煤炭地下气化关键特性多尺度研究进展
胡卓成1
姚军1
孙海1
李龙龙2
安国强1
武召辉1
闫霞3
1.深层油气全国重点实验室(中国石油大学(华东)),山东青岛 266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 2665802.中国科学院力学研究所,北京 100190;中国科学院大学工程科学学院,北京 1000493.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司,北京 100095;中石油煤层气有限责任公司,北京 100028
摘要：煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,UCG)作为一种清洁高效的煤炭开发利用技术,具有广阔的应用前景.从多尺度视角出发,系统探讨了 UCG技术的"五多"特性(多相、多组分、多物理场耦合、多尺度、多流动模态)及其研究进展.在分子(纳米级)尺度上,通过试验和分子动力学模拟方法,揭示了煤炭热解和气化过程中的反应路径及机理,明确了气化剂类型、煤阶、灰分等因素对反应速率和产物组成的影响.在孔隙(微米～厘米级)尺度下,研究了高温和气化反应对煤体孔隙结构和物性演化的影响,在煤炭被加热的过程中,骨架逐渐软化,裂缝不断发育,孔隙相互连接,挥发分和焦油逐渐析出,强度持续降低.实验室(米级)尺度的研究通过构建与原位UCG相似的物理化学环境,开展物理模拟试验,重现了气化过程中的关键现象,如温度场、压力场变化、气化腔结构和气体产物生成,研究表明运行压力、气化剂注入方式、煤阶等因素对合成气热值和组分有显著影响.在矿场(百米～千米级)尺度下,数值模拟方法成为优化UCG方案的重要工具,热-力耦合和热-流-固-化耦合的数值模拟研究揭示了气化过程中气化腔体的稳定性、岩层变形、特征场发展、气化腔拓展以及合成气生成与运移规律,为优化UCG工艺参数、提高气化效率和安全性提供了理论支持.然而,UCG技术仍面临诸多挑战,包括"多相""多组分"反应和赋存机理复杂、"多物理场"耦合特征的演化规律不清晰以及"多尺度效应"和"多流动模态"的综合影响.未来的研究应进一步加强多尺度下的基础研究,加强对超高温、高压、高应力环境下的多相多组分流体生成与运移过程探索,发展跨尺度关联方法,完善多物理场耦合机制,充分考虑多流动模态影响,综合考虑气化期高效生产与闭井期污染防控全周期协同影响,以推动UCG技术的工业化应用和可持续发展.
关键词：煤炭地下气化多尺度关键物性多物理场耦合超高温高压高应力
分类号：TD84(矿山开采)
资助基金：国家自然科学基金(42090024)国家自然科学基金(52034010)山东省杰出青年基金资助项目(ZR2022JQ23)
论文发表日期：2025-08-31
在线出版日期：2025-09-29（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：23( 3774-3796 )
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