煤中超临界CO_(2)解吸滞后机理及其对地质封存启示

作     者：刘操 闫江伟 赵春辉 钟福平 贾天让 刘小磊 张航 LIU Cao;YAN Jiangwei;ZHAO Chunhui;ZHONG Fuping;JIA Tianrang;LIU Xiaolei;ZHANG Hang

作者机构：河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室−省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 全国煤炭行业瓦斯地质与瓦斯防治工程研究中心河南焦作454003 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年第49卷第7期

页      面：3154-3166页

核心收录：

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

基　　金：河南省高校基本科研业务费专项资金资助项目(NSFRF240301) 河南省科技攻关资助项目(222102320154) 河南省高校重点科研资助项目(22A610009) 

主　　题：CO_(2)地质封存 超临界CO_(2) 解吸滞后 残余封存 毛细压力 地质封存量化模型 

摘      要：将CO_(2)注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一,也是煤炭工业降低CO_(2)排放、实现低碳化可持续发展的必由之路,然而,煤层CO_(2)地质封存悬而未决的关键问题是:“注入煤层中的CO_(2)到底能否长期停留而安全封存?。鉴于此,在弄清煤体CO_(2)解吸滞后规律的基础上,揭示超临界CO_(2)解吸滞后机理,建立煤层CO_(2)地质封存量化模型,探讨利用解吸滞后实现煤层CO_(2)长期安全封存。研究表明:煤中超临界态CO_(2)解吸滞后程度大于亚临界态CO_(2),在超临界阶段,吸附与解吸等温线形成近似“平行线的稳定滞后特征;解吸滞后的本质原因是煤中微纳米级亲水性孔隙形成弯液面、产生强大毛细压力、渗吸液态水、截断并固定超临界CO_(2)流体、最终形成了CO_(2)残余封存,例如,煤中直径40~10 nm圆柱形无机孔隙可产生7.30~29.12 MPa毛细压力,足以封堵超临界态CO_(2);以九里山煤样解吸等温线数据为例,采用基于煤层CO_(2)解吸滞后的地质封存量化模型,评估出900~1500 m深部二1煤层封存总量稳定在35~37 m^(3)/t,其中,吸附封存约占80%,残余封存约占15%,而结构封存仅占5%;解吸滞后启示应尽可能采取措施提高煤层残余封存CO_(2)比例,原因是毛细堵塞的残余封存CO_(2)较围岩密封的游离和吸附CO_(2)更安全且没有泄露风险,煤层灰分、水分、孔隙尺寸和形貌等物性参数是影响残余封存效率的主要因素。