徐州地区碳封存的潜力分析

向杰 朱丹

1 区域地质背景

徐州地区位于华北板块东南缘，东部与郯庐断裂带相接，南部靠近大别造山带。作为几大地质构造带的交汇位置，具有构造复杂，断裂和皱褶发育的显著特征。徐沛煤田作为典型的石炭二叠系煤田，在过去为徐州地区及周缘煤炭供给发挥了了重要的保障作用。根据区域地质构造的差异，以丰沛断裂将徐沛煤田分为丰沛矿区和徐州矿区，后者以淮阴山脉的西缘分为九里山区及贾汪区。两个矿区构造呈现出显著的差异，丰沛矿区断裂由一系列走向近EW，倾向S的张性断裂以及近SN走向的平移断裂联合组成，而徐州矿区以一系列近平行的倾向NW-NNW压扭性逆冲断裂和倾向SE-SEE压扭性逆冲断裂组成。丰沛矿区褶皱发育较弱，地层相对平缓，而徐州矿区以近平行发育的复式褶皱为主 。

徐沛煤田含煤地层自下而上为上石炭统太原组、下二叠统山西组和中二叠统下石盒子组，主要可采煤层为下石盒子组2号煤，山西组7、9号煤，太原组21号煤，相应厚度、稳定性及可采性如表1所示。徐州地区山西组含煤性最好，单层厚度大，全区可采，以中灰、低硫、中高发热量、低磷、中高挥发分气煤为主，是本区最重要的可采煤层，随着多年的持续开采，目前大部分井田已经基本采完。太原组发育4层煤层，但普遍为薄-中厚煤层，且部分地区太原组煤层埋深过深，如丰沛矿区三河尖煤矿，开采难度大或基本不可采。下石盒子组1、2号煤层稳定性差，厚度及煤体结构变化较大，煤层中常见泥岩夹矸，主要分布于徐州矿区。

2 煤层CO2封存机理

（1）吸附封存

煤层是一种由裂隙系统和孔隙系统组成的各向异性岩层，煤基质孔隙和裂隙是煤层中以甲烷为主的煤层气的赋存空间。与其他多孔吸附固体相似，煤基质中微-纳米孔隙发育，具有较大的比表面积，甲烷及其他气体主要以吸附态赋存于煤基质过渡孔及微孔中（孔径<100 nm）。前人理论与实验研究表明，相同条件下，煤对CO2的吸附能力通常是对甲烷吸附能力的2倍以上，其吸附量受到温度、水分、煤级等因素共同影响。在温度及压力稳定的情况下，CO2能够长时间物理吸附赋存于煤中。在煤层气开采过程中，由于甲烷的竞争吸附能力弱于CO2，当往煤层中注入CO2时，可以置换中煤中的甲烷，提高煤层气采收率，即CO2-ECBM（Enhanced Coal Bed Methane）。另一方面，对于不可采的薄煤层或深部不可采煤层，这些经济效益低或者无法安全开采的煤层，是CO2吸附封存的另外一个重要的地质场所。对于煤层CO2地质封存，吸附封存机理所占的封存量占主要部分。

（2）溶解封存及矿化封存

不可忽视的是，在地层条件下，受到温度、压力及地层水的影响，CO2注入煤层后，可以通过与水反应形成含CO2溶液形成溶解封存。CO2溶解封存量受到多种因素共同影响，包括温度、压力、地层水矿化度等，同时也是一个持续的、缓慢的过程。煤层中含有一定含量的无机矿物，主要以碳酸盐矿物（方解石、白云石），黄铁矿及石英为主，在CO2与地层水反应形成弱酸性溶液后，与煤体中无机矿物发生化学反应，以原生矿物的溶蚀及新矿物的生成两种化学反应为主，同时，不同赋存状态的常量元素和微量元素会发生不同特征的迁移现象。此外，原始矿物发生溶蚀，形成溶蚀孔隙，而新生矿物可能导致原来的连通孔隙堵塞，两者共同作用下，影响煤储层孔隙度及渗透率。

（3）静态封存

在煤层气的勘探开发实践中，我们发现，虽然甲烷主要以吸附态赋存于煤基质孔隙中，但是仍然有部分甲烷以游离态赋存于孔径较大的孔隙及裂隙中。当CO2以自由相注入煤层后，必然会首先占据煤中游离态甲烷的储集空间，这部分游离态CO2的封存统称为静态封存，进一步可以分为构造地层封存和残余气封存。随着地层埋深增加，在温度和压力的作用下，CO2逐渐从气态转化为超临界态，单位质量内自由相CO2体积大幅度减小，有利于CO2地质封存。在常规及非常规天然气勘探中，储层中游离气的保存需要良好的三维地质圈闭，同样，合适的地层和构造条件也是游离态CO2封存的重要条件。对于深部煤层而言，自由态CO2静态封存量是地质封存量的重要组成部分。

3 地质封存条件

安全性和有效性是CO2煤层地质封存的首要考虑标准，其中圈闭条件的好坏判断是CO2煤层地质封存的前提条件。周来认为圈闭标准应考虑包括煤层均质埋藏封存、构造简单、渗透率合适、深度适宜、煤层形态与分布俱佳、煤层原始气体饱和状态合适、煤层无开采工程扰动七个方面。张文东等研究表明盖层、构造条件、水动力条件、地震活动情况是影响深部煤层CO2地质封存的主要因素。总而言之，煤层及区域地质的稳定性是选择处置CO2场所的前提。煤层越厚、平面分布越稳定，越有利于CO2的封存;煤的滲透率随着上覆地层压力增加而减少，当煤层埋深过浅，无法保证CO2封存的安全性和有效性，当埋深过大，渗透率低，CO2无法有效注入煤层;断裂、大规模裂缝、不连续盖层发育及构造活跃区域，是CO2地质封存的不利区。进一步，基于河东煤田煤炭、煤层气地质条件及地震情况，段鹏飞提出了煤层CO2地质封存选区指标体系，主要包含潜力评价指标、安全评价指标及灌注性指标，并确定了相应阈值及标准分。然而对煤层本身的性质如煤厚、平面稳定性、孔隙度等性质考虑稍显不足。

4 潜力分析

徐州地区山西组7号煤层单层平均厚度最大，主体介于3～5 m之间，是CO2地质封存的首选煤层，然而山西组煤层受煤矿开采影响范围大，可选范围较小，太原组17-21号煤层在部分区域单层厚度较大，是CO2地质封存的第二选择。此外，煤层结构、稳定性、孔隙度、渗透率特征也是CO2煤层地质封存需要考虑的重要指标。

CO2煤层地质封存的合适深度一般与煤层气开发的有利区带埋深大体相似，埋深介于300～1500 m，但也有学者认为CO2安全封存煤层的埋深在1000～2000 m。徐州地区目前有多座煤矿开采深度大于1000 m，主要分布于丰沛矿区及徐州九里山矿区，如三河尖煤矿、张双楼煤矿、张小楼煤矿等，主要开采太原组煤层。向东由于受逆冲推覆抬升的影响，煤层埋深呈变浅的趋势，埋深主体介于300～600 m。学者研究发现，受地质构造影响，东西矿区煤层甲烷含量/瓦斯涌出量差异显著，主要受断裂、褶皱部位及陷落柱的影响。受到中-新生代板块构造运动的影响，徐州地区在多期次构造应力的共同影响下形成现今复杂的构造格局。丰沛断裂以西，虽然地层褶皱变形较弱，但是弧形正断裂十分发育，形成菱形断块。正断裂切穿煤层及顶底板、盖层，形成复杂的裂缝-断裂通道，煤层气保存条件差，丰沛矿区矿井基本为低瓦斯-瓦斯矿井，煤层气资源潜力低，同样不利于CO2煤层地质封存。徐州矿区以近平行的逆冲断裂为主，断裂的封闭性较好，煤层气保存条件好。马坡-张集一带，煤层埋藏总体介于1000～1500 m，甲烷含气量一般在3～5 m3/t，最高可达9.26 m3/t。在王庄-拾屯-大刘一带，煤层埋藏主体介于350～600 m，为一逆冲断裂切割的单斜构造，甲烷含气量一般在1～4 m3/t，均有利于CO2煤层地质封存。考虑到煤层埋深及构造保存条件，徐州九里山矿区的CO2煤层地质封存条件相对理想。就具体构造样式而言，徐州地区控煤构造样式包含伸展型，压缩型和平移型三种类型，其中伸展构造样式包含掀斜断块、垒堑构造，压缩构造样式分为逆冲叠瓦型、背斜-断裂组合、向斜-断裂组合、隔挡型，而平移型主要为平移走滑断裂。其中背斜两翼+逆断层组合及逆冲叠瓦构造下盘有利于CO2煤层地质封存。

5 结论

徐州地区煤炭占能源消费结构的主体，CO2排放形势不容乐观，CO2煤层地质封存是CO2减排的可选方案。CO2煤层地质封存机理可以分为吸附封存、溶解封存、矿化封存及静态封存，吸附封存量占地质封存量的主体，而深部煤层自由态CO2静态封存量是地质封存量的重要组成部分。煤层及区域地质的稳定性是选择处置CO2场所的前提，山西组7号煤层厚度最大，是CO2地质封存的首选煤层。考虑到煤层埋深及构造保存条件，徐州九里山矿区的CO2煤层地质封存条件相对理想，就具体构造样式而言，背斜两翼+逆断层组合及逆冲叠瓦构造下盘有利于CO2煤层地质封存。

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