實現碳達峰、碳中和，是黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾。 如何促進能源綠色轉型發展，推進我國非常規油氣高質量發展，第十一屆中國頁巖氣發展大會特別邀請到中國科學院院士高德利教授，作題為《“雙碳”目標下非常規能礦綠色開發之道》的主旨報告，分享非常規能礦最新的研究成果及發展趨勢。
圖為高德利教授在大會現場演講畫面
高德利， 博士/教授、博導，中國科學院院士。現任中國石油大學（北京）石油與天然氣工程國家重點學科負責人、石油工程教育部重點實驗室主任、校學術委員會主任等職，是我國石油與天然氣工程領域的著名專家和學者。
以下為高德利教授現場演講內容
“雙碳”目標下非常規能礦綠色開發之道
——高德利教授在第十一屆中國頁巖氣發展大會上的主旨演講總結
2021年12月18日
各位嘉賓，各位代表：大家上午好！
大家都對我國“雙碳”目標下經濟社會發展很感興趣，尤其是能源發展問題，因為“雙碳”目標與能源開發利用密切相關。關于“雙碳”目標的概念大家可能都比較清楚了，就是說我國二氧化碳排放規模力爭在2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現“碳中和”。“碳中和”并非不排放二氧化碳，而是說我們生產生活排放的二氧化碳大部分被林草、樹木、植物及江河、湖泊、海洋等吸納或匯聚了，部分可以被資源化或技術化利用（例如：二氧化碳驅油、壓裂等技術），如有必要，則還可以對剩余的二氧化碳進行埋存處理等。
我今天的報告稍微拓寬一點，講一講非常規能礦綠色開發之道，包括頁巖氣、煤層氣、煤炭等化石能源。因為我國的能源結構仍以煤炭為主（煤炭時代），只考慮油氣問題難以實現“雙碳”目標。關于“雙碳”問題，從中央到地方大家都很關心，宣傳也特別熱，但我們應該全面正確地理解貫徹中央相關精神，不要以碳論碳、甚至搞一些碳炒作。
一、引言：能源資源及其開發利用
石油、天然氣、煤炭仍是當今世界的三大能源支柱，它們是非常寶貴的能源礦產資源，能量密度高，便于儲存、利用，優點非常突出。但是，它們也是排放二氧化碳的大戶，尤其是煤炭排放得比較厲害。風能、太陽能盡管沒有碳，但存在的主要問題是分布密度低、不穩定性大等缺點，其開發利用也面臨著很大挑戰，況且那些風機、光伏板等設備需要通過冶煉、鑄、鍛等熱加工進行制造，也難免排放二氧化碳等污染物。所以說，不管什么能源資源，其開發利用的關鍵在于減少排放。實際上，所有的一次能源都來源于自然界的自然資源，而電力、氫氣等能源都是二次能源，是由一次能源轉化而來的。我們大家都希望通過關鍵核心技術創新突破，形成能源高效發展與綠色低碳轉型的良好局面。
2020年，我國能源消費和二氧化碳排放給了我們一個啟示：化石能源仍然是主體能源，特別是煤炭占比將近57%。實際上，全球進入石油時代（石油在一次能源消費中的占比最高）已經有六七十年了，而我國還停留在煤炭時代。不是不想轉變或轉型，而是由于我國資源稟賦制約，再加上一些歷史原因，形成了我國能源消費結構的如此現狀。
2020年，我國煤、油、氣加起來的消費量接近85%，水能（或水電）、風能（或風電）、太陽能（或光伏發電）等可再生能源的占比仍然比較小。當然，我國煤炭消費的二氧化碳排放絕對是個大戶，其占比達到了67%。其次，就是石油消費排放，而天然氣則是一種低碳清潔能源，我們應該特別關注其發展，特別是國內天然氣的勘探開發與增儲上產。全球能源發展的近代史，實際上是一部低碳綠色轉型的發展史，從早期的柴薪時代（柴老大）發展到1890年左右開始的煤炭時代（煤老大），再進入到20世紀60年代開始的石油時代（油老大），目前仍處在石油時代，而未來的發展趨勢是朝著天然氣時代（氣老大）轉型發展。當然，我國天然氣供應對外依存度也在逐年攀升，2020年超過了43%。我國煤炭這么多，能不能把它轉化成低碳綠色能源，但不是在地面轉化，在地面進行煤制氣、煤制油及煤發電等轉化都已實現了，但這些在地面的能源轉化過程都是要大量排放二氧化碳的，都不利于“雙碳”目標的實現，有必要逐步加以改變。怎么辦？
我們團隊完成的科技項目“復雜地質條件儲層煤層氣高效開發關鍵技術及其應用”獲得了2020年度國家科學技術進步獎（二等獎），這也是我國在煤層氣開發領域的第一個國家獎項目。煤層氣屬于非常規天然氣，是一種低碳潔凈能源，學名叫甲烷氣（CH4），它還有一個恐怖的名字俗稱“瓦斯”。很多人都知道，煤礦瓦斯爆炸是采煤過程中的第一大“殺手”。再者，煤層氣如果被釋放到大氣中去，還會導致嚴重的溫室效應，等量的煤層氣（或甲烷氣）所產生的溫室效應是二氧化碳的20多倍。因此，煤層氣地面高效開發，特別是做到“先采氣后采煤”，對于提高我國天然氣自供能力、減少煤礦瓦斯災害及保護大氣環境等都具有十分重要的實際意義。
煤層氣儲存在煤層里面，而且大量吸附在煤基質孔隙結構中，其吸附性比頁巖氣還要大，造成開采難度更大。因此，我們應該在深地煤層氣與煤炭一體化開發技術方面做做文章，通過關鍵技術創新突破實現綠色高效開發。
據相關資料，我國煤層氣地質資源總量約為80萬億方左右，其中陸地埋深在2000米以內的煤層氣約為30萬億方，超過2000米埋深的煤層氣約為40萬億方，還有近海海域也蘊藏著豐富的煤層氣資源，也就是說我國煤層氣開發利用的潛力巨大。再者，埋深超過2000米的煤炭我們還能派人下去采掘嗎？誰愿意下去啊？恐怕就是裝上空調你也不愿意下去了，是不是？因此，我們必須得想辦法采用嶄新的顛覆性思路去開發利用這些煤礦資源，實際上已有100多年的嘗試，但是迄今仍難以產業化。在地面上，我們已經實現了煤制氣、煤制油及煤發電等能源轉化，其他煤化工也發展很快，相關技術都比較成熟了，問題是我們能不能在地下進行相應的原位能源轉化？我今天就和大家討論一下這個問題。
二、非常規能礦“井工廠”問題
為什么這樣說呢？我們油氣行業的人是通過鉆井開采石油或天然氣的，不會像采煤那樣下井。特別是面對非常規油氣資源的高效開發，我們對井的要求是越來越高了，實際上是一種“井工廠”，在地面上看上去是“井工廠”，在地下其實也是一種“井工廠”。當然了，這樣的工廠相對還是比較簡單的。然而，如果我們要建立真正的地下工廠，無論是化工廠、還是發電廠等，那可能就比較復雜。不管什么工廠，在地下建工廠，在1000m以下、2000m以下甚至更深部怎么建工廠呢？肯定是鉆出來的，需要鉆采技術，所以我們要拓寬鉆采技術的應用領域。實際上，國內外都是很關注鉆采技術與裝備的創新發展。我這一輩子就是主要從事鉆采工程科學研究與實踐的，從“七五”開始一直干到現在。
大家看我們的頁巖氣“井工廠”大型化設計建設，盡管在同一個平臺作業上，但每一口井的作業風險是不一樣的。今后像頁巖油原位加熱轉化開采，所需要的“井工廠”還需要立體化設計建設，我們油氣行業正在對此研究探索之中。實際上，我們的頁巖氣“井工廠”調整井已經有立體化設計建設了。頁巖油氣“井工廠”在地下儲層就是一個立體化、工廠化的井網，不過這樣的“地下工廠”仍相對簡單一些，以后會要求越來越高。我后面講講如何建設這樣的工廠。
當然，有人現在也想進行智能化、無人化采掘，但是到了地下很深的地方難免遇到很多問題，包括地層壓力、工程成本等問題，安全鉆井作業就是個大問題，特別是井控問題，在我們油氣鉆井工程中井控是第一大安全問題。
在煤炭行業已經有這個概念了，就是地下煤氣化，搞了100多年了，但難以實現產業化、商業化，主要瓶頸問題就是地下煤氣化的可控性比較差。地下煤氣化可產生氫氣、甲烷氣、一氧化碳等，都是很好的氣態能源，而且可以把煤灰、煤渣等固體廢棄物都留在地下，出來的產物全是多相混合氣體，而且流出井口到達地面后完全可控。在地面對產出的混合氣體進行分離處理，再進行儲運與利用，其中分離出的氫氣完全是無碳的，甲烷氣也是低碳清潔的，等等。
如果我們在氣態能源利用過程中產生了二氧化碳，還可以埋存到地下去，因為地下有“井工廠”，有可供埋存的地質空間。其實，地球內部蘊藏著大量的二氧化碳，甚至比地球表面人類排放的二氧化碳還要多。當然了，我們不能讓地球內部的二氧化碳出來，目前二氧化碳的資源化或技術化利用也很有限。總之，地下煤氣化是個很好的思路，但要實現產業化與商業化，仍面臨著巨大挑戰，特別需要跨界聯合，特別是通過多學科交叉研究突破關鍵技術瓶頸。
三、地下“井工廠”建設問題
我們做這件事，關鍵是建這個“井工廠”，或者叫地下“井工廠”，怎么建？就是通過定向鉆井或鉆掘，所需要的通道、反應室、功能設施等地下空間，我都可以鉆出來，我們為煤層氣井洞穴完井就可以鉆出較大空間，我們鉆完井能力可以不斷提高，也有必要不斷提高，以滿足地下“井工廠”建設的更高要求。當然，這也是高科技問題，我們國家相對來講，特別是在最先進的旋轉導向鉆井系統方面，與國際領先水平還是存在差距的。地下可能需要很多通道，通道和通道之間的間距需要精確探測與控制，傳統的測斜與計算方法就難以適應了。傳統的斜側與計算方法存在較大的累積誤差，當定向鉆井水平位移較大時，就很難滿足精度要求了。
在這些方面，我們都取得了重要進展，也就說已經有可用的隨鉆電磁測控技術與裝備了。這個圖闡明了定向鉆井技術與裝備的發展歷程，國內外都一步一步地向前推進。
當然，這里面還有個工程作業極限問題，我們需要不斷地突破極限，影響因素很多，不斷面臨新的技術挑戰，國內外都一直在努力研究與實踐，但要突破極限并非易事。比如說，以12公里為地下垂深底界和水平位移半徑，畫出一個地球圓柱體來，目前全人類的定向鉆井能力還難以鉆達觸及到這個圓柱體的一半。可以說，上天難，入地則更難。
四、井下電加熱技術與能礦原位轉化開采
還有一個問題，地下煤氣化為什么還難以產業化、商業化？當然了，它可能與整個能源發展和市場有很大關系，但更重要的原因還是關鍵核心技術尚未突破。比如說，目前最先進的地下煤氣化仍是地下煤燃燒處理轉化，但地下“井工廠”是看不見、摸不著的，工況復雜，煤層在燃燒過程中具有很大的不穩定性，而且目前仍難以有效控制。我們地面的化工廠在生產過程中是需要精確控制的，尤其是溫度場的控制，如果缺少可靠的技術手段，則是難以有效實現的。井下電加熱是可控的，要把井下電加熱器通過類似完井方式放置到井下去，放到地下“井工廠”需要的地方，這樣至少可以形成輔助性的溫度場控制。應該加強相關技術裝備研發。
另外，地下“井工廠”的電加熱設備需要耗電，在有條件的地方盡可能使用清潔的可再生能源電力供電。例如，我們可以利用風能、太陽能等可再生能源電力為地下“井工廠”設備供電，可促使深地能礦綠色高效開發工程實現節能減排與降本增效的目標，但應注意因地制宜，不要搞一刀切。
另外，稠油、頁巖油（中低成熟度）等非常規石油需要進行原位加熱轉化開采，國外比較重視相關技術創新，一直在積極試驗井下電加熱開采技術，該技術已呈現出綠色高效的獨特優勢及良好的應用前景。例如：與井下電加熱開采技術相比，傳統的稠油注蒸汽熱采技術，具有效率低、污染大等缺點。特別是通過燒煤或燒油氣把水燒到300℃以上甚至達到超臨界點（370℃）的高溫蒸汽，再把它注入到井下，其作業過程的熱損失比較大。當然，這種傳統的稠油熱采技術還是有成效的，但是一旦遇到低油價時期就不行了。
五、結束語
根據我國的能源礦產資源稟賦情況，非常規能礦原位轉化與綠色高效開發利用之道，可望成為我國實現“雙碳”戰略目標并保障能源安全的重大戰略舉措之一，特別是面對深地煤層氣與煤炭一體化綠色高效開發難題，這樣的戰略舉措很可能是必由之路，其潛在的經濟社會效益不可低估。
先進的地下“井工廠”，是非常規能礦原位轉化或改造與綠色高效開發利用不可或缺的基礎設施。我們應該不斷創新發展三維定向鉆掘與隨鉆精準測控技術裝備，以便為地下“井工廠”優化設計建設提供關鍵核心技術支撐。
基于井下電加熱系統與高溫高壓測控技術，可為地下“井工廠”實現原位轉化或改造提供必要的可控溫度場等反應條件，同時還可以將井下電加熱設備的耗電與風能、太陽能等可再生能源電力的開發利用結合起來，兩者相得益彰。
上述相關研究工作需要跨界聯合，特別是要加強工程、地質、化學、材料、機電、測控等多學科交叉研究。
我就講這些，謝謝大家！
