地质封存是典型的负碳排放技术，通过管道将超临界CO2注入到油气田、咸水层或不可采煤层的密闭地质构造中，可形成长时间或者永久性地对CO2的封存，该方法也因此被认为是CO2封存的首要选择。
我国1000 m以深的煤炭资源储量约占总储量的53%，其中包含大量灾害严重煤层和不可采煤层。与此同时，由于技术局限和环保要求，每年均有大量煤矿关闭退出，可为煤层碳封存提供源源不断的天然场所。
相较于油气田封存和深部咸水层封存，煤层CO2封存技术成本更低，同时可提高煤层气采收率，增加经济效益，符合国家绿色发展理念。因此，煤层CO2封存或将成为我国碳封存的主要途径。
9月29日，北京科技大学何学秋教授团队在《煤炭科学技术》以《煤层CO2安全封存研究进展与展望》（点击查看）为题首发科研成果，研究梳理了煤层CO2封存技术进展，分析了煤层储碳面临的安全问题，并总结提出了煤层CO2安全封存4项关键技术。
煤层CO2封存安全影响因素
煤层CO2安全封存关键技术
尽管煤层CO2封存技术早在上世纪90年代就陆续兴起，我国也在2000年以后进行了诸多尝试，但目前我国煤层CO2封存技术发展仍较为缓慢。针对煤层碳封存机理和全生命周期安全性方面的研究仍存在诸多空白，亟待实现理论和技术突破，这也是制约煤层CO2封存技术发展的关键因素。随着碳达峰、碳中和目标的提出，诸多政策导向的激励，煤层CO2封存的规模化、商业化势必要及早提上日程，而在此之前，须实现以下4项关键技术的研究突破。
煤层CO2封存安全关键技术
（一）煤层安全储碳机理与主控因素
煤层CO2封存工程安全实现的基础是其机理明确。煤层封存CO2是一个多相耦合过程，超临界CO2、煤层气、煤体三者之间相互作用、互相影响，共同决定着体系的安全状态，碳封存过程多场多相耦合作用机制是亟待解决的问题。为此，可借助数值模拟、相似模拟等手段，研究煤层结构、煤质、煤厚、煤岩理化特性、埋深、含水率、温度等因素对煤层储碳的影响与作用机制；建立超临界CO2注入-运移-吸附全周期煤储层孔隙率-渗透率演化模型，揭示热-流-固-化耦合作用下煤储层孔隙流变破坏规律及致裂机理；建立多场多相耦合作用下煤储层破坏准则及强度理论，揭示超临界CO2聚集压力下煤储层及盖层流变损伤变形规律和突变失稳破坏机理。基于以上研究成果，可得到煤层安全储碳机理与主控因素。
（二）煤层碳封存风险探测与安全评价方法
我国现存大量煤层，显然，这些煤层只是碳封存的潜在可利用对象。由于煤层赋存状况的差异，不是所有煤层都适合封存CO2，同时应考虑安全和封存潜力等经济因素。关于封存潜力，国内外学者已经展开了诸多研究，并建立了相关评估方法。煤层碳封存风险探测和安全预评价的研究目前仍鲜有报道。针对该问题，需开展煤层区域地质调查和工程地质勘察，综合利用地质雷达、三维断层扫描、电法勘探等技术，进行多尺度、全方位地质结构观测，建立相关模型，对煤层地质体结构特别是盖层结构稳定性进行跟踪探测评估。在此基础上，开展人工智能与大数据挖掘分析，在现有煤层安全评估技术与指标体系基础上，考虑封存CO2可能带来多场耦合作用，构建综合化煤层碳封存风险探测技术指标体系，研究形成风险探测与安全评估成套技术方法。
利用上述方法可对煤层及盖层结构稳定性与安全进行评估，对封存CO2后潜在的安全风险进行预判，最终实现可利用煤层的优选。
（三）煤层碳封存全生命周期安全监测预警技术
煤层碳封存现有安全监测以CO2泄漏监测为主，而CO2泄漏在时间上明显滞后于封存地质体结构破坏失稳，也即是，监测到CO2泄漏时，煤层碳封存结构体的破坏已经发生。想要实现煤层碳封存全生命周期安全监测预警，就必须针对煤层碳封存结构体本身进行监测。首先需要揭示煤层超临界CO2封存安全监测预警原理、构建相关监测预警指标。当前，微震、电磁辐射、震动波CT等技术已经较好地应用于煤矿动力灾害监测预警，储碳煤层泄漏CO2过程也是流-固耦合失稳的动力现象，因此，理论上现有煤矿动力灾害监测手段可应用于煤层CO2封存过程安全监测预警。在此之前，需要探明煤层CO2封存过程多元物理效应规律，选取可以更准确地表征煤层超临界CO2封存安全状态的指标，据此建立碳封存全生命周期多尺度多元风险探测与监测预警方法。
针对煤层碳封存密闭空间，首先需要研发相应的高性能微震、电磁辐射等监测传感器，通过地面钻孔，将其永久性布置在相应的监测位置。基于此，研究煤层超临界CO2注入-运移-吸附全周期多元物理效应规律，得到煤层及盖层体系结构稳定性的多元物理效应监测指标，从而揭示煤层碳封存全生命周期体系安全监测预警原理；研究煤层碳封存空间结构多场耦合条件下流变-突变失稳破坏的电磁辐射、微震等地球物理判据，构建多元监测预警指标；结合优选的CO2泄漏监测指标，实现煤层碳封存全生命周期多尺度结构安全与气体泄漏智能综合监测预警。
（四）煤层碳封存风险应对与应急处置规范
实现煤层安全储碳，在做好监测预警的同时，还需要配套的防控措施和应急处置，这也是当前煤层碳封存领域的研究空白。一方面，超临界CO2、煤层气、煤体三者之间相互作用、互相影响，共同决定着体系的安全状态；另一方面，CO2煤层封存属于典型的地质封存，其安全性受到多种地质因素的影响。针对由各种因素导致的可能出现的煤层地质体结构失稳和CO2泄漏风险，应提前进行相关应对措施和效果检验的研究。为此，可通过数值模拟、相似模拟等手段，模拟多场耦合、地质构造、断层滑动、工程扰动、地震等对储存场地结构稳定性扰动风险与程度，研究灾害发生过程、破坏程度以及CO2运移特征、对盖层及地表的影响程度。在基础上，结合围岩控制、岩土力学等相关理论，提出相关防控措施并分析验证其有效性，研究构建煤层碳封存风险应对与应急处置配套技术方法；最后，基于风险分析与应急处置方法，制定相关应急处置标准，从而达到规范煤层碳封存风险应对与应急处置的目的。
这项研究得到了国家自然科学基金重点项目的资金支持。
CO2泄漏主要监测方法
