煤炭地下气化(underground coal gasification，UCG)技术是推动我国低碳高效煤炭能源结构发展转型的重要技术方向^[1-2]，我国在此方面做过长期探索，近期研究成果仍不断见诸发表^[3-7]，但UCG技术产业化尚未实现。美国20世纪80—90年代大力发展UCG技术，通过6大系列UCG先导试验，确定了适宜于UCG技术的煤层和煤质条件，所发明的可控后退式注入点(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，奠定了现代UCG技术的关键基础。美国从政府层面上组织实施科技研发计划，实现了UCG技术创新能力的持续释放。同时，美国UCG系列试验尚有诸多技术难题尚待进一步解决，为我国UCG技术发展提供了需要关注的重点方向。回顾美国UCG先导试验及技术创新历史，可为推进我国UCG产业化进程提供启示和借鉴。

1   美国UCG技术探索历史

美国工程师和化学家A. G. Betts在1906年提交了世界上首批3项UCG技术发明专利，1910年分别获得美国、英国和加拿大授权^[8-9]，专利中提供了几种UCG工艺方法：一是使用2个立井(竖井或钻孔)的气流气化法(图1a)，二是具有多个注入和生产点以及多个通道的气流气化法(图1b)，三是具有火力贯通可能性的盲孔气化法(图1c)，同时提出了废弃矿井气流气化和煤层底板通道气化草案。

图  1  UCG工艺方案^[8-9]

Figure  1.  UCG process schemes proposed by Betts^[8-9]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

A. G. Betts的相关设计思想，首先在20世纪30—40年代被前苏联借鉴。在此基础上，前苏联首先实践了气流法，发明了腔室气化法、直井火力贯通法、煤层水平井长通道等技术^[10]。美国在第二次世界大战之后开始关注UCG技术，20世纪40—80年代实施了20炉次的UCG现场试验，试验场地广泛分布在包括阿拉斯加在内的美国11个州(表1)。

表  1  美国UCG现场试验项目清单(根据文献[10-11]资料整理)

Table  1.  UCG field tests in the United States (after literature [10-11])

序号	试验地点	年份	气化工艺			煤层条件				气化效果
			炉型	气化剂		煤阶	厚度/ m	深度/ m		转化煤 量/t	气化采收率/%	合成气热值/ (MJ·m−3)
1	Gorgas	1947—1960	矿井式	多个方法						极低	高漏失，顶板塌陷	2.0
2	Fairfield					褐煤					26 d	4.7
3	Tennessee Colony									4 100	热损大，高水浸入	3.0~8.6
4	Alcoa			直井连通						0	21 d，套管故障	1.3~5.6
5	Carbon County										高炉腔压力，水污染
6	Hanna 1	1973	直井连通/水力压裂	空气		高挥发分烟煤	8	114		818	14	4.2
		1973—1974	RB连通/反向燃烧				5	114		3 304	103	5.0
7	Hanna 2	1975	直井连通/反向燃烧	空气		高挥发分烟煤	9.1	84		1 620	78	5.5
		1975								769	129	5.7
		1975—1976								3 680	99	6.8
		1976								4 258	100	5.5
8	Hanna 3	1977	双井连通/反向燃烧	空气		高挥发分烟煤	9.7	50		4 734	92	5.5
9	Hanna 4	1977—1978	多直井连通/反向燃烧	空气		高挥发分烟煤	8.5	98		4 550	80	4.1
		1979								1 334	92	5.4
10	Hanna 5	1987	CRIP	空气/ O2		高挥发分烟煤	7.6	110		8 077
11	Rocky Hill	1978	三直井连通/反向燃烧	空气		亚烟煤	20~30	190		3 220	92	7.4
12	Pricetown 1	1979	三直井连通/反向燃烧	空气		烟煤	1.8	270		450	114	6.9
13	Hoe Creek 1	1976	双直井/爆破压裂	空气		高挥发分烟煤	8	40		190	93	4.0
14	Hoe Creek 2	1977	双直井连通/反向燃烧	空气			8	388		2 470	78	4.3
		1977		空气/O2/H2O						55		10.5
15	Hoe Creek 3	1979	水平井连通三直井	空气			8	54		334	83	4.5
		1979		O2/H2O						3 655		8.4
16	Rawlins 1	1979	大倾角定向井	空气		亚烟煤	18	113		1 255	97	6.0
		1979		O2/H2O						228		8.4
17	Rawlins 2	1979	三叉戟直井	O2/H2O		褐煤	18	130~180		7 767		12.8
18	Centralia	1981—1982	U形井/反向燃烧	O2/H2O		亚烟煤	8	16		245	21~61	10.7
		1982	U形井/线状CRIP				2	16		30	85	10.8
		1983	多井连通/平行CRIP				6	52		2 400	83	9.2
19	Rocky Mountain 1	1987—1988	定向井连通/反燃	空气/O2/H2O		高挥发分烟煤	5	112		4 000	91	10.3
		1987—1988	定向井连通/平行CRIP				7	108		10 200	89	11.3
20	Alaska SHR		未检索到具体信息			褐煤/亚烟煤	1~12	50~650

下载: 导出CSV 

| 显示表格

美国UCG现场先导试验长达40余年，经历了3个探索阶段^[12-13]。

第一阶段，1947—1960年。美国矿业局实施阿拉巴马州Gorgas UCG先导试验，主要采用矿井法开展多项技术探索，如巷道燃烧、钻孔注浆、水力压裂、电连通等，并尝试了富氧空气法和反向燃烧连通直井方法。但是，由于气体大量漏失、顶板塌陷、热损失大、地下水浸入、套管故障等地质和工程原因，现场试验无一成功。然而，通过这些试验取得了一批可贵认识，如膨胀性强的烟煤层气化难度极大，褐煤层合成气热值低且易产生地下水涌入气化炉等。

第二阶段，20世纪70—80年代后期。这是美国UCG活动的辉煌时期，多数技术创新和先导试验成果在此阶段取得，尤其是钻井式UCG方法和工艺的发展。初期调研前苏联文献，提出了大规模UCG行动计划，大倾角煤层定向井连通技术UCG现场试验获得成功。继而，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory， LLNL)发明了可控后退注入点(CRIP)技术，为UCG炉运行提供了可控方法，构成现代UCG首选技术，推动了全球第二波UCG现场试验热潮。在该阶段，美国成功尝试了氧气/蒸气注入气化方法，成为现代UCG生产控制首选的气化剂。在此基础上，探索了利用定向井建立注入点—生产点之间通道的可行性。同时，研究UCG过程与环境交互作用，提出了UCG炉“清洁洞穴”等概念。

第三阶段，本世纪以来。由于页岩气产业的兴起以及对UCG地下水环境安全的担忧，美国没有开展新的现场试验。UCG探索局限于数值模拟、CO₂捕集与埋藏(UCG-CCS)等。Wyoming(怀俄明州)、State of North Dakota(北达科他州)等州支持UCG调查，并对大型UCG项目及其成本进行分析^[14-15]。Indiana(印第安纳州)地质调查局和Purdue University(普渡大学)评估了该州煤炭资源对UCG的适用性^[16]。LLNL恢复了UCG研究，但主要兴趣转移到UCG-CCS技术和作用过程^[17]。

2   美国系列UCG先导试验

D. W. Camp(2017)将美国1970—1980年期间UCG现场试验总结为六大系列^[13]。本文以此为主线，结合其他文献，简述美国第二阶段UCG先导试验主要进展，分析所取得的成就和经验。

1) Hanna系列UCG先导试验

在1973—1979年，美国矿务局Laramie 能源研究中心(LERC)在怀俄明州Hanna镇组织实施了该系列先导试验。试验分5个阶段进行，每阶段试验均使用空气注入剂、反向燃烧、多直井工艺。第一阶段试验采用正向燃烧方式，UCG炉有效运行了5.5个月，验证了正向燃烧的可行性。第二和第三阶段试验是使两个相邻孔腔相互融合，从而形成了一个较大的组合腔，以验证炉体横向扩展的产气潜力。第四阶段试验主要目的是调查地下水污染，但由于煤层及其围岩富水性极弱，取得的有用数据不多。第五阶段试验目的主要是验证炉体结构模式和连接通道方式有效性，但遇到了一系列问题，如水力压裂和气动压裂均未能在井间产生足够的连通性、未固井的井眼会导致合成气大量漏失、合成气质量往往会随时间下降等，这些问题的发现为后续试验技术改进提供了针对性方向。

该系列先导试验总体上是成功的，为美国后续主要UCG计划增添了信心。其中，一些阶段采用正向燃烧方式有效运行5.5个月，验证了正向燃烧可行性；成功将最初的注入/生产井对横向扩展到其他过程井，证明了扩大UCG气化规模的可行性。

从先导试验中也总结出3个主要问题：其一，水力加砂压裂和气动压裂均未能形成足够的井间连通，难以维持正向燃烧；其二，没有完井的裸眼井会导致合成气大量漏失；其三，采用固定的注入/产气井对，合成气品质会随时间而下降。

2) Rocky Hill系列UCG先导试验

1979年，美国ARCO公司在怀俄明州Powder盆地实施了该系列先导试验，气化对象为巨厚亚烟煤层。炉体结构设计和运行控制类似于Hanna项目方案，注入/生产直井通过反向燃烧连通。巨厚煤层热量向顶板的扩散损失率很低，使得合成气热值较高。监测结果表明，闭炉3年后未发生地面沉陷，但气化腔上覆岩层热致裂缝具有一定的高度，但没有与气化炉上覆含水层发生贯通。

3) Pricetown系列UCG先导试验

该系列试验由美国能源部Morgantown能源技术中心(METC)1979年在West Virginia(西维吉尼亚州)北部组织实施。气化目标是具有膨胀性的烟煤层。3口直井呈直线布置，井间距18 m，钻至煤层下部三分之一处，反向燃烧贯通，但气化生产仅持续了12 d。原因在于气化通道存在流动阻力，注入点位置难以控制，同时生产井套管发生破裂。

试验获得一个重要结论，即采用现有技术在具有热膨胀煤层进行UCG是不可行的，将来可尝试利用大口径贯通井来解决这一问题。

4) Hoe Creek系列UCG先导试验

1976—1979年，由美国能源部和美国天然气研究所(GRI)联合出资，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在怀俄明州东北部组织实施了该系列项目，先后做过3次现场试验，尝试了一些创新技术的应用。

第一次试验计划研发煤层大规模爆破贯通技术，在煤层底部相距约7 m两处各装填340 kg炸药，爆破形成了具有足够渗透性的气化通道，产出了质量较好的合成气。但是，爆破造成煤层顶板裂缝十分发育，导致热量散失及合成气和注入气漏失，资源采收率低，否定了这种方法。

第二次试验退回到简单的双直井反向燃烧贯通，类似于Hanna系列第二次试验，不同的是，部署了传感器来监测温度场和型腔位置变化，但由于第一次试验注入井破裂以及顶板破坏而运行失控，合成气热值较低。

第三次试验采用定向井技术，开创的贯通井方法被8年后的落基山1号项目所选用，发展了氧气－蒸气注入技术，生产出适合转化为运输燃料的中等质量合成气。

基于该项目试验获得两方面启发：一是气化煤层顶板渗透率要低，富水性要弱；二是构想了一种气化过程控制新方法，即下述的可控后退式注入点(CRIP)工艺^[11]。

5) Rawlins系列UCG先导试验

该系列项目由美国海湾研究与开发公司和美国能源部共同资助，1979年开展了2次现场试验。地点位于Hanna以西，煤层厚7 m，倾角63°。第一期试验采用“V型”炉，出气通道为顺煤层定向井，注气井从底板定向钻入煤层，套管完井，以防井眼受热坍塌；空气注入，气化运行顺利，证明了定向井贯通对急倾斜煤层气化的可行性。第二期试验规模大于第一期，炉体结构也更为复杂，各种井型构成一个复杂的炉体结构，反向燃烧取得成功。

两期试验结果显示，这种工艺技术形成的顶板垮落物填满了燃空腔下部，使得顶板热损失与煤炭消耗的比率很低，这是急倾斜煤层UCG生产出优质合成气的重要原因。尽管物料平衡计算结果显示气体漏失很少，但在生产井上倾方向固井质量较差井段仍然能观察到漏气现象。

6) Centralia系列UCG先导试验

该系列试验位于华盛顿西南部，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室在1981—1983年期间组织实施，美国能源部和GRI共同资助，是CRIP技术的首次现场试验。该项目的独特之处，在于炉体布置在山坡煤层露头附近，便于闭炉后对燃空穴开挖研究^[18]。

试验分为两个阶段：第一阶段采用正向燃烧，历时12 d；第二阶段改为CRIP控制下的反向燃烧，历时18 d。闭炉后开挖发现，燃烧穴内充满了灰烬、煤渣、焦炭、干燥煤块和碎石，改变了UCG燃烧穴是一个开放空腔和具有岩石顶板的传统认识(图2)。煤层气化造成顶板严重塌陷，塌陷高度5.5 m，导致合成气质量降低。

图  2  美国Centralia气化炉闭炉开挖剖面^[19]

Figure  2.  Section of a closed and excavated gasifier in the Centralia UCG pilot test in the United States ^[19]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3   典型案例分析：Rocky Mountain 1号UCG先导试验

该先导试验属于Hanna系列，位于Hanna项目东南部几百米处，也是美国能源部组织实施的最后一个UCG先导试验项目，技术示范全面，产气效果好，被国际同行公认为迄今为止效果最佳的UCG先导试验^[11]。使用水平井构建气化通道，采用CRIP和ELW(扩展贯通井系统)两种气化模块控制方式(图3)。通过对比分析，以详细了解这一案例的技术方案，加深对CRIP这一里程碑式创新技术的理解，有助于我国现阶段UCG产业化进程少走弯路。

图  3  美国Rocky Mountain 1号UCG炉连通方式^[20]

Figure  3.  Connection model of the No.1 gasifier in the Rocky Mountain UCG pilot test in the United States^[20]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

该气化炉1987年11月下旬点火启动，产气稳定后切换到氧气－蒸气气化主要阶段。ELW模块连续运行57 d，但由于注入井轨迹控制偏差而误入煤层顶部终孔，气化效果受到限制；地下水污染受到密切关注，并采用“清洁洞穴”方法将污染降低到最低限度。CRIP模块运行至1988年2月下旬，气化过程非常顺利。结果显示，CRIP模块气化效果显著好于ELW模块(表2)。闭炉后几年时间，完成了钻探取心和测井，相关信息被用于腔体边界和环境热变化范围分析。

表  2  美国Rocky Mountain 1号UCG两种工艺气化效果对比^[13]

Table  2.  Comparison of the gasification effects of two processes used in the No. 1 gasifier in the Rocky Mountain UCG pilot test in the United States^[13]

参数		持续 时间/d	气化煤 量/t	合成气热/ (MJ·m−3)	H2摩尔分数/ (%, 干)	CH4摩尔分数/ (%, 干)	CH4摩尔分数/ (%, 干)	CO2摩尔分数/ (%, 干)	O2·C−1摩尔分数/ (%, 干)
CRIP模块	第一腔体	43.8	3 719	11.7	38	10.5	11.6	37
	第二腔体	19.9	2 159	10.8	38	8.6	10.8	40
	第三腔体	20	2 277	11.6	39	9.5	14.3	35
	第四腔体	9.3	798	9.7	40	6.7	9.9	42
	合计/平均	93	10 184	11.3	38	9.4	11.9	38	0.27
ELW模块		57.4	4 030	10.3	31	10.1	9	44	0.35

下载: 导出CSV 

| 显示表格

CRIP模块93 d正向燃烧气化过程中未遇到严重问题，产出了高质量合成气，效率参数可与地面气化炉媲美(表2)。气化运行4个连续腔体，其中3个采用CRIP作业，每个新注入点距上个腔体约18 m。每个注入点和腔体的过程效率和产品气质量均随时间而下降，但随着每次CRIP作业的开始又有所改善，仍呈总体下降趋势^[21]。究其原因，可能在于裸露顶板面积(体现相应的热损失)以及腔体周长(反映相应的水流入量)与耗煤率的比值越来越大。监测结果表明，腔体高度约18 m，为气化煤层厚度的3倍，大于常规高度比(1.5~2.0倍)范畴^[22]。

尽管CRIP模块合成气质量总体上优于ELW模块，但产品气发热量随时间而显著衰减，这是通道阻塞和温度阶段性降低的结果，可能限制CRIP－UCG的商业化前景(图4)。为了解决这一问题，先导试验采用了双水平井(P-CRIP)工艺(图3)，证明采用空气或O₂作为气化剂的UCG合成气具有高效发电的可行性^[23-24]，也适合用作各种化学合成的原料^[25]，生产出了高质量合成气。也就是说，质量稳定的合成气生产技术，在理论上已经具备。

图  4  Rocky Mountain1号UCG两种工艺合成气热值衰变趋势对比^[2]

Figure  4.  Comparison of calorific decay trends of syngas obtained using two processes from the No.1 gasifier in the Rocky Mountain UCG pilot test in the United States ^[2]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

小结上述，Rocky Mountain 1号炉UCG现场试验^[13]取得如下主要认识。

(1) 验证了通过CRIP工艺建立一系列(至少4个)新注射点和新腔体的可行性，获得了与高质量合成气和气化过程相匹配的效率指标^[20]。

(2) CRIP工艺合成气热值及过程效率高出ELW工艺50%，直接原因在于CRIP工艺腔体几何形状的优越性。CRIP方法可确保注入点准确位于煤层下部，只要腔体足够大，就算上覆地层过度垮塌，CRIP运行仍能生成新的腔体。

(3) CRIP工艺可气化较厚煤层，炉腔宽度有所加大，运行时间延长，气化煤量增大。在此情况下，CRIP工艺对顶板的损伤程度仍低于ELW工艺。原因可能在于CRIP过程经常移动注入点，从而缩短了任何一个腔体顶板暴露于最高温度条件下的时间。

(4) 反向燃烧连接可行性需要进一步验证。目前的连通试验持续时间很短，需要更长时间的现场试验加以验证。空气注入和连接阶段的高压可能会导致局部渗透率增大，反向燃烧短连接的高气压使产品气向外泄漏200 m以上，污染物浓度超出允许范围^[26]。

4   美国UCG现场试验启示

美国UCG技术创新历程表明，政府组织是关键，国家级科技平台是后盾，企业是现场支撑，依托同一基地在相同地质条件下开展持续科技攻关是解决问题的有效途径。除此之外，美国UCG系列试验揭示出的诸多现象，启示我国当前UCG先导试验需要关注的方向，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、“双碳”背景下UCG技术等。其中，如下3方面启示值得高度关注。

第一，UCG炉地质密封性及其全生命周期防控。气化炉密封性事关UCG气化效率和气化安全，合成气漏失降低了气化效率；气化安全的重点是气化产物的环境安全，大量合成气泄漏会造成地下水污染风险，而公众对环境的担忧也是加拿大^[27]、澳大利亚^[28]、英国^[29]等UCG产业化进程中止的重要诱因。气化炉密封性涉及UCG项目的全生命周期：地质条件评价是基础，包括含水层承压性、构造密封性和煤层顶底板岩层渗透性^[1]；炉体建造质量是关键，特别是固井质量及生产井套管耐高温耐腐蚀性，裸眼井存在极大泄漏隐患；生产过程顶板控制是核心，导流裂缝高度准确评估及针对性降高技术措施十分重要；闭炉后的炉腔密封及洁净化为托底，最大限度防止燃空穴残留物中重金属元素随地下水淋滤进入含水层^[30]。

第二，UCG炉宽安全有效扩展技术。UCG炉宽即气化腔体侧向扩展及其范围，直接约束单炉可气化煤量及气化速率，进而影响合成气生产成本乃至UCG项目经济性。统计全球现场试验案例，对于薄至中等厚度的煤层，炉宽随气化煤层厚度增大而增大，炉宽因子(炉宽与煤层厚度比值)通常在2~5^[11]。例如，美国Hoe CreekⅡ项目炉宽因子约为2^[31]，Hanna二期炉宽因子仅为1.7^[32]，Rocky Mountains Ⅰ项目炉宽因子约为2.4^[33]，采用注氧气化工艺的UCG项目炉宽因子通常在2~3^[11]。UCG炉宽取决于诸多因素，地质因素如煤质、煤层厚度、炉体围岩渗透率等，工程及工艺因素如注氧速率、可接受的合成气质量下限、工作压力、岩层渗透率等。为此，UCG炉宽扩展技术创新需要地质－工程相互协同，这是提高UCG项目经济性乃至UCG产业竞争力的关键技术。

第三，立足“双碳”背景创新发展UCG技术。前已述及，美国21世纪以来对UCG研究的主要兴趣转移到UCG-CCS技术和作用过程^[17]，西方主要国家也是如此。设想将UCG合成气用于联合循环发电，随后捕获CO₂并在UCG空腔储存^[34-36]，认为UCG与CCS的结合可能提供大规模低碳化解决方案^[37]，即UCG-CCS技术方案^[38]。然而，UCG炉地质体密封性经受高温之后损伤极大，密封处理及储存成本高昂。鉴于此，最为经济的CO₂处理方案是利用CO₂-H₂O-C反应原理提高H₂等有效组分产出率，多余的CO₂通过UCG过程与Ca反应生成碳酸钙原位固化，并非单纯的CCS或排放。由此，需要开展一系列基础研究并开发相关系列技术，如高效CO₂-H₂O-C-Ca链式反应途径、煤层及其围岩中含钙矿物质有效捕获原理与方式、原位CO₂循环利用固化的CCU技术路线与现场装备等。

5   结 论

a. 美国UCG先导试验历经三个阶段40余年。通过第一阶段试验放弃了矿井法技术探索，发现膨胀性强的烟煤层难以气化，褐煤层合成气热值低且易产生地下水涌入气化炉等问题。通过第二阶段探索，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，提供了钻井式UCG过程控制方法，有效提高了合成气质量，为现代UCG技术体系提供了关键技术。第三阶段致力于UCG与CO₂捕集储存联产(UCG-CCS)可行性的理论探索，为全球UCG工艺技术战略价值研究提供了一个新方向。

b. 坚持以问题为导向，政府出面组织，依托同一基地在相同地质条件下持续开展大规模系列科技攻关，是美国能在较短时间内突破UCG部分技术瓶颈的关键。通过6大系列现场试验，针对直井压裂或爆破预裂难以实现井间有效连通和燃烧控制的问题，发明了CRIP技术，成功解决了气化通道建造和气化过程控制两方面技术难题；通过相邻孔腔相互融合，为突破从单炉开始扩大UCG气化规模的可能解决方案；通过闭炉开挖研究，改变了关于UCG燃空穴几何形态的传统认识，发现顶板严重塌陷是影响合成气质量的重要因素，为稳定UCG合成气质量提供了技术改进方向。

c. 美国UCG先导试验奠定了现代UCG技术的关键基础，也为推进我国UCG技术产业化提供了诸多启示。针对不断发现的技术难题，依托同一基地在相同地质条件下开展适应技术接替研发，是美国形成UCG实用可控技术的基础。政府组织大规模协同科技攻关计划，是美国UCG技术创新潜力不断释放的关键。同时，UCG炉地质密封性及其全生命周期防控、UCG炉宽安全有效扩展、立足“双碳”背景创新发展UCG技术等，是UCG技术发展和产业化进程应关注的重点方向。