论煤地质学与碳中和

煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分,做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现“碳中和”国家目标的重要途径,碳中和背景下的煤地质学发展值得关注。系统评述与碳中和相关的煤地质学研究领域,分析煤地质学在碳中和研究与工程实践中的作用和应用前景,探讨碳中和背景下煤地质学的重要发展方向。取得以下认识:推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧,勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构,开展煤化工资源勘查与开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展,深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯（井下）抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏,研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放,发展煤层CO₂地质封存与煤层气强化开发（CO₂-ECBM）技术、推动碳捕获、利用与封存（CCUS）技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用,研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放,是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径;其中煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO₂-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。      

沁水盆地南部中高阶煤高压甲烷吸附行为

煤层气吸附作用是发生在煤基质内表面的物理过程,而煤岩复杂孔裂隙网络为高压甲烷吸附提供了丰富的空间。开展沁水盆地南部高阶煤30℃高压甲烷等温吸附实验,结合煤岩煤质参数与孔隙特征参数,通过改进的D-R模型分析了煤岩性质、孔隙特征与吸附参数的相关性。煤岩性质对最大吸附能力和吸附热参数的影响是多因素叠加的综合效应,而最大吸附能力与微孔体积,吸附体积校正参数与大中孔比表面积呈较好的正相关性,表明甲烷分子在煤基质内表面会根据孔径尺度大小呈现不同的吸附方式。据此提出高压甲烷在煤基质微孔中呈紧密堆积状态而在大中孔中呈多层分子堆叠状态的新认识,为进一步研究煤层气吸附机理提供了新的思路。      

中国煤炭甲烷管控与减排潜力

甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层...     

岩石力学地层理论方法及其煤系气高效勘探开发应用基础述评

煤系气高效勘探开发是当前中国煤地质与非常规油气地质研究关注焦点,"岩石力学地层与非常规油气"是当前非常规油气勘探开发国际前沿研究领域,煤系岩石力学地层与煤系气研究具有理论和实际意义.本文综述了岩石力学地层经典学术思想和新学术思想,评述了岩石力学地层理论方法及其非常规油气勘探开发现状进展,分析了煤系岩石力学地层理论方法构...     

晋城无烟煤储存游离态CO2理论容量及其影响因素

深部煤层游离态CO₂理论存储容量随深度增加而变化。基于山西沁水盆地南部煤样测试基本数据,对游离态CO₂煤层存储容量进行计算,并分析其随深度变化规律。基于建立的煤层游离态CO₂存储容量计算模型显示,煤储层游离态CO₂存储容量受孔隙度、含气饱和度、地层温度、地层压力等共同作用的影响。CO₂注入后改变煤储层物性会导致理论存储量有不同程度增加,但存储量增值与实验煤样颗粒大小有关;应力作用下煤储层孔隙度随埋深呈负指数降低规律会显著降低CO₂存储容量,含气饱和度增大会显著增大存储量。      

贵州省煤层气规划区块煤储层特征与有利区优选

煤层气有利区块的科学评价,是煤层气勘探开发部署和效益最大化.基于贵州省新划定的18个矿权空白的煤层气规划区块,综合区块现有地质与工程数据,系统研究了18个区块煤层气地质背景、资源特征、赋存特征和储层特征,并基于煤阶分类评价原则,运用多层次模糊数学综合评判法对18个区块进行了区块优选.结果表明:(1)18个规划区块龙潭组...     

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。      

煤系叠合型气藏及其勘探开发技术模式

煤系叠合型气藏是含煤地层煤系气特有的关键成藏类型,煤系叠合型气藏的发现、勘探开发实践与研究探索为我国煤系非常规天然气勘探开发提供了新领域和新思路。提出并阐述煤系叠合型气藏的概念、主要类型、发育特征和赋存分布,探讨煤系叠合型气藏的形成条件、成藏过程、成藏模式,揭示其形成机理,重点讨论2种主要类型煤系叠合型气藏的地质适配性勘探开发技术模式,分析前瞻了煤系叠合型气藏在煤系气勘探开发中的应用。研究表明:我国发育(分流)河道砂体与煤层接触型(华北型)、煤层?砂岩–泥岩互层型(华南型)、煤层–砂岩–泥岩互层夹砂砾岩型(东北型)3类煤系叠合型气藏,分布赋存分别以华北地区山西组、华南地区龙潭组和东北地区城子河组为代表;沉积作用是煤系叠合型气藏的关键主控地质因素,三角洲沉积体系的泥炭沼泽、分流河道、支流间湾的沉积微相组合为煤系叠合型气藏的有利沉积相序组合;煤层为主的叠置复合储层结构和岩性圈闭是煤系叠合型气藏的重要特征,统一的含气系统和压力梯度一致是其本质特征;含煤段煤层/砂岩/页岩不同类型储层间发生能量物质传递和平衡、煤层气/致密砂岩气/页岩气间运移和相态转化是煤系叠合型气藏形成的主要机理,喜马拉雅期是华北地区山西组煤系叠合型气藏成藏关键期;高分辨率地震岩相解释识别气藏与虚拟产气层合层开发是华北型煤系叠合型气藏勘探开发技术模式的关键特征,“层段优选、小层射孔、分段压裂、投球分压、合层排采”构成华南型煤系叠合型气藏勘探开发技术模式的核心内涵。这些技术模式已得到应用并将为我国煤系气共探共采和深层煤层气高效开发提供重要支持。