燃气开采系统的技术创新和发展趋势分析

李金昱

山西华新煤成气勘查开发有限公司 山西 太原 030000

我国能源资源总量丰富，但人均占有量低，且能源结构不合理，煤炭、石油、天然气等化石能源占据较大的比重，能源消费结构不合理的问题较为突出，且我国是一个能源需求大国，在未来一段时期内能源需求将会持续增加，同时新能源开发力度不够，现有的传统化石能源资源开采存在一定的局限性和弊端。目前我国燃气资源开采主要有两种方式，分别是地下开采和地上开采。其中地下开采是指将天然气输送到地面进行存储和开发；地上开采是指利用地面设施对天然气进行存储和开发。现阶段我国主要采用的是地面开采方式，即将天然气通过管道输送到地面进行储存。现阶段，我国燃气资源开采主要采用的是传统的地下开采方式，这一方式存在一定的弊端，不仅会产生大量的环境污染问题，而且还会产生大量的安全隐患问题，因此要加强对燃气资源开采系统的技术创新和发展趋势研究[1-2]。

1 燃气开采系统概述

燃气开采系统是指利用先进的科学技术手段，将地下天然气开采出来，并输送到地面进行储存，并将其应用到生活、工业等领域当中，促进能源利用效率的提高。

燃气开采系统包括多种设备，分别为燃气轮机、压缩机、离心式压缩机、燃气换热器等设备，这些设备都具有不同的功能和用途，其中燃气轮机主要负责对天然气进行压缩、加热、冷却和运输等工作；压缩机是将天然气从气体中分离出来的重要设备；离心式压缩机是指在气井中利用离心式压缩机对天然气进行分离；燃气换热器主要用于天然气在地下的存储过程中与外界进行热交换[3]。

现阶段，燃气开采系统主要包括采气树、储气井、集气管道、气井关和天然气处理厂等。在对天然气进行开采时，要先对天然气的成分进行分析，根据分析结果来确定开采方案，管道式的开采方式，需要在管道中铺设阀门，并将阀门连接到采气树中；井式开采方式，则要在井口设置集气装置，并将集气装置连接到气井中；无源井式开采方式，则要将无源井内的压力释放出来，然后对天然气进行采气；有源井式开采方式，则要在有源井内安装阀门并连接到集气装置中；有压井式开采方式，则要将压井管连接到集气装置中。

2 燃气开采系统技术创新的必要性

2.1 实现国家能源战略

我国油气资源丰富，石油、天然气、页岩气产量分别占全球的13%、19%和10%，是世界第二大原油生产国和第四大天然气生产国。我国天然气资源总量居世界第三位，探明储量为1.45万亿m3，居世界第六位，在全球天然气储量中占有重要地位。截至2022年底，全国油气产量已突破16亿t。

我国是世界上最大的石油生产和消费国，石油和天然气消费总量居全球第二位，石油、天然气对外依存度分别为51.6%和48.1%。从2010年到2022年，我国的天然气产量增长了35.5%，而石油产量增长了9.7%；天然气产量增速超过石油产量增速的8个百分点。随着天然气产量的不断增长，对天然气资源的需求量也在不断增加，为了保障我国能源安全，需要加快推进天然气产供储销体系建设，促进天然气产业高质量发展。因此，我国需要从战略高度重视和推进天然气产业发展，实施好国家能源战略。

2.2 提升燃气行业地位

天然气是一种清洁、高效、经济的能源，它的开采对于改善我国能源结构、缓解环境污染、保护生态环境具有重要意义。

由于天然气自身的特性，开采难度大，为了满足国家能源安全的战略要求，对其进行勘探开发技术创新势在必行。我国是一个以石油、天然气为主要能源来源的国家，但石油、天然气对外依存度已经达到了60%以上，而且随着社会经济和科技发展水平的提高，天然气在一次能源中的比重越来越大。由于天然气是一种洁净的能源，能够有效地缓解我国环境污染问题，改善城市空气质量，保护生态环境，同时也具有替代常规能源、节约能源、提高经济效益、增加就业机会、减少温室气体排放等重要意义，所以天然气行业的地位不断提升。

2.3 促进能源行业发展

我国的能源行业发展速度十分迅速，对天然气的需求量也在逐年增长，天然气的价格也在逐年增长，但相比于石油和煤炭，天然气的价格还是偏低。近些年来，由于国际环境问题以及国际形势的变化，我国的石油、煤炭价格都有不同程度的上涨。在能源供应方面，我国也加大了对天然气生产企业的扶持力度。

但是目前我国天然气产量总体上还处于较低水平，且天然气进口依存度较高。根据国家能源局公布的数据显示，2017年全国天然气产量为1009.6亿m3，同比增长9.4%；消费量为6374亿m3，同比增长8.9%；全年净进口量为5191亿m3。天然气进口依存度达到了40%，比2017年同比提高了6个百分点。天然气的对外依存度过高，严重制约了我国能源行业的发展。所以，天然气的开采技术创新迫在眉睫，只有加强技术创新才能促进能源行业的发展。

3 燃气开采系统的技术创新

3.1 优化能源结构

能源结构的调整是一项复杂的系统工程，在充分利用可再生能源的同时，大力开发利用天然气等清洁能源。提高天然气在我国一次能源消费结构中的比重，是我国燃气开采技术创新发展的重点之一。为解决天然气管网建设中面临的技术瓶颈，必须通过技术创新来解决。

（1）管输工艺创新。我国天然气管道建设起步较晚，因此，我国的管输工艺还不能完全满足天然气输送需求。同时，我国大部分的城市都没有天然气管道，且城市燃气管网覆盖范围小，部分城市已建成的管网未延伸到用户端。因此，在进一步发展和完善管输工艺的基础上，重点研究管输工艺的创新问题。

（2）控制技术创新。天然气是一种高能量密度的能源，因此，必须要提高天然气管网的控制技术。我国现有管道系统中，大多数管道采用人工操作方式控制系统工作状态，未采用自动控制方式进行自动控制。目前，我国天然气管网系统中，仍未建立完善的安全控制系统，如调度中心、储气库和配气站等。随着国家对燃气管道安全的重视程度不断提高，必须加强安全控制系统建设，以降低管网运行中发生事故的概率。

3.2 提高燃气使用效率

提高燃气使用效率的途径有很多，技术创新的途径也有很多，下面将就其中的几个方面进行阐述。

第一，合理设计、制造燃气设备。燃气设备的设计、制造要考虑到其技术、经济和环境保护等多方面因素，在设计上要使设备在运行过程中能够将其寿命延长到10年以上，将其在运行过程中的维护费用降至最低。

第二，提高燃气使用效率。这包括燃气设备本身的热效率和燃气系统的热效率两方面。（1）燃气设备自身热效率主要指燃气设备本身的热效率，即在保证安全的前提下，尽可能提高其热效率，这对燃气设备来说是非常重要的，它决定了燃气设备运行过程中消耗的能量。（2）燃气系统的热效率，这是指燃气系统在运行过程中所消耗的能量与其产生的热量之比，其影响因素主要包括燃气输送系统和使用系统两个方面，这两个方面的效率决定了整个燃气系统的效率，因此要提高燃气使用效率，首先应提高其燃气输送系统的效率[4]。

3.3 推进清洁能源发展

为了有效提高燃气的燃烧效率，必须要在燃气开采系统中进行相关的技术创新。首先，需要对燃气开采系统进行有效的改造，从而提高燃烧效率。其次，可以将一些对环境有污染的燃料进行有效地替代，比如可以将一些煤炭、石油、天然气等燃料进行替代，这样不仅能够降低燃气开采系统中污染物的排放量，还能够提高燃气开采系统的环保性。最后，需要对现有的燃气开采系统进行有效的升级改造，例如可以将一些燃烧效率较低且污染较大的燃油转换为天然气等清洁能源。除此之外，还需要对燃气开采系统进行相关技术创新，比如可以在燃气开采系统中采用先进的环保技术。

3.4 加强智能化燃气管控

在智能化技术应用方面，我国相关企业积极开发燃气管控系统，将物联网技术、智能控制技术、传感技术以及通信技术等应用到燃气管控系统中，有效提升了燃气管控系统的智能化水平，如在长庆油田开展的“数字化智能平台”项目，实现了燃气生产、输配、安全监管等环节的信息互联互通，使数据集中共享，提高了管控效率。

目前我国还存在一些制约燃气管理的问题，如我国城市燃气管道和设施建设标准相对较低，城镇燃气管网存在大量的漏损泄漏问题；城镇燃气设施设计标准相对较低，设计、施工、运行等方面缺少规范和标准；城镇燃气的监测系统不完善。这些问题需要通过技术创新来解决，如采用先进的智能化燃气管网监测技术，对管网进行实时监控，通过智能控制技术、传感技术、通信技术等对燃气管网进行远程控制和管理，以实现城镇燃气的智能化管控。

4 燃气开采系统发展趋势

4.1 智能化

随着我国煤矿智能化的不断推进，智能化技术在燃气开采系统中的应用将进一步发展。智能化燃气开采系统的本质是通过各种先进信息技术对燃气开采生产过程进行数字化、自动化、智能化的控制，使其成为一个能够自行组织生产的独立系统。智能化燃气开采系统通常包括：（1）监控监测与故障诊断，包括运行参数和安全监测。（2）自动控制，包括远程控制和就地控制。（3）远程控制，包括无线通信技术和遥控技术。（4）协同工作，包括工业互联网、物联网、云计算等技术。（5）信息传输与共享，包括生产调度、设备管理等。

4.2 低碳环保

根据《中华人民共和国环境保护法》，为改善生态环境，保护生态系统，防治污染和其他公害，保障人体健康，促进经济社会可持续发展，制定本法。国家对大气、水、固体废弃物和噪声等污染实施综合防治。天然气是清洁能源，采用天然气替代煤炭对环境的影响最小。《大气污染防治法》明确规定：“国家鼓励和支持使用天然气替代煤炭等高污染燃料”。燃气开采系统中的煤矿瓦斯排放的污染物主要有：CO、SO2、NOX等有害气体和粉尘、固体颗粒物。为改善燃气开采系统的环境保护，在煤层气开发利用过程中采用以下技术手段：

（1）井下抽采技术，如水平井分段压裂、水平井压裂、多分支水平井等技术，该技术可以减少瓦斯的抽采量，降低排放浓度，还能提高单井产量。

（2）地面抽采技术，如地面钻井抽采技术、井下高压大排量抽采技术、地面远距离抽采技术等。

（3）煤层气发电技术，利用煤层气发电是一种清洁能源，将煤层气转化为电能，达到节省燃料的目的，同时实现清洁能源利用。

（4）煤层气液化和气化技术。将煤层气转化为液态天然气和气态甲烷后，经过净化处理和液化处理，达到燃气运输标准后进行安全输送。同时，对气体进行气化处理后进入工业锅炉，实现对气体的液化和气化。

4.3 资源综合利用

我国是能源资源匮乏的国家，在国民经济发展中对能源的需求很大，而我国煤炭、石油、天然气等一次能源资源都相对缺乏。为满足我国经济发展对能源的需求，近年来，国家加大了对煤炭和石油的开发力度，但我国能源结构中煤炭、石油等一次能源占绝对优势，天然气、液化石油气等二次能源消费量很小，我国在一次能源生产和消费中对天然气等二次能源的利用还不够充分。

根据国家“十四五”规划纲要中提出的“在有条件的地方，积极发展天然气、煤层气和页岩气等非常规天然气资源开采”的要求，结合我国天然气开采实际情况和国情特点，针对不同情况应该采取不同的开发利用模式。其中，对有条件的地方，应积极发展天然气、煤层气和页岩气等非常规天然气资源开采；对于经济欠发达地区，应大力发展天然气、液化石油气等二次能源的消费，提高对能源的综合利用效率；对于经济发达地区，应充分利用天然气次能源开发产生的废热、余热，发展高质量的能源消费。

此外，天然气在化工产品生产中具有多种用途，其中主要包括：天然气化工原料、化工产品生产过程中产生的热能及余热；天然气化工生产过程中产生的工艺介质等；天然气在发电、供热过程中产生的余压及余热；天然气在输送过程中产生的冷能等。

5 结束语

燃气开采系统是一种新型的能源开采方式，对我国社会经济的发展具有重要的意义。燃气开采系统主要由管网系统、天然气净化系统、液化装置三部分构成，在这一过程中需要使用到一些先进技术，如液化天然气技术、净化技术等。燃气开采系统的主要目的是将天然气从地下输送到地面，利用相应的设备进行储存和开发，最终实现对燃气资源的有效利用。现阶段，我国在燃气开采过程中存在一定的问题，如燃气开采效率低、资源浪费严重等，因此要加强对燃气开采系统的技术创新和发展趋势研究，使其能够实现可持续发展，从而推动我国能源行业的快速发展。