发布机构: 发布日期: 2021-12-23 13:13:49

冯增朝、杨栋:原位改性流体化采矿对实现“双碳”目标的贡献

目前,全球气候变化导致海平面升高、极端天气频发,农业生产和生物多样性受到直接威胁,对人类影响日益深重。作为负责任的大国,中国一直积极参与全球气候治理,并在2020年9月的联合国大会上,明确提出“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。实现“碳达峰、碳中和”,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体,也是我国经济可持续发展的必然选择。然而受资源禀赋影响,以煤为主的化石能源长期在我国能源结构中占据主导地位,这意味着煤炭行业要实现碳减排目标,将面临一次能源碳基比例过高的巨大挑战,通过创新和技术进步来主动应对环境问题挑战成为了目前煤炭行业的关注热点。

原位改性流体化采矿是指在地下原位对矿体进行物理和(或)化学改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法。其雏形最早可追溯到1400多年前中国和欧洲进行的盐水溶开采。20世纪20年代,苏联开始煤炭地下气化。60年代中国、美国开始了铜矿、铀矿的原位溶浸开采。80年代美国最先进行干热岩地热开采等。我国则在2006年由太原理工大学赵阳升院士在国家自然科学基金学科发展战略研究报告《矿产资源科学与工程》中首次提出了“固体矿物流体化开采”的新型学科方向,并将其应用于盐矿水溶开采、低渗透储层改性煤层气增采、油页岩原位热解开采、干热岩地热开采、天然气水合物开采等领域。原位改性流体化采矿是一种摒弃传统思维、构建全新理论的颠覆性技术,必将引领世界能源开发利用方式的革命。基于此,本文就原位改性流体化采矿的应用及对碳排放的作用进行简单介绍。

一、低渗透储层改性煤层气开采对煤矿开采碳排放的作用

煤层气,俗称瓦斯,是一种可燃性混合气体。在常压条件下,瓦斯爆炸界限为5%~16%,瓦斯爆炸是破坏性巨大的灾难性事故。而且瓦斯还会引起煤与瓦斯突出,煤与瓦斯挤出、瓦斯窒息、瓦斯诱发煤矿火灾等其他灾害事故。因此为了防止煤矿瓦斯灾害的发生,瓦斯抽采是目前最为有效的方法。但由于瓦斯的爆炸性,国家煤矿安全规程规定,瓦斯浓度大于25%时,才能进行抽放,否则必须放空。目前,煤矿的钻孔抽采以及地面煤层气井的抽采率仅能达到30%左右,其余的瓦斯则在煤矿开采过程中以风排的形式排放到大气中。高瓦斯突出矿井风排瓦斯量平均在14 Mm3/a左右。低瓦斯矿井风排瓦斯量平均在2 Mm3/a左右。由此可见煤不仅使用过程中产生碳排放,常规的开采产生也要进行碳排放,因此如何提升煤层瓦斯抽采对于减少碳排放至关重要。

煤层瓦斯难以抽采的关键因素是由于煤对瓦斯的强吸附作用,以及煤体强度低于邻近的其他岩层,在上覆岩层重力的作用下,使得煤层被压缩而导致其渗透性差。基于此目前针对低渗透煤储层,其改造方法主要是通过开采解放层、水力割缝卸压增透等方法通过减小煤储层的应力达到改造其渗透性的目的。对于强度较高的无烟煤,通过水力压裂增加煤体内的裂隙数量,但由于不同矿区煤体强度的不同,使水力压裂的效果表现出明显差异。因此寻找一种新型的渗透性改造方法对解决煤层瓦斯难以抽采、碳排放高显得尤为重要。在此背景下,注热强化煤层气技术近年来受到研究者的青睐。注热强化煤层气的技术原理是利用物理方法加热煤层,降低煤对瓦斯的吸附能力,将煤中的瓦斯从吸附态变为游离态,大大增加煤层中的瓦斯压力,实现煤层气的快速排采。已有的工业应用表明,注热后,瓦斯的排采速度增加2-3个数量级。因此,采用热力方法集中、高效地进行煤层瓦斯抽采,是减少煤矿开采过程中的碳排放的有效方法。

二、油页岩等化石能源的原位流体化开采对碳减排的作用

油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩。它和煤的主要区别是灰分超过40%,与碳质页岩的主要区别是含油率大于3.5%。油页岩属于非常规油气资源,以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的接替能源。虽然我国富煤、少油、少气,但我国的油页岩储藏量丰富,位列全球第三。所以我国一直在探索有效的油页岩开采方法。目前,油页岩主要的开发利用技术为“露天或井工开采+地面干馏制取油页岩油”。该技术开采成本高,产量低,占用大量土地,且炼制过程中产生大量有毒废渣、废水和有毒气体,对环境造成严重污染;另外,该技术仅适合于埋藏较浅的油页岩矿层,而对于储量占70%以上的中、深部(大于300m)油页岩矿层,由于开采成本过高,已变得没有经济效益。因此,目前油页岩主要作为战略储备来去计算,未实现大规模的开发利用。

相比较于现有技术,对流加热油页岩开采油气的方法采用地面施工群井,将高温流体沿注热井注入矿层,以对流方式加热油页岩矿层,使矿层在原位实现高效热解,产出热解油气。同时,油页岩原位热解过程中,气体产物中含有约70%的氢气,可作为未来氢能源的一个重要来源。同等热值条件下,原油和天然气的碳排放分别比煤炭少22%和41%。因此,该技术被国内相关专家认为是最可能实现大规模工业化应用的油页岩开发利用技术。通过增加国内能源消费结构中原油和天然气的消费的占比,减少煤炭的消费占比,才能比较经济现实地达到碳达峰。全面推进中国油页岩资源高效清洁开采,不经可以从根本上保障我国油气资源的安全供应,而且可以增加油气资源的开采量,推进我国能源结构向更优化发展,促进我国快速实现“碳达峰”。

三、寒武纪深层EGS地热资源的开发与利用

地热能(Enhanced Geothermal System, EGS)是一种清洁、绿色、环保的可再生能源。我国地热能资源丰富,3 km-10 km的总干热岩地热资源为20.9×106 EJ,该能量相当于我国2010年能源消耗总量的4400倍(中科院地质所)。干热岩地热具有资源量大、发电效率高、可再生性强等优点。国家能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)中明确提出我国能源技术战略需求是“……,到2030年非化石能源占一次能源消费比重达20%左右”,在重点任务中明确提出“加强地热能开发利用,突破干热岩开发关键技术,建设兆瓦级干热岩发电示范工程”。因此,研究深部地热能开发对我国能源消费结构的改善、早日实现碳达峰具有重要的现实意义。

干热岩地热开发的关键步骤是建造用于热交换的巨型人工储留层。但受高温高压影响,水平井施工及巨型水力压裂技术不成熟。基于此原位改性采矿教育部重点实验室研究团队通过详细研究干热岩地热资源赋存和天然深层花岗岩体的结构特征,提出干热岩地热开发的新方法——断层模式干热岩地热开采方法(Fault Mode EGS,简称FM-EGS)。巧妙地利用花岗岩断层中的裂缝群代替人工储留层,形成高温岩体与水热交换的空间,从而大大地简化了深层地热开发的技术难度,降低了深层地热开发的工程成本。目前,许多深层EGS地热资源的开发与利用的目标是奥陶纪灰岩,而奥陶纪灰岩含水层是我国工业与生活用水的主要来源,与人民生活息息相关。因此为了避免地热开发对奥陶纪含水层的影响与污染,原位改性采矿教育部重点实验室研究团队研究了山西汾渭活动地堑的交城断裂区域内,太原地区寒武纪地层、震旦纪裂缝型高温地热资源赋存特征,根据太原市区勘探与开发的奥陶纪岩溶含水层热储地热资料,证明该地层有很好的热力资源,热储温度较高。而比奥陶纪更深的寒武纪地层、震旦纪地层将会有更高温度的地热赋存。

实现碳达峰与碳中和不仅是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,更是围绕能源开发与利用而进行的一场颠覆性技术变革。为了实现这项对人类未来发展有重大意义的目标,开展资源与能源开发新理论与新技术研究显得尤为重要,相信随着人们研究的深入,定会涌现出一大批新型的理论与技术,有效助力我国实现“碳达峰、碳中和”。



撰稿人:冯增朝 太原理工大学教授 矿产资源安全高效开采山西省重点实验室副主任
            杨栋 太原理工大学教授

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