【论文】袁光杰，等：煤炭地下气化井工程关键技术新进展

袁光杰^1,2　李晓璇^1,2　刘奕杉^1,2　张  谧³

1. 中国石油集团工程技术研究院有限公司

2. 油气钻完井技术国家工程研究中心

3. 中国石油海洋工程有限公司

在全球能源结构转型趋势下，各国纷纷聚焦清洁、高效的能源技术^[1-2]。我国在“双碳”目标引领下，正逐渐改善能源消费结构，预计2030 年前将提升天然气在一次能源消费中的占比至15% 以上。而目前仅占7% 左右，远低于国际平均水平，因此亟需加强对天然气的开发利用。煤炭地下气化技术（Underground Coal Gasification, UCG），作为具有潜力的“洁煤增气”有效技术手段之一，受到国内外石油企业的广泛关注，以期提高天然气和氢气等清洁能源的供应能力，推动能源结构的优化和升级^[3]。我国拥有丰富的煤炭资源，仅1 000 ～ 3 000 m 深度的煤炭资源量就达到3.77×10¹² t^[4]，按气化动用率40% 计算， 可折合成等热值甲烷资源量(2.72 ～ 3.32)×10¹⁵ m³， 是常规天然气资源量的3 倍^[5]，对于推动我国天然气能源独立具有重要意义^[6]。因此，煤炭地下气化有望为我国能源安全开辟新的途径。

在煤炭资源清洁利用和能源转型的大背景下， UCG 技术以其高效、环保的特点而受到广泛关注^[7]。其井筒工程作为连接地面与地下气化炉的桥梁，不仅是煤炭地下气化技术的核心组成部分，更直接决定了气化效率、资源回收率及生产安全。UCG 井工程涉及地下气化工艺的选择、井筒完整性控制、地下高效点火燃烧以及温度场分布控制等方面，需要综合考虑地下高温、腐蚀、煤层易垮塌等复杂工况环境，优选合适的气化工艺，配合防垮塌钻井液体系、耐高温水泥浆体系、高强度定温可燃套管、气化炉专用耐高温防腐井口等配套技术，保障注入井、生产井以及井下作业管柱等的安全，确保可燃气体安全高效地从地下传输至地面。井工程质量的好坏直接决定了UCG 工程能否成功，然而，目前国内外50% 的现场试验项目由于现有工具、技术的不完善而被迫终止。1973—1979 年间，美国在Hanna 盆地开展了反向燃烧连通直井工艺测试试验，但由于生产井管柱受O₂、CO₂ 腐蚀而失败^[8] ；2007 年，我国在内蒙古乌兰察布弓沟煤田首次成功完成了无井式煤炭地下气化试验，前期在煤气热值、有效气体组分、气化效率及气化稳定性等方面获得了突破，后期则因连续管技术运行故障、可燃气转化率未达预期，导致项目停止^[9]。因此，深入研究井筒工程技术，对于推动UCG 技术的进一步发展和应用至关重要。

本文系统性地回顾了煤炭地下气化井工程技术发展进展，并指出其面临的关键问题和未来应用发展趋势，以期为我国煤炭地下气化先导试验的设计与发展提供有力支撑。

1 　煤炭地下气化概述

1.1 　煤炭地下气化原理

煤炭地下气化技术是将处于地下的煤炭在原位进行可控燃烧，通过煤的热解以及与O₂、H₂O 等介质发生的一系列复杂的化学作用产生CO、H₂、CH₄ 等可燃气体，变物理采煤为化学采气，综合开发清洁能源与生产化工原料^[10-12]，深部UCG 气化工艺如图1 所示。

煤炭地下气化是气固两相界面上连续发生的复杂物理化学过程，依据反应温度和化学反应类型，可以将UCG 过程沿气化通道轴向分为氧化区、还原区以及干馏干燥区（图2）^[13-14]。从化学反应角度来看， 3 个区域并没有严格的界限区分，在气化通道中仅代表氧化、还原以及热解3 种反应的相对强弱程度，这3 个反应区在气化过程中协同工作，以实现煤炭资源的高效转化和可燃气体的生成。

1.2 　煤炭地下气化技术优势与挑战

相较于传统煤炭开采方式，UCG 具有显著的技术优势^[15]。其最大优势在于能够开发现有矿采技术无法开采的深层甚至超深层煤炭，我国在2 000 m 以深煤炭储量十分丰富^[16]。UCG 将传统的燃煤消费转变为燃气消费，不仅大大节约了能耗，降低了运输成本，而且明显提高了热效率。波兰Barbara 煤矿开展的UCG 项目在HUGE（2007—2010 年）和HUGE2 （2011—2014 年） 阶段热效率分别达到了56% 和70%^[17-18]，减少了煤炭燃烧排污的环境问题，在提高经济效益的同时，还达到节能减排的目的。此外， UCG 可将地下煤炭通过煤的热解反应、水蒸气还原反应以及气流通道内的水煤气变换反应原位转化为富氢气体，显著降低制氢成本^[3,14,19-21]，并且气化后形成的腔体能够为CO₂ 埋存提供大量空间，不仅节省了CO₂ 的运输成本，而且可以减少由于UCG 所带来的地表沉降幅度^[22-25]。

从1868 年德国科学家Wiliam Simens 提出煤炭地下气化这一概念到目前为止，这150 多年的时间里， 国内外不断完善技术，已进行了不少UCG 试验和半工业化试验，但尚未实现产业化，UCG 仍面临着一些挑战^[23]。首先是地质条件方面，煤炭资源的赋存条件和地质结构差异较大，这对气化技术的适应性提出了很高的要求。在复杂的地质条件下（如断层、褶皱等地质构造），封堵性较差，煤气容易发生泄漏， 使得气化终止。其次，UCG 原位燃烧时存在明显着火面，不允许大量水体进入气化区，否则容易造成熄火。1991—1999 年在西班牙El Tremedal 开展的20 世纪唯一的UCG 先导试验，就是因气化炉顶板砂岩发育且存在上覆含水层，致使地层水大量涌入气化腔，干扰气化反应的连续性和稳定性，导致燃烧失败^[26]。此外，UCG 面临的环保和安全问题也不可忽视。尽管地下气化可以相对减少地面的污染和破坏， 但仍需严格的环境与安全监管措施。澳大利亚Linc Energy 公司在Chinchilla 开展了浅层UCG 的半商业化尝试，完成了合成气发电和合成油试验，但澳大利亚政府监测发现试验区浅层地下水污染物超标，随即叫停了全部试验项目^[27]。同时，还需注意气化燃烧后形成的燃空区易引发地表下沉，气化场地的建设利用也会对燃空区造成扰动，极有可能增加安全风险^[28-29]。

2 　煤炭地下气化井工程关键技术问题

2.1 　气化工艺问题

根据气化炉构建方法分类，气化工艺可以分为有井式气化和无井式气化两种类别。有井式气化又称矿井式气化，是指通过井下巷道的挖掘作业来建立气化通道和气流通道，并配备相应的操作与控制设备。该工艺受地下水影响较小，在施工过程中需要建造密闭墙和预留隔离煤柱以确保作业环境的安全性与稳定性，但建炉过程需人员在井下作业，因此一般适用于废弃矿井中煤炭资源的二次回收或埋深较浅的煤层气化，主要工艺包括腔室气化法^[30] 和爆破松动煤层气化工艺^[31]。该工艺生产过程中煤气稳定性较差，合成气成分波动大，成本较高。无井式气化也被称为钻井式气化，是一种高效的气化方法，它依赖于定向井或特殊的贯通技术（如火力贯通、水力压裂贯通、电力贯通等）来构建气化通道和气流通道。与传统的有井式气化不同，无井式气化在地面集成控制设备，无需人员深入井下作业，这种技术特别适用于开采低品位、复杂地质构造，以及深部煤炭资源。无井式气化也为回收老矿井中遗弃的煤炭资源提供了一种有效的途径，主要工艺包括连通直井注气—产气工艺（Linked Vertical Wells, LVW）、扩展连通直井气化工艺（Extended Linked Wells, ELW）、急倾斜煤层定向井气化工艺（Steeply Dipping Coal Bed Seams, SDB），以及由加拿大Ergo Exergy 公司开发改进的Exergy UCG^TM 气化工艺[ε(UCG)^TM] 和注入点可控后退式气化工艺（Controlled Retraction Injection Point, CRIP）等^[32-33]。这些工艺依赖于施工过程中精准的井眼轨迹控制及远距离穿针技术，技术要求及成本较高。

无论是有井式气化还是无井式气化，都面临着技术和经济的挑战，如何根据实际条件选择合适的气化工艺，降低成本，提高气化效率，增加单井产量， 实现多方位开采煤炭资源，是目前UCG 井工程面临的关键问题之一。

2.2 　井筒完整性失效问题

原位高温高压工况条件下井筒的稳定性与耐腐蚀性共同构成了UCG 井全生命周期安全稳定运行的关键要素。UCG 过程中井筒一旦失稳，可能直接引发井筒坍塌、气体泄漏等严重安全事故，危及人员安全和环境稳定，此外还有可能导致气化过程中断， 造成重大的经济损失。UCG 产出气成分十分复杂， 包含高浓度的CO₂ 和少量但具有强烈腐蚀性的H₂S 等酸性气体成分，同时混杂有煤灰等固体颗粒物质， 在高温高压复杂多变的工况条件下，容易引发油套管材料腐蚀、结构变形乃至失效等问题^[34]。因此，对井筒管柱材料的抗腐蚀性和耐磨性等提出了极高的要求。

2009—2011 年，加拿大Swan Hills 公司采用CRIP 技术进行了全球埋深最大的煤炭地下气化试验，具体井组的井身结构如图3 所示。该项目实现了井下点火、气化剂注入和注入点后退等功能，但连续油管出现管体受挤损伤、后退拖动遇卡、管道腐蚀穿孔破裂等问题，最终于2011 年10 月注入井发生井喷停产。

2.3 　高效点火及燃烧问题

点火作为UCG 技术的核心步骤，其成功实施对于整个气化过程的顺利启动具有决定性的意义，燃料类型^[36]、压力^[37] 以及氧气浓度^[38] 等参数的变化将直接影响不同的煤层加热效果以及火焰燃烧情况。点火成功后，影响后续煤层燃烧的因素较多，包括气化剂性质、气化通道压力、温度、流速以及相关配套工具等多种因素。这些因素的微小变化都可能导致燃烧过程的不稳定，从而影响气化效率和产品质量。CRIP 工艺通过采用连续管后退拖移注入O₂ 工艺， 实现对UCG 的可控燃烧及重复点火。常规油井采用单管单通道即可满足生产需求，但存在响应速度慢， 自动化程度低等问题。在UCG 作业过程中需要输送点火液、氧气、水等关键介质，传统的单管单通道在UCG 开采中无法满足多通道高压随程动态注入要求^[39]。此外注气点后退至新的煤层多次重复点火操作难度较大，地下环境复杂，可能对重复点火的实施带来额外挑战。

2.4 　井筒温度场分布预测问题

UCG 过程的温度控制对于气化效率和反应稳定性具有显著影响。煤层燃烧后释放的大量热量会波及并影响整个井筒温度场的分布，使得腔内局部最高温度达到1 200 ℃，即便在生产井进入稳定阶段后， 其温度仍可达600 ℃ ^[40-42]。从井口到井底这一深度范围内温差幅度大，准确预测井筒沿程温度分布变化规律对于确保UCG井工程的稳定安全运行至关重要。根据生产气体温度变化规律合理调整施工作业参数， 如气体流量、压力控制等，不仅可以降低生产过程中的安全风险，提高生产效率，还能有效延长井筒的使用寿命，从而实现UCG 经济效益最大化。

3 　煤炭地下气化井工程技术进展

3.1 　气化工艺的发展试验历程

根据目前国内外主要现场试验分析统计，导致试验终止的工艺因素中，地质选址占30%，工艺技术占70%，其中气化炉建造工艺占工艺技术因素的31%^[9]。苏联在早期阶段采用预处理法（腔室法）进行试验（图4-a），但由于技术限制，该方法难以进行大规模推广。随后在1933 年， 苏联Donetsk 煤化学研究所利用巷道作为气化通道，提出了气流法 （图4-b），并在1935 年的Gorlovskaya 试验证实了该方法的可行性^[30]。

（资料来源：据本文参考文献[23,43]）

随后20 世纪40 年代， 借鉴石油天然气行业先进的钻井技术，UCG 气化工艺呈现有井式向无井式发展的趋势。苏联在Lisichanskaya 和Yuzhno- Abinskaya 大倾角煤层中开展了现场试验并形成了SDB 式气化工艺，如图5-a 所示。SDB 适用于倾斜角度很大的煤层，在气化阶段，气化腔可以沿煤层走向向上扩展，因此气化剂与煤层之间具有相对较大的反应接触面，有效提高了产气质量和效率。但也正因为气化腔的这种扩展方式，堆积体容易堵塞气流通道，同时严苛的煤层倾角条件也不利于该技术进行大范围推广^[44]。此外，在苏联Podmoskovnaya、Shatskaya 和Angren 形成了LVW式气化工艺（图5-b）， 其中1953 年开始建设的Angren 项目持续运行超过半个世纪^[23]。LVW 适用于倾斜角度较小或水平的煤层， 其工艺流程相对简单，通过反向燃烧、水力压裂或定向井连通注入井和生产井，在煤层中表现出较好的适用性，但气化过程中难以控制反应速度及气化腔扩展方向，并且也容易污染地下水资源、发生地面塌陷。美国在学习实践苏联无井式气化工艺的基础上，于1979 年进行Hoe Creek Ⅲ期试验并形成了ELW 式技术，通过将多口垂直注入井与单口水平井在地下连接相交，在不同垂直注入井的底部燃烧出新的气化腔（图5-c），为后续水平井应用技术的革新提供了经验。在总结Hanna 和Hoe Creek Ⅲ期试验经验的基础上，美国Lawrence Livermore Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）在1981 年提出了CRIP 技术， 以水平井作为注入井，直井作为生产井，首先在距离生产井较近的位置进行气化形成首个气化腔，随后将注入点后退，在距离生产井较远的位置重新开启新一阶段的气化反应，该技术适用于深部煤层和特厚煤层，对煤层利用效率高、产气量大、经济效益好， 缺点是需要连续控制点火，操作难度大^[45]。1981— 1983 年，美国在Centralia 系列试验中对线性CRIP （Linear CRIP, L-CRIP）技术和平行CRIP 技术（Parallel CRIP, P-CRIP）进行了首次实践与应用（图5-d、e）。1987—1988 年，美国开展了Rocky Mountain 试验并形成了楔形CRIP 技术（Knife-edge CRIP, K-CRIP）， 其中注入井和生产井均为水平井并利用直井连接点火，如图5-f 所示。

进入20 世纪80—90 年代，中国矿业大学（北京） 余力教授综合了有井式和无井式气化工艺，创新提出了适合我国的“长通道、大断面、两阶段”的混合型气化工艺（图6），先后在江苏徐州新河煤矿二号井、河北唐山刘庄煤矿、山东新汶孙村煤矿、鄂庄煤矿、山西昔阳杏丹峪煤矿、陕西澄合王村斜井等开展了试验^[47]。2007 年，新奥集团首次在内蒙古乌兰察布（煤层埋深285 m）评估研究了L 型炉、V 型炉、单元面采炉等不同气化炉型及CRIP 工艺试验。2018 年7 月，在新疆哈密鄯善地区成功实施了浅煤层（煤层深度约为450 m）的小井距直井UCG 矿场试验，实现了初步的点火运行。随后在2019 年10 月，内蒙古唐家会地区针对埋藏更深（522 m）的褐煤—长焰煤资源进行了CRIP 气化试验，引入了先进的Ø88.9 mm 大口径同心连续油管技术并首次在3 MPa 的纯氧环境下进行了尝试。

（资料来源：据本文参考文献[46]）

现有技术中，气化剂通常是高温水蒸气与氧气形成的高温蒸汽状混合物，从地面输送至地下过程中往往会损失大量热量，有可能重新冷凝成水和氧气，难以参与气化反应。因此，2015 年中国矿业大学（北京）提出了“分离控制后退注气点—水雾化地下气化技术”^[48]（Discrete control technology of receding injection point and water atomization for UCG， DCRA），如图7 所示。DCRA 系统包括双层套管、防回火水雾化喷头和后退反馈控制装置。系统通过监测出口煤气的组分和喷头温度，利用变频和液压反馈控制技术，精准调整气水比例以及双套管的后退时间和速度，从而确保气化过程能够连续、高效地进行。采用该技术对河北赵各庄矿肥煤进行了相关的模型实验，验证了该方法的可行性，并在内蒙古乌兰察布褐煤区进行了现场试验。

（资料来源：据本文参考文献[49]）

3.2 　井筒完整性研究的新理论与方法

井筒稳定是实现煤炭高效、安全气化的基础， 因此，确保井筒稳定性是煤炭地下气化井工程的首要任务。岩石物理力学特性、地应力、钻井液与岩石的物理化学作用等都会影响井筒的稳定性。在应力场方面，随着研究的逐渐深入，利用理论解析模型结合数值模型，考虑热孔隙弹性诱导应力因素和岩石应变软化特征，利用弹塑性理论求解井周应力解析模型， 并依据Mohr-Coulomb^[50]、Hoek-Brown^[51]、Drucker-Prager^[52] 或单一弱面^[53] 强度准则进行判断， 或采用理想弹塑性理论分析井周失稳区域，确定围岩剪切破坏状态，可对影响因素进行敏感性分析^[54-55]。Shahbazi 等^[56-57] 利用有限差分法（FDM）建立了基于归一化屈服区面积（NYZA）来评估直井稳定性的准则，随后在考虑前方支承应力、合成气压力、合成气温度和热应力的影响下，又建立了UCG 水平井筒稳定性预测模型。此外，钻井液体系的选择和使用不当也可能会破坏井筒稳定性，有学者针对钻井液与地层温差、钻井过程中温度扰动等问题^[52,58]，研究出强抑制性、低滤失的钻井液体系^[59]，有效防止了井壁的溶解、膨胀或剥落。目前我国已研发出低固相低伤害强抑制水基/ 钾基钻井液和无固相低伤害钻井液体系，在稳定性、抑制性、防塌和携岩性能方面表现优异^[60]。考虑到分析井筒稳定性的经验公式和数值模拟方法存在适应性差、计算复杂度高等局限性，学者们引入机器学习方法实现了井筒稳定性的快速预测与评估^[61-63]。尽管已取得一定成果，但现有研究多集中于宏观层面，对于岩石微观结构变化、水化作用微观机制等方面的探索尚显不足，未来可利用实验和数值模拟结合的手段，深入探究岩石微观结构变化，并构建从微观到宏观的多尺度模型，全面理解井筒材料在多物理场作用下的行为演化规律。

深部煤层原位气化发生于高温高压环境中，井筒管柱材料面临多元腐蚀风险，注空气、氮气等工况下的P110 和N80 套管的高温高压氧腐蚀特征以及减薄失效风险已受到大量关注^[64-66]。不同类型井或特定环境条件可采取不同的防护措施，温度较低的注入井可以选择特定的防腐材质来解决这一问题，常见的防腐材质包括一些具有优良耐腐蚀性的合金钢或不锈钢，能够有效抵抗氧和CO₂ 的腐蚀作用。而温度较高且产出气成分复杂（H₂、CO₂、H₂S 和煤焦油等多种腐蚀性介质）的生产井，需要综合考虑多种防腐措施。针对氢腐蚀可选择具有出色抗氢致开裂性能的奥氏体不锈钢材料；针对酸性气体腐蚀，在CO₂ 和H₂S 共存且CO₂ 浓度占腐蚀主导作用的环境下， 可以选择在酸性环境中具有良好耐蚀性的铬含量介于9%～ 13% 的铁素体不锈钢管^[67]；针对煤焦油腐蚀， 在氯离子存在的条件下，由于氯离子对不锈钢材质的穿透能力极强，易形成点蚀，需要依据温度选择合适的碳钢种类，不存在氯离子的条件下选择不锈钢材质即可^[68]。除了直接选用抗高温腐蚀的管材外， 工艺层面的优化也是降低腐蚀速率、延长管材服役寿命的重要手段。例如，可以借鉴火烧油层防腐工艺， 在井内注入耐高温缓蚀剂，通过高温雾化在金属管材表面形成保护性的钝化膜，从而有效减缓腐蚀进程^[69-70]。此外，根据生产需求和气化余热的利用情况， 还可以采用井筒注水循环冷却工艺，降低生产井筒温度，以缓解腐蚀强度^[71]。

3.3 　点火可控燃烧系统设计优化

目前开发的深部煤层点火方式包括化学点火与强制氧化点火。化学点火通过点火剂，如丙烷、硅烷等与氧气反应燃烧加热煤层；强制氧化点火则是通过将热氧气注入煤层，利用煤层与高温氧气的接触来促进煤的氧化放热反应，进而达到点燃煤层的目的。模拟正庚烷着火燃烧发现，适当提高进口氧气浓度并同时减少进气量，可以更有效地加热煤层^[72]，当氧浓度控制在20% ～ 30% 时，不仅可以实现更高的加热温度，还有助于避免煤层过度熔融所带来的问题^[73]。为了更安全有效地点燃深部地下煤层，还开发了强制氧化点火技术，通过烟煤热氧强制对流加热实验发现低流量高温热氧能快速点燃煤层，当热氧流量达到2.5 m³/h 时，煤层在130 ℃的温度下加热170 min 后即可被点燃^[74]。通过对比研究可见，化学点火方法的核心在于精确调控反应物的配比与燃烧条件，以实现煤层的有效预热，强制氧化点火法则属于一种创新的物理—化学耦合技术，其优势在于能够更直接、高效地传递热量至煤层深处，同时减少了对外部点火源的依赖，为深部煤炭开采提供了更为高效安全的技术方案，特别是需要重复点火的操作， 强制氧化点火方式显示出加热效率与安全性双重提升的优越性。2024 年，新疆亚新煤层气公司利用强制氧化煤层点火技术开展UCG 试验，实现了国内首次千米煤层的原位气化，同时实现了难采煤炭资源浅部采煤层气、深部通过UCG 采气的“双气共采”。

根据CRIP 现场工艺要求，由于单管单通道无法满足现场注入需求，通常将注入井系统设计为多通道结构^[75-76]，如图8 所示。通过在连续管出口安装注入工具，进行注点火液、注氧、注水以及携带测温电缆作业，从而监测注入点的温度、明确工作面的状况和位置。加拿大Swan Hills 项目成功利用同心连续注入体系，实现了高能点火剂的间歇喷射和氧气的连续稳定供给^[27]。

为了气化过程更安全、高效地燃烧，Ren 等^[77] 研制了可以引燃煤层的双层复合可燃套管，其材料由镁合金基体和稀土颗粒组成，其导热性能和膨胀性能较弱，具有良好的力学性能、螺纹性能和抗高温垮塌性能，燃烧安全稳定。其燃烧产物呈粉末状， 不存在堵塞气化通道的风险。

鉴于煤层导热传质性差，地下燃烧存在风险， 达不到理想效果，而微波非接触式加热技术具有显著的加热速度、高效能和出色的控制性，因此学者们^[78-82] 将该技术与煤炭气化反应相结合，使煤体高效地吸收微波能量并转化为热能，促进煤体升温发生气化反应。微波场不仅增强了分子间的碰撞频率与能量， 还重塑了分子的能量状态与碰撞方向，从而显著提升了化学反应速率。葛腾泽等^[83] 利用微波辐射镀铜表面会被反射的特性，设计了一种基于双层连续油管内外壁镀铜的同轴线型导管结构以高效传输微波能量，并开展室内实验验证了其可行性，但考虑到工业级生产环境的复杂多变及电磁场的动态干扰，在现场工业试验中该工艺是否可行仍需进一步深入研究。微波频率越高，功率衰减越快，因此未来深部UCG 可选用较低频率、远距离、低损耗输送微波来提高气化反应活性。产业化应用则可以与风光电储能系统相结合，利用风电、光电以及电网余电驱动微波发生器，充分利用绿色能源，实现深部煤炭的高效绿色开采。

3.4 　井筒温度场的预测和控制

系统研究UCG 温度场分布可以更加深入地理解气化过程的内在机理，优化工艺参数。刘奕杉等^[42] 基于稠油热采模型建立了UCG 全生产井井筒的温度场预测仿真模型及求解算法，揭示了井筒温度场变化规律。Krzemień^[84] 利用多元自适应回归样条（MARS） 方法结合波兰Wieczorek 煤矿试点项目的实验数据开发了UCG 温度预测模型，测试数据在95% 的情况下预测温度和实际温度差值小于15 ℃，并且模型能够精准预测UCG 参数之间的相互作用。常用的温度场调节方法包括调整关键参数，如空气当量比^[85] 和氧化剂入口方向^[86]，以及改进燃烧方法，如分级供氧^[87-88] 等，但随着气化过程的深入进行，气化腔逐渐增大，此时单纯增加O₂ 净注入流量对气化反应的促进作用逐渐减弱。通常在靠近入口的区域由于高温和充足的氧化剂供应，气化燃烧反应剧烈，这种反应导致煤体在这些区域被迅速消耗，形成了燃烧和气化的主要活动区域^[89]。因此，在调节温度场时， 不仅要考虑对关键参数的调整，还需结合气化腔的变化情况，以及燃烧反应在空间分布上的特点，采取更为精准和有效的调控策略。

连续气化过程中，氧化燃烧反应产生的大量热量可以为后续的还原反应和热解反应提供热量来源^[90]，煤体内部原生裂隙和因高温作用而产生的次生裂隙共同构成了热量传递的复杂网络，这些裂隙间的对流传热机制显著提高了传热速率，形成了热量传递与裂隙发展间的正反馈循环。一方面，热量的传递会进一步加剧煤体的热破裂，催生更多的次生裂隙；另一方面，这些新增的裂隙又进一步增强了煤体内的热传导效率。然而，由于裂隙的无序性和各向异性，对流传热在煤体内展现出显著的非均匀性， 在气体流动与传质方向一致的裂隙中对流传热程度更强，这也导致了热解温度场往往以多裂隙为中心， 呈现出抛物面形的扩展趋势^[91]，进一步复杂化了热量分布的格局。

考虑到目前对于井筒温度场的预测和控制具有一定难度，未来可着眼于优化多学科交叉融合的井筒温度场模型，并引入人工智能方法，显著提高温度场的智能化预测水平，更全面地理解和预测井筒温度场的变化规律。

4 　煤炭地下气化井工程应用及发展趋势

要深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用， 加快新型能源体系建设，其中煤炭地下原位气化是兼顾低碳发展和能源安全的必然选择之一。但随着UCG 技术研究的深入，相关的技术难题也随之浮现， 成为制约其进一步发展的瓶颈。针对这些技术难题展开持续研究，探索解决思路与方向，对于推动UCG 持续发展和广泛应用具有重要意义。

4.1 　开展高温高压腐蚀环境下多场耦合井筒完整性理论研究

针对煤炭地下气化高温高压腐蚀环境特点，需要考虑井筒材料在高温高压极端条件下的物理性能变化，特别关注这些变化如何与腐蚀作用相互影响， 进而对井筒的长期性能产生综合效应。在此基础上， 有必要深入探究这些因素如何与井筒内部的应力场、渗流场、温度场和化学场等进行多场耦合，揭示这些耦合因素之间的复杂关系。明确井筒在高温高压腐蚀环境下的失效机制，揭示其内在的物理化学过程和力学行为规律，为UCG 井筒设计、材料选择和防腐措施提供科学的理论支撑，从而确保井筒在高温高压腐蚀环境下的长期完整性和生产安全。

4.2 　推进耐高温高压腐蚀材料及气化配套工具研发

在材料研发方面，应积极探索新型耐高温高压材料，如陶瓷复合材料、纳米涂层等，以提高气化炉的耐久性和稳定性，从而优化传热传质过程。陶瓷复合材料以其高熔点、高硬度和优异的化学稳定性，成为高温高压环境下的理想选择，不仅能够有效抵抗高温的侵蚀，还能在恶劣的化学环境中保持稳定的性能，为气化炉的长期稳定运行提供有力保障。纳米涂层则通过纳米级别的微观结构，提供更优秀的耐腐蚀和耐磨损性能，为气化炉的关键部件提供额外保护层，有助于延长气化炉使用寿命，降低维护成本。同时，有必要研发高强度定温可燃套管、气化炉专用耐高温防腐井口装置等配套工具，探索材料性能与成本的平衡，实现经济效益优化。通过技术创新和工艺优化，不断完善工具装备，提高生产效率， 为气化炉的高效、稳定运行提供坚实保障。

4.3 　完善综合考虑地质条件与经济效益的煤炭地下气化工艺优化方法

气化工艺优化的核心在于增大气化接触工作面， 提高气化效率，降低成本，确保气化过程的高效、安全和经济。通过合理的气化工艺设计，可以实现更均匀的气化效果，提高煤层的动用效率，最大限度地减少对周围环境的影响，实现绿色、可持续的煤炭地下气化。随着煤炭地下气化技术以及水平井钻完井技术的深入发展，可在厚煤层中创新性地设计多分支水平井气化技术，如图9 所示。在煤层厚度方向上布置平行的多分支水平井，形成立体的气化网络，不仅能够有效增大气化接触面积，提高气化效率， 还能更好地适应复杂的地质条件，确保气化过程顺利进行，有望进一步提升UCG 整体效益。

4.4 　持续攻关基于人工智能的煤炭地下气化技术参数预测与优化

坚持问题导向和创新驱动原则，紧密结合工程实践和技术发展趋势，加强全流程机器学习等人工智能技术的应用研究，重点探究多数据源整合以及深度学习应用，定量评估井筒稳定性，实时准确地预测井筒状态并提供决策优化。此外，可以引入先进的监测技术，实时监测气化炉内部温度、压力等关键参数， 并利用智能算法进行预警和预测分析，通过监测到的实时数据同地质、工具设备等多源数据融合分析，深入挖掘数据间的关联性和规律，优化气化参数设置，进一步提高气化效率和产品质量，实现对气化过程的实时监测和自动调节，确保气化过程在最佳状态下进行。

4.5 　推进煤炭地下气化与多领域深度融合创新发展

UCG 井工程的未来研究方向必将着重于实现多元化应用探索，有必要联合多领域展开深入研究和技术创新探索，特别是在余热回收利用方面。气化过程产生的热能在保证气化反应持续进行外，剩余部分可以借鉴地热水平井/U 型井换热技术进行余热高效利用（图10），从而实现能源的梯级利用和高效回收。实际上，UCG 过程垂向上热能扩散的高度可以达到5 ～ 20 m^[46]，这意味着气化反应区上方的煤层在一段时间内温度能维持在较高水平。MALLETT 研究结果证实了这一点，研究发现气化反应区上方煤层12 m 范围内温度可超过100 ℃，即使在24 个月之后， 边界温度也能保持在70 ℃左右。利用这一特性结合高效换热技术不仅可以实现注采井的二次利用，提高煤炭资源的利用率，还能实现热能的高效回收和再利用，进一步推动能源利用的可持续发展。

（资料来源：据本文参考文献[90]，有修改）

5　结束语

井工程作为煤炭地下气化工程的核心部分，涉及气化工艺优化方法、井筒完整性精细设计、高效点火与稳定燃烧技术、温度场精准调控方法。随着水平钻井技术的飞速进步，煤炭地下气化工艺日益成熟，正加速向深部资源产业化应用迈进。井筒完整性作为高效安全气化的基础，已在宏观层面取得了一定研究成果，然而在点火燃烧方面，仍面临重复点火操作复杂、燃烧稳定性不足等挑战，同时井筒温度场动态分布规律尚未厘清。未来深部煤炭地下气化井工程发展应秉持问题导向和创新驱动的原则，聚焦于多场耦合环境下微观机制理论研究，致力于配套工具研发，并结合智能数据分析与预测技术， 以期实现气化过程的实时监测和智能调节。后续发展中应紧密追踪工程实践和技术发展新动态，通过持续不断的技术革新与工艺优化，强化深部煤炭地下气化与多领域深度融合创新，从而引领煤炭资源向绿色、清洁、高效利用方向发展。