实现碳达峰、碳中和，是党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。

如何促进能源绿色转型发展，推进我国非常规油气高质量发展，第十一届中国页岩气发展大会特别邀请到中国科学院院士高德利教授，作题为《“双碳”目标下非常规能矿绿色开发之道》的主旨报告，分享非常规能矿最新的研究成果及发展趋势。

图为高德利教授在大会现场演讲画面

高德利， 博士/教授、博导，中国科学院院士。现任中国石油大学（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、校学术委员会主任等职，是我国石油与天然气工程领域的著名专家和学者。

以下为高德利教授现场演讲内容

“双碳”目标下非常规能矿绿色开发之道

——高德利教授在第十一届中国页岩气发展大会上的主旨演讲总结

2021年12月18日

各位嘉宾，各位代表：大家上午好！

大家都对我国“双碳”目标下经济社会发展很感兴趣，尤其是能源发展问题，因为“双碳”目标与能源开发利用密切相关。关于“双碳”目标的概念大家可能都比较清楚了，就是说我国二氧化碳排放规模力争在2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现“碳中和”。“碳中和”并非不排放二氧化碳，而是说我们生产生活排放的二氧化碳大部分被林草、树木、植物及江河、湖泊、海洋等吸纳或汇聚了，部分可以被资源化或技术化利用（例如：二氧化碳驱油、压裂等技术），如有必要，则还可以对剩余的二氧化碳进行埋存处理等。

我今天的报告稍微拓宽一点，讲一讲非常规能矿绿色开发之道，包括页岩气、煤层气、煤炭等化石能源。因为我国的能源结构仍以煤炭为主（煤炭时代），只考虑油气问题难以实现“双碳”目标。关于“双碳”问题，从中央到地方大家都很关心，宣传也特别热，但我们应该全面正确地理解贯彻中央相关精神，不要以碳论碳、甚至搞一些碳炒作。

一、引言：能源资源及其开发利用

石油、天然气、煤炭仍是当今世界的三大能源支柱，它们是非常宝贵的能源矿产资源，能量密度高，便于储存、利用，优点非常突出。但是，它们也是排放二氧化碳的大户，尤其是煤炭排放得比较厉害。风能、太阳能尽管没有碳，但存在的主要问题是分布密度低、不稳定性大等缺点，其开发利用也面临着很大挑战，况且那些风机、光伏板等设备需要通过冶炼、铸、锻等热加工进行制造，也难免排放二氧化碳等污染物。所以说，不管什么能源资源，其开发利用的关键在于减少排放。实际上，所有的一次能源都来源于自然界的自然资源，而电力、氢气等能源都是二次能源，是由一次能源转化而来的。我们大家都希望通过关键核心技术创新突破，形成能源高效发展与绿色低碳转型的良好局面。

2020年，我国能源消费和二氧化碳排放给了我们一个启示：化石能源仍然是主体能源，特别是煤炭占比将近57%。实际上，全球进入石油时代（石油在一次能源消费中的占比最高）已经有六七十年了，而我国还停留在煤炭时代。不是不想转变或转型，而是由于我国资源禀赋制约，再加上一些历史原因，形成了我国能源消费结构的如此现状。

2020年，我国煤、油、气加起来的消费量接近85%，水能（或水电）、风能（或风电）、太阳能（或光伏发电）等可再生能源的占比仍然比较小。当然，我国煤炭消费的二氧化碳排放绝对是个大户，其占比达到了67%。其次，就是石油消费排放，而天然气则是一种低碳清洁能源，我们应该特别关注其发展，特别是国内天然气的勘探开发与增储上产。全球能源发展的近代史，实际上是一部低碳绿色转型的发展史，从早期的柴薪时代（柴老大）发展到1890年左右开始的煤炭时代（煤老大），再进入到20世纪60年代开始的石油时代（油老大），目前仍处在石油时代，而未来的发展趋势是朝着天然气时代（气老大）转型发展。当然，我国天然气供应对外依存度也在逐年攀升，2020年超过了43%。我国煤炭这么多，能不能把它转化成低碳绿色能源，但不是在地面转化，在地面进行煤制气、煤制油及煤发电等转化都已实现了，但这些在地面的能源转化过程都是要大量排放二氧化碳的，都不利于“双碳”目标的实现，有必要逐步加以改变。怎么办？

我们团队完成的科技项目“复杂地质条件储层煤层气高效开发关键技术及其应用”获得了2020年度国家科学技术进步奖（二等奖），这也是我国在煤层气开发领域的第一个国家奖项目。煤层气属于非常规天然气，是一种低碳洁净能源，学名叫甲烷气（CH4），它还有一个恐怖的名字俗称“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去，还会导致严重的温室效应，等量的煤层气（或甲烷气）所产生的温室效应是二氧化碳的20多倍。因此，煤层气地面高效开发，特别是做到“先采气后采煤”，对于提高我国天然气自供能力、减少煤矿瓦斯灾害及保护大气环境等都具有十分重要的实际意义。

煤层气储存在煤层里面，而且大量吸附在煤基质孔隙结构中，其吸附性比页岩气还要大，造成开采难度更大。因此，我们应该在深地煤层气与煤炭一体化开发技术方面做做文章，通过关键技术创新突破实现绿色高效开发。

据相关资料，我国煤层气地质资源总量约为80万亿方左右，其中陆地埋深在2000米以内的煤层气约为30万亿方，超过2000米埋深的煤层气约为40万亿方，还有近海海域也蕴藏着丰富的煤层气资源，也就是说我国煤层气开发利用的潜力巨大。再者，埋深超过2000米的煤炭我们还能派人下去采掘吗？谁愿意下去啊？恐怕就是装上空调你也不愿意下去了，是不是？因此，我们必须得想办法采用崭新的颠覆性思路去开发利用这些煤矿资源，实际上已有100多年的尝试，但是迄今仍难以产业化。在地面上，我们已经实现了煤制气、煤制油及煤发电等能源转化，其他煤化工也发展很快，相关技术都比较成熟了，问题是我们能不能在地下进行相应的原位能源转化？我今天就和大家讨论一下这个问题。

二、非常规能矿“井工厂”问题

为什么这样说呢？我们油气行业的人是通过钻井开采石油或天然气的，不会像采煤那样下井。特别是面对非常规油气资源的高效开发，我们对井的要求是越来越高了，实际上是一种“井工厂”，在地面上看上去是“井工厂”，在地下其实也是一种“井工厂”。当然了，这样的工厂相对还是比较简单的。然而，如果我们要建立真正的地下工厂，无论是化工厂、还是发电厂等，那可能就比较复杂。不管什么工厂，在地下建工厂，在1000m以下、2000m以下甚至更深部怎么建工厂呢？肯定是钻出来的，需要钻采技术，所以我们要拓宽钻采技术的应用领域。实际上，国内外都是很关注钻采技术与装备的创新发展。我这一辈子就是主要从事钻采工程科学研究与实践的，从“七五”开始一直干到现在。

大家看我们的页岩气“井工厂”大型化设计建设，尽管在同一个平台作业上，但每一口井的作业风险是不一样的。今后像页岩油原位加热转化开采，所需要的“井工厂”还需要立体化设计建设，我们油气行业正在对此研究探索之中。实际上，我们的页岩气“井工厂”调整井已经有立体化设计建设了。页岩油气“井工厂”在地下储层就是一个立体化、工厂化的井网，不过这样的“地下工厂”仍相对简单一些，以后会要求越来越高。我后面讲讲如何建设这样的工厂。

当然，有人现在也想进行智能化、无人化采掘，但是到了地下很深的地方难免遇到很多问题，包括地层压力、工程成本等问题，安全钻井作业就是个大问题，特别是井控问题，在我们油气钻井工程中井控是第一大安全问题。

在煤炭行业已经有这个概念了，就是地下煤气化，搞了100多年了，但难以实现产业化、商业化，主要瓶颈问题就是地下煤气化的可控性比较差。地下煤气化可产生氢气、甲烷气、一氧化碳等，都是很好的气态能源，而且可以把煤灰、煤渣等固体废弃物都留在地下，出来的产物全是多相混合气体，而且流出井口到达地面后完全可控。在地面对产出的混合气体进行分离处理，再进行储运与利用，其中分离出的氢气完全是无碳的，甲烷气也是低碳清洁的，等等。

如果我们在气态能源利用过程中产生了二氧化碳，还可以埋存到地下去，因为地下有“井工厂”，有可供埋存的地质空间。其实，地球内部蕴藏着大量的二氧化碳，甚至比地球表面人类排放的二氧化碳还要多。当然了，我们不能让地球内部的二氧化碳出来，目前二氧化碳的资源化或技术化利用也很有限。总之，地下煤气化是个很好的思路，但要实现产业化与商业化，仍面临着巨大挑战，特别需要跨界联合，特别是通过多学科交叉研究突破关键技术瓶颈。

三、地下“井工厂”建设问题

我们做这件事，关键是建这个“井工厂”，或者叫地下“井工厂”，怎么建？就是通过定向钻井或钻掘，所需要的通道、反应室、功能设施等地下空间，我都可以钻出来，我们为煤层气井洞穴完井就可以钻出较大空间，我们钻完井能力可以不断提高，也有必要不断提高，以满足地下“井工厂”建设的更高要求。当然，这也是高科技问题，我们国家相对来讲，特别是在最先进的旋转导向钻井系统方面，与国际领先水平还是存在差距的。地下可能需要很多通道，通道和通道之间的间距需要精确探测与控制，传统的测斜与计算方法就难以适应了。传统的斜侧与计算方法存在较大的累积误差，当定向钻井水平位移较大时，就很难满足精度要求了。

在这些方面，我们都取得了重要进展，也就说已经有可用的随钻电磁测控技术与装备了。这个图阐明了定向钻井技术与装备的发展历程，国内外都一步一步地向前推进。

当然，这里面还有个工程作业极限问题，我们需要不断地突破极限，影响因素很多，不断面临新的技术挑战，国内外都一直在努力研究与实践，但要突破极限并非易事。比如说，以12公里为地下垂深底界和水平位移半径，画出一个地球圆柱体来，目前全人类的定向钻井能力还难以钻达触及到这个圆柱体的一半。可以说，上天难，入地则更难。

四、井下电加热技术与能矿原位转化开采

还有一个问题，地下煤气化为什么还难以产业化、商业化？当然了，它可能与整个能源发展和市场有很大关系，但更重要的原因还是关键核心技术尚未突破。比如说，目前最先进的地下煤气化仍是地下煤燃烧处理转化，但地下“井工厂”是看不见、摸不着的，工况复杂，煤层在燃烧过程中具有很大的不稳定性，而且目前仍难以有效控制。我们地面的化工厂在生产过程中是需要精确控制的，尤其是温度场的控制，如果缺少可靠的技术手段，则是难以有效实现的。井下电加热是可控的，要把井下电加热器通过类似完井方式放置到井下去，放到地下“井工厂”需要的地方，这样至少可以形成辅助性的温度场控制。应该加强相关技术装备研发。

另外，地下“井工厂”的电加热设备需要耗电，在有条件的地方尽可能使用清洁的可再生能源电力供电。例如，我们可以利用风能、太阳能等可再生能源电力为地下“井工厂”设备供电，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，但应注意因地制宜，不要搞一刀切。

另外，稠油、页岩油（中低成熟度）等非常规石油需要进行原位加热转化开采，国外比较重视相关技术创新，一直在积极试验井下电加热开采技术，该技术已呈现出绿色高效的独特优势及良好的应用前景。例如：与井下电加热开采技术相比，传统的稠油注蒸汽热采技术，具有效率低、污染大等缺点。特别是通过烧煤或烧油气把水烧到300℃以上甚至达到超临界点（370℃）的高温蒸汽，再把它注入到井下，其作业过程的热损失比较大。当然，这种传统的稠油热采技术还是有成效的，但是一旦遇到低油价时期就不行了。

五、结束语

根据我国的能源矿产资源禀赋情况，非常规能矿原位转化与绿色高效开发利用之道，可望成为我国实现“双碳”战略目标并保障能源安全的重大战略举措之一，特别是面对深地煤层气与煤炭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，其潜在的经济社会效益不可低估。

先进的地下“井工厂”，是非常规能矿原位转化或改造与绿色高效开发利用不可或缺的基础设施。我们应该不断创新发展三维定向钻掘与随钻精准测控技术装备，以便为地下“井工厂”优化设计建设提供关键核心技术支撑。

基于井下电加热系统与高温高压测控技术，可为地下“井工厂”实现原位转化或改造提供必要的可控温度场等反应条件，同时还可以将井下电加热设备的耗电与风能、太阳能等可再生能源电力的开发利用结合起来，两者相得益彰。

上述相关研究工作需要跨界联合，特别是要加强工程、地质、化学、材料、机电、测控等多学科交叉研究。

我就讲这些，谢谢大家！