中国深部煤层CO2地质处置的哲学思考

雷能忠

（1.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.皖西学院 城市建设与环境系，安徽六安 237012）

中国深部煤层CO2地质处置的哲学思考

雷能忠1，2

（1.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.皖西学院 城市建设与环境系，安徽六安 237012）

利用唯物辩证法的认识论、矛盾论观点全面阐述中国深部煤层CO2地质处置的发展历程，以真理的实践标准和事物普遍联系与发展观点分析深部煤层CO2地质处置在中国的应用前景。深部煤层CO2地质处置源于油气资源开发实践，并在煤层气开发和科学研究的持续实践中得到逐步完善，其选择应用，必须与中国国情相适应，在我国碳减排实践中进一步检验与发展。

二氧化碳；地质处置；深部煤层；唯物辩证法

工业革命以来，人类活动对地球生态系统的影响已从区域扩展到全球。由于温室气体增加产生温室效应所导致的全球变暖已成为人类共同关注的问题，对CO2的控制已成为世界各国所面对的共同责任与义务。最新研究表明，利用废弃油气田、深部含水层、海洋深部、不可开采深部煤层等地下空间对CO2地质减排是应对全球气候变化的重要途径之一。自美国于1996年在San Juan basin实施的向深部煤层注入CO2及煤层气增产试验以来［1］，深部煤层CO2地质埋藏就成为近年来CO2地质处置技术研究与开发的一个新热点。这一减排技术理论的形成时间很短，但经历了由实践、认识、再实践、再认识的多次复杂循环往复，目前正在向更高一级的认识和实践迈进。本文利用唯物辩证法的认识论、矛盾论观点全面阐述CO2地质处置的发展历程，以真理的实践标准和事物普遍联系和发展观点分析中国CO2地质处置的应用前景，以期为有关部门决策提供参考。

一、深部煤层CO2地质处置的概念与意义

2005年，政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第三工作组公布了由该工作组编写的CO2捕获和封存技术（Carbon Capture and Storage，CCS）特别报告。该报告对CO2捕获与封存定义如下：CO2捕获和封存是指把CO2从工业或相关能源排放源分离出来，输送到封存地点进行储存，并使其长期与大气隔绝的过程。封存地点为地质体的CO2捕获与封存就称为CO2地质处置。目前科学证实能够被用于地质处置的地质体主要有废弃油气田、深部含水层、海洋深部、不可开采深部煤层等。

图1是深部煤层CO2地质处置过程的示意图。图中有两个钻井，一个是煤层气（主要是甲烷CH4）生产井（CH4recovery），另一个是CO2注入井（CO2injection）。深部煤层CO2地质处置技术产生于ECBM（Enhanced Coalbed Methane Recovery）过程，即增强型煤层气开发，其实质是通过向深部煤层注入CO2，因CO2与CH4在煤层中的竞争吸附，实现以CO2驱替CH4，从而获得持续高产的煤层气。

将地表捕获的CO2注入深部煤层，其直接意义是减少了大气CO2排放量，与此同时还具有以下三个方面的间接意义。第一是CO2注入深部煤层可以获得高产的煤层气产量，煤层气是一种新型洁净能源，其开发利用可弥补常规能源的不足，同时还能够降低煤炭生产中瓦斯突出与爆炸安全事故的发生率。第二，我国是煤炭大国，煤炭资源丰富，特别是在地下深部有大面积的煤层分布，这些煤层一般是无法开采的自然资源，利用这些煤层进行CO2地质处置，使这些废弃资源发挥了作用。第三，在国际事务中中国正面临碳减排的沉重压力，但我国能源结构决定了今后相当一段时间内煤电还是我国的主要电力资源，将燃煤产生的CO2注入深部地质体，可以使我国在可供选择的其他替代能源出现之前的相当一段时间继续使用廉价的煤炭资源，其具有重要的战略意义。

图1 ECBM过程示意图［2］

二、深部煤层CO2地质处置的早期实践与认识

实践是认识的来源。认识产生于实践的需要，认识在实践中产生。认识的形成和发展都离不开实践，人们在实践中获得经验，再把经验上升为理论。生产活动是最基本的实践活动，上世纪六七十年代，人类在石油和天然气勘探开发中发现，向石油和天然气储层中注入CO2可以持续提高油气井的产量，逐步形成了一整套较成熟的EOR（Enhanced Oil Recovery）油气开发技术理论。上世纪70年代末期的世界能源危机，导致美国政府采取税制优惠政策，鼓励煤层气开发。地面勘探开发石油和常规天然气技术日趋成熟，为地面勘探开发煤层气提供了可借鉴的经验和方法。美国于上世纪80年代取得重大突破，成为世界上第一个大规模商业性生产煤层气的国家，充分证实煤层气资源的重大价值和潜力，同时也掀起煤层气勘探开发的全球性热潮，随后中国、加拿大、澳大利亚等相继开展煤层气勘探开发。煤层气和石油天然气开发两者之间虽存在共性，但由于煤层气赋存条件的特殊性，煤层气藏毕竟不是油藏和常规气藏，煤储层相对而言厚度不大，具可压缩性和化学活动性，其储集性能及力学特征与常规储层（如砂岩、碳酸岩）有明显的区别，从而导致煤层气井的钻井、完井及气井动态等一系列的特殊性，其开采难度远大于石油和天然气，国际上一些煤层气开发项目相继陷入困境。

社会的需要，实践的发展，不断提出需要解决的新课题，推动人们从事新的探索，同时人们正是在总结实践提供的新经验的基础上，才能对新课题给予回答，形成新的理论。煤层气生产中产生的技术难题，不断推动人们去寻找新的技术，而此时日益成熟的EOR技术给一些陷入困境的煤层气勘探开发项目带来了曙光，以美国Tiffany Unit项目为代表，首先在San Juan basin盆地实施CO2增强型煤层气开发，取得了明显效果，一些已经废弃的煤层气井在注入CO2一定时期后，又重新喷出煤层气，而且产量较原先有很大程度的增长。San Juan basin盆地就成为最早实施ECBM技术的发源地。

三、深部煤层CO2地质处置的再实践、再认识

矛盾是事物发展的动力。随着东西方冷战结束，和平与发展成为世界的主题，经济发展与环境退化已经成为人类社会发展矛盾系统中的一对主要矛盾，在经济发展与环境退化的对立统一运动中，经济发展是矛盾的主要方面，两者统一于环境容量，没有超出环境容量的发展，就是可持续的发展，超出环境容量的发展必然会导致环境质量的退化。

深部煤层CO2地质处置的再实践、再认识过程正是起源于人类社会发展中经济发展与环境退化这一对事物的矛盾运动。工业革命以来，全球经济在经历了多次反复波动下取得了长足发展，与此同时，由于经济发展远远超出了环境承载力许可，产生的环境退化也愈来愈严重，并已经成为人类社会发展最主要的一个制约因素。可持续发展理论为人类社会发展指明了方向。在全球大规模的可持续发展实践中，人们认识到，CO2因其生命期可长达二百年，对气候变化影响最大，是全球气候变暖的首要肇事者，成为全球减缓温室气体排放的首要目标。在这种历史背景下，增强型油气开发技术（EOR）和增强型煤层气开发技术（ECBM）给CO2减排带来了启示，即在石油、天然气、煤层气生产中，可以将捕获的CO2埋藏于各类地质储层中封存起来。正是基于这个科学认识，使CO2地质处置迅速兴起成为CCS技术研究中的一个新热点而得到国际政府组织和研究机构的广泛关注。

国际上有关政府组织和科研机构开展了大范围的CO2地质处置研究，主要的研究内容有以下几个方面：CO2煤层地质处置潜力评估，煤层多组分气体的竞争吸附与解吸，CO2注入煤层产生的物理、化学和生物化学变化，CO2－ECBM现场试验与数值模拟，CO2注入煤层后的监测，CO2煤层地质处置的经济规划研究等。

随着人们生产实践的扩大和加深，新工具和新技术的发明和使用，特别是跨学科联合攻关，上述5个方面的科学问题都在不同程度上得到新的认识，极大推动了CO2地质处置技术的进步。目前，科学研究已经初步评估了全球深部煤层CO2埋藏潜力；通过实验室的实验研究和现场地球物理、地球化学观测，对CO2注入深部煤层后产生的物理化学变化有初步认识；CO2－ECBM现场试验工作也在美国、加拿大、新西兰、日本、中国等世界许多国家广泛展开，获得了丰富的现场试验数据，为CO2－ECBM数值模拟与预测提供了基础；建立了包括地球物理、地球化学等较系统的CO2注入煤层后的监测方法；在加拿大、美国等国家开展了深部煤层CO2地质处置经济规划研究，取得了有参考价值的一些区域性深部煤层CO2地质处置成本收益数据。上述实践成果使深部煤层CO2地质处置技术日臻完善。

四、深部煤层CO2地质处置技术在中国的应用前景

任何真理的认识，既具有绝对性的一面，又具有相对性的一面，都是绝对与相对的统一。在科学认识的成果中，既没有纯粹的绝对真理，也没有纯粹的相对真理，如果在真理的认识中，只有相对性而没有绝对性，那么这个所谓的“真理”就失去了不以人的意志为转移的客观内容而不成为真理了。反之，如果在真理认识中，只有绝对性而无相对性，那么这个所谓的“真理”就成为僵死的“永恒真理”，而这在现实的认识过程中是根本不存在的。深部煤层CO2地质处置技术经过反复的实践和认识［3］，已经成为一个可供人类社会选择的碳减排新技术，从哲学上考察，是认识主体对客观事物及其规律性的正确反映，这是其绝对性一面。但是，受到认识主体的历史条件限制，深部煤层CO2地质处置技术也存在相对性。这主要表现在，现有科学技术条件下获得的深部煤层CO2地质处置技术还存在许多需要进一步探索的问题：CO2注入煤层后的物理化学变化，目前还没有公认的结果；埋藏在深部煤层中的CO2能够滞留的最长时间是多少，会不会逃逸到地下含水层而污染地下水；由于CO2注入煤层产生的物理膨胀，是否会引发局部的地震现象；CO2注入煤层后与煤层发生化学反应，是否改变煤层的物理化学性质，从而引发整个煤储层性质变化等等，许多方面都还需要更深入的认识与实践。正如毛泽东指出：“实践、认识、再实践、再认识，这种形式，循环反复，以至无穷，而实践和认识之每一循环的内容，都比较地进到了高一级的程度。”［4］

实践不但是认识的基础，它还是检验认识是否具有真理性的标准，看实践的结果能否达到预想的目的，这是整个认识过程的继续。产生于西方发达国家的深部煤层CO2地质处置技术，有其明显的社会经济技术与历史文化背景。如果深部煤层CO2地质处置技术能够在技术和经济两个方面都可行的话，那么廉价而又丰富的化石能源将可得到更持久的利用，这对我国这种能源结构以煤为主的发展中国家来说，将具有极其重大的战略意义。深部煤层CO2地质处置成本包括CO2捕获成本、运输成本、注入成本、监测成本等，扣除由此产生的煤层气产量收益，根据发达国家经验，一般都很高，在20欧元每吨左右［5］。我国管道运输系统还不发达，基础设施建设远不能满足实施深部煤层CO2埋藏技术，最明显的是，我国存在煤电分离的现象，即煤矿和电厂分离严重，产煤大省常常不是煤电大省，由此导致捕获的CO2必须经过长距离运输，其成本是十分高昂的，这就是中国的具体实践，完全不同于西方发达国家。还有，中国仅仅是一个发展中国家，经济还很不发达，人年均GDP在世界排名为106位，仅仅为美国的1/14［6］，在全球碳减排中我国完全没有理由在目前的条件下投入巨资实施深部煤层CO2埋藏。

唯物辩证法指出，事物是普遍联系的。提高能源使用效率，开发新技术使用替代能源，都可以实现碳减排，深部煤层CO2处置技术仅仅是CO2地质埋藏的一种技术。我们必须深入再实践，通过有关部门科技工作者的联合攻关，在较准确掌握全国范围内深部煤层CO2地质埋藏潜力的基础上，开展CO2地质埋藏经济规划研究，在我国现有经济技术水平和承担的国际减排义务条件下，全面考察和比较研究各种可能的碳减排技术，从我国实际情况出发，选择最优的减排方法或减排方法组合，从而使我国的社会经济发展走上科学发展道路。一味照搬国外发达国家提出的碳减排技术，是一种教条主义，势必会给我国社会经济发展造成不良影响。

［1］ White C M.Sequestration of Carbon Dioxide in Coal with Enhanced Coalbed Methane Recovery：A Review［J］.Energy Fuels，2005，19（3）：659－724.

［2］ Mazzotti M，Pini R，Storti G.Enhanced Coalbed Methane Recovery［J］.The Journal of Supercritical Fluids，2005，47（4）：619－627.

［3］ Hansson A.Expert Opinions on Carbon Dioxide Capture and Storage：A Framing of Uncertainties and Possibilities［J］.Energy Policy，2009，37（4）：2 273－2 282.

［4］ 中共中央文献编辑委员会.毛泽东选集（第一卷）［M］.北京：人民出版社，1991：296－297.

［5］ Damen K.Identification of Early Opportunities for CO2Sequestration：Worldwide Screening for CO2－EOR and CO2－ECBM Projects［J］.Energy，2005，30（3）：1 931－1 952.

［6］ 《经济论坛》编辑部.《经济论坛》2008世界各国人均 GDP排名［EB/OL］.（2009－05－09）［2009－10－12］.http：//www.tianya.cn/publicforum/content/develop/1/270909.shtml.

（责任编辑 郭立锦）

Philosophical Thinking on Geological Sequestration of CO2in Deep Coal Seams in China

LEI Neng－zhong1，2
（1.Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process of Ministry of Education，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Department of Urban Construction and Environmental Science，West Anhui University，Lu'an 237012，China）

This paper expounds the development history of CO2sequestration in deep coal seams in China in light of the epistemology and contradiction of materialistic dialectics，and analyzes its application prospects in China based on the pragmatic test of truth and the standpoint of universal connection and development between things.Geological sequestration of CO2in deep coal seams originates from the oil and gas resources development and has been improved step by step with the continuous coalbed methane development and scientific research.Its application in China must adapt to Chinese circumstance，which means it must be tested and developed on the basis of the carbon abatement practice in China.

geological sequestration of CO2；deep coal seam；materialistic dialectics

X141

A

1008－3634（2011）01－0046－04

2010－04－27

国家自然科学基金重点项目（40730422）；“863”项目（2006AA06Z231）；地质过程与矿产资源国家重点实验室开放基金项目（GPMR200905）

雷能忠（1969－），男，福建建阳人，皖西学院副教授，中国矿业大学博士生。