徐州地區碳封存的潛力分析

向杰 朱丹

1 區域地質背景

徐州地區位于華北板塊東南緣，東部與郯廬斷裂帶相接，南部靠近大別造山帶。作為幾大地質構造帶的交匯位置，具有構造復雜，斷裂和皺褶發育的顯著特征。徐沛煤田作為典型的石炭二疊系煤田，在過去為徐州地區及周緣煤炭供給發揮了了重要的保障作用。根據區域地質構造的差異，以豐沛斷裂將徐沛煤田分為豐沛礦區和徐州礦區，后者以淮陰山脈的西緣分為九里山區及賈汪區。兩個礦區構造呈現出顯著的差異，豐沛礦區斷裂由一系列走向近EW，傾向S的張性斷裂以及近SN走向的平移斷裂聯合組成，而徐州礦區以一系列近平行的傾向NW-NNW壓扭性逆沖斷裂和傾向SE-SEE壓扭性逆沖斷裂組成。豐沛礦區褶皺發育較弱，地層相對平緩，而徐州礦區以近平行發育的復式褶皺為主 。

徐沛煤田含煤地層自下而上為上石炭統太原組、下二疊統山西組和中二疊統下石盒子組，主要可采煤層為下石盒子組2號煤，山西組7、9號煤，太原組21號煤，相應厚度、穩定性及可采性如表1所示。徐州地區山西組含煤性最好，單層厚度大，全區可采，以中灰、低硫、中高發熱量、低磷、中高揮發分氣煤為主，是本區最重要的可采煤層，隨著多年的持續開采，目前大部分井田已經基本采完。太原組發育4層煤層，但普遍為薄-中厚煤層，且部分地區太原組煤層埋深過深，如豐沛礦區三河尖煤礦，開采難度大或基本不可采。下石盒子組1、2號煤層穩定性差，厚度及煤體結構變化較大，煤層中常見泥巖夾矸，主要分布于徐州礦區。

2 煤層CO2封存機理

（1）吸附封存

煤層是一種由裂隙系統和孔隙系統組成的各向異性巖層，煤基質孔隙和裂隙是煤層中以甲烷為主的煤層氣的賦存空間。與其他多孔吸附固體相似，煤基質中微-納米孔隙發育，具有較大的比表面積，甲烷及其他氣體主要以吸附態賦存于煤基質過渡孔及微孔中（孔徑<100 nm）。前人理論與實驗研究表明，相同條件下，煤對CO2的吸附能力通常是對甲烷吸附能力的2倍以上，其吸附量受到溫度、水分、煤級等因素共同影響。在溫度及壓力穩定的情況下，CO2能夠長時間物理吸附賦存于煤中。在煤層氣開采過程中，由于甲烷的競爭吸附能力弱于CO2，當往煤層中注入CO2時，可以置換中煤中的甲烷，提高煤層氣采收率，即CO2-ECBM（Enhanced Coal Bed Methane）。另一方面，對于不可采的薄煤層或深部不可采煤層，這些經濟效益低或者無法安全開采的煤層，是CO2吸附封存的另外一個重要的地質場所。對于煤層CO2地質封存，吸附封存機理所占的封存量占主要部分。

（2）溶解封存及礦化封存

不可忽視的是，在地層條件下，受到溫度、壓力及地層水的影響，CO2注入煤層后，可以通過與水反應形成含CO2溶液形成溶解封存。CO2溶解封存量受到多種因素共同影響，包括溫度、壓力、地層水礦化度等，同時也是一個持續的、緩慢的過程。煤層中含有一定含量的無機礦物，主要以碳酸鹽礦物（方解石、白云石），黃鐵礦及石英為主，在CO2與地層水反應形成弱酸性溶液后，與煤體中無機礦物發生化學反應，以原生礦物的溶蝕及新礦物的生成兩種化學反應為主，同時，不同賦存狀態的常量元素和微量元素會發生不同特征的遷移現象。此外，原始礦物發生溶蝕，形成溶蝕孔隙，而新生礦物可能導致原來的連通孔隙堵塞，兩者共同作用下，影響煤儲層孔隙度及滲透率。

（3）靜態封存

在煤層氣的勘探開發實踐中，我們發現，雖然甲烷主要以吸附態賦存于煤基質孔隙中，但是仍然有部分甲烷以游離態賦存于孔徑較大的孔隙及裂隙中。當CO2以自由相注入煤層后，必然會首先占據煤中游離態甲烷的儲集空間，這部分游離態CO2的封存統稱為靜態封存，進一步可以分為構造地層封存和殘余氣封存。隨著地層埋深增加，在溫度和壓力的作用下，CO2逐漸從氣態轉化為超臨界態，單位質量內自由相CO2體積大幅度減小，有利于CO2地質封存。在常規及非常規天然氣勘探中，儲層中游離氣的保存需要良好的三維地質圈閉，同樣，合適的地層和構造條件也是游離態CO2封存的重要條件。對于深部煤層而言，自由態CO2靜態封存量是地質封存量的重要組成部分。

3 地質封存條件

安全性和有效性是CO2煤層地質封存的首要考慮標準，其中圈閉條件的好壞判斷是CO2煤層地質封存的前提條件。周來認為圈閉標準應考慮包括煤層均質埋藏封存、構造簡單、滲透率合適、深度適宜、煤層形態與分布俱佳、煤層原始氣體飽和狀態合適、煤層無開采工程擾動七個方面。張文東等研究表明蓋層、構造條件、水動力條件、地震活動情況是影響深部煤層CO2地質封存的主要因素。總而言之，煤層及區域地質的穩定性是選擇處置CO2場所的前提。煤層越厚、平面分布越穩定，越有利于CO2的封存;煤的滲透率隨著上覆地層壓力增加而減少，當煤層埋深過淺，無法保證CO2封存的安全性和有效性，當埋深過大，滲透率低，CO2無法有效注入煤層;斷裂、大規模裂縫、不連續蓋層發育及構造活躍區域，是CO2地質封存的不利區。進一步，基于河東煤田煤炭、煤層氣地質條件及地震情況，段鵬飛提出了煤層CO2地質封存選區指標體系，主要包含潛力評價指標、安全評價指標及灌注性指標，并確定了相應閾值及標準分。然而對煤層本身的性質如煤厚、平面穩定性、孔隙度等性質考慮稍顯不足。

4 潛力分析

徐州地區山西組7號煤層單層平均厚度最大，主體介于3～5 m之間，是CO2地質封存的首選煤層，然而山西組煤層受煤礦開采影響范圍大，可選范圍較小，太原組17-21號煤層在部分區域單層厚度較大，是CO2地質封存的第二選擇。此外，煤層結構、穩定性、孔隙度、滲透率特征也是CO2煤層地質封存需要考慮的重要指標。

CO2煤層地質封存的合適深度一般與煤層氣開發的有利區帶埋深大體相似，埋深介于300～1500 m，但也有學者認為CO2安全封存煤層的埋深在1000～2000 m。徐州地區目前有多座煤礦開采深度大于1000 m，主要分布于豐沛礦區及徐州九里山礦區，如三河尖煤礦、張雙樓煤礦、張小樓煤礦等，主要開采太原組煤層。向東由于受逆沖推覆抬升的影響，煤層埋深呈變淺的趨勢，埋深主體介于300～600 m。學者研究發現，受地質構造影響，東西礦區煤層甲烷含量/瓦斯涌出量差異顯著，主要受斷裂、褶皺部位及陷落柱的影響。受到中-新生代板塊構造運動的影響，徐州地區在多期次構造應力的共同影響下形成現今復雜的構造格局。豐沛斷裂以西，雖然地層褶皺變形較弱，但是弧形正斷裂十分發育，形成菱形斷塊。正斷裂切穿煤層及頂底板、蓋層，形成復雜的裂縫-斷裂通道，煤層氣保存條件差，豐沛礦區礦井基本為低瓦斯-瓦斯礦井，煤層氣資源潛力低，同樣不利于CO2煤層地質封存。徐州礦區以近平行的逆沖斷裂為主，斷裂的封閉性較好，煤層氣保存條件好。馬坡-張集一帶，煤層埋藏總體介于1000～1500 m，甲烷含氣量一般在3～5 m3/t，最高可達9.26 m3/t。在王莊-拾屯-大劉一帶，煤層埋藏主體介于350～600 m，為一逆沖斷裂切割的單斜構造，甲烷含氣量一般在1～4 m3/t，均有利于CO2煤層地質封存。考慮到煤層埋深及構造保存條件，徐州九里山礦區的CO2煤層地質封存條件相對理想。就具體構造樣式而言，徐州地區控煤構造樣式包含伸展型，壓縮型和平移型三種類型，其中伸展構造樣式包含掀斜斷塊、壘塹構造，壓縮構造樣式分為逆沖疊瓦型、背斜-斷裂組合、向斜-斷裂組合、隔擋型，而平移型主要為平移走滑斷裂。其中背斜兩翼+逆斷層組合及逆沖疊瓦構造下盤有利于CO2煤層地質封存。

5 結論

徐州地區煤炭占能源消費結構的主體，CO2排放形勢不容樂觀，CO2煤層地質封存是CO2減排的可選方案。CO2煤層地質封存機理可以分為吸附封存、溶解封存、礦化封存及靜態封存，吸附封存量占地質封存量的主體，而深部煤層自由態CO2靜態封存量是地質封存量的重要組成部分。煤層及區域地質的穩定性是選擇處置CO2場所的前提，山西組7號煤層厚度最大，是CO2地質封存的首選煤層。考慮到煤層埋深及構造保存條件，徐州九里山礦區的CO2煤層地質封存條件相對理想，就具體構造樣式而言，背斜兩翼+逆斷層組合及逆沖疊瓦構造下盤有利于CO2煤層地質封存。

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