不同含水性无烟煤CO2吸附行为及其对地质封存的启示

深部煤层CO₂地质封存是助力“碳达峰碳中和”战略的重要途径,煤层含水性对以CO₂吸附封存为主的深部煤层CO₂地质封存能力影响显著。以无烟煤为例,开展了45℃下干燥、平衡水、饱和水煤样高压CO₂等温吸附实验,校正了饱和水煤样过剩吸附曲线,利用改进的D-R吸附模型拟合得到三者吸附能力与吸附热,对比了不同含水条件下CO₂绝对吸附曲线,阐释了饱和水增强无烟煤吸附能力的微观作用机理。结果表明:(1)干燥、平衡水、饱和水煤样CO₂吸附能力分别为56.72、45.19和48.36 cm3/g,吸附热分别为29.42、26.23和27.24 kJ/mol。(2) CO₂密度小于0.16 g/cm3(6.48 MPa)时,无烟煤CO₂绝对吸附量大小顺序为干燥煤样、饱和水煤样和平衡水煤样,而CO₂进入超临界状态后,顺序变为饱和水煤样、干燥煤样和平衡水煤样。(3)水分子优先占据高能吸附位是平衡水煤样吸附能力减弱的主要原因,而煤?水体系与CO₂相互作用强于CO₂与H₂O竞争吸附下的煤?CO₂相互作用是饱和水煤样在CO₂超临界阶段吸附能力高于干燥煤样的根本原因。(4)吸附封存是煤层CO₂地质封存的主要形式,深部煤储层条件下,煤层饱和水对超临界CO₂增储作用更为明显,高压注水是提高深部煤层CO₂地质封存潜力,改善煤储层渗透性的有效手段。      

超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO₂地质封存与CH₄强化开采(CO₂–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO₂(ScCO₂)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO₂泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO₂–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO₂煤层封存条件下ScCO₂–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO₂–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO₂–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO₂–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO₂泄漏,但在评价煤层CO₂封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。      

CO2强化煤层气产出与其同步封存实验研究

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C...     

CO2地质封存盖层密闭性研究现状与进展

CO₂地质封存是应对全球性气候变化、减排温室气体的关键技术之一。大规模CO₂注入地层容易出现泄漏问题,尤其是通过盖层的泄漏,包括毛细管泄漏、盖层水力破裂和沿盖层既有断层的泄漏等。因此,盖层密闭性评价对CO₂地质封存长期安全稳定性的预测至关重要的。通过对密闭机理、影响因素、破坏模式等影响CO₂地质封存盖层密闭性的研究现状进行总结,发现盖层密闭机理包括毛细管封闭、水力封闭和超压封闭,影响盖层密闭性的主要因素有盖层岩性、盖地比特征、盖层厚度、盖层岩石力学性质和封存压力,进而对CO₂注入过程中盖层密闭性的破坏模式进行评价,并对盖层密闭性研究的不足提出了一些见解。     

玄武岩CO2矿化封存潜力评估方法研究现状及展望

二氧化碳地质封存是实现减排增汇的重要技术选择,能够将CO₂长期、安全地封存在地下岩层中。常规的CO₂封存地质体包括地下深部咸水层和枯竭油气藏,玄武岩是近年来逐渐受关注的新一类CO₂封存地质体,进一步丰富和拓展了CO₂地质封存的技术手段和碳汇潜力。封存潜力评估是CO₂地质封存技术发展的重要基础工作之一,文章系统梳理国内外玄武岩矿化封存潜力的评价方法,对比分析各类方法的原理机制和应用情景,并以冰岛活动裂谷带玄武岩为例应用、对比各类方法。研究认为目前玄武岩矿化封存潜力评估方法一般包括三类：(1)单位矿化法：基于玄武岩单位体积或单位反应面积的固碳量开展潜力评估;(2)矿物置换法：基于玄武岩中可固碳矿物的总量开展封存潜力评估;(3)孔隙充填法：基于CO₂矿化后产生次生矿物所占岩石孔隙体积比例的上限值开展封存潜力评估。单位矿化法的评估数据需进行系统的实验分析,增加了潜力评估的难度。当玄武岩储层孔隙度较大、可固碳矿物含量相对较小时,矿物置换法较为合适;反之,孔隙充填法更...     

海洋直接注入CO2封存技术方法综述

人类活动造成的CO₂排放是全球气候变暖面临的主要挑战之一。CO₂封存有望成为全世界减少碳排放份额最大的单项技术。海洋碳捕获、利用和封存(OCCUS)可以在较短时间内提供最大的碳封存能力,与其他地质封存方法相比更加安全有效。而且,多相态形式的CO₂(气态、液态、固态和水合物)可以在海洋纵深尺度上实现直接注入。海洋碳封存是一项发展潜力巨大、优势明显的新兴碳封存技术,是实现大规模碳减排的重要措施之一,具有广阔的应用前景。因此,笔者等系统地阐述了海洋CO₂直接注入、封存(OCS)的基本原理、技术现状、监测与评估,以及环境方面的影响,并对高效CO₂注入技术,CO₂泄漏的检测、防范与补救技术,以及海洋碳封存的生态后效等方面进行了展望。     

CO2地质封存与利用示范工程进展及典型案例分析

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CO...     

中国年封存量百万吨级CO2地质封存选址策略

CO₂地质封存是实现碳中和背景下难减排产业可持续发展的重要支撑技术。相较一些发达国家已经成功实现封存量为每年百万吨级CO₂封存项目工业化,中国的CO₂地质封存项目起步较晚,以封存量为每年十万吨级CO₂封存项目为主,而针对年封存量百万吨级及以上大型CO₂封存项目的选址、封存和监测尚缺乏经验。在针对世界上15个年封存量百万吨级CO₂地质封存项目成功案例调研基础上,按照封存场地圈闭地质类型划分了构造型圈闭(背斜型、断层型和裂缝型)和岩性型圈闭(砂岩型和碳酸盐岩型)两大类。在统计不同类型封存场地地质特征参数基础上,从“规模性、注入性、安全性和经济性”4大指标入手,提出了“大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)” BPPV选址原则,明确了年封存量百万吨级CO₂地质封存场地选址原则及参数标准。我国盆地类型多样差异大,需要采取不同的CO₂封存策略。针对鄂尔多斯、大庆油田等大型坳陷型盆地,由于其构造规模大、砂体分布面广、大规模背斜和岩性圈闭发育,寻找大型整装深层盐水层或者衰竭型油气藏封存场地的潜力大;针对东部渤海湾及近海断陷型盆地,由于断层发育、断层相关圈闭多、单圈闭容量较小,封存有效性受断层影响大,宜采取圈闭群综合评价与断层活动性动态评价相结合的策略;对西部叠合盆地,盆地边缘构造冲断带一般构造应力强、地层压力高、CO₂注入难度大,但盆地中央古隆起斜坡可以成为有效的封存场地,因此对西部盆地需要采取分区分带分层评价策略。     

页岩储层物性参数对CO2不同封存机制及封存量的影响

CO₂增强页岩气开采技术(CO₂-ESGR)一方面可提高CH4产量,另一方面又可实现CO₂地质封存。为了分析页岩储层物性参数对CO₂封存机制的影响,文章以鄂尔多斯盆地延长组页岩为研究对象,采用CMG-GEM软件建立双孔双渗均质模型,分析了CO₂-ESGR中页岩储层垂直渗透率与水平渗透率之比(Kv/Kh)、含水饱和度和孔隙度对不同CO₂封存机制封存量的影响;并设计了27组正交试验采用极差分析法比较了三种因素的影响程度。研究表明,Kv/Kh在0.1～1范围增大会增加不同CO₂封存机制的封存量,封存总量最大可增加69.96%,其中吸附封存量最大可增加97.96%,受到影响最大;含水饱和度在0～0.9范围增大引起CO₂封存总量先增加后减小,封存总量最大可减少67.12%,其中溶解封存量最大可减少83.35%,范围波动最大;页岩储层孔隙度在0.1～0.99范围增大会导致CO₂封存总量减少,封存总量最大...     

煤基CO2地质封存对顶板裂缝导流能力影响实验研究

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0.016×10–3μm2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3.785×10–3μm2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。      

国内外CO2地质封存潜力评价方法研究现状

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技术作为缓解全球气候变暖、减少CO₂排放的有效路径之一,其潜力评估至关重要。目前CCS技术主要包括CO₂强化石油(天然气)开采封存技术、CO₂驱替煤层气封存技术以及咸水层CO₂封存技术3类。各类封存技术利用了不同的封存机制,其潜力评估方法也略有差别。油气藏封存和咸水层封存主要利用了构造圈闭储存、束缚空间储存、溶解储存、矿化储存等封存机制,煤层气封存主要利用了吸附封存机制。国内外学者和机构针对各类封存技术提出了相应的计算方法,依据其计算原理可归纳为4类: 物质平衡封存量计算法、有效容积封存量计算法、溶解机制封存量计算法以及考虑多种捕获机制的综合封存量计算法。通过对各类经典方法及其计算原理进行综述,剖析潜力封存量计算方法的内涵原理和应用场景,分析了CO₂地质封存潜力评价方法在实际应用中面临的问题,有助于提升我国的CCS潜力评价质量。     

CO2纯度对咸水层碳封存过程中残余水的影响

CO₂在地下深部咸水含水层的封存过程中,岩石孔隙内形成的残余水对CO₂可注入性、封存量及安全性都有负面影响,因此深入探究各因素影响下残余水的形成演化具有重要意义。文章利用取自鄂尔多斯盆地深部储层的天然岩心,在40℃和8 MPa的实验条件下利用3种纯度的CO₂(99.999%CO₂、75%CO₂+25%N₂以及50%CO₂+25%N₂)进行饱水岩心驱替实验,以探究CO₂纯度对残余水的影响。实验表明,在3种CO₂纯度下的岩心驱替实验中,达到突破点和排水终点所需时间排序均为：99.999%CO₂<75%CO₂+25%N₂<50%CO₂+50%N₂;不可再降残余水饱和度大小排序为：99.999%CO₂<75%CO₂     

鄂尔多斯盆地山西组地下咸水CO2溶解能力

实施CO₂的地质储存是目前公认的减缓全球变暖的有效途径之一.潜在的储存场所包括衰竭的油气藏、深部不可开采煤层及深部咸水层.其中, 深部咸水层储存潜力最大.在发挥作用的诸多机理中, 溶解埋存具有埋存量大、作用时间较长以及安全性高的特点.在评价深部咸水含水层CO₂溶解储存潜力时, 溶解度是一个关键参数.提出了测定咸水含水层地层水CO₂溶解度的方法, 并将其实际应用于鄂尔多斯盆地山西组地层水.鄂尔多斯盆地是我国重要的能源基地, CO₂排放量大, 排放浓度高.采集了野外实地水样, 进行了化学成分分析, 并人工合成该水样; 测定了40~80 ℃、8~12 MPa条件下CO₂在该水样中的溶解度, 其结果可为评价鄂尔多斯盆地深部咸水含水层埋存能力提供依据.      

低渗煤层注CO2增抽瓦斯数值模拟与应用

针对低渗透性煤层瓦斯抽采难度大、抽采效率低等问题,基于CO₂-CH₄多组分气体竞争吸附作用,开展了注CO₂提高煤层瓦斯抽采率数值模拟与试验研究。首先,建立了考虑气-水两相流与Klinkenberg效应的煤层注CO₂促抽瓦斯流-固耦合模型,利用COMSOL软件进行了煤层注CO₂后煤层瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯抽采率等参数变化规律,并应用于工程试验。结果表明:构建的气-水两相流瓦斯抽采流-固耦合数学模型可靠、合理;注入CO₂抽采煤层气瓦斯压力、瓦斯含量均比未注入CO₂抽采下降速率快;现场试验后,注气抽采条件下瓦斯抽采浓度平均值是未注气条件下的2.02倍,瓦斯抽采纯量是后者的3倍。煤层注入CO₂气体后,瓦斯抽采量增加,显著促进了煤层瓦斯抽采。      

CO2地质埋藏深度对高阶煤孔隙结构的影响

高阶煤中的CO₂地质埋藏具有存储CO₂和提高煤层气采收率的双重意义。通过压汞测试和低温液氮吸附实验对经过CO₂地质埋藏模拟实验处理前后的煤样品进行分析测试,探讨了不同埋藏深度下煤中孔隙演化的特征与机理。研究表明:煤的真密度、视密度、孔隙体积、煤基质体积变化、有机质膨胀与收缩等参数均表现出不同的演化特征;埋藏过程中温度压力的增大对H₂O–CO₂–煤的地球化学反应效应的影响并非线性,而是存在一个对孔隙特别是微孔孔容和比表面积改造最大的深度范围,该深度将使得高阶煤孔隙结构得到最佳的改造效果,从而进一步更有利CO₂的地质埋藏和提高煤层气的采收率。