CO2地质埋藏对煤储层的地球化学改造及其地质意义

CO2 geological storage in coal reservoir is a preferable way to dispose CO2. However, few reserches can be found about this area in China. The main problem of some existing research is that the selection and disposal of the samples is inappropriate which resulted the incorrect achievements. Based on these problems, different coal rank (lignite, lean coal, gas coal and anthracite) and different grain sizes samples are used to study the geochemical reconstruction of coal reservoir associated with CO2 sequestration process. Experimental simulation, coal reservoir analyze, geochemical elements migration and isothermal adsorption are employed to study the changes in pores, specific area, occurrence of minerals and geochemial elements of coal samples which disposed by ScCO2-H2O. Adsorption and reservoir abilities are studied to explore the geochemical reconstructions of coal reservoir by CO2 geologic storage. The achievements of this proposal can provide fundamental information for CO2 geological storage and enhanced coalbed methane recovery.

CO2在非可采煤储层中的地质埋藏是处理CO2这一温室气体较为适宜的方法，并同时可以提高煤层气的采收率。然而，目前国内在这一方面的研究相对较少，并且在已有的研究中，主要存在的基本问题是对样品的选择和处理不够接近实际情况，从而导致研究成果存在偏差。针对这些现状和问题，本研究以不同煤级(褐煤、瘦煤、气煤、无烟煤)、不同粒度煤样品为研究对象，主要采用实验模拟的方法，首先对样品进行超临界CO2和水(SCCO2-H2O)的预处理，结合煤体结构分析、元素地球化学迁移、等温吸附测试等多种分析测试手段，通过对经过ScCO2-H2O处理前后样品的孔隙及比表面积演化、矿物及元素地球化学迁移等问题的探讨，结合煤样品吸附/储集能力的演化特征，探索CO2地质埋藏过程对煤储层产生的地球化学改造这一科学问题。研究成果对CO2的地质埋藏以及提高煤层气采收率具有重要意义。

CO2在煤储层中的地质埋藏具有减少温室气体及提高煤层气的采收率等多重意义，而国内目前针对改方面的研究存在对样品的选择和处理不够接近实际情况的问题，基于此，本研究以不同煤级（褐煤、瘦煤、气煤和无烟煤）、不同粒度煤样为研究对象，通过在实验室模拟实际地层条件，将CO2注入煤储层，探讨该过程中的煤孔隙结构演化特征、元素地球化学迁移特征，以阐明CO2在煤储层中的地质埋藏对于煤储层结构的改造作用。主要研究成果如下：（1）建立并完善了CO2地质储存的模拟实验研究方法体系，实现了模拟地层条件下对不同煤级、不同粒级的煤样品进行地质埋藏的实验；（2）CO2的地质埋藏对煤储层具有明显改造作用，具体表现在孔隙体积的增大，真密度有增加，总孔容、比表面积和孔隙度明显增大，同时CO2地质埋藏后，煤储层表现出了“软化”的趋势，而分形维数分析表明煤级决定了煤的压缩性，其原因在于煤中矿物质的大量溶出；（3）CO2地质埋藏对煤中的元素迁移具有较大的影响，元素由于各自赋存状态不同，表现出分期分批优势组合的迁移特征，而造成元素迁移的主要原因是无机矿物的不同，与碳酸盐矿物相关的元素在CO2埋藏过程中表现出了较强的迁移能力，其次为与硫化物矿物或者硫酸盐矿物赋存相关的元素，最后是与硅酸盐矿物相关的元素，同时，CO2的地质埋藏也促使了煤中As、Mo、Zn等生态微量元素的迁移，对地下水的环境可能造成一定的影响，因此，CO2注入煤储层后，有必要对具有较强污染作用的元素进行监测；（4）煤储层结构演化与元素迁移存在耦合关系，并构建了孔裂隙演化的地球化学模式，煤储层孔裂隙的演化主要表现为煤基质内孔隙的增大和连通、原有裂隙的扩展以及新裂隙的产生，元素或元素组合的优势迁移特征可以反应出煤体结构的变化，特别是具有较大迁移率的Ca、Mg等元素组合可以反应出煤中碳酸盐矿物受到了强烈的改造。CO2地质埋藏的不同时期孔裂隙表现出不同的演化特征，具体为初期渗透率变低、短暂渗透率稳定、中期渗透率增大和后期渗透率稳定4个阶段。储层中应力分布的变化和矿物质的溶解特征是控制孔裂隙演化的关键因素。CO2的埋藏过程较大的改善了煤储层的孔裂隙开启性和连通性并改变了煤层中气体成分和浓度的分布、各气体组分的分压，从而导致了CH4的解吸，渗透率的改变加快了气体扩散和渗流的通道和速度，加速了CH4的解吸和扩散，提高了煤层气的采收率。