《煤田地质与勘探》“煤地质与碳中和” | 虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

煤矿区碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分，开展煤矿区碳排放量系统评价和减排路径的综合分析、做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现碳达峰碳中和国家“双碳”目标的重要途径，也是落实我国“双碳”愿景的具体行动。近几年，相关技术专家及其团队开展系列研究，遴选典型成果，以期促进同行交流。

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 87个
关键词; 75位
专家; 20篇
论文; 13593IP
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中国煤炭甲烷管控与减排潜力

作者(Author)：桑树勋, 刘世奇, 韩思杰, 郑司建, 刘统, 周效志, 王冉, 王猛

摘要：甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层气高效勘探开发技术体系,精准化、数字化、智能化、低碳化煤矿瓦斯高效抽采技术体系,关闭/废弃矿井煤炭甲烷减排管控与利用技术体系,全浓度瓦斯综合利用技术体系等是主要发展方向。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

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论煤地质学与碳中和

作者(Author)：桑树勋, 王冉, 周效志, 黄华州, 刘世奇, 韩思杰

摘要：煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分，做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现“碳中和”国家目标的重要途径，碳中和背景下的煤地质学发展值得关注。系统评述与碳中和相关的煤地质学研究领域，分析煤地质学在碳中和研究与工程实践中的作用和应用前景，探讨碳中和背景下煤地质学的重要发展方向。取得以下认识：推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧，勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构，开展煤化工资源勘查与开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展，深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯(井下)抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏，研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放，发展煤层CO2地质封存与煤层气强化开发(CO2-ECBM)技术、推动碳捕获、利用与封存(CCUS)技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用，研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放，是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径；其中煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO2-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。

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煤田地质与勘探

2021年第01期

605

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CO2强化煤层气产出与其同步封存实验研究

作者(Author)：苏现波, 黄津, 王乾, 于世耀

摘要：长期以来针对CO2-ECBM已做了大量研究工作,然而有限的工业试验没能达到预期目的,使得这一煤层气强化技术推广应用欠缺。近些年随着各国碳中和路线的制定,CO2封存逐渐受到重视,煤储层可否作为CO2的封存空间、可否实现CO2驱替CH4和封存同步进行,又重新回归人们的视野。为此,以新疆准南区块目标煤层样为研究对象,采用不同CO2与CH4混合比例气体进行煤的吸附/解吸实验,探索混合气体比例对CO2-ECBM和CO2吸附封存潜力的影响。结果表明,随着混合气体CO2比例减少,CH4驱替效果降低,其中40%CH4+60%CO2混合气体的CO2残余量最多,在解吸至0.7 MPa时已有83.05%的CH4产出,而83.62%的CO2吸附残余在煤中,表明其CO2吸附封存潜力最佳。根据道尔顿分压分体积理论和Langmuir方程,对降压解吸阶段各混合气体解吸量与解吸率进行理论计算,结果显示,随混合气体CO2含量减少,煤中CO2的残余率、残余量以及CH4最终解吸率均降低。理论计算与实验中CH4解吸率和CO2残余量随混合气体组成变化趋势基本一致,表明混合气体中CO2占比越高,越有利于最大限度地提升CH4采收率以及煤储层CO2吸附封存潜力。研究认识为CO2-ECBM和煤储层CO2封存现场应用提供理论依据,为这一技术的推广应用提供实验支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

144

115
煤层CO2 地质封存的微观机理研究

作者(Author)：姚艳斌, 孙晓晓, 万磊

摘要：煤层CO2地质封存可实现CO2减排和增产煤层气双重目标，是一种极具发展前景的碳封存技术。相对于其他封存地质体而言，煤的微孔极其发育，煤层CO2封存机制与煤中气、水微观作用关系密切，其内在影响机理尚不清楚。以2个烟煤样品的系统煤岩学分析测试为基础，构建了煤的大分子结构及板状孔隙空间模型，进一步采用分子动力学方法模拟了不同温、压条件下、不同煤基质类型表面的CO2和水的润湿行为，揭示煤层CO2注入后引起的水润湿性变化规律，初步阐明煤层CO2封存的可注性、封存潜力、封存有效性等影响因素及微观作用机理。结果表明：(1) 影响煤润湿性的主要因素是煤中极性含氧官能团，其含量越高煤的润湿性越强；(2) 煤中注入CO2后，CO2通过溶解作用穿透水分子层与水分子发生竞争吸附，从而减小水在煤表面润湿性；(3) 随注入压力增大和温度降低，煤表面CO2吸附量增多，对氢键破坏作用增强，润湿性减弱越明显；(4) 亲水性煤层CO2的可注性及封存潜力均相对较差，然而其封存安全性相对较好；(5) 影响煤层CO2封存潜力主要是吸附封存和毛管封存，而影响封存有效性、安全性的主要是毛管封存和构造封存；(6)煤中CO2封存以吸附封存为主，需同时考虑含水条件下毛管封存；相对于低煤阶煤，高阶煤封存潜力较高，但封存注入时需要克服“水锁”效应。进一步开展原位条件下深部煤层中气水作用与CO2地质封存机理研究，这对于CO2-ECBM技术发展具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2023年第02期

277

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CO2 地质封存与利用示范工程进展及典型案例分析

作者(Author)：刘世奇, 皇凡生, 杜瑞斌, 陈世恒, 管奕婷, 刘英海, 汪涛

摘要：CO2地质封存与利用工程实施具有十分可观的CO2减排效果，推行CO2地质封存与利用项目对于缓解全球气候变暖、践行我国可持续发展战略具有重要意义。梳理了目前主要的CO2地质封存与利用方式，统计了全球范围内的CO2地质封存与利用示范工程，重点介绍了我国典型CO2地质封存与利用示范工程案例，并对CO2地质封存与利用技术发展趋势进行了展望。目前，CO2地质封存与利用方式主要包括CO2驱油封存、CO2驱替煤层气封存、CO2咸水层封存、CO2枯竭油气藏封存、CO2驱替页岩气封存、CO2深部咸水层封存与采水、CO2封存与增强型地热发电、CO2封存与铀矿地浸开采等；国内外在CO2驱油封存、CO2咸水层封存以及CO2封存与铀矿地浸开采方面已形成了配套完整的技术体系，实现了广泛商业化应用，而在其他CO2地质封存与利用方面尚处于现场试验与工程探索阶段；我国现已开展了23个CO2地质封存与利用项目，含12个CO2驱油封存项目、2个CO2咸水层封存项目、7个CO2驱煤层气项目以及2个CO2+O2地浸采铀项目。我国的CO2地质封存与利用技术起步较晚，与欧美发达国家相比仍具有较大差距，未来亟待加快百万吨/年以上规模的CO2地质封存与利用全流程技术与集群部署的工程示范，强化CO2地质封存与利用集群化规模部署技术科学基础研究，重点解决工程化CO2地质封存与利用全流程技术关键环节瓶颈。

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煤田地质与勘探

2023年第02期

170

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苏北盆地层状盐穴储气库CO2封存数值模拟研究

作者(Author)：宗师, 刘世奇, 徐辉, 王文楷, 曹泊, 皇凡生

摘要：地下盐岩溶腔是CO2封存的有效地质体，CO2沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO2安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO2盐穴储气库为研究对象，建立了层状盐穴储气库CO2封存的流-固耦合数学模型，分析了盐岩及泥岩夹层中CO2运移泄漏规律及其对CO2安全封存的影响，并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO2运移速率和泄漏范围的关键，在其影响下，相同封存时间内泥岩夹层中CO2运移速率和影响范围远大于盐岩，但随封存时间延长，盐岩和泥岩夹层中CO2运移速率和压力增幅均呈降低趋势，并随着CO2压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO2压力正效应共同作用的结果，并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO2封存时间<3 a时，上覆地层压力是盐岩渗透率降低的主控因素，随封存时间延长，CO2压力对盐岩渗透率的影响逐渐占据优势，使得CO2影响范围内盐岩渗透率有所恢复。相较于盐岩，泥岩夹层的弹性模量较小，上覆地层压力和CO2压力对其渗透率的影响更显著。泥岩夹层的渗透率一般高于盐岩，CO2主要沿泥岩夹层运移泄漏，CO2盐穴储气库选址、建设和运行中，应充分考虑泥岩夹层的影响，对其进行适当防护和监测，避免CO2沿其泄漏；盐岩溶腔中CO2储气压力对盐岩层中CO2运移速率和泄漏范围无显著影响，但较高的储气压力提高了CO2影响范围内盐岩层中的CO2压力，盐岩与泥岩夹层渗透率恢复程度更高，间接影响了CO2运移泄漏规律，因此储气压力的设置应充分考虑盐岩和泥岩夹层渗透率、力学强度等影响。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

292

115
考虑Klinkenberg因子状态的CO2-ECBM模拟研究

作者(Author)：撒占友, 吴静波, 杨永亮, 张鑫, 卢守青, 刘杰, 王昊

摘要：为了探究Klinkenberg效应及不同状态的Klinkenberg因子在注CO2提高煤层气采收率(CO2-Enhanced Coal Bed Methane,CO2-ECBM)过程中的作用，借助COMSOL有限元软件模拟分析了Klinkenberg因子为0、固定Klinkenberg因子与动态Klinkenberg因子3种状态对CO2-ECBM及有效渗透率的影响，以及CH4与CO2压力随该因子的动态变化情况，并将CH4产气量与工程实际作了对比验证。结果表明，CH4与CO2有效渗透率呈先缓慢增长再急速下降后逐渐趋于平缓的态势，相较于固定Klinkenberg因子或Klinkenberg因子为0，动态Klinkenberg因子影响下的CH4与CO2有效渗透率更大，当Klinkenberg因子为动态变量时，受不同气体的摩尔质量与动力黏度影响，CO2有效渗透率小于CH4有效渗透率。在动态Klinkenberg因子作用下，煤层中CH4压力下降和CO2压力上升均更快，当Klinkenberg因子为固定值或0时，会高估煤层内CH4压力，低估CH4抽采与CO2压注的影响范围，并且估值均随时间增长而增大。工程验证表明，考虑动态Klinkenberg因子作用下的CH4累积产气量更接近真实情况。研究成果有助于分析CH4与CO2有效渗透率变化趋势，预估CH4抽采与CO2压注的影响范围及CH4产气量，在探究煤层增渗，优化井网布置，定量评价煤田产气量等方面具有理论指导意义。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

194

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煤基CO2地质封存对顶板裂缝导流能力影响实验研究

作者(Author)：朱世良, 邵丽伟, 周效志, 曹煜彤, 张琨, 王建东

摘要：煤基CO2地质封存是温室气体减排的重要方式，但也存在地下CO2泄露的安全风险。为了评估煤基CO2地质封存的安全性，采集沁水盆地南部胡底矿3号煤顶板泥质粉砂岩样品，模拟实验研究“CO2-H2O-岩”反应中柱状试样人工裂缝形貌、全岩矿物组成与CO2导流能力变化。结果表明：方解石脉溶蚀、次生矿物充填与外部有效应力共同影响试样裂缝导流能力。原始渗透率为0.016×10–3 μm2的低渗试样，方解石脉溶蚀导致实验前期渗透率升高；随着反应进行，有效应力主导下裂缝闭合，渗透率呈“先升后降”变化趋势；原始渗透率为3.785×10–3 μm2的高渗试样，H2CO3不断溶蚀裂缝壁面长石等矿物，并产生高岭石等次生矿物混合充填于裂缝中，使渗透率持续降低。煤基CO2地质封存过程中，较高的注入压力导致顶板产生人工裂缝；CO2注入施工结束后，次生矿物充填及有效应力增大使裂缝导流能力快速下降，因此，煤中封存CO2沿顶板裂缝长期泄露的风险较低。

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煤田地质与勘探

2021年第03期

875

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