聚焦“双碳”!高德利院士讲述能源低碳绿色转型下的技术难题!

中国科学院院士、中国石油大学(北京)石油与天然气工程国家重点学科负责人、石油工程教育部重点实验室主任高德利登上北京电视台科教频道“2022科学跨年之夜”的舞台,讲述千米之下的“井工厂”如何创造奇迹。

聚焦“双碳”!高德利院士讲述能源低碳绿色转型下的技术难题!
聚焦“双碳”!高德利院士讲述能源低碳绿色转型下的技术难题!

高德利院士在演讲中

高德利院士是我国油气钻探与开采技术领域的著名专家,长期从事油气井工程科学研究与实践。在国家明确提出“双碳”目标、能源工业转型发展的背景下,他聚焦化石能源绿色开采利用这一重大课题,着力于解决相关重大理论与技术难题,围绕推进能源低碳绿色转型,保障能源安全和实现“双碳”目标开展科学攻关。

“双碳”行动:

神奇的地下“井工厂”

高德利

中国科学院院士

中国石油大学(北京)石油与天然气工程

国家重点学科负责人

石油工程教育部重点实验室主任


石油、天然气、煤炭,是当今世界的三大能源支柱。可是这三大支柱,也是排放二氧化碳的“大户”,尤其是煤炭。2020年,我国的能源消费结构中,煤炭、石油、天然气加在一起,占比接近85%(其中煤炭近57%)。

为了阻遏全球变暖,我国提出了“双碳”目标,即:力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值,并努力争取在2060年前实现碳中和。在国家“双碳”战略目标的要求下,我们必须减排。

既要实现“碳达峰、碳中和”目标,又要保障国家能源安全,这是我国面临的重大需求和挑战。在可以预见的未来,传统化石能源依旧是人类所依赖的主要能源,因此我们必须推动传统化石能源的绿色开发与利用,亟需用创新性思维和办法来解决相关问题。


煤炭不能简单放弃

在我国大力推进碳减排的形势下,把煤炭“换掉”行不行?立足于现实来说,这是很难做到的。

我国陆地埋深在1000~3000米这个层面的煤炭资源量将近3.8万亿吨,埋深超过3000米的更深部还有不少煤炭资源,而且海洋覆盖区域也蕴藏着丰富的煤炭资源。可以说,我国是一个名副其实的“煤炭大国”。

人们平时生活和生产中使用的电力,其实属于“二次能源”,是燃烧煤炭或其他能源资源转化而来的。如今我国电力的供应基本上是稳定的,但是,如果离了煤电,电力供应的安全保障就会受到很大影响。2021年,全国很多地方电力供应紧张,甚至限电、断电,就与煤炭供应减少有很大的关系。

我们不妨换一种新的思路:能不能把煤炭等化石能源变成低排放的低碳清洁能源?如果我们实现了这个目标,就既能保证国家能源安全,又能兼顾环保减排的要求。

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△高德利院士在科学跨年夜现场演讲  摄影/张星海


我们要怎么样才能实现这个目标呢?我们可以想办法把原本建在地面的煤制气(氢气及其他燃气)、煤制油等化工厂及煤电厂,都“搬到”地下去就好了。

例如,让煤炭在地下实现绿色、低碳的转化,产出氢气、甲烷气等气态能源,而包括煤灰、煤渣等在内的固体废物,则可全都留在地下。如此一来,我们国家能源消费结构就可以跨越石油时代,从目前的煤炭时代进入未来的气态能源时代。


神奇的地下“井工厂”

地下煤层中往往含有煤层气,其主要成分为甲烷气(学名),它还有一个恐怖的名字叫“瓦斯”。很多人都知道,煤矿瓦斯爆炸,是采煤过程中的第一大“杀手”。再者,煤层气如果被释放到大气中,还会导致严重的温室效应,等量煤层气所产生的温室效应要大于二氧化碳的20多倍。

但从另一个角度来看,煤层气其实也是种低碳清洁的非常规天然气。相关资料显示,我国陆上煤层气资源量达到71万亿立方米,其中埋深超过2千米的煤层气资源量超过40万亿立方米。在采煤前先将煤层气开采出来,即“先采气后采煤”,这不仅能减少煤矿瓦斯灾害、保护大气环境,而且还能增加天然气供给,缓解我国天然气供求矛盾。

如何开采这些深层能源资源呢?我们可以在采煤之前,首先在地下开设“工厂”,把危险的煤层气开采出来,作为一种低碳清洁的气态能源加以利用。

地下数千米的深处,人员作业的危险性和成本都很高,所以要在地下开设“工厂”,主要依靠定向钻掘技术。这类通过钻掘来建立的工厂显然有别于地面上搭建的工厂,可以称之为地下“井工厂”。

定向钻掘技术在油气行业内已经比较成熟了,对于地下深层的油气,人们通常是在地下建立通道,让油气自己流出来。虽然听起来像水井一样简单,但实际上油气井的结构更复杂,而且更深(如今我国最深的油气井已超过9000米了)。

借助油气领域“定向钻掘”的技术,地下工厂所需的管道、反应室等,都可以按需钻出来,可以控制钻头几乎是“想去哪就去哪”。

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△地下“井工厂”概念示意图  供图/高德利


我们有一个概念设计:首先在煤层顶部沿着水平方向打一个几百米(甚至上千米)的生产井,并做适当的增产改造,配套各种设施和功能。

而在煤层的底部,还要钻一些水平加热井,进行煤矿的加热转化——煤层气会吸附在煤炭上,给开采造成难度,如果在煤层底部加热,这些煤层气就会解吸出来,最终进入生产井,使煤层气的产量增加、采收率提高。

在煤层气采集完成的基础上,可对地下“井工厂”进行适当改造,以便将剩下的煤炭转化为气态能源等。

可以说,这项技术战略举措对于我国深地煤层气与煤炭一体化绿色开发来说,是极具突破性的一环。


采用绿色能源给地下“井工厂”供电

在煤层气的采集过程中,地下“井工厂”的电加热设备需要耗电来加热煤层。我国如今还是以火力发电为主,如果用火力发电的方式给矿井设备供电,岂不是“捡了芝麻,丢了西瓜”?因此,使用清洁能源发电也是很重要的。

例如,我们可以利用风能、太阳能等可再生能源电力为矿井设备供电,让“井工厂”用上“更好的电”,可促使深地能矿绿色高效开发工程实现节能减排与降本增效的目标。

“井工厂”和可再生能源电力相结合,可以做到因地制宜、就地取材。比如开采煤炭的矿场恰好风很大,就能利用风能发电;光照条件好,就可以采用光伏发电。

风能和太阳能虽然清洁,但有一个无法回避的问题:不稳定。这些可再生能源的输出,受到天气变化的强烈影响。幸而这些不稳定性对“井工厂”的影响不是特别大。只要再加一些储能的设施,就完全可以加以调节。相关技术还有待研发,并需要多学科交叉融合。

总之,既要实现“双碳”目标,又要保障国家能源安全,这是我国面临的重大需求和挑战,在可以预见的未来,传统化石能源依旧是人类所依赖的主要能源,因此我们必须推动传统化石能源的绿色开发与利用,必须用创新性思维和办法来解决核心问题。

推动我国实现“双碳”是一项关系到我国未来数十年发展的战略性举措,其不仅是履行我国作为世界第二大经济体的国际义务与责任,也是我国实现发展方式转型的必然路径。

根据我国能源矿产资源的禀赋情况,“深地能矿原位转化与绿色高效开发利用”技术应该成为我国实现“双碳”战略目标和保障国家能源安全的重大战略举措之一,特别是面对那些埋深超过1000米的深部煤炭与煤层气资源一体化绿色高效开发难题,这样的战略举措很可能是必由之路,其潜在的经济社会价值难以估量。

另外,通过实施如此重大的战略举措,可望建立跨行业交叉融合与协同创新发展范式,同时在深地能矿原位转化与绿色高效开发领域形成新的学科与产业布局,甚至在很大程度上引领未来能源技术的发展方向。


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