煤炭地下气化技术(UCG)的发展有长达一百多年的历史。21世纪以来，随着国际能源的紧缺，煤炭地下气化技术重新在全世界范围内受到广泛关注，并得到快速发展[1-4]。以美国的后退注入气化(CRIP)为思想，以煤层水平井和移动注气技术应用为基础的现代煤炭地下气化技术基本成熟，通过现代钻井装备可以实现大规模地下建炉和气化过程的精准导控，气化效率显著提高，长壁式煤层气化开采得以实现[5]。现代化煤炭地下气化的技术流程包括气化区科学选址、气化炉建炉、气化炉点火、气化过程测量与控制、地下水污染控制与防治、气化炉闭炉等。科学选址是地下气化项目规划、规模化稳定生产及地下污染防治的先决条件和重要前提，有赖于诸多地质因素，均关系到气化区的选址和气化炉的建立，同时也是影响地下气化工艺选择及稳定性控制的重要因素[6]。与地面气化不同，煤炭地下气化的反应空间在很大程度上决定于煤层赋存条件，其反应过程会受到顶板岩层冒落及地下水涌入的影响，比煤炭地面气化发生炉的造气过程要复杂许多，复杂的地质条件还会严重影响气化生产过程，甚至中断气化过程。因此，必须充分掌握煤层的地质构造、断层的展布状态、煤层厚度的变化以及气化区的水文地质条件，以便对煤炭地下气化可行性进行科学决策。

1煤炭地下气化技术路线概述

目标煤层的地质条件是煤炭地下气化技术路线的决策基础，不同的地质条件对应不同的煤炭地下气化路线。纵观煤炭地下气化技术的发展历程，主要的进步体现在气化炉结构、气化井连通方式和气化炉运行方式的优化[7-10]。煤炭地下气化技术路线可划分为三大类:大倾角煤层气化炉、联通直井气化炉、可控后退注入气化炉。

大倾角煤层气化炉(图1)主要适用于较大倾角的煤层，通常煤层倾角需>60°。煤层低点联通注气井，煤层高点联通生产井，气化过程可以实现煤层边气化边冒落，形成类似地面填充床的煤气化模式，气化剂与煤充分接触，有利于气化过程的稳定运行。

图1 大倾角煤层地下气化炉
Fig.1 Configuration of UCG gasifier in large dip coal seam

联通直井气化炉(图2)包括至少2口钻入煤层的直井，气化剂注入和煤气排出均采用垂直钻孔，注气点位于垂直注气井的底部。2口井的连通主要通过增强煤层自然渗透率来实现，常用的方法有反向燃烧、电力贯通和水力压裂。其中，反向燃烧连通应用和成功率较高。由于煤层渗透率的空间变化，反向燃烧连通往往会形成不规则的多条通道，有利于气化面的径向扩展。该炉型在正常生产前，需要首先完成垂直井的连通，因此适用于高渗透性煤层，且垂直钻孔的距离受限(不超过30 m)。该炉型发展后期也采用定向钻井连通注气井和生产井，即形成开放的通道连通注气井和生产井。采用这种结构能够增大注气井和生产井的距离，从而使得单个气化炉转化更多的煤炭，同时有利于控制注气点处于煤层底部，提高气化开采率，便于多个气化炉同时运行。

图2 联通直井煤炭地下气化炉
Fig.2 Configuration of UCG gasifier by linked vertical boreholes

长距离定向钻井气化炉(图3)基本单元由长距离煤层水平钻孔和垂直钻孔构成，注气井为水平井，生产井为垂直井，注气井沿煤层底部钻进并与生产直井对接连通。该结构通过增加煤层内水平段长度，提高气化单元的煤炭量。气化过程采用可控后退注入工艺(CRIP)，即在水平钻孔内集成移动式注气装置和点火装置，当一个气化周期完成，气化空腔扩大到无法维持反应的条件下，将注气点后移，重新点火形成新的气化过程。气化周期不断重复进行，沿煤层水平形成多个气化空穴。注入点沿注气井的一次受控后退就是一个CRIP操作。该气化技术集成现代钻井技术与装备，是现代化煤炭地下气化的主要方向。

图3 长距离定向钻井煤炭地下气化炉
Fig.3 Configuration of UCG gasifier by long distance directional borehole

2地质选址评价基本原则

国内外公开发表的相关报告或文章阐述了UCG的地质选区标准[11-14]，但尚未形成统一的评价标准。原因在于煤炭地下气化技术一直处于不断发展中，认知水平和评价标准也在不断变化。其次地质条件复杂多变，很难量化，多属定性描述。地质选址的主要任务是调查气化区域内的煤层地质条件及水文地质条件，包括煤田储量、煤层赋存条件、地质构造、煤层厚度、煤层间距、煤质、对目标区域的勘探程度、气化区域及气化煤床地下水的赋存情况、地下水的水流特征、水化学特征等等。此外，还应当了解地下气化炉建炉、稳定运行和污染防控的原则，对地质选址决策的基本原则分述如下。

2.1目标区煤炭储量

煤炭储量应该满足煤炭地下气化企业的设计生产年限，以保障其经济效益。依据现有的设备及技术条件，煤炭地下气化工程的服务年限至少为10～15 a，由于气化炉的布置与煤田地质条件紧密相关，这个储量不能简单采用常规地质勘探提供的煤炭储量，而是指可气化煤炭资源储量。需要在常规地质钻孔勘探的基础上，结合先进的地球物理探测手段，识别区域内3 m以上的断层，通过精细解释获得煤层的分布特征，进行气化区规划，从而预测可气化煤炭储量。

2.2煤层条件

(1)深度。煤层要有足够的埋藏深度，以确保气化煤层与淡水资源具有足够的安全距离，潜在的环境污染最小化。气化煤层位于咸水区域最佳。目前，全世界煤炭地下气化的实践绝大部分都是在浅部煤层中进行的。浅部煤层气化对地下淡水资源具有潜在的污染风险，深部煤层气化是煤炭地下气化的发展趋势。深部煤层气化形成的空穴无需回填，并有望用来大规模储存CO2[15-16]，对于优质的气化空穴还能够以极低成本建设天然气储气库。

(2)结构和厚度。煤层结构应该简单且达到一定厚度。前苏联联通直井气化炉气化工艺要求，对于褐煤其厚度应至少为2 m，烟煤以上则至少为0.8～1.0 m。而现代化煤炭地下气化技术的实践表明，小于2 m的煤层进行气化是极不稳定和不经济的。适宜气化的煤层厚度应该在4 m以上。

(3)起伏。急倾斜煤层地下气化，煤层倾角应大于60°。而长距离定向钻井气化炉主要采用煤层水平钻井进行建炉，煤层倾角小于7°为宜。如果煤层构造的褶皱起伏较大，超过煤层厚度的一半，会对煤层水平钻井及气化过程产生不利影响。

(4)夹矸。煤层中矸石层厚度不应超过净煤层厚度的50%，单层矸石层的允许厚度最大不应超过0.5 m。

2.3地质构造

断裂构造影响地下气化过程的稳定性，气化煤层中发育的断层和裂隙带可能成为气化产物泄漏的途径。因此，断层和裂隙带的发育情况及其对气化区的影响是地质选址评价的重要内容。地下气化炉的布置要求煤层连续，单个地下气化炉内不宜有断距大于1/2平均煤层厚度的断层，并且限制气化炉与断层之间的距离，以保证地下气化安全、有效地运行。气化炉应与断距大于煤层厚度的断层保持50～250 m的安全距离，并在气化炉周围留有足够的隔离煤柱，防止气化炉产生的气体泄漏。如果避开构造后仍然无法设计一个单元炉，那么该煤炭资源不适合进行煤炭地下气化。此外，如果不能防止气化产物向邻近煤炭企业的矿井发生泄露，也不适合采用地下气化技术开采这部分煤炭资源。

2.4水文地质条件

水文地质条件要求目标气化煤层与顶板含水层和底板含水层都有隔水层隔开，顶板隔水层的厚度要足够厚，顶板塌陷后也不破坏隔水层的隔水功能，底板隔水层的厚度应保障底板含水层不会被加热。气化煤层底部有承压含水层存在时，应当评价煤层底板隔水层的安全性，底板隔水层能承受的水头值应大于承压含水层水头值。另外，煤层顶、底板应为弱透水及以下低渗透性岩层，即煤层顶、底板岩层对水的渗透系数K<10-4cm/s，且透水率q<10 Lu。煤层顶、底板直接充水的煤层不能进行地下气化。

2.5安 全

气化煤层顶板岩层和底板岩层的物理力学性质及气化开采过程中的稳定性，决定了气化炉的密闭性，并影响到气化过程的稳定性。一般来讲，气化区内煤层与顶、底板岩层的气测渗透率之比应大于10，减少气体向围岩的逸散[17-18]。应依据实际的地质条件，补充研究热作用下气化煤层的覆岩发育规律，预测煤层顶板垮落带、导水裂隙带、弯曲变形带的发育高度，为井下安全评价及地下水污染风险评价提供科学依据。通常，煤层顶板隔水层厚度应大于等于煤层顶板裂隙带发育高度的1.5倍。此外，为控制煤层覆岩“三带”发育高度，气化炉或气化单元之间应预留煤柱，保证气化单元的独立运行。预留煤柱不低于5 m，需依据气化压力来确定。

2.6煤种与煤质

煤炭地下气化宜采用无黏结性或弱黏结性(黏结指数GR.I≤65)的煤作为原料煤，黏结指数大于65的煤种需根据GB/T 220—2001进行二氧化碳气化反应性评价。褐煤及长焰煤具有高的气化活性，优先选择。煤中的水分在气化中可以充分利用，含量基本不受影响。煤中干燥基的平均灰分应不超过50%。

3地质选址案例分析

3.1煤田地质条件概述

选取内蒙古自治区锡林郭勒盟哈日高毕矿区北亚盆西南部1 km2作为研究区，进行煤炭地下气化地质适用性评价。

哈日高毕矿区位于额合宝力格煤田额吉诺尔断陷盆地的西北部，地貌类型主要为冲洪积平原及冲湖积平原，地形开阔平坦。煤田沿西北-东南方向有3个次级褶皱，分别为北向斜(北亚盆)，中部背斜，南向斜(南亚盆)，其轴总体走向为北东向，3个次级构造均具同沉积性质，在其中还有小的波状起伏。通过详查工作，矿区内初步确定的断层有11条，性质皆为正断层，分北东及北西走向两组，以北东走向为主。断层由东南向西北呈阶梯状断裂，断层落差30～300 m不等。在矿区的南部断层比较发育，北部次之，且在断层两侧煤层厚度变化很大。1 km2研究区内整体构造特征受区外次级断裂影响，以正断层发育为主。

目标气化区选取白垩系下统巴彦花组中段(K1b2)发育较好的2号煤层，煤层厚度0.80～25.15 m，平均厚度8.75 m，埋藏深度44.25～741.10 m(图4)。煤层倾角多在3°～6°，局部大于10°，呈边缘倾角陡，向内变缓之趋势。该煤层以长焰煤为主，褐煤次之，具有高挥发分、低硫、中热值、低灰分、无黏结性等特点，满足气化用煤的要求。

图4 钻孔柱状
Fig.4 Borehole columnar section

3.2煤层展布及构造预测与评价

煤层的空间展布特征、断层的性质、断距及其分布均影响地下气化炉的布置。为了进一步获取煤层的空间展布特征以及断层发育情况，判断断层对煤层的影响程度，利用三维地震勘探数据及测井资料，并结合岩芯钻探成果对研究区煤炭地下气化选址进行了评价。

基于三维地震解释成果和波阻抗反演数据体，获得了目的煤层的空间展布及断层发育特征(图5)。结果表明，区内主要发育目的煤层为2号煤层，全区稳定分布，埋深601.95～687.10 m。煤层结构简单，未发现煤层分叉、尖灭、缺失现象，属于较稳定煤层。煤层厚度7.10～12.60 m，平均厚度10.5 m，煤层厚度变化不大。

图5 目的煤层构造地震解释剖面(Ⅰ)
Fig.5 Seismic interpretation section of the target coal seam structure(Ⅰ)

煤系地层受区域构造影响，断层走向基本为近南北向，将煤层切割为由西南向东北埋深逐渐变大的阶梯状形态(图6)。研究区共解释断层14条，按断层性质全部划分为正断层，其中落差≥50 m的断层2条，20～50 m的断层1条，10～20 m的断层4条，5～10 m的断层4条，<5 m的断层3条(图7)。

图6 目的煤层构造形态
Fig.6 Structural shape of the target coal seam

图7 研究区断层分布
Fig.7 Fault distribution in the study area

3.3地层岩性结构预测与评价

自然伽马曲线对岩层的泥质含量极其敏感，可有效区分煤层顶底板的砂岩和泥岩[19-20]。采用自然伽马拟声波反演的方法得到了目的层段的自然伽马数据体，通过对拟声波反演结果进行分析，获得全区目的煤层顶底板岩性分布特征(图8)。可以看出:反演结果与测井曲线吻合程度较高。利用该方法对研究区顶板和底板的岩性可以进行很好地区分，从而进一步圈定了目的煤层、顶板砂岩和泥岩区域。图8中目的煤层底板为砂岩(蓝色)，直接顶板以泥岩、砂质泥岩为主(玫红色厚层)，该层为一套较为稳定的泥岩层，赋存厚度较大，连续性较好。钻探结果表明，该泥岩层岩性致密，胶结性较好，透水性能较差，可视为稳定隔水层，对煤炭地下气化的封闭性十分有利。

3.4富水性预测与评价

目的煤层及顶底板的富水性对煤炭地下气化产生重要影响。通常情况下，研究区同一地层、同种岩性应当具有相似的电阻率特性，当存在富水性的断层构造或裂隙时，由于水体良好的导电性，使该区域岩层电阻率明显降低，将打破水平方向电性均一性。当其在三维空间上具有一定规模时可改变纵向电性的变化规律，表现为局部的电性异常[21-23]。为了查明目的层段的富水情况，基于三维地震数据、地震属性和视电阻率测井曲线，采用多属性神经网络反演对目的煤层及顶底板富水性进行研究。

图8 自然伽马拟声波反演剖面(Ⅱ)
Fig.8 Natural gamma pseudo-acoustic inversion section(Ⅱ)

图9 视电阻率数据体切片
Fig.9 Apparent resistivity data volume slice

如图9所示，煤层(c)具有视电阻率较高的特征，砂岩(d)次之，泥岩(a)最低，砂质泥岩(b)的视电阻率特征介于砂岩和泥岩之间。研究区绝大部分地区视电阻率无异常，断层发育部位电阻率有些许改变。反演结果表明，研究区目的层段富水性较弱，已控制的断层发育部位无视电阻率低异常，结合顶板岩性解释结果可知目的煤层与上覆含水层无水力联系。

3.5裂隙发育区地震属性分析与评价

为了探明煤层及其顶底板的裂隙发育规律，并进一步查明研究区目的层段的富水情况，基于蚂蚁体属性技术对裂隙发育特征进行了研究分析。常规手段和方差体技术对微小断层和裂隙的识别效果不是很理想，应用基于蚂蚁体技术的断裂系统自动追踪方法能够很好的解决这个问题[24-26]。本文以方差体作为输入项，基于方差体能够反映地层不连续性的特点，根据蚂蚁算法的正反馈机制，建立利用群体智能进行优化搜索的模型，完成对裂隙发育带的追踪和识别。

从图10可以看出，研究区西部裂隙较为发育，走向以北东向为主，主要裂隙发育带集中在断层两侧，为断层形成过程中构造应力作用下产生的构造裂隙，东北部裂隙较少或基本不发育。

图10 蚂蚁体切片
Fig.10 Ant body slice

3.6综合评价

综上所述，1 km2研究区内，西南部受断裂构造影响，地层起伏较大，东北部煤层起伏较小。断层以近南北向正断层发育为主，集中在中部区域，西南部断层规模相对较大，断层发育部位，煤层多被错断。东北部断层基本不发育，煤层稳定连续。主要裂隙带集中分布在断层两侧，东北部区域受构造活动影响较小，裂隙发育不明显。

目的煤层顶板以泥岩、砂质泥岩为主，底板为砂岩，煤层顶板之上沉积一套较为稳定的泥岩厚层，连续性较好，可视为稳定隔水层，对煤炭地下气化起到较好的密闭作用。目的层段富水性整体较弱，目的煤层与上覆含水层无水力联系。

因此，煤炭地下气化选址初步筛选区内DF5断层东侧煤层构造相对简单的区域作为首选区，而DF1断层西侧区域断层基本不发育，但是裂隙较为发育，作为次级煤炭地下气化的有利区域。

4结 论

(1)UCG地质选区评价应遵循以下基本原则:煤层足够深，确保任何潜在的污染物对地下环境影响最小;煤层需有一定的厚度来维持煤层燃烧与气化，并保证一定的经济可行性;煤种应为非强黏结性煤;气化煤层上覆岩层和下伏岩层应为低渗透性岩层，降低煤气泄漏的风险;气化目标煤层与邻近含水层之间有足够的安全距离;试验区附近没有导水断层或侵入带;如果气化煤层上部有理想的盖层，气化过程产生的气体或液体渗漏到含水层及地面的隐患可以得到控制。

(2)现代化煤炭地下气化技术的地质选址，要求开展三维地震探测工作，进行地层信息精细反演，获得详尽的地质信息包括煤层展布及构造分布、顶底板岩性、富水性等，同时有针对性进行地质勘查，与地震反演结果相互印证，为煤炭地下气化的选址决策提供科学依据。

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