基于深部煤层CO2封存的超临界CO2与煤相互作用及其对碳封存影响研究

基于注CO2于深部煤层封存CO2并同时增收煤层气(CO2-ECBM/Seq.)中①存在"CO2-煤作用"理论瓶颈，②CO2处于超临界状态，③超临界CO2(SC-CO2)对有机小分子和矿物质溶解/化学作用和对聚合物塑化作用，④煤由内含小分子的聚合物和无机矿物所构成，等事实选择本研究。主要研究内容和方法包括：①建立SC-CO2抽提实验装置并研究煤阶和实验条件对抽提物分布影响；②利用溶剂萃取法将煤有机质分离并富集为大分子网络结构和小分子，通过CO2作用萃取物的变化和气相组成变化研究CO2对煤小分子溶解与化学作用，利用残煤研究煤塑化作用；③利用富含矿物质煤和煤矸石，通过矿物质变化研究SC-CO2与煤矿物质作用。④从SC-CO2对煤溶解、塑化、化学作用揭示CO2对煤孔隙和渗透性、流体运移的影响和吸附异常原因，为CO2-ECBM/Seq.潜力评价、流体运移、封存安全性和操作参数预测等提供理论支撑。

基于注CO2于深部煤层封存CO2并同时增收煤层气(CO2-ECBM/Seq.)中①存在"CO2-煤作用"理论瓶颈，②CO2处于超临界状态，③超临界CO2(SC-CO2)对有机小分子和矿物质存在溶解/化学作用，④煤由内含小分子的聚合物和无机矿物所构成，等事实开展本研究。主要研究内容包括：①在硬件方面，建立了Sc-CO2吸附/解吸实验装置和Sc-CO2萃取装置；②在软件方面，开发了CO2热性质数据计算软件和基于AMDIS的MS库； ③实验研究方面，对褐煤、烟煤和无烟煤进行Sc-CO2吸附/解吸试验和萃取试验，并对Sc-CO2与煤中矿物质作用进行了试验与模拟；④在理论研究方面，对Sc-CO2萃取组分、萃取煤表面特性变化、萃取机理和Sc-CO2对CO2封存影响进行了研究；最后提出了⑤深部煤层气增收与碳封存所面临的关键科学。研究表明：①建立Sc-CO2吸附/解吸实验装置可满足煤对Sc-CO2吸附的试验研究。Sc-CO2萃取装置集CO2增压、煤萃取、萃取物收集和富集于一体，且该装置在可控条件下进行Sc-CO2煤萃取试验研究；②在软件方面，所开发的 CO2热性质数据计算软件可在高达800MPa压力条件下计算CO2热性质数据。基于AMDIS的MS库可对萃取物的TIC解卷积后自动给出萃取物中、英文名称和结构；③Sc-CO2吸附/解吸试验和萃取试验表明：状态方程对吸附量的影响不仅取决于计算CO2压缩因子所采用的状态方程，而且取决于参比缸和自由空间的容积；煤在竞争吸附条件下优先吸附CO2，然而，在高CH4原料气和压力10MPa条件下，高阶低挥发分烟煤优先吸附CH4；煤的萃取率随着煤阶的增大而降低,40℃可把煤中溶于CO2的大部分有机小分子萃取出，Sc-CO2对煤萃取的主控因素分别为煤中有机小分子的量、萃取温度、煤孔结构及煤基质与萃取物的作用力；Sc-CO2萃取物的主要组分为烷烃，且以链烷烃和烯烃为主，环烷烃和芳香烃含量较低；萃取煤的表面积增大，微孔孔径增大；Sc-CO2与煤中矿物质作用复杂；④在理论研究表明：扩散、吸附、溶解伴随着Sc-CO2对煤中有机小分子萃取过程，萃取各步是动态平衡过程；从注入井到生产井存在压力和温度梯度，溶解的有机质将会到达低压区后沉淀并使煤孔隙结构闭合。本研究可为CO2-ECBM/Seq.潜力评价、流体运移、封存安全性和操作参数预测等提供理论支撑。