深部煤层封存CO_2的地质主控因素探讨

1、0前言政府间气候变化委员会 (IPCC 在报告中明 确 指出 , 全球气候变暖已是无可争议的事实 1。 虽然我 国在 2005 2012年间不需承担减排温室气体的义 务 , 但我国政府一直没有停止在减排温室气体 、 提高 能源利用效率方面的努力 。 目前 , 我国 CO 2排放量 居世界前列 , 并仍在快速增长 ; 有资料预测 , 2020年 我国 CO 2排放量将达到 54×108t , 占整个世界排放总 量 的 16.5%, 2030年 , 将 达 到 (47.367.9 ×108t 。 因 此 , 我国面临国际社会的压力将越来越大 , CO 2的深 度减排已成为迫在眉

2、睫的问题 。目前 , CO 2捕获和封存 (Carbon Dioxide Captureand Storage , 简称 CCS 是实现大规模 CO 2减排的潜在措施之一 , 其过程是 :将 CO 2从工业排放源分离出来 , 经输送至封存地点 , 并封存在合适的地层中 , 达 到 CO 2与大气的长期隔绝 。 一般认为最理想的封存 场所是地下空间 , 包括含盐水层 、 油气田和深部不可 采煤层 。 美国能源部最近启动了一个具有里程碑式 的大型碳封存试验项目 2, 预计到 2012年 , 将往地下1981m 英尺深处封存 CO 2100万 t ; 如果试验成功 ,未来美国几个州的碳封存能力就高达

3、 1000亿 t ; 德 国政府于 2009年 3月通过了允许实施 “ CO 2捕捉和 封存 ” 的法规 3, 为今后大规模实施 CCS 技术铺平了 道路 。 目前德国政府于波茨坦地理研究中心正在勃 兰登堡州的克尔钦进行小规模的 CO 2地下封存试 验 ; 此外 , 澳大利亚 、 加拿大 、 挪威 、 英国 、 法国等也在 建设和规划较大规模的 CCS 项目 。 我国的科技部 、 中科院 、 教育部 、 发改委能源局 、 国土资源部 、 自然科深部煤层封存 CO 2的地质主控因素探讨降文萍 1, 崔永君 2(1. 煤炭科学研究总院西安院 , 陕西 西安 710054; 2. 中国神华煤制油化工

4、有限公司 , 北京 100011摘 要 :目前世界上多数国家都以 CO 2捕获和封存作为 CO 2减排的有效措施之一 。 向深部不可采煤层中封存 CO 2能 一举两得 , 既可实现 CO 2减排的目的 , 又能置换出煤层甲烷气体 。 从实验室研究角度出发 , 分析了煤级 、 温度 、 压力 、 水分及氮气对煤吸附 CH 4、 CO 2的影响 , 并结合煤层气开发选区评价方法 , 探讨了影响煤层封存 CO 2的地质主控因 素 , 认为煤种 、 煤厚 、 煤层埋深 、 渗透率是主要控制因素 , 而地质构造 、 水文地质 、 甲烷气含量等为次一级控制因素 。 综 合分析认为 , 我国煤层封存 CO

5、2的潜力很大 , 而华北地区是深部煤层封存 CO 2的首选地区 。 关键词 :煤层气 ; 吸附 ; 封存 ; CO 2; 地质因素 中图分类号 :X141; X24文献标识码 :A基 金 项 目 :“ 973” 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 课 题(2005CB221501-04 、 国 家 科 技 重 大 专 项 课 题 (2008ZX05040 资助 。作者简介 :降文萍 (1975, 女 , 高级工程师 , 在职博士生 , 主要从事煤层气地质研究 。收稿日期 :2010-08-31责任编辑 :唐锦秀A Discussion on Main Geologic Co

6、ntrolling Factors of CO 2Sequestration in Deep Coal SeamsJiang Wenping 1, Cui Yongjun 2(1.Xian Branch, China Coal Research Institute, Xian, Shaanxi 710054; 2China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co. Ltd., Beijing 100011Abstract:The CO 2capture and storage (CCSas one of effective measures in carb

7、on emission reduction is widely adopted in major countries. In which, CO 2sequestration in deep unrecoverable coal seams can serve two ends:reduction of carbon emission and substitution of CBM from such coal seams. Based on laboratory studies, analyzed impacts from coal rank, temperature, pressure,

8、moisture and nitrogen on adsorption of CH 4and CO 2by coal, combined with CBM exploitation area selection assessment, discussed main geologic controlling factors of CO 2sequestration in coal seams, and finally reckoned that they are coal rank, coal thickness, buried depth and permeability, while geo

9、logical structure, hydrogeology and methane content are subordinate. The comprehensive analysis has considered that the potential of CO 2sequestration in deep coal seams in the country is quite large, while the North China area is the preferred.Keywords:coalbed methane; adsorption; sequestration; CO

10、 2; geologic factor中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINAVol. 22No. 11Nov . 2010第 22卷 11期 2010年 11月文章编号 :1674-1803(2010 11-0001-06第 22卷 中 国 煤 炭 地 质学基金委等对 CCS 技术的研究和开发进行了资助 , 中石油 、 华能 、 神华 、 中石化 、 中电投 、 中联煤层气等 公司也在 CCS 领域进行了探索 , 并建立了示范工 程 。从理论上讲 , 向深部不可采煤层中封存 CO 2, 不 仅可以达到 CO 2减排的目的 , 而且可置换出煤层甲 烷气体 一种新型的洁净

11、 、 高热值的能源 , 该能源 也是目前我国天然气最理想的补充能源 。 此外 , 煤层 分布区一般都与电厂临近 , 电厂是 CO 2的主要排放 源 , 将大大降低运输成本 , 为实施深部煤层封存 CO 2提供了便利 。 可见 , 深部煤层封存 CO 2是一项一举 两得的技术 , 具有重要的意义 。 目前 , 全球范围内的 实验项目仅有几例 。 国外已进行了若干个煤层封存 CO 2的实验研究 , 如美国在圣胡安盆地的一个气田 建立了全球第一个 CO 2-ECBM 的试验项目 , 自 1996年以来 , 已向该区煤层注入了大于 10万 tCO 2。 加拿 大在 Alberta 正进行一项测试 EC

12、BM 产量的受控试 验 , 区域性的评估项目在世界范围内广泛开展 。 此 外 , 在日本和波兰也进行了 CO 2-ECBM 实验 。 我国 也 于 2003年 在 沁 水 盆 地 开 展 了 CO 2埋 藏 和 CO 2-ECBMR 技术的微型先导性试验 。1煤层封存 CO 2原理煤层中之所以能封存 CO 2, 主要基于煤含有大 量的孔隙结构 , 煤表面对 CO 2气体分子具有吸附作 用 。 煤具有吸附性是因为它具有把周围介质中的气 体分子吸向表面的能力 , 即煤表面的质点具有一定 的表面能 ; 表面能是吸附发生的根本原因 , 反映了煤 吸附作用的本质 。 煤表面能越大 , 对气体的吸附作用

13、越强 。 煤之所以具有表面能 , 主要有两方面原因 :其 一 , 煤表面的碳原子不同于内部碳原子被四周碳原 子饱和 , 而是处于一种力的不平衡状态 , 有向煤体内 部运动的趋势 , 即产生了表面能 , 当气体靠近煤表面 时 , 气体分子会被吸附 , 导致表面能降低 ; 其二 , 从煤 的有机结构分析 , 由于煤结构中含有含氧官能团 、 脂 肪族侧链等 , 造成了煤结构价键和作用力的不平衡 , 也会对靠近煤体的气体产生吸附作用 。一般认为煤对 CO 2的吸附能力大约是甲烷的 2倍 , 即 2个 CO 2分子置换 1个甲烷分子 4, 也有研究 认为煤吸附 CO 2和甲烷的比例与煤的变质程度有 关

14、5。 代夫特科技大学应用地球科学系基于实验室 测试表明 , 在储层压力下 , 2个或更多的 CO 2分子可 以置换出 1个甲烷分子和 1个水分子 。 在储层压力 不受扰动时 , CO 2能以吸附状态长期存在 , 储存时间 可以达到地质时代的尺度 , 能够达到永久封存的目 的 。2影响 CO 2吸附量的实验条件分析CO 2在煤中主要以吸附方式存在 , 煤级不同的 煤 , 对 CO 2吸附能力不同 。 前人已对不同煤级的煤 对甲烷的吸附量进行了大量比较 , 得出了比较一致 的结论 。 而对不同煤级的煤对 CO 2吸附试验较少 。 我们前期曾进行了长焰煤 、 气煤 、 焦煤和无烟煤四个 不同煤级 C

15、O 2的等温吸附试验 , 发现随煤级增高 , 吸附量增加 , 即无烟煤 焦煤 气煤 长焰煤 (图 1。 此外 , 我们也采用量子化学计算方法研究了三个不 同煤级煤基对 CO 2分子的吸附势能 , 发现随着煤级 的增高 , 对 CO 2分子的吸附作用也逐渐增大 (图 2。由上可见 , 煤级越高 , 对 CO 2的吸附能力越强 , 煤对 CO 2的吸附量越大 。CO 2除了在煤层中稳定吸附外 , 也存在吸附与 解吸的动态平衡 。 当储存环境发生改变时 , 吸附与解 吸的平衡遭到破坏 , CO 2有可能解吸 , 并通过裂隙扩 图 1不同煤对 CO 2的吸附等温线Figure 1CO 2adsorpt

16、ion isotherm of different coals图 2不同煤级煤基对 CO 2的吸附势能曲线Figure 2CO 2adsorption potential energycurve of different coal ranks211期 图 3不同温度下煤对 CO 2的吸附Figure 3CO 2adsorption of coal under different temperatures图 4干燥和平衡水实验条件下煤对甲烷吸附量的对比Figure 4Contrast of methane adsorption capacity under dry and balanced mo

17、isture experimental conditions煤层气已有研究表明 , 对于任何单个煤样 , 甲烷 的吸附量随温度的增加而降低 。 CO 2同 CH 4一样 , 在 煤中吸附属于放热反应 , 因此温度也是影响煤吸附CO 2气体的重要参数 。 Ekrem Ozdemir 4通过不同煤在不同温度下 CO 2的等温吸附试验 , 证明了 CO 2在 煤中的吸附也符合该结论 。 由图 34可见 , 随着温度 升高 , CO 2的吸附量有所降低 。Krooss et al. 6曾报道了宾夕法尼亚州煤在 40 、60 、 80 温度 , 压力高达 20MPa 、 干燥和平衡水两 种条件下的 CO

18、 2等温吸附试验 , 发现吸附量并不随压力简单的单调增长 , 甚至在 810MPa 出现减少的 趋势 ; 分析原因认为 , 高压时可能会发生超临界吸附 现象 , 引起过剩吸附量降低 。 和 CH 4相比 , CO 2更容 易导致过剩吸附量的等温线出现峰值 。 但一般压力 较低的情况下 , CO 2的等温吸附试验中都呈现出随 着压力增大 , CO 2的吸附量逐渐增大的现象 。通过不同煤样在干燥及平衡水分处理后两种情 况下 30 甲烷的等温吸附实验 , 比较两种情况下吸附 量是否存在差异 。 图 4为长焰煤和焦煤的实验结果 ,可以看到两种煤在干燥情况下各个压力点的吸附量 都小于平衡水分条件下的吸附

19、量 , 各个压力点的差异 量大致在 0.54.5cm 3/g。 Joubert et al. 7在研究水分对煤 吸附甲烷的影响时 , 发现在某个临界值之前 , 甲烷的 吸附量随水分含量的增加而减少 ; 水分含量超过临界 值后 , 水份的增加不再影响甲烷的吸附量 。当煤中存在水分时 , 煤对 CO 2的影响很少有研 究 。 Ekrem Ozdemir 4通过试验研究 , 发现水分的存 在 , 确实减少了煤对 CO 2的吸附量 ; 水分含量越高 , 煤对 CO 2的吸附量越低 (图 5。 前期我们通过量子化学计算 , 也发现煤对水分子的吸附势能远高于甲 烷和 CO 28, 据此也可推测煤中水分的存

20、在会降低CO 2的吸附量 。由前面分析可知 , 煤中存在的水分会减少 CO 2的吸附量 。 若煤层水含量较多 , 将对封存 CO 2不利 。 由图 6, 当煤中水分多时 , 水分抢先占据煤中吸附孔 隙 , CO 2则大部分在渗流孔隙中 , 大部分处于不稳定 的游离状态 。为探讨煤中其它气体对吸附 CO 2的影响 , 比较降文萍 , 等 :深部煤层封存 CO 2的地质主控因素探讨3第 22卷 中 国 煤 炭 地 质图 5水分对 CO 2吸附量的影响Figure 5Impact from moisture to CO 2adsorption capacity了同一煤种煤在相同实验条件下对 CH 4

21、、 CO 2、 N 2的 单组分等温吸附实验和多组分吸附试验 。 单组分实 验表明 (图 7, 同一煤种煤对 CO 2的吸附量要高于 CH 4、 N 2。 多组分吸附试验表明 (图 8, 随着所含 CO 2的浓度比例增大 , CO 2的吸附量增大 。 吴建光等 9通 过进行 CH 4、 CO 2的吸附 解吸和 CO 2注 入 置 换 煤 层 CH 4实验 , 认为 CO 2在竞争吸附中占据优势 , 注 入量和相对浓度越高 , CO 2吸附率也越高 。3影响 CO 2封存的地质因素探讨在探讨影响 CO 2封存效果的因素时 , 江怀友等 10、 刘延锋等 11、 White C M 12主要考虑了

22、煤储层特征 的影响 。 本次将从实验条件与宏观地质相结合的角 度出发 , 并参考煤炭开采和煤层气选区经验 , 综合考 虑影响煤层 CO 2封存量及其稳定性的主控地质因 素 。褐煤 、 低变质烟煤具有较好的割理系统 、 渗透性 和较高的饱和度 ; 已有吸附试验表明 , 褐煤吸附 CO 2是 CH 4的 10倍左右 。 因此褐煤和低变质烟煤有更 大的置换比例 , 但这些煤种往往埋深较小 , 不适合封 存 CO 2。 由前面分析可知 , 煤级越高 , 对 CO 2的吸附 能力越强 , 封存量越大 , 并且埋深越深 , 更适宜作为 封存 CO 2的目标煤层 。此外 , 煤中矿物质越多 , 吸附的 CO

23、 2气体量越 低 。 同时 , 灰分产率较高的煤割理和裂隙较少 , 被矿 物质充填 , 减少了渗透性 , 影响了气体产出速率 。 因 此 , 为了获得较大的封存量 , 拟选在灰分产率较低的 煤层 。图 6潮湿煤体吸附 CO 2示意图Figure 6A schematic diagram of wet coal body CO 2 adsorption图 7长焰煤和无烟煤对不同气体的吸附等温线Figure 7Different gases adsorption isotherms of long flame coal and anthracite 4煤层厚度对封存 CO 2非常重要 , 因为厚煤

24、层意 味着具有更大的空间 , 能储存更多的 CO 2。 单一厚煤 层比多层薄煤层更有利 , 主要因为比较先进的封存 技术更易于在厚煤层中实行 。 但考虑到煤炭开采因 素 , 煤层单层厚度和累计厚度可在煤炭开采下限范 围内选择厚度较大处作为封存目标层 。此外 , 煤层横向分布连续 , 垂向与周围地层隔 离 ; 煤层顶板为分布广泛的泥页岩或含水层 , 对封存煤 层 气 开 发 的 有 利 区 带 埋 深 一 般 在 3001500m 。 过浅 , 煤层储压和气含量低 ; 过深煤层的渗透率低 13; 此外 , 过浅的埋深 , 其含水层可能适合作 为饮用水 , 也不应作为封存 CO 2场所 。 IPC

25、C 报告 、Bachu 1, 14等指出由于渗透率随着煤层埋深增大而减小 , 因此封存最大深度上限不应超过 13001500m ; 由于 CO 2的吸附将使煤层发生溶胀作用 , 深度上限 减小到 8001000m 。 但考虑到我国目前煤炭开发技 术及煤炭需求紧张的问题 , 封存 CO 2的煤层埋深可 因地制宜地适当加大 。IPCC 报告 、 Bachu S 1, 14等指出煤层渗透率是影 响 CO 2封存的重要因素 。 此处的渗透率指煤中裂隙(割理 系统的渗透率 。 煤割理是煤层渗透率的决定 因素 。 发达的裂隙系统 , 能增强 CO 2注入速率 , 使CO 2更容易进入煤孔隙 , 如果裂隙系

26、统受到限制 , 则 会影响 CO 2的注入 。 但同时 , 如果储存压力没有达 到饱和 , 已吸附在煤孔隙中的 CO 2解吸后也容易通过四通八达的裂隙逸散出去 。 CO 2气体在煤裂隙中 运移示意图见图 9。在煤层气开发中 , 一般选取中等渗透率的煤层 ; 渗透率过大或过小 , 均不利于煤层气开发 。 以往现场试验研究发现向煤层注入 CO 2过程中 , 注入速率有 降低的现象 ; 有的甚至降低了 99%。 但经过一段时 间后 , 渗透率又会有所回升 。 也有实验发现采用CO 2、 N 2混合气体注入时 , 即使在渗透率很低的煤层中注入也会非常容易 , 甚至会增加煤层的绝对渗透 率和气相有效渗透

27、率 。 因此 , 封存 CO 2推荐选择中 等渗透率 (15mD 的煤层比较适宜 。一般来说 , 构造越简单 , 煤层的断层和褶曲应尽 可能少 , 对封存 CO 2越有利 。 但也有人认为 , 开放的 裂缝系统对封存也很重要 , 有利于 CO 2进入更多煤 层 ; 即使 CH 4已被停止置换出来 , CO 2仍旧可以进入 裂隙和其他高渗透通道中去 。我国煤炭分布区地质构造基本都比较复杂 , 煤 炭开采 、 煤层气开发一般都优选在构造比较简单的 地区 , 构造复杂地区的开发规划受现今技术条件的 限制而无法进行 。 因此 , 对于封存 CO 2来说 , 考虑到 其封存的长期性等综合因素 , 构造可

28、作为次一级的 考虑因素 , 宜选择在煤炭开采 、 煤层气开发短时期还 不能实施的地区 。由前面实验室分析 , 煤中有水存在时 , 对 CO 2的吸附量会大大降低 。 当煤层中有大量水体存在时 ,图 8长焰煤和焦煤吸附不同多组分气体结果Figure 8Results of long flame coal and coking coal adsorption of different multicomponent gases图 9流体在煤层交叉部分的流动Figure 9Fluid flowing in coal seam intersections(左上角 , 代表割理和煤基质 ; 右上角 , 代

29、表流体在割理中流动 、 在 煤表面瞬时平衡 、 在煤矩阵中的扩散 降文萍 , 等 :深部煤层封存 CO 2的地质主控因素探讨56 中 国 煤 炭 地 质 第 22 卷 也 会 大 大 降 低 CO2 的 封 存 量 ， 同 时 也 会 严 重 影 响 此华北地区可作为我国煤层封存 CO2 的首选地区。 虽然深部煤层被认为是封存 CO2 的潜在地层， 但是目前已取得成功的案例非常少， 主要是一些技 术问题仍未得到充分的认识和解决， 例如深部煤层 的赋存规律和特征、深部煤层封存 CO2 的机理和规 律、煤层的可注入性问题、合适的注入工艺和注入方 案、CO2 在煤层中的运移模拟技术等等。 因此在深部

30、 煤层中实现 CO2 的地质封存仍需时日，还需要大量 的研究工作和工程示范项目来提供科学依据。 参考文献： 1 Metz B,Davidson O,de Coninck H C,et al.Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage C/IPCC -Inergovernmental Panel on Climate Change.UK and New York ：Cambridge University Press,2005: 195-276. 2 美国欲将 100 万吨二氧化碳封存地下 J. 节能与环保，2009 ，3 ：51.

31、3 顾 钢 . 德 通 过 二 氧 化 碳 捕 捉 和 封 存 法 规 N/OL. 科 技 日 报 ，200904 -07.:81/kjrb/html/2009 -04/07/ content_21771.htm 4 Ekrem Ozdemir ，Chemistry of the adsorption of carbon dioxide by Argonne premium coals and a model to simulate CO2 sequestration in coal seamsD.The dissertation of Doctor of Philiosophy of Uni

32、versity of Pittsburgh ，2004. 5 崔永君 , 张群 , 张泓 , 等 . 不同煤对 CH4、N2 和 CO2 单组分气体的吸附 J. 天然气工业，2005 （1 ）:61-65. 6 Krooss B M,van Bergen F, Gensterblum Y,et al.High -pressure methane and carbon dioxide adsorption on dry and moisture equilibrated Pennsylvanian coalsJ.Int J Coal Geol,2002,51(27:69-92. 7 Jouber

33、t J I, Grein C T, Bienstock D.Sorption of methane in moist coalJ.Fuel,1973,52 （3 ）:181. 8 降文萍，崔永君，钟铃文 . 煤中水分对煤吸附甲烷影响机理的理论 研究 J. 天然气地球科学 ,2007(4:576-579. CO2 的注入效率。 因此，宜选择水不饱和煤层或欠饱 和煤层作为封存目标层比较有利。 选 择 煤 层 封 存 CO2 是 一 个 系 统 工 程 ， 应 要 参 考、综合很多因素，水文地质仍可以次一级参考因素 为宜。 3.7 甲烷气含量 煤层甲烷气含量越高的地区，必将也是 CO2 气 含量越高

34、的地区。 因此，选择 CH4 气含量较高的煤 层，将会对封存有利。煤层气开发一般要求气含量不 低于 8m3/t ，而煤对 CO2 的吸附能力高于 甲 烷 ，因 此 煤层甲烷气含量不是重点考虑因素， 所以可在煤层 气开发的气含量要求范围之外优选。 以 上 对 影 响 封 存 CO2 的 主 要 地 质 因 素 进 行 了 分析。 这些因素不是完全独立的，而是相互关联的， 在实际工作时应多方面综合考虑。由前面讨论可知， 并不是所有的煤层都适合封存。 为了防止 CO2 封存 后逸出，应首先考虑现今技术难以开采的深部煤层。 同时考虑到我国能源进展的现状，可将封存 CO2 的 目标区初步设在构造相对复杂

35、、 近期不宜开采的地 区， 或者选取开采进入后期的煤矿和开采煤层不经 济的地区。 4 我国煤层封存 CO2 的潜力 我国是煤炭资源大国，煤层气资源也很丰富。由 于 目 前 尚 无 一 个 预 测 煤 层 封 存 CO2 容 量 的 统 一 方 法和标准，因此预测出的结果相差也较大。例如刘延 锋等 11 根据中国煤炭和煤层气勘探资料、不同性质 煤的储量分布及 CO2 与 CH4 置换比例，对全国主要 含煤层气区深度 3001 500m 的煤层封存 CO2 量进 行了初步评价； 结果表明， 该范围煤层可封存 9 吴 建 光 ，叶 建 平 ，唐 书 恒 ，等 . 注 入 CO2 提 高 煤 层 气 产 能 的 可 行 性 研究 J. 高校地质学报，2004 ，10 （3 ）：463-467. 10 江怀友，沈平平，李相方，等 . 世界地质储层 CO2 理论埋存量评 价 技术研究 J. 中外能源，2008 ，13 （2 ）：93-99. CO2120 亿 t， 相当于 2002 年全国 CO2 排放量的 3.6 倍。 Yu Hongguan 等 15 对 全 国 29 个 煤 层 气 区 0 11 刘 延 锋 ，李 小 春 ，白 冰 . 中 国 CO2 煤 层 封 存