水文地质条件与煤炭地下气化的相互影响

张金华，陈艳鹏，张梦媛，陈振宏，东 振，陈 浩，陈姗姗，薛俊杰

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

当前，以绿色低碳为方向的新一轮能源革命正在全球蓬勃兴起，煤炭地下气化作为一种煤原位清洁转化技术，变物理采煤为化学采煤，具有安全性高、环境友好、高效等特点[1-3]。煤炭地下气化是指将地层中的煤炭通过适当工程工艺技术，在地下原位进行有控制的不完全燃烧，通过煤的热解以及煤与氧气、水蒸气发生的一系列化学反应，产生CH4、H2、CO等可燃合成气的过程[2，4]，实现“洁煤增气”。

煤炭地下气化研究历史悠久。1868年德国科学家威廉·西蒙斯首次提出了煤炭地下气化的概念，1888年前苏联著名化学家门捷列夫提出了煤炭地下气化的基本工艺，1912年英国化学工程师拉姆赛设计的矿井式盲孔炉地下气化获得成功，由此揭开煤炭地下气化研究的热潮[2，4，5]。早期煤炭地下气化主要为矿井式/巷道式[1，2，5，6]，20世纪30年代至60年代，前苏联的煤炭地下气化技术研究达到顶峰，并初步实现了地下煤气化生产空气煤气的工业化应用，其中乌兹别克斯坦安格林气化项目从1965年至今仍在运行；我国也先后在山西大同、徐州新河、山东新汶孙村等地开展了巷道式煤炭地下气化工业性试验[3]。20世纪70年代至80年代末期，美国在现场实践的基础上提出了可控注入点连续后退(controlled retraction injection point，CRIP)气化关键性技术变革。随着水平井技术和钻井装备的进步，钻井式煤炭地下气化已成为主流[2，7]，澳大利亚、南非、美国、加拿大、中国等国相继启动了钻井式煤炭地下气化技术的研究和试验[6]。历经百余年探索初步验证煤炭地下气化技术具备可行性，钻井式中深层高压富氧气化将成为煤炭地下气化的突破方向。但是，煤炭地下气化商业化开发仍面临着安全选址、稳定运行、经济性以及环境保护等诸多问题[1，4]。其中，水文地质条件是关键要素之一，其对煤炭地下气化的选址、运行及环境保护具有重要的影响。因此，开展水文地质条件与煤炭地下气化的相互影响分析，对于煤炭地下气化的商业化具有重要的指导意义。

1 典型气化项目

煤炭地下气化过程中，目标煤层顶底板岩层的应力应变场、温度场都处于不断变化中，裂隙带等将发育，诱发顶底板塌陷或沟通上下含水层，影响气化效果[8-10]。通过对国内外煤炭地下气化试验项目梳理，发现试验项目失败或终止的技术问题主要涉及气化炉的密闭性、气化运行控制以及水文地质问题等方面(表1)。例如在水文地质条件不利的区域可能出现气化腔大量涌水、地层水污染等现象，制约着煤炭地下气化的长期安全稳定运行。

表1 典型煤炭地下气化现场试验终止原因

地下水和环境的监测是煤炭地下气化效果评价重要途径之一。1976—1979年，Livermore劳伦斯实验室在怀俄明州粉河盆地的Hoe Creek现场进行了三次煤炭地下气化现场试验。该气化项目的目标煤层厚度30m，埋深300m，煤质为低灰高水分亚烟煤，气化采用连通直井式(LVW)工艺。Hoe Creek I的监测网络涵盖11口钻井，在气化过程中以及气化后的两年多时间里进行了水样的采集和测试分析。Hoe Creek II的监测井共有14口，同样对气化过程中以及气化后9个月的时期内的水样进行了采集和测试分析[7]。Hoe Creek系列试验显示，浅层煤炭地下气化存在地表下陷和地下水污染的风险。1997年，西班牙、比利时和英国共同在西班牙El Tremedal进行了煤炭地下气化试验。该气化项目的目标煤层厚2.0～3.0m，煤层底部埋深约560m，倾角29°，煤质为C类亚烟煤，气化采用线性CRIP工艺[11，12]。项目进行了两阶段气化试验，分别气化了9d和5d，第一阶段气化中发生了大量水涌入气化腔，压力急剧下降，导致生产线水淹、气化试验被迫停止(表2)。

表2 第一阶段气化主要事件

2 水文地质条件与煤炭地下气化选址

水文地质条件对煤炭地下气化的影响贯穿于煤炭地下气化整个流程，科学选址目的不仅要有利于稳定高效产出粗煤气，同时要在源头上尽量降低地下水污染的风险或避免污染。气化工程中，水主要来自四个方面：煤层中存在的水(静态水)；从地表及周缘渗入到气化腔中的地下水(动态水)；存在于煤层矿物中的结合水；作为气化剂，向气化炉中人工添加的水[13]。其中，前两个方面的水，包括静态水和动态水，是煤炭地下气化选址考虑的主要水文地质条件。

科学选址是实现煤炭地下气化商业化开发的重要前提，但目前仍未建立统一的煤炭地下气化选址评价体系。国内外学者围绕不同研究区域，提出了各自基于煤田地质构造、煤质、煤层围岩性质、水文地质条件等众多因素的煤炭地下气化选址评价指标体系[6，14-22]。在不同学者提出的评价指标体系中，水文地质条件都是重要的关键因素之一，是地下气化炉选址必须考虑的最基本地质条件，但水文地质评价具体参数和指标还尚处于初始研究阶段。

初步研究显示，水文地质条件评价涉及的因素主要包括地下水赋存特征、涌水量、距含水层的远近、隔水层的效果、水补给程度及防治难度等[23，24]。水文地质条件与煤炭地下气化相互作用、相互影响[25，26]。首先，良好的水力封堵，有利于补充气化反应所需的水分，并阻止气化产生的煤气向四周扩散。气化炉内外气-水压力平衡有效约束产生的粗煤气，防止气体向四周逸散。在气化过程中，气化炉顶部形成地下水降落漏斗，地下水流涌入，补充水气，产生的粗煤气在围压的约束下进入生产井被抽出(如图1所示)。其次，气化过程中，温度、压力等参数的变化将改变地下水径流特征，破坏渗流场平衡，影响气化炉腔体的封闭性，当涌水量增加到一定量时，水分会带走气化工作面大量热量，使得温度急剧下降，进而煤气热值大大降低，严重甚至导致气化失败。第三，气化后在燃空区中留下的污染物通过迁移或者渗透方式威胁到地下水。

图1 气化过程中地下水流状态

在前期水文地质条件勘探评价过程中，应尽量查清区域内气化煤层顶、底板隔水层和直接、间接含水层的水文地质条件(包括岩层渗透率、对水的渗透系数等)，在此基础上，进一步对直接、间接含水层通过水位动态监测、抽(注)水试验等手段获取水文地质参数，评价气化炉涌水量。针对水文地质条件相关参数，国内外学者初步研究提出了一些指标参数参考值(表3)。例如，国内学者研究认为煤层顶、底板直接充水的煤田不宜进行煤炭地下气化[5，17，26]。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小于10-4cm/s，且透水率小于10Lu。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。

表3 部分水文地质条件参数指标建议值

对于选择进行煤炭地下气化的区域，如果有隔水层将煤层与含水层隔开，即煤层与含水层没有接触，则此时有利于煤炭地下气化；反之，不利于煤层气化[23，24]。最佳水文地质状况是，进行煤炭地下气化的煤层与顶板含水层和底板含水层都有隔水层隔开，且顶板隔水层的厚度足够厚，顶板塌陷后也不会完全破坏隔水层的隔水功能。国内学者建议底板隔水层的厚度应保障底板含水层不会被加热到100℃[5，16]。

科学部署气化抽注水是可行方案之一。当气化区的目标煤层与上覆及下伏含水层不是完全隔离，或者上覆含水层处于气化过程中造成岩石变形及导水裂缝范围内时，通常在气化前进行抽水作业，使气化区域处于降水漏斗范围内；与此同时，为了保证地下水渗流场的平衡，保障气化区域地下水水位的恢复，在气化作业区一定范围布置注水井，采用油田注水方法进行科学注水，既保证在注水期间不影响到煤炭的安全气化作业[28，29]，又能在气化后对地下水位进行恢复。

3 煤炭地下气化对地下水的影响

煤炭地下气化过程中，由于传热强化以及燃烧不充分会产生大量的焦油等残留物[30，31]。煤炭地下气化污染地下水的风险主要在于，高压下煤气向周围可渗透地层的扩散以及气化后残留物在地下水流中的溶解及渗透迁移。气化区地下水污染的主要途径包括：污染物随煤气向周围地层的扩散和渗透，气化残留污染物在地下水中的浸出及迁移。另外，二氧化碳、氨和硫化氢等泄漏气体会改变地下水的pH值，进而影响地下水的化学需氧量和生物需氧量[16]。

地下水污染风险在很大程度上取决于煤层顶底板岩层的封闭性及稳定性，煤层的低渗透性和围岩的吸附性会阻止或降低污染物向周围扩散。通过科学选址、气化钻孔封闭、气化过程中控制污染物逃逸、气化燃空区污染物处理等措施，能够有效地降低地下水污染的风险或避免污染[21]。

为减少地下水污染风险，气化煤层的顶底板应具有良好的隔水性，以隔绝煤层和含水层的水力联系，保证在一定时期内气化反应产生的污染物不会污染水体。在气化过程中，逸出的二氧化碳、氨及硫化物可能改变地下水水化学反应，气化后燃空区残留污染物因地下水的淋滤、渗透作用而产生迁移，引起地下水污染。陈亚伟等[32]应用场地影响指数及单项污染指数较好地表征了地下气化对地下水质量影响的程度。

煤炭地下气化燃空区的顶板塌陷也会造成严重的地下水污染问题。因此，在评价煤炭地下气化水文地质条件时，应该确保气化煤层与顶底板含水层之间有致密性的隔水层隔开，以实现顶板塌陷后也不完全破坏隔水层的隔水功能[26]。例如，美国怀俄明州Hoe Creek 煤炭地下气化试验项目在气化期间顶板塌陷导通了上部含水层，燃烧产生的污染物沿导水裂隙迁移到上部含水层造成地下水污染。因此该问题应在煤炭地下气化区选址时给予充分考虑从而予以避免[16]。此外，也可以通过一定的措施防止对地下水的污染，例如选择远离地下含水层的资源区域、控制气化时的操作压力、设置地下水屏障、将污水抽至地面净化处理等[16]。

4 结 论

1)水文地质条件制约着煤炭地下气化长期安全稳定运行，是煤炭地下气化实现商业化的关键要素之一，但当前水文地质评价具体参数和指标还尚处于初始研究阶段。

2)科学选址是实现煤炭地下气化商业化开发的重要前提，既要有利于稳定高效产出粗煤气，又要在源头上尽量降低地下水污染的风险或避免污染。评价水文地质条件的因素主要包括地下水赋存特征、涌水量、距含水层的远近、隔水层的效果、水补给程度及防治难度等。

3)煤炭地下气化存在着气化过程中高压下煤气向周围可渗透地层的扩散以及气化后残留物在地下水流中的溶解及渗透迁移的环境风险。需要在煤炭地下气化区选址时给予充分考虑从而予以避免，或者通过采取一定的措施防止对地下水的污染，并在气化后的较长一段时间内仍然对地下水的水质进行监测。