基于油气开发工程的深部煤炭地下气化关键技术_刘争芬.pdf

772 0 2 3 年 2 月第 3 5 卷第 1 期油 气 与 新 能 源文章编号：2097-0021（2023）01-0077-06基于油气开发工程的深部煤炭地下气化关键技术刘争芬，彭杰，闫吉曾，周瑞立中石化华北油气分公司石油工程技术研究院引用：刘争芬,彭杰,闫吉曾,等.基于油气开发工程的深部煤炭地下气化关键技术J.油气与新能源,2023,35(1):77-81,100.摘要：煤炭地下气化技术（UC G）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。关键词：煤炭地下气化；油气开发工程；气化炉构建；电点火技术中图分类号：TQ546 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.2097-0021.2023.01.010Key Deep Underground Coal Gasification Technology Based on Oil and Gas Development ProjectsLIU Zhengfen,PENG jie,YAN Jizeng,ZHOU RuiliPetroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec North China CompanyAbstract:The underground coal gasification(UCG)technology,as a potential way of clean coal mining,is still under engineering test and hasnt been applied at a large scale due to restraints such as technology and economy.Key technological breakthrough should be made before the actual application.Based on the survey concerning the technology development history and the current situation at home and abroad,it is found that engineering test projects mainly involve shallow coal seam with relatively mature technology while deep underground coal gasification enjoys more advantages in environmental protection.However,the construction of gasifier and the control of gasification and other key technologies which hamper the development of deep coal underground gasification need to be further tested.In light of the features of UCG,such key technological issues as the connection of U-shape well,corrosion under high temperature and high pressure,in-situ ignition in deep coal,gasification operation control as well as gasifier combustion monitoring can be solved by way of the mature U-shape well accurate docking technology,anticorrosion technology under high temperature and high pressure,fire drive reservoir electric ignition technology,coiled tubing technology and other means.As such,it may advance the technology of deep coal gasification and promote the development of the clean coal mining industry.Key words:Underground Coal Gasification(UCG);Oil and gas development engineering;Gasifier construction;Electric ignition technology0引言煤炭地下气化（UCG）是指将地下煤炭在原位点火，通过一系列燃烧控制手段，将煤炭转变为可燃气体采出地面的技术。随着能源接替需求和环保意识的增强，UCG 作为清洁采煤的有效手段越来越被能源行业重视。煤炭地下气化最早由英国人于1868 年提出1，经过 150 多年发展，由于环保及经78油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023济等因素限制，尚未实现规模化应用推广，迄今仍主要进行 600 m 以浅的现场试验。相对于浅部煤层，深部煤炭地下气化虽然更具环保优势，且有利于提高甲烷和氢气产率，但由于地质条件更加复杂，UCG 工程实施难度增加，需要进行关键技术攻关。深部煤炭地下气化以加拿大天鹅山项目为代表，设计煤层深度 1 450 m，但由于技术和安全原因，该项目运行 2 个月便由于炉内高压导致连续管破裂，合成气和注入剂反串出注气井口，造成地面爆炸燃烧而被迫终止2。与煤炭企业相比，石油石化企业工程技术储备更有优势，尤其是成熟的地球物理勘探技术、定向钻完井技术、连续管集成技术等，有望针对性地解决煤炭地下气化的气化炉构造、气化过程控制及监测等关键工程技术问题。1深部 UCG 关键工程技术及特点制约 UCG 发展的技术问题以工程技术难题居多，因地质和工程工艺因素导致试验失败的比例分别为 30%和 70%3。其中，气化炉构造、气化运行控制技术分别占工艺技术因素的 31%和 69%。与浅层煤炭地下气化相比，煤层埋深增大，对地下水污染的风险变小，且深部煤层压力较高，1 000 m 以深的煤层压力多在 10 MPa 以上，高压条件下更易发生甲烷化反应，热值更高，还可以实现超临界水气化制氢。因此，煤炭地下气化向深层发展是未来趋势。但是，随着地层深度增加，工程技术难度也更大4。制约气化效果的关键工程技术包括气化炉构建技术和气化运行控制工艺技术。1.1U 型气化炉构建技术根据以往地下气化炉运行经验，地下气化通道畅通是保证气化炉稳定燃烧产气的主要条件。在煤炭气化过程中，气化通道的大小、形状、位置都随着煤层剥落和顶板冒落而不断发生变化。因此，气化工作面的大小、形状、位置和空气动力学条件也在不断地发生变化，从而影响气化过程的稳定，必须设计结构合理的气化炉，以实现气化过程稳定可控的目的。气化炉型经历了矿井式向钻井式的发展历程5。经过多年发展，钻井式气化炉已经形成了连通直井气化炉（见图 1）、U 型井气化炉（见图 2）和并联结构气化炉（见图 3）3 种炉型6。研究表明，基于煤层长距离（1 000 m 以上）水平井的 U 型井气化炉更适用于深部煤炭地下气化7，注入井采用水平井长距离钻进，生产井采用直井，注入井和生产井在井底实现对接连通。U 型井气化炉的主要优点是气化通道煤炭覆盖量大，有利于多炉建设，生产可持续性强，工业化潜力大。由于煤炭地下气化是煤炭的原位燃烧开采，不同于煤层气的开采，为保持燃烧的持续性，理论上要求水平井段煤层钻遇率达到 100，这就给水平井井眼轨迹控制提出了极大挑战，特别是对于煤层较薄的煤炭地下气化工程。另外，注入水平井和生产直井的地下精准对接也是一个较大的挑战。注入井生产井气化腔顶板底板煤层图 1直井气化炉注入井生产井气化腔顶板底板煤层图 2U 型井气化炉注入井生产井气化腔顶板底板煤层图 3并联结构气化炉79第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月刘争芬等：基于油气开发工程的深部煤炭地下气化关键技术1.2可控注气点后退气化工艺（CRIP）CRIP 工艺最早由美国研究开发，特点是把定向钻进和反向燃烧结合在一起。该工艺采用 U 型气化炉，气化燃烧时，首先在靠近垂直生产井的位置点火引燃煤层8，同时通过连续油管由水平井注入气化剂实现可控燃烧。当第一个点火点位置煤炭烧尽后，形成第一个燃空腔，然后通过连续油管控制注入点后退一个燃空腔的距离，到达第二个注气燃烧点，如此逐段向水平注入井垂直段推进。CRIP 工艺的最大优点是气化过程可控性较好9，因为气化剂直接可控地注入目标气化煤层底部，使得气化效率大幅提高。目前已知最大深度的煤炭地下气化项目加拿大天鹅山项目采用的即是 CRIP 气化工艺，该项目虽然持续时间不长，但是验证了该工艺应用于深层煤炭地下气化工程的可行性。中国煤炭地下气化项目吸收并改进了 CRIP 工艺技术。例如新奥集团股份有限公司内蒙古乌兰察布试验项目（简称新奥乌兰察布项目）采用高能固体燃料点火技术优化燃烧控制过程，实现了一次点火连续燃烧，无需多次点火。同时，为解决水蒸气到达地下煤层后冷凝成水难以参加气化反应，以及注气喷头高温作用下易损坏的问题，在原来 CRIP 工艺基础上，发明了“分离控制后退注气点水雾化地下气化技术”8（见图 4）。但是，迄今国内现场试验煤层均较浅，改进后的 CRIP 工艺对深部煤炭地下气化的适用性还有待进一步实践检验。氧气+水蒸气汽-气混合物出气孔气化区出气孔水雾化喷嘴水雾进水口氧气进口图 4分离控制后退注气点-水雾化地下气化技术示意图2油气工程技术在深部 UCG 项目中的应用2.1定向钻完井技术为保证煤层钻遇率，满足煤层连续充分燃烧需要，水平井井眼轨迹要根据煤层厚度和稳定性要求在煤层底以上一定距离内穿行，断层精度要求高，控制要求精细，难度较大。对于深部煤层，井眼轨迹的控制和 U 型井的精准对接难度更大6。油气工程中定向钻完井技术已经非常成熟，可实现深部煤层 1 000 m 以深 UCG 气化炉构建。定向钻井中导向技术的进步可实现井斜、方位、井深的连续测量，例如近钻头（小于 0.5 m）随钻导向技术与装置的应用，可实现对井眼轨迹的动态调整，满足气化炉高钻遇率要求。近年制约 UCG 气化炉构建的 U 型井对接关键技术也实现了技术突破，使用近钻头旋转电磁测距方法可实现注入水平井和生产直井的精准对接。旋转磁场测距导向系统（RMRS）没有累计误差，能直接引导钻头进行连通井作业10。优选强磁短节、探管，在距生产井一定距离时（约 80 m），磁短节置于注入井且连接在钻头后方，并随钻头旋转产生旋转磁场，测量探管置于直井中，测量旋转磁场信号，进而判断相对空间关系，引导对接（见图 5）。采出直井注入水平井钻头磁性接头RMRS探管图 5旋转电磁测距 U 型井对接技术原理示意图80油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.20232.2深部 UCG 腐蚀冲蚀问题综合应用技术深部煤层