撒占友，吳靜波，陸衛(wèi)東，楊永亮，張 鑫，盧守青，劉 杰

（1.青島理工大學安全科學與工程系，山東青島 266520；2.青島理工大學山東省重點行業(yè)領域事故防范技術研究中心，山東青島 266520；3.新疆工程學院安全科學與工程學院，新疆烏魯木齊 830023）

隨著人類社會發(fā)展進步，全球經(jīng)濟對工業(yè)生產(chǎn)的需求和人類對生活的需求使得大量CO2排放到大氣中，CO2引起的全球變暖與極端氣象等事件對人類生活生產(chǎn)造成巨大影響。全球溫暖化促成了《氣候變動框架條約》、《京都議定書》等文件的構建，目的就是將大氣中溫室氣體量控制在可接受的安全水平內(nèi)。中國已經(jīng)是世界第一大CO2排放國，習近平宣布中國力爭在2030 年前達到二氧化碳排放峰值，爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。李俠祥等[1]研究證明，中國CO2排放量將在2030 年左右達到峰值。為了減少CO2向大氣中排放，學者們提出二氧化碳地質(zhì)封存技術，目前公認較好的封存場所為廢棄油氣藏、深部咸水層和不可開采煤層[2]。

深部不可開采煤層封存CO2利用了煤巖對于CO2的吸附強度大于對CH4的吸附強度，將CO2注入煤層后可以將其內(nèi)部CH4氣體置換出來，這種方法稱為CO2強化煤層氣開采技術（CO2-Enhanced Coalbed Methane Recovery，CO2-ECBM），注氣技術最早被用于石油開采行業(yè)，隨著科技發(fā)展，注氣驅(qū)替煤層氣增產(chǎn)逐步得到推廣使用，此方法封存了CO2的同時還提升了煤層氣開采，為企業(yè)帶來附屬經(jīng)濟利益。

為了探究CO2-ECBM 的最佳條件，借助前人的研究成果對煤級、溫度、壓力、含水率等影響因素，以及煤層內(nèi)氣體運移理論及吸附模型進行分析總結，利用VOSviewer 軟件從時間角度分析并預測了CO2-ECBM 的研究趨勢。

1 CO2-ECBM 影響因素

煤對氣體吸附能力受多方面因素作用，為此從CO2-ECBM 的主要影響因素，也是眾多學者的主要研究方向，即煤級與孔隙結構、溫度與壓力、水分含量等因素方面對CO2-ECBM 過程進行分析。

1.1 煤級與孔隙結構

研究不同煤級煤對氣體吸附能力的差異性主要從宏觀與微觀2 方面分析。宏觀指的是直接利用不同煤級煤對CO2、CH4等氣體做吸附等溫曲線，分析不同煤對氣體吸附情況；微觀指的是通過射線、圖像等手段，從煤的孔隙結構、化學結構、粒度、可壓縮性、吸附熱等多方面分析吸附性能。

孔隙結構影響煤對氣體吸附量，研究發(fā)現(xiàn)，在煤化過程中，煤吸附孔結構受其變質(zhì)程度影響，隨著煤級增加，比孔體積與比表面積呈U 型變化，即先減小后增大的趨勢，在鏡質(zhì)組最大反射率（R.max）約為1.3%時達到最小值[3]，而煤變質(zhì)程度是通過其比表面積影響吸附能力的[4]?？捉Y構中大孔范圍隨著煤級增大而逐漸減小，孔隙結構趨于簡化，高階煤級中微孔結構開始增加，裂縫趨于良好定向擴展[5-6]?；|(zhì)壓縮會影響煤微孔狀態(tài)，而基質(zhì)壓縮系數(shù)與煤級之間呈先減小后增大，再減小的三次函數(shù)關系，拐點位于R.max約為1.3%與2.5%處[7]。

根據(jù)Langmuir 單分子層吸附理論，煤對氣體吸附量受Langmuir 體積與Langmuir 壓力影響，而2 個變量又受到煤變質(zhì)程度的影響，隨著R.max增大，Langmuir 體積呈先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢，而Langmuir 壓力則呈先減小后增大的趨勢，低階煤和高階煤的Langmuir 壓力大于中階煤的Langmuir 壓力，說明在降壓過程中，低階煤與高階煤中的吸附氣體比中階煤中的吸附氣體更容易解吸[8]。Langmuir 方程不適用于不同煤級煤對三元混合氣體等溫吸附的描述，而多項式模型可以準確表達該過程，應用多項式模型表明中級煤對氣體的吸附量最低，這與以往單組分氣體吸附結果不同，說明混合氣體的組分與比例對煤吸附情況有一定影響[9]。

1.2 溫度與壓力

經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)CO2大多數(shù)情況下優(yōu)先于CH4被吸附，注氣壓力越高則驅(qū)替效率越高[10]，但低煤階煤的CO2/CH4吸附比值隨壓力增加而降低[11]，原因可能與吸附質(zhì)在大孔或微孔中的表觀擴散系數(shù)有關，CO2的動力學直徑較CH4與N2的動力學直徑更小，則其表觀微孔擴散率更大，同時有研究表明CO2的表觀大孔擴散率也大于CH4與N2，這就導致CO2氣體分子可以進入CH4或N2無法滲透的微小孔中[12]。

在常壓階段，吸附量與壓力呈正相關，壓力是影響吸附量的主要因素；而低壓階段，溫度是影響吸附量的主要因素，壓力降低，溫度影響力增大[13]。同一壓力下，吸附量曲線隨溫度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，在40 ℃時達到最大值，因此認為40 ℃為最佳驅(qū)替溫度[14]；而在注氣壓力為1.4 MPa 時，置換單位量CH4所需的CO2最少，因此認為1.4 MPa 為最佳注氣壓力[15]。Levy 等[16]研究結果表明在5 MPa、30 ℃狀態(tài)下，溫度每升高1 ℃，甲烷吸附量減少0.12 mL/g。

煤吸附氣體影響煤的滲透率，同時滲透率反作用影響著氣體在煤層中的擴散滲流。魏建平等[17]、袁梅等[18]研究了應力、孔隙壓力和溫度耦合下對煤體滲透率的影響，表明高應力狀態(tài)時，滲透率與溫度呈負相關；低應力狀態(tài)時，滲透率與溫度呈正相關，學者認為這種現(xiàn)象可能與煤基質(zhì)內(nèi)、外膨脹效應有關；而袁梅實驗結果表明煤體滲透率與孔隙壓力間呈指數(shù)關系，孔隙壓力恒定時，滲透率隨溫度增加而下降；吳迪等[19]、李曉泉等[20]的研究結果表明氣體吸附量隨體積應力增加而減小，CH4驅(qū)替效率同時降低，原因可能是有效體積應力的增加降低了煤層滲透率。

1.3 水分含量

研究水分的影響主要集中在水對煤儲層吸附特性、對煤層變形及滲透率、對氣體滲流運移等方面。研究手段通常為在相同條件下，采用干煤樣與不同含水率煤樣、高壓注水煤樣的對比實驗。

注水煤樣的Langmuir 壓力與Langmuir 體積均高于干煤樣和水平衡煤樣，同時注水煤樣的等溫吸附量也高于另外2 類樣品，而隨著含水率的增加，平衡水煤樣的等溫吸附量逐漸降低并與之呈對數(shù)函數(shù)關系，究其原因，是高壓注水增大了煤樣滲透率，其滲透率顯著高于干煤樣的滲透率，而干煤樣滲透率略高于平衡水煤樣滲透率，且平衡水煤樣的滲透率隨含水率的增大而降低，水堵塞或填充了煤樣的部分微孔，占據(jù)了吸附位，降低了微孔體積，減少了氣體可運移或吸附范圍，最終使煤層氣體等溫吸附量降低[21-26]。另有學者認為水分以引起煤變形與力學性質(zhì)變化的方式影響滲透率，且在擴散速率方面，其對CH4的影響大于對CO2的影響，隨著含水率降低，楊氏模量增大，并表明煤在失去水分后會硬化[27]。

孔隙壓力增大會降低煤滲透率，但隨著含水率增加，孔隙壓力對滲透率的影響減弱，而水分子對滲透率作用增強[28]，雖然煤的滲透率隨含水率的增加而降低，但兩者之間并不是簡單的反相關線性關系，而呈負指數(shù)函數(shù)關系[29-30]。即使水分顯著降低了煤對氣體的吸附能力，但煤樣對CH4及CO2的吸附量仍然隨煤級的增加呈線性增加的趨勢，其中高煤級水平衡煤樣對氣體吸附量的降低幅度較小[31]。

水分還影響煤儲層氣體含量與滲流速度。隨著含水率上升，水分子封堵孔裂隙，使其中甲烷氣體難以運移，加大抽采難度。但有學者認為在抽采作用下，含水率較高煤的氣體含量下降速度卻更快，壓力下降幅度也更大。文獻［32］研究了煤層含水率分別為0.54%、1.09%、11.6%時的抽采效果，結果表明，水分子占據(jù)了吸附位，降低了煤對氣體的吸附能力，使裂隙系統(tǒng)中游離氣含量增加，使煤儲層中形成更大的氣體壓力，因此，在抽放過程中，瓦斯壓力與瓦斯含量下降速度更快。另外，增加煤層有效應力，氣體滲流速度以二次函數(shù)關系遞減，該函數(shù)的應力敏感區(qū)位置與滲流速度取決于煤層含水量。同時，含水率增加會降低煤體黏聚力和內(nèi)摩擦角[33]。因此，在建立模型或設計開采方案時考慮水分因素是很有必要的。

2 氣體吸附運移理論及數(shù)學模型

對CO2-ECBM 理論的研究，主要集中于吸附模型、煤巖對氣體吸附機理、氣體在煤層中流動特性以及煤層流固耦合等方面。

2.1 氣體運移理論

氣體在煤層中運移總體分為2 種類型：一是在孔徑r＜1 μm 時做擴散運移；二是在孔徑r≥1 μm時做滲流運移[34]。CH4在煤層中運移是解吸-擴散-滲流相互作用，相互影響的復雜機制，在注氣井與產(chǎn)氣井壓差作用下，裂隙中CH4發(fā)生滲流向產(chǎn)氣井運移，使孔隙與裂隙中CH4產(chǎn)生濃度差，孔隙中CH4發(fā)生解吸，在濃度差作用下孔隙中CH4發(fā)生擴散向裂隙運移[35]。同理，注入CO2后也會引起滲流-擴散-吸附過程，最終在多因素作用下造成CO2-ECBM，而CH4在水飽和煤中運移有2 個階段，分別由毛細管力控制和擴散控制[36]。

根據(jù)Knudsen 數(shù)，可將氣體擴散分為Fick 擴散、Knudsen 擴散和過渡型擴散，在不同孔徑中擴散類型是不同的，由于煤體存在多種尺寸孔徑，所以氣體在煤體中擴散類型是多樣的[37]。但擴散性能受到溫度、壓力及水分等多因素影響，且該過程是非熱力平衡的，擴散系數(shù)會隨溫度升高而增大[38-39]。

在研究CO2-ECBM 模擬時主要有3 種思路，即單孔單滲、雙孔單滲與雙孔雙滲，大多數(shù)模擬研究基于雙孔單滲假設。雙孔單滲假設指的是煤被看作是由孔隙和裂隙組成的雙重固體介質(zhì)，孔隙和裂隙分別是吸附態(tài)甲烷和游離態(tài)甲烷存在的主要場所，氣體在孔隙中運移主要以擴散為主且符合Fick 定律，在裂隙中運移以滲流為主且符合Darcy 定律，在分析過程中僅考慮裂隙滲流，而忽略煤基質(zhì)滲流的情況。但氣體滲流在很多情況下并不符合達西滲流，而滿足非達西滲流，非達西滲流狀態(tài)也是學者的研究重點。

2.2 氣體吸附理論與數(shù)學模型

氣體吸附理論及其表達式見表1。

表1 氣體吸附理論及其表達式Table 1 Gas adsorption theory and its expression

1916 年，朗格繆爾首次通過研究固體表面吸附特性，得出單組分單分子層的狀態(tài)方程；1931 年，Markham 與Benton 將其擴展為雙組分氣體吸附，之后又發(fā)展為多組分氣體吸附，但Langmuir 方程的本質(zhì)仍然是基于均勻表面單分子層吸附?，F(xiàn)代理論認為，固體表面層是不均勻狀態(tài)，如此形成不同的活性中心，導致被吸附氣體并非平鋪于吸附劑表面，可能是1 個氣體分子被多個相鄰活性中心吸附，根據(jù)此理論，學者總結出適用于不均勻表面的Freundlich 經(jīng)驗方程。

學者認為煤層對氣體吸附是由范德華力引起的物理吸附，則吸附狀態(tài)不僅為單分子層吸附。1938年，Brunnuer 等提出多分子層吸附理論及模型，之后在考慮到吸附層不是無限大，而是有限制的，僅能吸附層的基礎上，將模型發(fā)展為3 參數(shù)BET 方程，當為1 時，即為單分子層吸附；1947 年，理論進一步發(fā)展，Dubinin 分別與Radushkevich、Astakhov 提出微孔填充理論和最優(yōu)體積填充模型。此外，還有Ideal Adsorbed Solution（IAS）理論，用于計算氣體吸附量；Simplified Local Density（SLD）理論，用于計算CH4吸附密度，得到絕對吸附量。

Rupple 等[40]表明利用Langmuir 方程能很好表達煤對CH4的吸附，但隨著學者們的深入研究，發(fā)現(xiàn)Langmuir 方程的擬合結果并不理想，而微孔填充理論更符合實際。崔永君等[41-42]通過研究發(fā)現(xiàn)煤吸附CH4擬合精度高低順序為：n=1 時的D-A 方程>Langmuir 方程> D-R 方程>BET 方程；于洪觀等[43]研究發(fā)現(xiàn)煤吸附CO2擬合精度高低順序為：BET 方程＞Langmuir 方程＞D-A 方程＞D-R 方程。

模型只是研究煤吸附氣體行為的工具，某種模型對于某種煤的吸附預測較好，但對另一種煤的吸附預測可能并不理想，因此，研究時因考慮不同煤的特性，煤與氣體間相互作用情況，不能盲目使用模型進行分析。

2.3 注氣驅(qū)替甲烷研究

向煤層中注入非CH4氣體可以有效驅(qū)替CH4，達到增產(chǎn)目的。Fulton 等[44]與Reznik 等[45]分別在低壓與高壓下向煤樣注入CO2，結果表明注CO2能提高CH4產(chǎn)量，且加大注入壓力能提高CH4生產(chǎn)率。一些學者向煤樣中注入CH4、CO2、N2的二元、三元混合物，結果顯示CO2在與CH4的吸附中占有優(yōu)勢，而N2在與CH4的吸附中處于劣勢，由此可說明氣體的吸附能力為CO2＞CH4＞N2[46-48]。

混合氣體在煤層中的吸附不是獨立的，而是彼此之間存在吸附競爭現(xiàn)象，處于此消彼長的狀態(tài)[49]，并且這種競爭性在變壓吸附過程中直接影響到各組分的吸附解吸情況[50]。CO2與N2雖然都能驅(qū)替CH4達到增產(chǎn)目的，但原理是不同的，N2是通過降低甲烷有效分壓使CH4從孔隙中解吸出來，而CO2是分壓與競爭吸附的作用[51]；注入氣體還有攜帶與稀釋的功能，注入氣體流量越大，則置換作用越弱而攜帶與稀釋作用越強[52]。煤對氣體的吸附是物理吸附，其吸附解吸情況與氣體注入順序無關，只與氣體吸附前后狀態(tài)有關，氣體的沸點、吸附勢阱及分子熱運動劇烈程度等都可影響煤層對氣體的吸附[53-54]。

綜上所述，在提高CH4采收率方面，注入CO2比N2更有效，100%的CO2對CH4的抽采效果要優(yōu)于CO2與N2混合氣的效果。

3 國內(nèi)外CO2-ECBM 先導性試驗及應用

我國提出力爭2030 年前實現(xiàn)碳達峰，2060 年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標[55]。碳達峰是指一定空間范圍內(nèi)年碳排放總量達到工業(yè)化以來最高值，進入平臺期，之后逐漸降低的狀態(tài)；碳中和是指CO2等溫室氣體的排放與吸收相同，實現(xiàn)正負相抵，即排放到大氣中的CO2等溫室氣體凈增量為0[56]。任世華等[57]、桑樹勛等[58]認為發(fā)展CO2-ECBM 技術，推動碳捕獲、利用與封存對碳減排具有重要作用。利用不可開采煤層封存CO2并將其中煤層氣開采出來，在保護環(huán)境同時增加企業(yè)收益。

1972 年，Every 等發(fā)現(xiàn)CO2氣流可以有效去除碎煤中CH4，1977 年，他們將所有與向煤層注入CO2驅(qū)替CH4有關的內(nèi)容申請了發(fā)明專利[59-60]。自此，眾多國家在這方面做了許多先導性試驗。美國是開采利用煤層氣最早的國家，學者們在圣胡安盆地實測收集了大量數(shù)據(jù)并加以分析，驗證了“基質(zhì)收縮理論”，闡述了CCS 項目可能性[61]。之后在科羅拉多州盆地做了N2增強煤層氣生產(chǎn)試驗，但結果是失敗的，N2既沒有取代CH4也沒有促進CH4解吸[62]。2001 年，波蘭啟動歐洲第1 個煤層封存CO2和提高煤層氣采收先導性試驗項目，結果顯示CO2被煤吸收了，這給長期CO2煤層封存穩(wěn)定性增強了信心[63]。日本學者研究了該國CO2封存潛力，通過先導試驗認識到滲透率對CO2封存或增強煤層氣生產(chǎn)的重要性，認為提高煤層滲透率是全球大規(guī)模實施CO2-ECBM 的關鍵之一[64]。加拿大、澳大利亞，荷蘭，印度等國也先后在本國開展CO2-ECBM 的先導性試驗。

中國在CO2-ECBM 方面研究起步相對較晚，但仍有不少學者以不同埋藏深度為研究對象，定量評價了中國不同煤層范圍可封存CO2容量，在地下可封存CO2總?cè)萘繛?4 548 億t，其中300～1 500 m深煤層范圍可封存CO2容量約為120.78 億t，可增采煤層氣達16 320 億m3，煤層氣開發(fā)主要為華北與華南煤層氣省，而CO2封存的良好位置為沁水、鄂爾多斯、準格爾盆地等[65-68]。中國最早的CO2-ECBM 先導試驗是在沁水盆地的中加合作項目，項目取得了不錯的效果，結果表明利用沁水盆地高階無煙煤封存CO2同時提高煤層氣產(chǎn)量是可行的，高階無煙煤相對低階煤可以用較少CO2驅(qū)替出等量煤層氣，經(jīng)濟評價良好[69]。

CO2-ECBM 可行性得到驗證，但封存的安全性，包括泄漏，存儲監(jiān)測，環(huán)境等問題仍然需要大量研究。美國弗吉尼亞州的CO2封存試驗點利用作為天然示蹤劑，用以檢測注入CO2泄漏的可能性。結果表明在上覆地層中檢測到碳同位素值，但下伏煤層沒有明顯CO2泄漏，證明碳同位素仍然是有效監(jiān)測泄漏問題的示蹤劑[70]。

4 討 論

4.1 CO2-ECBM 相關文獻和關鍵詞

基于CNKI 數(shù)據(jù)庫檢索2010—2021 年期間與“CO2-ECBM”相關文獻共計864 篇，利用CNKI 自有計量可視化分析功能得到年度與文獻發(fā)表數(shù)量之間的關系，2010—2021 年國內(nèi)與“CO2-ECBM”相關文獻發(fā)表數(shù)量如圖1。

由圖1 可知，在碳達峰大背景下，2013 年后有關CO2-ECBM 研究大幅上升，并在整體上呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，基于CNKI 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021 年相關文獻量達109 篇，說明CO2-ECBM 在未來仍是熱點話題。

從CNKI 和Web of Science 數(shù)據(jù)庫中檢索2015—2020 年期間與“CO2-ECBM”相關文獻，將所得文獻的關鍵詞等信息以適當格式保存?；赩OSviewer 軟件導入已存文件，對關鍵詞信息以時間順序進行分析，2015—2020 年國外與“CO2-ECBM”相關關鍵詞趨向如圖2，2015—2020 年國內(nèi)與“CO2-ECBM”相關關鍵詞趨向圖如圖3。

由圖2 可知，2016 年之前，國外學者研究關鍵詞主要為sorption、strain 及permeability 等為主要內(nèi)容，也就是從宏觀上分析煤層在應力等條件作用下氣體運移，吸附情況。2016—2018 年，學者多應用各種模型，在科技手段下對不同煤級煤樣的組成成分進行分析，研究組成成分及不同煤階對吸附的影響，期間以中國地質(zhì)作為研究對象所貢獻的文獻居多。近些年研究關鍵詞為pore structure 與specific surface area 等，也就是從孔隙結構等微觀角度分析CO2-ECBM 的作用機理，在此基礎上研究溫度與注氣壓力、應力等外界條件對煤層滲透率、CH4開采量與CO2封存量的影響更為廣泛。

由圖3 可知，2016 年之前，我國學者仍然以地質(zhì)封存潛力評價和注CO2驅(qū)替煤層氣，以提高采收率為主要研究內(nèi)容，在宏觀上探究中國利用不可開采煤層封存CO2的可行性。2016—2018 年，學者多采用數(shù)值模擬手段，利用多物理場耦合方式研究CO2-ECBM 過程，方向逐漸趨向于微觀分子模擬，但CH4與CO2的競爭吸附研究仍然是重點。近些年主要從煤體官能團、分形維數(shù)、孔隙結構等方面探究其對瓦斯抽采或CO2封存的影響，值得注意是利用液態(tài)CO2或超臨界CO2研究CO2-ECBM 過程成為一種趨勢。

利用CNKI 中可視化分析功能將有關滲透率、孔隙（孔隙結構、孔隙壓力、孔隙度）、數(shù)值模擬及超臨界CO2等4 個關鍵詞按年文獻發(fā)表數(shù)量分析，2010—2021 年國內(nèi)相關主題文獻數(shù)量趨向圖如圖4。

通過對比圖2、圖3 和圖4 可以看出：在2016年之前，都是從宏觀上評價煤層封存能力，探究外界條件對煤吸附氣體的影響以及注入CO2后煤層內(nèi)CO2與CH4的競爭吸附原理，在此基礎上，研究逐漸趨向于微觀，從煤的組成成分，孔隙結構等微觀角度出發(fā)，在分子學角度分析煤對氣體吸附原理及注CO2提高CH4采收率的機理。在CO2-ECBM 過程中，提高滲透率是研究的重點內(nèi)容，近些年針對滲透率的研究呈上升趨勢，利用有限元軟件做多物理場耦合模擬更為普遍。由圖4 可知，2018 年以后，研究超臨界CO2驅(qū)替煤層中CH4的文獻開始增多，在地底高溫高壓作用下，注入煤層的CO2并非僅為氣態(tài)，而呈多種狀態(tài)共存，有研究表明注入超臨界CO2較氣態(tài)CO2，在提高煤層氣采收率方面更具優(yōu)勢。

4.2 問題和展望

CO2-ECBM 能將CO2封存于煤層中，減少碳排放，同時強化煤層氣開采，提高經(jīng)濟效益。但CO2-ECBM 在理論研究與技術應用方面面臨的困難是客觀而現(xiàn)實的，因此要明確該過程的利弊條件，以追求最優(yōu)效果。為此，從有效性、廣泛性、經(jīng)濟性及安全性方面闡明CO2-ECBM 存在的問題。

1）有效性。有效性是CO2-ECBM 實施過程中最需解決的難點，是廣泛性、經(jīng)濟性及安全性的基礎與前提。CO2-ECBM 的有效性仍有許多問題尚待解決，例如，熱-氣-水-固-化相互作用對氣體滲流擴散的影響；多尺度煤巖對氣體的吸附特征；超臨界CO2的可注性及其對煤層特性的影響；智能調(diào)節(jié)壓注參數(shù)及注入方式的研發(fā)；搭建與工程試驗相匹配的大型實驗平臺；基于理論數(shù)學模型與工程實際，優(yōu)化數(shù)值模擬技術，用數(shù)值模擬結果指導工程實踐等。

2）廣泛性。我國煤田分布廣泛，但煤的滲透率普遍較低，提高滲透率的主要方法有水力壓裂技術和定向羽狀水平鉆井技術等，但這2 種方法缺點明顯，需要開發(fā)合理有效且經(jīng)濟性良好的增滲技術；目前CO2-ECBM 項目僅以沁水盆地為主，需要不斷勘探新的合適煤層，探究不同煤級、不同煤層面積與開采工藝之間的關系；從匹配封存量、實際封存量、有效封存量及理論封存量等角度評價CO2地質(zhì)封存量，為CO2-ECBM 技術推廣做好準備。

3）經(jīng)濟性。CO2-ECBM 中重要的是有充足的CO2氣體來源，現(xiàn)有工業(yè)分離法回收的CO2不能滿足大規(guī)模使用，且經(jīng)濟效益較低，與之相關的工業(yè)化CO2捕獲、分離、運輸及封存能力仍有待提高。另一方面，規(guī)?；疌O2-ECBM 需要配置相應的設施，一次性投資較大，因此，需要研發(fā)經(jīng)濟合理、技術有效的壓注采抽技術及配套設施，以期降低CO2-ECBM 經(jīng)濟成本。

4）安全性。從封蓋層、裂隙和生產(chǎn)井等方面加強對CO2地質(zhì)封存安全性和環(huán)境風險性的定量或定性安全評價研究；研發(fā)長期耐腐蝕材料，增強CO2注入管道與CH4抽采管道的防腐蝕能力；優(yōu)化工藝參數(shù)，搭建智能監(jiān)測系統(tǒng)，防止煤與CO2突出，為CO2-ECBM 打好安全保障。

在國家的大力支持下，在碳達峰、碳中和目標的指引下，在工程實踐的指導下，相信中國的科技工作者們一定能克服各種難題，在工業(yè)上實現(xiàn)大規(guī)模的CO2-ECBM 技術應用。

5 結 語

1）煤級、溫度、壓力、含水率等因素能通過改變氣體自由能、占據(jù)吸附位、減小煤體滲透率的方式影響煤的吸附能力，不同外界因素對CO2-ECBM 產(chǎn)氣率影響較大，在具體實踐過程中應依據(jù)當?shù)厍闆r做先導性試驗。我國目前實地先導性工程較少，仍處于對煤樣的研究過程中，效果較好的先導性試驗工程位于沁水盆地等地區(qū)。

2）煤體是由孔隙及裂隙組成的雙重固體介質(zhì)，CO2-ECBM 過程是吸附/解吸-擴散-滲流等組成的復雜系統(tǒng)，煤對氣體的吸附表征有多種數(shù)學模型，但模型只是研究煤吸附氣體行為的工具，具體研究應依據(jù)不同煤特性，注入氣體性質(zhì)等多因素條件使用不同吸附模型，不能盲目使用模型。

3）基于VOSviewer 軟件分析了國內(nèi)外與“CO2-ECBM”有關文獻年度趨向及關鍵詞趨向，結果表明CO2-ECBM 研究在我國處于上升趨勢，未來有關CO2-ECBM 熱度會進一步增加。國內(nèi)外對其研究面也逐漸由宏觀的地質(zhì)封存潛力評價、煤對氣體吸附狀態(tài)等轉(zhuǎn)向為從孔隙結構，組成成分等微觀或分子領域解釋研究氣體吸附原理及注CO2強化煤層氣開采的最佳條件。隨著計算機發(fā)展，應用各類軟件建立多場耦合模擬也更為普遍。

4）探討了CO2-ECBM 在理論研究與現(xiàn)實問題之間存在的差異，CO2-ECBM 是復雜過程，其中涉及的有效性、廣泛性、經(jīng)濟性及安全性等關鍵問題仍需進一步研究。