CO₂地下封存是實現(xiàn)CCUS技術(shù)的重要組成部分。目前，CO₂地下封存技術(shù)的基本思路為：將集中排放源分離得到的CO₂注入地下具有合適封閉條件的地層中隔離封存。常見的地下封存方式包括利用沉積盆地內(nèi)深部咸水層、油氣田以及不可開采深部煤層封存。但這些方式多以CO₂超臨界狀態(tài)處理為前提，普遍存在技術(shù)要求高、綜合投入成本高、對儲層封閉地質(zhì)特征及埋深條件存在明顯約束、無法進行大規(guī)模封存等問題。因此，探索大規(guī)模、低成本的CO₂地下封存技術(shù)是煤炭工業(yè)領(lǐng)域低碳化發(fā)展利用亟待破解的技術(shù)難題，具有重要的理論意義與應(yīng)用前景。

據(jù)預(yù)測，到2030年我國廢棄礦井?dāng)?shù)量將達到1.5萬個，若按每個礦井地下空間60萬m³測算，具有約72億~90億m³的潛在空間。

若能科學(xué)論證開采擾動空間進行CO₂地下高效封存所需地質(zhì)條件，進而開展適宜于CO₂封存的煤礦開采區(qū)地質(zhì)選址，即可實現(xiàn)“煤炭從哪兒來，煤炭利用產(chǎn)生的固廢和CO₂回到哪兒去”的可持續(xù)發(fā)展思路。

根據(jù)上述思路，王雙明院士在對煤炭開采擾動空間地質(zhì)特點分析的基礎(chǔ)上，探究了煤炭開采擾動空間高效封存CO₂的必備條件，提出了適宜于煤礦開采過程中進行CO₂封存的3種潛在技術(shù)：煤層采空區(qū)碎裂巖體CO₂封存技術(shù)、煤地下氣化煤灰及碎裂巖體CO₂封存技術(shù)、煤原位熱解半焦CO₂封存技術(shù)，并分別對上述技術(shù)對應(yīng)的封存理念、技術(shù)途徑及技術(shù)難題進行了討論。

在進行CO₂地下封存時，往往選擇埋深＞1000m的深部地層，并通過壓力控制使CO₂處于超臨界狀態(tài)實現(xiàn)大規(guī)模封存，但這會導(dǎo)致壓注阻力較大、封存成本偏高。在本研究中，通過論證得出：無論何種CO₂封存類型，即使儲存載體、儲存埋深及稟賦地層條件等有所差異，其共性條件均具有良好的地質(zhì)蓋層。即在煤礦開采區(qū)，只要滿足不受開采擾動影響的穩(wěn)定地質(zhì)蓋層和良好儲集空間密閉性即可實現(xiàn)采空區(qū)CO₂封存，與地層埋深關(guān)系并不十分密切。事實上，埋深≤1000m的中淺部地層在具備良好的“儲+蓋”地質(zhì)組合條件時，同樣可實現(xiàn)CO₂規(guī)?；獯妗Ｒ虼?，本次研究提及的煤炭開采擾動空間系指中淺部煤層（埋深≤1000m）開采過程中形成的地下采空區(qū)及其擾動影響范圍區(qū)。研究明確了實現(xiàn)CO₂地下高效封存的必備條件：①煤層上部存在不受開采擾動影響的地質(zhì)密閉層是實現(xiàn)煤礦擾動空間CO₂封存的先決要求；②構(gòu)建功能性充填空間是實現(xiàn)CO₂地下封存的核心工作；③由功能性充填體圍限的碎裂巖體、氣化煤灰及熱解半焦等封存載體物性特征是影響CO₂封存量及封存效果的重要因素。

 

1煤層采空區(qū)碎裂巖體CO₂封存技術(shù)

封存理念：首先利用功能性充填技術(shù)，回采采煤工作面四側(cè)的煤柱，并同步構(gòu)筑功能性“回”形充填體，完成采煤工作面四周封閉。采煤工作面回采后，覆巖碎裂垮落，未垮落覆巖受重力作用而壓覆在功能性充填體上，實現(xiàn)覆巖與功能性充填體之間的密封。煤層上方巖層中有低滲透性蓋層，覆巖垮裂形成的裂縫帶發(fā)育高度未到達蓋層，則蓋層、功能性充填體和底板構(gòu)成了CO₂地下封存空間，實現(xiàn)以采煤工作面為單元采空區(qū)碎裂巖體CO₂封存。

煤層擾動空間CO₂封存地質(zhì)要素

煤礦開采擾動空間的典型CO₂封存載體

技術(shù)途徑：煤層采空區(qū)碎裂巖體CO₂封存技術(shù)分為6個階段，具體包括煤層劃分、煤柱功能性充填回采、開切眼區(qū)充填、長壁工作面垮落開采、停采區(qū)功能性充填和CO₂充注階段。

煤層采空區(qū)碎裂巖體CO₂封存技術(shù)示意

“回”形充填構(gòu)筑CO₂地下封存空間

煤層采空區(qū)碎裂巖體CO₂封存技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)難題：煤層采后CO₂蓋層封閉性評價、CO₂封存空間構(gòu)筑、擾動空間探測與CO₂封存潛力評價、CO₂充注調(diào)控與封存效果監(jiān)測及評估。

煤層采空區(qū)碎裂巖體CO₂封存技術(shù)難題2煤地下氣化空間CO₂封存技術(shù)

封存理念：煤炭地下氣化是未來深部煤炭開采的重要方式之一。氣化爐在氣化后會形成體積可觀的地下空間，可作為封存CO₂場地。在煤炭進入地下氣化階段，隨著O₂的不斷注入，煤炭發(fā)生可控燃燒，固態(tài)煤炭不斷轉(zhuǎn)化成為H₂、CO、CO₂及烴類氣體等氣態(tài)物質(zhì)從生產(chǎn)孔排出，地下空腔隨氣化進程不斷增大。在氣化形成的空間內(nèi)會有部分頂板垮落形成的碎石，頂板高溫和冒裂形成的縫隙、煤炭氣化殘留的飛灰以及部分未完全氣化的殘?zhí)嫉任镔|(zhì)。研究在此基礎(chǔ)上提出利用UCG后的地下空間結(jié)構(gòu)和物質(zhì)實現(xiàn)CO2的地質(zhì)封存目標(biāo)。

煤地下氣化空間 CO₂封存模式示意利用UCG地下空間封存CO₂主要分為4個關(guān)鍵階段，即選址階段、氣化階段、封存注入階段和封存后的監(jiān)測與評價階段。

氣化灰渣CO₂化學(xué)吸附封存原理（以Ca²⁺為例）
技術(shù)途徑：本研究所提的CO₂封存模式是指綜合利用UCG形成的地下空間和殘余物質(zhì)實現(xiàn)的一種以化學(xué)封存（永久封存）為主，兼用物理封存?；瘜W(xué)封存主要是利用氣化灰渣（也可利用發(fā)電廠的粉煤灰）中大量的堿土金屬氧化物水化后的金屬陽離子，與CO₂溶于水形成的碳酸根離子發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成可用于永久封存的碳酸鹽類物質(zhì)；物理封存是利用UCG形成的空腔和上覆巖體垮落物等形成的空隙吸附CO₂。

煤地下氣化空間CO₂封存技術(shù)流程及關(guān)鍵問題

利用UCG地下空間進行CO₂地質(zhì)封存包含4個關(guān)鍵技術(shù)難題：UCG氣化選址與水平隔離墻構(gòu)筑、氣化空間探測與封存能力評價、CO₂注入封存與調(diào)控技術(shù)、CO₂封存效果監(jiān)測與評價。

 

3煤原位熱解半焦CO₂封存技術(shù)

封存理念：煤的原位熱解作為一種清潔低碳的煤炭開采形式，現(xiàn)主要以富油煤為對象，通過熱解方式在原位地層最大限度提取煤中油氣資源，并將熱解半焦留存地下。富油煤熱解后形成發(fā)達的孔縫結(jié)構(gòu)空間，大量熱解產(chǎn)物產(chǎn)出使半焦總體形成以中孔和大孔為主的孔隙結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高，煤中裂隙急劇產(chǎn)生，形成大量平行層理、蜂窩狀、雁列狀裂隙網(wǎng)絡(luò)，這使得煤體的滲透性大幅提高，CO₂注入阻力降低。

富油煤原位熱解-CO₂封存基本過程

技術(shù)途徑：井工式富油煤原位熱解半焦CO₂封存技術(shù)主要包括4個階段：煤層分割充填階段，煤層預(yù)裂階段，煤層熱解階段，CO₂充注階段。

富油煤原位熱解半焦CO₂封存關(guān)鍵問題

煤原位熱解半焦CO₂封存技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)難題：富油煤原位熱解與CO₂封存均尚處于初步探索階段，CO₂封存空間調(diào)控、封存潛力評價方法、封存地質(zhì)條件選址評價、地質(zhì)風(fēng)險探測等關(guān)鍵問題與技術(shù)方面仍需重點展開研究。

 

作者簡介

 

王雙明，男，1955年生，陜西岐山人，中國工程院院士，教授，博士生導(dǎo)師，西安科技大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任，陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室主任，是國家有突出貢獻專家。先后獲國家科技進步二等獎3項，省部級一等獎6項。公開發(fā)表論文30余篇，出版專著4部。榮獲“李四光地質(zhì)科學(xué)獎”。2017年當(dāng)選中國工程院院士。

研究方向

煤炭地質(zhì)，煤礦區(qū)減損開采與環(huán)境保護

主要成果

揭示了鄂爾多斯盆地煤炭資源總體分布特征和賦存規(guī)律，查明了全盆地煤炭資源總量，為煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移提供了科學(xué)依據(jù)和資源保障；建立了煤田綜合勘查技術(shù)體系，體現(xiàn)出勘查周期短，成本低，精度高等特點；提出了以生態(tài)水位保護為核心的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護新技術(shù)；提出了富油煤作為煤基油氣資源勘探開發(fā)理論，為煤炭清潔、高效、低碳發(fā)展提供了新途徑；探索了煤礦井下CO₂高效封存地質(zhì)條件判識及封存技術(shù)，為實現(xiàn)煤礦開采擾動空間CO₂封存技術(shù)發(fā)展提供了新參考。

 

 

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來源：

王雙明，申艷軍，孫強，等. “雙碳”目標(biāo)下煤炭開采擾動空間CO₂地下封存途徑與技術(shù)難題探索［J］. 煤炭學(xué)報,2022,47(1):45-60.