何學(xué)秋，田向輝，宋大釗

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

2020年9月22日，中國政府承諾力爭于2030年前達(dá)到CO2排放峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。當(dāng)前我國仍處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化高速發(fā)展階段，面臨著巨大的碳減排壓力[2]。在兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放長遠(yuǎn)目標(biāo)的背景下，未來中國實現(xiàn)碳中和將更多依賴于碳封存等負(fù)碳排放技術(shù)[3]，屆時碳封存安全將成為關(guān)鍵科技問題。

地質(zhì)封存是典型的負(fù)碳排放技術(shù)，通過管道將超臨界CO2注入到油氣田、咸水層或不可采煤層的密閉地質(zhì)構(gòu)造中，可形成長時間或者永久性地對CO2的封存，該方法也因此被認(rèn)為是CO2封存的首要選擇[4]。煤炭是CO2的天然吸附劑，其對CO2的吸附能力約為CH4的2倍[5-6]，且煤層封存CO2的同時可實現(xiàn)煤層氣的高效采收[7]，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。自20世紀(jì)90年代初，世界各國陸續(xù)開展煤層CO2埋存探索[8]，其中美國、加拿大先后于1995年、1997年實施了煤層注入CO2試驗，驗證了煤層大量儲存CO2的可行性[9-10]。我國也在2002年與加拿大合作在山西沁水盆地的TL-003井進(jìn)行了注CO2提高煤層氣采收的微型先導(dǎo)性試驗[11]。目前煤層CO2封存仍處于探索示范階段，商業(yè)化、規(guī)?；茝V尚未開展。

我國1 000 m以深的煤炭資源儲量約占總儲量的53%，其中包含大量災(zāi)害嚴(yán)重煤層和不可采煤層。與此同時，由于技術(shù)局限和環(huán)保要求，每年均有大量煤礦關(guān)閉退出，可為煤層碳封存提供源源不斷的天然場所。例如，2022年，山東省將關(guān)閉退出年產(chǎn)30萬t以下和采深超千米的沖擊地壓煤礦，共計3 400萬t/a，重慶市將退出14座煤礦，產(chǎn)量共計1 150萬t/a。煤層CO2封存技術(shù)相較于油氣田封存和深部咸水層封存成本更低，同時可提高煤層氣采出率[8,12]，增加經(jīng)濟(jì)效益，符合國家綠色發(fā)展理念。因此，煤層CO2封存或?qū)⒊蔀槲覈挤獯娴闹饕緩健?/p>

基于此，梳理了煤層CO2封存技術(shù)進(jìn)展，分析了煤層儲碳面臨的安全問題，并總結(jié)提出了煤層CO2安全封存4項關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果對于進(jìn)一步明確我國煤層碳封存下階段攻關(guān)內(nèi)容，盡早實現(xiàn)我國煤層碳封存規(guī)模化、商業(yè)化，服務(wù)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，具有重要的戰(zhàn)略意義和參考價值。

1 煤層CO2封存技術(shù)

1.1 煤層CO2封存原理

煤層作為儲氣層具有2個方面顯著特征[13-14]：①在一定溫度和壓力作用下煤層具有吸附和容納氣體的能力；②煤層在成煤作用及地質(zhì)運動的作用下形成了雙重孔隙結(jié)構(gòu)介質(zhì)[15](圖1)，包含原生的微孔結(jié)構(gòu)和次生的大孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可為煤層氣的儲集和運移提供必要的場所和通道[16]。煤層的吸附性實質(zhì)是煤層固體表面與氣體的一種表面作用，即當(dāng)氣體與煤層接觸時，由于煤基質(zhì)的雙重孔隙表面分子與內(nèi)部分子受力差異，存在剩余表面力場，形成表面勢能，使得氣體分子在煤孔隙壁面上的濃度增大，從而形成吸附并釋放出吸附熱[17]。研究表明，煤層對氣體的吸附屬于物理吸附[18]，可逆且無專屬性。與此同時，煤層對不同氣體分子的吸附能力卻不相同。根據(jù)量子化學(xué)研究[19]，煤層表面對CO2分子的吸附勢阱遠(yuǎn)大于對CH4分子吸附勢阱，即CO2在煤表面的吸附更穩(wěn)定。因此，煤層對CO2吸附能力遠(yuǎn)大于CH4[5]，煤層中注入CO2不僅可以實現(xiàn)其穩(wěn)定封存，還能達(dá)到驅(qū)替煤層氣的目的[7]。

圖1煤的雙重孔隙結(jié)構(gòu)示意[15]

在工程上，為防止CO2在埋存過程中轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，通常在超臨界狀態(tài)下(31 ℃，7.4 MPa)將其注入[5]。此外，高密度和低黏度的超臨界CO2具有很強的溶解、擴(kuò)散和滲透能力[20]，因此可以更快地完成注入和穩(wěn)定吸附。由于注入CO2可起到強化煤層氣回收的效果，絕大多數(shù)CO2煤層封存項目都同時伴有煤層氣高效采收的工業(yè)目的。

圖2為典型煤層CO2封存示意，主要包含注入和采出兩大部分系統(tǒng)。首先，利用壓縮機(jī)將捕集到的CO2以超臨界狀態(tài)注入指定煤層并完成封儲。隨后，CO2與煤層氣(CH4)產(chǎn)生競爭吸附，煤層氣逐漸被CO2驅(qū)替并脫附，此時通過采出井將煤層氣抽出，并進(jìn)行水氣分離，從而獲得高純度煤層氣。

圖2 煤層CO2封存示意[21]

1.2 煤層CO2封存工程應(yīng)用進(jìn)展

美國于1993年12月在圣胡安盆地開展了世界上首個CO2煤層地質(zhì)處置并強化煤層氣回收現(xiàn)場試驗[9]，緊接著在1995年，又在該盆地的Allison煤層中進(jìn)行了純CO2的注入試驗，成功實現(xiàn)煤層氣的多井聯(lián)合開采，約有3.35×105t的CO2被注入到900 m深煤層，采出率增加了約18%[22]。加拿大于1997年在Alberta盆地向煤層中注入N2和CO2的混合氣體、純N2和純CO2，證實了向煤層注入純CO2更有利于煤層氣的產(chǎn)出[10]。隨后，日本在Ishikari、德國在勃蘭登堡州的克爾欽、波蘭在Silesian含煤盆地等亦開展了先導(dǎo)試驗[23-25]。我國CO2煤層處置起步較晚，2002年起首先在山西沁水盆地的TL-003井進(jìn)行了注CO2提高煤層氣采收的微型先導(dǎo)性試驗和深部煤層的單井吞吐試驗[11]，隨后又于2010年、2013年在該盆地進(jìn)行了多次嘗試[8]，初步證實了CO2注入可提高煤層氣井甲烷采出率并有效封存CO2[26]。

1998年，STEVENS等[27]開展了煤層中CO2埋藏潛力的全球性評價，基于CO2以體積比2∶1的比例置換出CH4原地總量的假設(shè)，估算全球煤層中CO2的埋藏能力達(dá)22.5×1010t。同年P(guān)ARSON和KEITH[28]估算煤層的CO2埋藏能力大約在(36.6～110)×1010t。2005年，于洪觀[29]對我國5大聚氣區(qū)帶、38個含煤盆地、68個聚煤單元埋藏CO2能力進(jìn)行了初步評價，結(jié)果表明，我國埋深小于1 500 m的煤層氣煤層可埋藏8.68×1010t的CO2，埋深在1 500～2 000 m 的煤層可埋藏5.49×1010t，共計可埋藏14.17×1010t。劉延鋒等[30]估算我國埋深300～1 500 m以內(nèi)煤層CO2儲存潛力約為1.20×1010t。我國煤層氣資源豐富(圖3)，全國埋深2 000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為36.8萬億m3，占世界資源總量的13%，煤層氣可采資源量約12.5萬億m3。由此可見，我國煤層CO2封存潛力巨大[31-32]。

圖3 煤層氣資源量大區(qū)分布[32]

2 煤層CO2封存安全問題

2.1 煤層CO2封存安全風(fēng)險

煤層CO2封存安全性主要受封存地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害、工程擾動等因素影響，如圖4所示。

圖4 煤層CO2封存安全影響因素

CO2注入后，由于煤層對CO2、CH4吸附產(chǎn)生的差異性膨脹效應(yīng)、氣-液-固多相耦合損傷等引起區(qū)域應(yīng)力場變化，易引發(fā)儲層煤巖破裂、蓋層破壞以及斷層滑動等地質(zhì)體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致CO2泄漏[33-35]。超臨界CO2注入還會降低煤體的力學(xué)強度[20]，進(jìn)而對煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。此外，由于地球內(nèi)部溫度和壓力的變化、構(gòu)造運動所引發(fā)的突發(fā)地質(zhì)事件(火山、地震等)以及人類工程活動也會對煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，引發(fā)CO2的逸散[36]。泄漏至淺部地層或大氣的CO2不僅會破壞土壤生物系統(tǒng)及植被根系、改變生態(tài)系統(tǒng)平衡，還會對人類健康產(chǎn)生影響；泄漏并溶解至地下水層的CO2會造成地下水污染，干擾地下生態(tài)系統(tǒng)；CO2與儲層流體置換產(chǎn)生的應(yīng)力場擾動還有可能導(dǎo)致地表隆起、誘發(fā)地震等地質(zhì)災(zāi)害[37-38]。

2.2 CO2封存安全監(jiān)測方法

針對CO2地質(zhì)封存的安全監(jiān)測，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究，形成了以壓力監(jiān)測、電磁性能監(jiān)測、熱導(dǎo)性能監(jiān)測、地球化學(xué)效應(yīng)監(jiān)測、微地震波掃描、偶極聲納成像等為代表的地下監(jiān)測手段和以紅外氣體分析、渦量相關(guān)監(jiān)測、激光雷達(dá)監(jiān)測、同位素監(jiān)測等為代表的地上監(jiān)測方法[39-42]。從表1中CO2泄漏主要監(jiān)測方法可以看出，這些監(jiān)測方法的主要監(jiān)測對象是CO2或者由于CO2泄漏產(chǎn)生某些環(huán)境效應(yīng)。煤層封存CO2的泄漏通常意味著其封存結(jié)構(gòu)體已經(jīng)發(fā)生了失穩(wěn)破壞，而目前針對煤層封存CO2后地質(zhì)體結(jié)構(gòu)安全問題的研究僅有極少數(shù)學(xué)者涉足[12,33]。且現(xiàn)有針對煤層CO2封存安全的監(jiān)測大多偏向于環(huán)境監(jiān)測[35,43-45]，缺乏對封存地質(zhì)體自身安全性的關(guān)注。

表1 CO2泄漏主要監(jiān)測方法[39-42]

3 煤層CO2安全封存關(guān)鍵技術(shù)

盡管煤層CO2封存技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就陸續(xù)興起，我國也在2000年以后進(jìn)行了諸多嘗試，但目前我國煤層CO2封存技術(shù)發(fā)展仍較為緩慢。

針對煤層碳封存機(jī)理和全生命周期安全性方面的研究仍存在諸多空白，亟待實現(xiàn)理論和技術(shù)突破，這也是制約煤層CO2封存技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，諸多政策導(dǎo)向的激勵[1]，煤層CO2封存的規(guī)?；?、商業(yè)化勢必要及早提上日程，而在此之前，須實現(xiàn)以下4項關(guān)鍵技術(shù)的研究突破(圖5)。

圖5 煤層CO2封存安全關(guān)鍵技術(shù)

3.1 煤層安全儲碳機(jī)理與主控因素

煤層CO2封存工程安全實現(xiàn)的基礎(chǔ)是其機(jī)理明確。煤層封存CO2是一個多相耦合過程[46-48]，超臨界CO2、煤層氣、煤體三者之間相互作用、互相影響，共同決定著體系的安全狀態(tài)，碳封存過程多場多相耦合作用機(jī)制是亟待解決的問題。為此，可借助數(shù)值模擬、相似模擬等手段，研究煤層結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)、煤厚、煤巖理化特性、埋深、含水率、溫度等因素對煤層儲碳的影響與作用機(jī)制；建立超臨界CO2注入-運移-吸附全周期煤儲層滲透場-裂隙場演化模型，揭示熱-流-固-化耦合作用下煤儲層裂隙演化規(guī)律及損傷破壞機(jī)理；研究多場多相耦合作用下煤儲層、蓋層破壞的物理力學(xué)判據(jù)，揭示超臨界CO2作用下煤儲層及蓋層流變損傷規(guī)律和突變失穩(wěn)機(jī)理?；谝陨涎芯砍晒?，可得到煤層安全儲碳機(jī)理與主控因素。

3.2 煤層碳封存風(fēng)險探測與安全評價方法

我國現(xiàn)存大量煤層，顯然，這些煤層只是碳封存的潛在可利用對象。由于煤層賦存狀況的差異，不是所有煤層都適合封存CO2，同時應(yīng)考慮安全和封存潛力等經(jīng)濟(jì)因素。關(guān)于封存潛力，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了諸多研究，并建立了相關(guān)評估方法[49-51]。煤層碳封存風(fēng)險探測和安全預(yù)評價的研究目前仍鮮有報道。針對該問題，可利用地質(zhì)雷達(dá)、三維斷層掃描、電法勘探等技術(shù)，進(jìn)行多尺度、全方位地質(zhì)結(jié)構(gòu)觀測，建立相關(guān)可視化模型，對煤層地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特別是蓋層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行跟蹤探測評估。在此基礎(chǔ)上，開展大數(shù)據(jù)挖掘分析，充分利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在現(xiàn)有煤層安全評估技術(shù)與指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，考慮封存CO2可能帶來多場耦合作用，構(gòu)建綜合化煤層碳封存風(fēng)險探測技術(shù)指標(biāo)體系，研究形成風(fēng)險探測與安全評估成套技術(shù)方法。

利用上述方法可對煤層及蓋層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全進(jìn)行評估，對封存CO2后潛在的安全風(fēng)險進(jìn)行預(yù)判，最終實現(xiàn)可利用煤層的優(yōu)選。

3.3 煤層碳封存全生命周期安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

煤層碳封存現(xiàn)有安全監(jiān)測以CO2泄漏監(jiān)測為主，而CO2泄漏在時間上明顯滯后于封存地質(zhì)體結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)，即監(jiān)測到CO2泄漏時，煤層碳封存結(jié)構(gòu)體的破壞已經(jīng)發(fā)生。想要實現(xiàn)煤層碳封存全生命周期安全監(jiān)測預(yù)警，就必須針對煤層碳封存結(jié)構(gòu)體本身進(jìn)行監(jiān)測。首先需要揭示煤層超臨界CO2封存安全監(jiān)測預(yù)警原理、構(gòu)建相關(guān)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)。當(dāng)前，微震、電磁輻射、震動波CT等技術(shù)已經(jīng)較好地應(yīng)用于煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警[52-56]，儲碳煤層泄漏CO2過程也是流-固耦合失穩(wěn)的動力現(xiàn)象，因此，理論上現(xiàn)有煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測手段可應(yīng)用于煤層CO2封存過程安全監(jiān)測預(yù)警。在此之前，需要探明煤層CO2封存過程多元物理效應(yīng)規(guī)律，選取可以更準(zhǔn)確地表征煤層超臨界CO2封存安全狀態(tài)的指標(biāo)，據(jù)此建立碳封存全生命周期多尺度多元風(fēng)險探測與監(jiān)測預(yù)警方法。

針對煤層碳封存密閉空間，首先需要研發(fā)相應(yīng)的高性能微震、電磁輻射等監(jiān)測傳感器，通過地面鉆孔，將其永久性布置在相應(yīng)的監(jiān)測位置?；诖耍芯棵簩映R界CO2注入-運移-吸附全周期多元物理效應(yīng)規(guī)律，得到煤層及蓋層體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的多元物理效應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)，從而揭示煤層碳封存全生命周期體系安全監(jiān)測預(yù)警原理；研究煤層碳封存空間結(jié)構(gòu)多場耦合條件下流變-突變失穩(wěn)破壞的電磁輻射、微震等地球物理判據(jù)，構(gòu)建多元監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)；結(jié)合優(yōu)選的CO2泄漏監(jiān)測指標(biāo)，實現(xiàn)煤層碳封存全生命周期多尺度結(jié)構(gòu)安全與氣體泄漏智能綜合監(jiān)測預(yù)警。

3.4 煤層碳封存風(fēng)險應(yīng)對與應(yīng)急處置規(guī)范

實現(xiàn)煤層安全儲碳，在做好監(jiān)測預(yù)警的同時，還需要配套的防控措施和應(yīng)急處置，這也是當(dāng)前煤層碳封存領(lǐng)域的研究空白。一方面，超臨界CO2、煤層氣、煤體三者之間相互作用、互相影響，共同決定著體系的安全狀態(tài)；另一方面，CO2煤層封存屬于典型的地質(zhì)封存，其安全性受到多種地質(zhì)因素的影響。針對由各種因素導(dǎo)致的可能出現(xiàn)的煤層地質(zhì)體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和CO2泄漏風(fēng)險，應(yīng)提前進(jìn)行相關(guān)應(yīng)對措施和效果檢驗的研究。為此，可通過數(shù)值模擬、相似模擬等手段，模擬多場耦合、地質(zhì)構(gòu)造、斷層滑動、工程擾動、地震等對儲存場地結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性擾動風(fēng)險與程度，研究災(zāi)害發(fā)生過程、破壞程度以及CO2運移特征、對蓋層及地表的影響程度。在基礎(chǔ)上，結(jié)合圍巖控制、巖土力學(xué)等相關(guān)理論，提出相關(guān)防控措施并分析驗證其有效性，研究構(gòu)建煤層碳封存風(fēng)險應(yīng)對與應(yīng)急處置配套技術(shù)方法；最后，基于風(fēng)險分析與應(yīng)急處置方法，制定相關(guān)應(yīng)急處置標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到規(guī)范煤層碳封存風(fēng)險應(yīng)對與應(yīng)急處置的目的。

4 結(jié) 語

盡早著手煤層碳封存安全研究，對于實現(xiàn)我國煤層碳封存規(guī)模化、商業(yè)化，服務(wù)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。本文對煤層CO2安全封存研究現(xiàn)狀和問題進(jìn)行了梳理和分析。針對現(xiàn)存問題，總結(jié)提出了煤層安全儲碳機(jī)理與主控因素、煤層碳封存風(fēng)險探測與安全評價方法、煤層碳封存全生命周期安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)以及煤層碳封存風(fēng)險應(yīng)對與應(yīng)急處置規(guī)范4項關(guān)鍵技術(shù)，并詳細(xì)闡述了各項技術(shù)具體研究內(nèi)容和實施途徑。通過上述4個方面的研究，有望構(gòu)建煤層碳封存科學(xué)選址、安全監(jiān)測預(yù)警以及規(guī)范應(yīng)急全流程理論與技術(shù)方法體系，為我國煤層碳封存規(guī)模化、商業(yè)化奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。