煤田地质与勘探

当前目录

• 全流程煤基CCUS研究进展与前瞻

  桑树勋, 刘世奇, 郑司建, 皇凡生, 刘统, 陈思铭, 周效志, 韩思杰, 田钰琛, 向文鑫, 白岩松,

  背景工程化全流程煤基CO2捕集、利用与封存(CCUS)技术是煤炭高效洁净利用和碳减排技术体系的关键，是实现我国能源安全和“双碳”战略目标的重大迫切需求。以笔者团队前期研究工作为基础，评述总结了全流程煤基CCUS技术当前发展现状，揭示煤基CCUS全流程技术的集成机制，探索建立了煤炭能源基地CCUS集群部署模式与方案，讨论前瞻了全流程煤基CCUS技术发展方向及其面临的技术挑战。进展(1)低能耗高适配的煤基CO2捕集、安全高效的煤层CO2地质封存以及充分经济的煤矿区CO2利用是工程化全流程煤基CCUS技术的关键环节；全流程煤基CCUS技术集成是源汇匹配机制、技术参数匹配机制和系统优化机制耦合控制的结果，其中源汇匹配机制是通过CO2排放源与封存汇匹配的多维多约束路径优化实现煤基CCUS物理衔接，技术参数匹配机制是通过捕集–封存–利用端到端的关键运行参数协调设计，实现物理衔接设施的整体平稳运行和技术链条参数构建，系统优化机制是通过大数据平台、优化模型与智能算法等实现技术链条动态优化和系统最优化构建，机制间存在紧密互馈关系。(2) 全流程煤基CCUS技术模式以“燃煤或煤化工工业源碳捕集、含煤盆地或煤层碳地质封存、煤矿区CO2利用”为鲜明特色，以煤炭能源基地CCUS集群为呈现形式，以新疆准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地为代表的大型煤炭基地CCUS集群将为我国煤炭能源产业低碳化高质量发展提供关键技术支撑。展望以低成本碳捕集—深部煤层气/煤系气枯竭气藏CO2地质封存等含煤盆地安全高效CO2地质封存—煤矿区CO2高值化综合利用一体化技术体系为内涵的大型煤炭基地CCUS集群部署技术是其发展主流方向，煤化工尾气驱煤层气封存、富氧燃烧等燃煤烟气驱煤层气封存、新能源基地调峰煤电CO2高效捕集与规模化转化利用、煤电基地CO2捕集与关闭矿井采空区储碳储能为代表的技术有望成为全流程煤基CCUS技术的重要拓展方向。

• 碳封存技术面临的挑战与亟待突破的关键科学问题

  李小春, 刘天禹, 张力为, 周洪, 刘桂臻, 王燕, 甘满光, 李琦,

  目的碳封存技术是实现碳中和目标的核心路径，但其大规模应用受限于多重技术和科学瓶颈。方法基于对碳封存项目的成败分析，总结了碳封存面临的四大挑战：CO2封存容量评估的高度不确定性、低渗不连续储层可注性差、长期力学稳定性认识不足以及泄漏风险评估困难。结果针对这些挑战，明确指出当前碳封存技术所面临的共性问题，并归纳出亟需突破的三大关键科学问题：一是构建普适性碳储工程地质学理论，完善基于“三性”(可注性、密封性、稳定性)的有效封存容量评估体系；二是研究碳储工程扰动规律，建立多场多相跨尺度本构关系，提升预测精度；三是完善碳封存项目的风险评价、监测与处置理论，整合多物理场耦合模拟与低成本高灵敏度监测技术，构建闭环风险管理体系。结论未来，通过理论创新、技术开发以及跨学科合作，致力于解决上述关键科学问题，从而优化封存容量的评估、提升盆地储层的CO2封存效率、保障封存场地的长期稳定性并降低泄漏风险，为碳封存技术的规模化应用和全球碳中和目标的实现提供坚实支撑。

• 江苏省工业固定排放源CO2地质封存多尺度源汇匹配与路径优化

  田钰琛, 刘世奇, 张贺龙, 莫航, 王德喜, 桑树勋, 王军, 王文楷, 郑司建,

  目的固定排放源分布离散，封存汇集中于特定沉积盆地，空间错配性显著，制约了碳捕集、利用与封存(CCUS)的规模化应用。因此，在多尺度空间框架下开展源汇匹配研究、优化CO2运输路径以降低CCUS系统成本，成为推动其工程化部署的关键。方法以江苏省典型工业固定排放源及具备代表性的地质封存汇为研究对象，构建涵盖油气藏、凹陷及盆地的多尺度源汇匹配模型，并基于地理信息系统的最低成本路径规划方法与改进型管网优化策略，开展区域多尺度源汇匹配研究。结果和结论(1) 截至2023年底，江苏省共识别269处典型工业固定排放源，年碳排放总量达6.26亿t，不同类型排放源在排放规模与空间分布上表现出一定差异。其中，火电行业碳排放占比最高。火电厂与钢铁厂主要分布于长江三角洲南部及沿江城市带，水泥厂多集中于苏南地区，而合成氨厂则呈现相对零散的分布特征。(2) 研究区内深部咸水层及B10、B11、B6等凹陷油藏展现出较高的CO2地质封存潜力，分别约为58.7亿t和7.28亿t。(3) 结合区域碳减排需求与源汇空间分布特征，构建了涵盖油气藏、凹陷与盆地多尺度的CCUS源汇匹配模型，模型运算结果表明油气藏、凹陷、盆地尺度(苏北、苏北–南黄海盆地)对应管网理论建设长度分别为238.9、398、3 873和4 100 km。在此基础上，融合地理信息系统与节约里程法运输网络优化策略开展运输路径优化，油气藏、凹陷尺度管道优化后建设里程分别为243.7、426 km，苏北、苏北–南黄海盆地尺度优化后管道里程分别为1 831 km和2 121 km，在有效降低管网建设成本的同时，形成了更契合地理环境与工程实施条件的优化型管网路径。研究成果可为我国东部沿海地区构建低成本、高适应性的CCUS运输路径提供理论依据与方法支撑。

• 全球CO2地质封存案例库选址决策平台研究及应用

  周银邦, 王锐, 甄艳, 代全齐, 程传捷,

  目的在“双碳”战略背景下，推进CO2地质封存规模化部署亟需解决“封哪里”的核心问题。建立全球CO2地质封存案例库与决策平台，可为选址工作提供关键数据支撑与历史经验借鉴，有效降低封存风险与成本，加速产业布局，并为相关政策制定与技术研发提供科学依据。方法提出并建立了一个综合的CO2地质封存选址评估系统。该系统集成三项核心技术：基于改进余弦相似度的案例类比算法、依托模糊综合评价的适宜度评估模型，以及结合三维地质模型的有利地质体优选方法。通过构建定量化案例库并关联多源参数，建立了统一的空间数据库模型，并基于ArcGIS平台开发了集“案例比选−适宜度评价−地质体优选”于一体的系列功能模块，形成了系统的选址技术支撑体系。结果和结论基于该框架，研发了一套融合改进余弦相似度算法、随机森林适宜度评估模型及三维地质建模的封存靶区定量优选的决策平台。该平台通过算法驱动对全数据体进行系统扫描，提升了从定性经验到定量分析的案例匹配精度与地质体评价客观性，有效克服了传统人工方法的主观偏差与视野局限。平台实现了对背斜、断块等各类圈闭的统一量化评价与分级排序，大幅提高了封存体识别效率与结果可比性。以苏北盆地高邮凹陷为例的实践应用表明，该平台能为CO2封存选址提供精准、高效且可直接支撑决策的数字化方案，有力增强了规模化封存部署的科学性与前瞻性。

• 二氧化碳封存技术命名和分类

  马俯波, 杨学超, 周正武, 刘洪亮, 常佳, 易嘉耀, 王衍,

  目的和方法面对二氧化碳封存技术跨多个学科、涉及范围模糊，目前，没有规范认定标准、命名和分类标准，针对这一问题，提出二氧化碳封存技术认定标准和命名原则，分析地质、地下空间、海洋水体和利用封存等4类常见封存技术，在此基础上确定二氧化碳封存技术分类思路和方案。结果和结论(1) 二氧化碳封存技术认定标准：须将CO2与大气有效隔离，隔离时间须是长期的甚至是永久的；须是人为减少大气中CO2的活动，在大气CO2标准化基线以外并超出该基线的活动；对减少大气中的CO2是正向的。(2) 中英文(含英文简称)命名原则：业界熟知的技术名称直接引用，与熟知技术名称类似地套用其命名规则；新兴技术使用学术搜索引擎，采用频次高的中英文名称；英文中sequestration和storage在碳封存领域略有区别，sequestration注重科学机理、storage尺度广或偏向工程技术。(3) 分类思路：采取分级分类的整体思路，首先按碳封存所处海陆环境的差异性，分为陆地和海洋2大类；其次根据CO2封存空间和机理要素继续划分出若干类型；再次以封存深度和规模为标准，进一步分类；最后以封存比例和时间的不同为依据，划分出最小的类型。(4) 分类方案：分2个层次，建立“二层七级”二氧化碳封存技术分类体系。第一层次为“环−空−机”，对应封存环境−封存空间−封存机理，为3个定性指标，第二层次为“亚类−型−级−模式”，对应封存深度−封存规模−封存比例−封存时间，为4个定量化指标。

• 醇胺溶液CO2吸收过程反应机制

  滕卫卫, 吴燕, 樊玉新, 廖涛, 王梓丞, 于徽, 李梦, 许孝玲,

  目的当前醇胺法CO2捕集存在能耗与成本较高的缺点，解决这一问题的主要方法是协同不同类型醇胺的吸收、解吸优势构建复合胺溶液。羟乙基乙二胺(AEEA)和N-甲基二乙醇胺(MDEA)是2种常用主吸收剂，其调配需要准确掌握CO2吸收规律，包括CO2负载量、产物离子浓度分布规律、反应级数等。目前对其吸收规律认识尚不足，相关反应参数缺乏，限制了工艺模型预测准确性。方法研究AEEA和MDEA溶液CO2吸收过程，厘清其反应机理，并基于pH值法构建产物离子浓度分布模型，回归2种胺液的反应级数，确定反应速率模型。结果和结论同一浓度AEEA溶液吸收容量和吸收速率均高于MDEA溶液。AEEA溶液CO2吸收过程呈现出两阶段特征，接近于二级反应。AEEA与CO2反应生成两性中间离子(R1R2NH+COO−)是吸收过程的初始控制步骤，而其吸收后期为传质−反应共同控制阶段。MDEA溶液CO2吸收过程是碱催化水合过程，反应速率与MDEA浓度线性相关，为一级反应。基于所得新认识和模型，为碳捕集工艺中溶剂浓度、溶剂停留时间，溶剂循环量、塔器设计优化等提供理论指导。

• 深部不可采煤层CO2可循环利用的CCCUS技术构想

  梁卫国, 阎纪伟, 朱帝杰, 郭红光, 公丽, 牛栋,

  背景我国深部不可采煤层资源量大，可封存的CO2量十分可观，但简单地将CO2封存在深部煤层，不仅需投入较高经济成本，也会造成深部煤炭资源的浪费，而利用微生物技术将深部不可采煤层封存的CO2转化为CH4，可实现CCUS的反复循环利用(circular carbon capture utilization and storage，CCCUS)，其对资源与环境可持续发展具有十分重要的意义。方法深部不可采煤层中CCCUS技术思路是通过实验研究、理论分析与工程模拟等手段，揭示深部不可采煤层CO2高效致裂增渗与驱替置换CH4机理，研究深部不可采煤层复杂缝网建造与高效驱替CH4控制机理，研发高温高压条件下深部煤层中液化秸秆高效制氢方法，提出深部煤层CO2与液化秸秆生物转化CH4技术路线，最终计算CO2循环利用的经济性。结果和结论 CO2致裂深部煤层能够形成更加复杂的裂缝网络，增加微纳尺度孔裂隙的连通性，使甲烷的驱替效率提升，微生物能够将CO2高效转化成CH4，提高了深部煤层中CO2的转化效率。探究了CO2致裂−驱替−生物转化CH4作用下、煤储层孔裂隙结构演化规律，完善了深部不可采煤层CCCUS煤体结构演化与流体运移耦合作用理论，探索CCCUS对围岩稳定性和地质环境的影响规律及控制机制，丰富发展演变多孔介质传输多场耦合作用理论，获得了CO2可循环利用的技术可靠性，定量表征了其经济性指标，为深部不可采煤层CCCUS创新技术实施提供重要理论基础，有力支撑我国能源革命与“双碳”目标实现。

• 基于单层吸附及吸附势理论的煤中CH4与CO2跨临界态吸附模型改进

  宋学梅, 张琨, 桑树勋, 马萌芽, 刘会虎, 徐宏杰,

  目的和方法吸附相密度是确定煤中气体吸附量的关键参数。以安徽两淮矿区烟煤为研究对象，在24、36、48 ℃温度条件下开展CO2和CH4高压等温吸附实验，结合低温液氮实验和压汞实验对煤孔隙结构定量表征的结果，分析煤中CH4和CO2高压跨临界态吸附过程；基于Gibbs过剩吸附量原理，采用截距法计算煤中CO2和CH4的吸附相体积与最大吸附相密度；并在单层吸附理论的Langmuir模型与吸附势理论的改进D-A模型的基础上，构建适用于煤中CH4和CO2高压跨临界态的吸附模型。结果和结论(1)在24、36、48 ℃和0~32 MPa实验条件下，由于高压段游离相密度(ρf)与吸附相体积(Va)乘积增加，CH4与CO2过剩吸附量在达到峰值后呈递减趋势；其中CH4的游离相密度随吸附压力增大而线性增加，导致高压段的过剩吸附量线性递减；而CO2的游离相密度在低压段(0~7 MPa)线性增加，高压段(>7 MPa)呈“S”形变化趋势，导致其过剩吸附量变化情况更加复杂。(2) 基于高压CH4过剩吸附量的线性减小趋势，使用截距法计算吸附相体积与最大吸附相密度，并依据改进D-A模型获得吸附相密度的表达式，构建CH4高压绝对吸附量模型；采用CO2最大吸附相密度替代虚拟饱和蒸汽压代入上述模型，获得CO2高压跨临界态吸附的吸附相密度和绝对吸附量拟合改进模型。(3) 改进模型对CH4和CO2绝对吸附量的拟合决定系数(R2)均超过0.98，但在CO2低压阶段吸附拟合偏差较大，引入Langmuir模型描述低压段吸附过程，形成的联合模型提升了全压力段CH4和CO2绝对吸附量的拟合效果(R2>0.99)。研究为探讨煤中气体高压跨临界吸附过程和评估深部煤层CO2封存量提供了理论依据与优化方法。

• 地下煤矿碳排放核算方法与CCUS减排路径

  徐慎, 王猛, 代旭光, 仇玉欣, 拓家龙, 李文豪, 高杰,

  目的煤炭生产利用过程中，碳排放量占比很高，地下煤矿碳排放问题日益受到关注，煤矿碳减排路径研究仍处探索阶段。方法以Y煤矿为研究对象，基于生命周期评价法、排放因子法和监测法，划分Y煤矿的碳排放核算边界，厘清Y煤矿的排放源、排放总量和排放特征；基于CCUS技术原理和关键环节技术手段，结合碳排放特征与地质条件，建立煤矿CCUS的减排路径框架。结果和结论(1) 核算边界涵盖从煤炭井下开采、洗选加工到产品出厂运输的全过程；排放源按类型划分为直接排放和间接排放，直接排放主要包括开采过程和矿后活动的瓦斯(CH4和CO2)逸散、化石燃料燃烧等产生的温室气体，间接排放主要涉及外购电力和消耗的水资源。(2) 核算结果表明，Y煤矿全年碳排放总量为 74.3万t CO2e。其中，燃料燃烧环节碳排放量最少，为728.56 t CO2e，占比0.2%；瓦斯逸散环节碳排放量最多，为67.4万t CO2e，占比约90.8%；间接排放约占总排放的9%，包括电力消耗(6.65万t CO2e)与水资源消耗(0.124万t CO2e)。(3) Y煤矿的碳排放特征呈现出“瓦斯主导型”结构，因此，碳减排工作的重点应聚焦在瓦斯抽采利用与逸散控制方面。研究结果对构建地下煤矿碳排放核算体系的建立提供了定量方法；结合Y煤矿所提出的CCUS减排路径，为煤矿行业的绿色低碳转型提供了理论支持和实践参考。

• N2/CO2驱替煤层CH4非线性渗流特性实验研究

  李泽锋, 黄梦茹, 张宏忠, 兰建平, 宋金锁, 樊世星,

  背景我国煤层普遍具有低孔(<5%)、低渗(0.001×10−3 μm2)特性，瓦斯抽采率低。注气驱替强化瓦斯抽采技术在地面煤层气排采、井下瓦斯预抽以及深部CO2地质封存等方面均发挥重要作用。方法选取常见主要驱替及被驱气体N2、CO2、CH4、He为研究对象，结合各气体的物理性质，通过准静态法、气体流量法、雷诺数等计算，分别讨论了各种气体在100、200、300 mm不同煤样特征长度煤心中的渗流行为及特征，分析了启动压力梯度、黏滞阻力以及吸附力对He、N2、CO2、CH4气体渗流特性的影响。结果和结论4种气体在煤心中运移所受阻力规律为FHe>F_\mathrmCO_2 >F_\mathrmCH_4 >F_\mathrmN_2 ；阻力大小与气体分子平均有效直径、动力黏度以及相态变化有关；超临界态气体的密度和黏滞阻力增加，导致其运移阻力显著提高。4种气体的启动压力梯度(λHe>\lambda _\mathrmCO_2 >\lambda _\mathrmCH_4 ≈\lambda _\mathrmN_2 )与煤心长度呈反比关系；启动压力梯度受气体的动力黏度、煤心孔隙特征及吸附性等因素影响。黏滞阻力由气体与孔隙壁面、吸附层之间的相互作用产生；雷诺数(Re _\mathrmCO_2 >Re _\mathrmN_2 >Re _\mathrmCH_2 >ReHe)随注入压力和孔径的增加而增大。煤基质对气体的吸附性显著影响渗透率和渗流速度；N2因其吸附性较弱，孔隙变化小，故渗透率处于较高水平(kHe>k _\mathrmN_2 >k _\mathrmCO_2 >k _\mathrmCH_4 )；而CO2由于吸附性较强，会造成煤基质膨胀，导致煤心渗透率偏低；气体在煤心中的运移过程存在临界压力。当注入压力低于临界压力时，气体渗流受吸附作用和滑脱效应影响，表现出非线性特征；当注入压力超过临界压力后，渗流特性趋于稳定，逐渐接近线性流动。该研究结果为驱替工艺参数优化、驱替效率提升及工程现场应用提供理论依据。