术,详细介绍了煤炭地下气化技术在我国及世界主要产煤国家的发展现状及技术进展。

我国转型煤矿井下空间资源开发利用新方向探讨

随着煤炭资源的长期开采、采矿技术的进步以及能源结构的调整,近年来越来越多的煤矿面临关闭或已关闭。目前针对废弃煤矿采取的主要措施是矿山环境恢复治理,以致遗留许多社会、经济和生态环境问题,且造成了矿区井上下资源的严重浪费。因此,如何科学、高效地解决煤矿关闭后的资源利用问题,实现矿山的成功转型利用,对煤炭工业乃至国民经济的发展具有重要战略意义。分析了转型煤矿资源类型,介绍了我国转型矿山开发利用现状,主要包括废弃工业广场建筑物、废弃土地(工业广场土地、沉陷区土地)的开发利用及建设矿山公园等。并指出国内废弃煤矿资源利用存在开发利用不充分、运行成本高等问题,特别是井下空间资源的开发利用率低。如井筒、巷道、硐室等井下空间资源,在封井后几乎全部浪费。因此,针对转型煤矿井下空间资源利用率低的问题,重点分析探讨了煤矿井下空间资源开发利用新方向,如利用煤矿井下空间资源储存石油、天然气,建设蓄能站以及地下城市等等,为我国关闭矿山的转型开发利用提供思路。

无井式煤炭地下气化岩层及地表移动与控制

煤炭地下气化是我国先进能源领域重要的研究方向之一,也是我国煤炭资源“流态化”开采技术体系的重要组成部分。目前已完成的煤炭地下气化工业性实验由于实验规模较小没有引起显著的裂隙发育和明显的地表沉降发生。但随着煤炭地下气化实验规模的扩大及推广应用,如何面向不同地质条件进行地下气化生产设计控制裂隙发育及地表沉降是目前亟待解决的瓶颈问题,极大的限制了煤炭地下气化的选址及规模化生产。为了解决这个难题,利用数值模拟方法研究了无井式煤炭地下气化岩层与地表移动规律以及导水裂隙发育高度与气化炉参数的关系,同时利用理论方法提出了“双曲线”型焦化隔离煤柱稳定性评价方法。研究得出:①无井式煤炭地下气化岩层和地表移动曲线与常规条带开采岩层和地表移动曲线形态相似,可参考条带开采地表沉陷预测方法进行无井式煤炭地下气化岩层和地表沉陷计算,但预测参数需修正;②“双曲线”型煤柱评价可分为弯曲和矩形两部分进行,并在此基础上建立了“双曲线”型煤柱稳定性评价方法,可为不同地质条件下地下气化生产设计提供技术支撑;③无井式煤炭地下气化引起的导水裂隙发育高度与气化炉参数直接相关。当气化炉高度一定且隔离煤柱稳定时,气化炉宽度与导水裂隙发育高度呈线性正相关;当气化炉宽度和隔离煤柱宽度一定时,气化炉高度与导水裂隙发育高度也呈线性正相关,故在覆岩含水层下进行地下气化生产时,要兼顾导水裂隙与气化炉参数的关系。

煤炭地下气化在我国的发展前景

本文简述了煤炭地下气化技术的发展概况及地下气化原理，指出了传统地下气化工艺存在的问题，提出了长通道、大断面、两阶段地下气化新工艺（ＬｏｎｇＴｕｎｎｅｌＬａｒｇｅＳｅｃｔｉｏｎＴｗｏＳｔａｇｅＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＣｏａｌＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ），并论述了该工艺的可行性及在我国的发展前景。室内模拟试验表明，新工艺生产的煤气，氢和甲烷含量高、煤气热值高、可控性好、成本低。因此，该工艺必将会成为我国主要推广的工艺之一。该工艺特别适用于报废矿井，或矿井报废水平的资源回收。