徐州地區(qū)碳封存的潛力分析

向杰 朱丹

1 區(qū)域地質(zhì)背景

徐州地區(qū)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(zhì)構(gòu)造帶的交匯位置，具有構(gòu)造復(fù)雜，斷裂和皺褶發(fā)育的顯著特征。徐沛煤田作為典型的石炭二疊系煤田，在過(guò)去為徐州地區(qū)及周緣煤炭供給發(fā)揮了了重要的保障作用。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的差異，以豐沛斷裂將徐沛煤田分為豐沛礦區(qū)和徐州礦區(qū)，后者以淮陰山脈的西緣分為九里山區(qū)及賈汪區(qū)。兩個(gè)礦區(qū)構(gòu)造呈現(xiàn)出顯著的差異，豐沛礦區(qū)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(lián)合組成，而徐州礦區(qū)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(qū)褶皺發(fā)育較弱，地層相對(duì)平緩，而徐州礦區(qū)以近平行發(fā)育的復(fù)式褶皺為主 。

徐沛煤田含煤地層自下而上為上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和中二疊統(tǒng)下石盒子組，主要可采煤層為下石盒子組2號(hào)煤，山西組7、9號(hào)煤，太原組21號(hào)煤，相應(yīng)厚度、穩(wěn)定性及可采性如表1所示。徐州地區(qū)山西組含煤性最好，單層厚度大，全區(qū)可采，以中灰、低硫、中高發(fā)熱量、低磷、中高揮發(fā)分氣煤為主，是本區(qū)最重要的可采煤層，隨著多年的持續(xù)開(kāi)采，目前大部分井田已經(jīng)基本采完。太原組發(fā)育4層煤層，但普遍為薄-中厚煤層，且部分地區(qū)太原組煤層埋深過(guò)深，如豐沛礦區(qū)三河尖煤礦，開(kāi)采難度大或基本不可采。下石盒子組1、2號(hào)煤層穩(wěn)定性差，厚度及煤體結(jié)構(gòu)變化較大，煤層中常見(jiàn)泥巖夾矸，主要分布于徐州礦區(qū)。

2 煤層CO2封存機(jī)理

（1）吸附封存

煤層是一種由裂隙系統(tǒng)和孔隙系統(tǒng)組成的各向異性巖層，煤基質(zhì)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(zhì)中微-納米孔隙發(fā)育，具有較大的比表面積，甲烷及其他氣體主要以吸附態(tài)賦存于煤基質(zhì)過(guò)渡孔及微孔中（孔徑<100 nm）。前人理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，相同條件下，煤對(duì)CO2的吸附能力通常是對(duì)甲烷吸附能力的2倍以上，其吸附量受到溫度、水分、煤級(jí)等因素共同影響。在溫度及壓力穩(wěn)定的情況下，CO2能夠長(zhǎng)時(shí)間物理吸附賦存于煤中。在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，由于甲烷的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力弱于CO2，當(dāng)往煤層中注入CO2時(shí)，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(duì)于不可采的薄煤層或深部不可采煤層，這些經(jīng)濟(jì)效益低或者無(wú)法安全開(kāi)采的煤層，是CO2吸附封存的另外一個(gè)重要的地質(zhì)場(chǎng)所。對(duì)于煤層CO2地質(zhì)封存，吸附封存機(jī)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(guò)與水反應(yīng)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(shí)也是一個(gè)持續(xù)的、緩慢的過(guò)程。煤層中含有一定含量的無(wú)機(jī)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(yīng)形成弱酸性溶液后，與煤體中無(wú)機(jī)礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以原生礦物的溶蝕及新礦物的生成兩種化學(xué)反應(yīng)為主，同時(shí)，不同賦存狀態(tài)的常量元素和微量元素會(huì)發(fā)生不同特征的遷移現(xiàn)象。此外，原始礦物發(fā)生溶蝕，形成溶蝕孔隙，而新生礦物可能導(dǎo)致原來(lái)的連通孔隙堵塞，兩者共同作用下，影響煤儲(chǔ)層孔隙度及滲透率。

（3）靜態(tài)封存

在煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，雖然甲烷主要以吸附態(tài)賦存于煤基質(zhì)孔隙中，但是仍然有部分甲烷以游離態(tài)賦存于孔徑較大的孔隙及裂隙中。當(dāng)CO2以自由相注入煤層后，必然會(huì)首先占據(jù)煤中游離態(tài)甲烷的儲(chǔ)集空間，這部分游離態(tài)CO2的封存統(tǒng)稱為靜態(tài)封存，進(jìn)一步可以分為構(gòu)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(tài)轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)，單位質(zhì)量?jī)?nèi)自由相CO2體積大幅度減小，有利于CO2地質(zhì)封存。在常規(guī)及非常規(guī)天然氣勘探中，儲(chǔ)層中游離氣的保存需要良好的三維地質(zhì)圈閉，同樣，合適的地層和構(gòu)造條件也是游離態(tài)CO2封存的重要條件。對(duì)于深部煤層而言，自由態(tài)CO2靜態(tài)封存量是地質(zhì)封存量的重要組成部分。

3 地質(zhì)封存條件

安全性和有效性是CO2煤層地質(zhì)封存的首要考慮標(biāo)準(zhǔn)，其中圈閉條件的好壞判斷是CO2煤層地質(zhì)封存的前提條件。周來(lái)認(rèn)為圈閉標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮包括煤層均質(zhì)埋藏封存、構(gòu)造簡(jiǎn)單、滲透率合適、深度適宜、煤層形態(tài)與分布俱佳、煤層原始?xì)怏w飽和狀態(tài)合適、煤層無(wú)開(kāi)采工程擾動(dòng)七個(gè)方面。張文東等研究表明蓋層、構(gòu)造條件、水動(dòng)力條件、地震活動(dòng)情況是影響深部煤層CO2地質(zhì)封存的主要因素?？偠灾?，煤層及區(qū)域地質(zhì)的穩(wěn)定性是選擇處置CO2場(chǎng)所的前提。煤層越厚、平面分布越穩(wěn)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(dāng)煤層埋深過(guò)淺，無(wú)法保證CO2封存的安全性和有效性，當(dāng)埋深過(guò)大，滲透率低，CO2無(wú)法有效注入煤層;斷裂、大規(guī)模裂縫、不連續(xù)蓋層發(fā)育及構(gòu)造活躍區(qū)域，是CO2地質(zhì)封存的不利區(qū)。進(jìn)一步，基于河?xùn)|煤田煤炭、煤層氣地質(zhì)條件及地震情況，段鵬飛提出了煤層CO2地質(zhì)封存選區(qū)指標(biāo)體系，主要包含潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)、安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及灌注性指標(biāo)，并確定了相應(yīng)閾值及標(biāo)準(zhǔn)分。然而對(duì)煤層本身的性質(zhì)如煤厚、平面穩(wěn)定性、孔隙度等性質(zhì)考慮稍顯不足。

4 潛力分析

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

CO2煤層地質(zhì)封存的合適深度一般與煤層氣開(kāi)發(fā)的有利區(qū)帶埋深大體相似，埋深介于300～1500 m，但也有學(xué)者認(rèn)為CO2安全封存煤層的埋深在1000～2000 m。徐州地區(qū)目前有多座煤礦開(kāi)采深度大于1000 m，主要分布于豐沛礦區(qū)及徐州九里山礦區(qū)，如三河尖煤礦、張雙樓煤礦、張小樓煤礦等，主要開(kāi)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(shì)，埋深主體介于300～600 m。學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，受地質(zhì)構(gòu)造影響，東西礦區(qū)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，徐州地區(qū)在多期次構(gòu)造應(yīng)力的共同影響下形成現(xiàn)今復(fù)雜的構(gòu)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(fā)育，形成菱形斷塊。正斷裂切穿煤層及頂?shù)装濉⑸w層，形成復(fù)雜的裂縫-斷裂通道，煤層氣保存條件差，豐沛礦區(qū)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(zhì)封存。徐州礦區(qū)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(dá)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(gòu)造，甲烷含氣量一般在1～4 m3/t，均有利于CO2煤層地質(zhì)封存?？紤]到煤層埋深及構(gòu)造保存條件，徐州九里山礦區(qū)的CO2煤層地質(zhì)封存條件相對(duì)理想。就具體構(gòu)造樣式而言，徐州地區(qū)控煤構(gòu)造樣式包含伸展型，壓縮型和平移型三種類型，其中伸展構(gòu)造樣式包含掀斜斷塊、壘塹構(gòu)造，壓縮構(gòu)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(gòu)造下盤有利于CO2煤層地質(zhì)封存。

5 結(jié)論

徐州地區(qū)煤炭占能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主體，CO2排放形勢(shì)不容樂(lè)觀，CO2煤層地質(zhì)封存是CO2減排的可選方案。CO2煤層地質(zhì)封存機(jī)理可以分為吸附封存、溶解封存、礦化封存及靜態(tài)封存，吸附封存量占地質(zhì)封存量的主體，而深部煤層自由態(tài)CO2靜態(tài)封存量是地質(zhì)封存量的重要組成部分。煤層及區(qū)域地質(zhì)的穩(wěn)定性是選擇處置CO2場(chǎng)所的前提，山西組7號(hào)煤層厚度最大，是CO2地質(zhì)封存的首選煤層。考慮到煤層埋深及構(gòu)造保存條件，徐州九里山礦區(qū)的CO2煤層地質(zhì)封存條件相對(duì)理想，就具體構(gòu)造樣式而言，背斜兩翼+逆斷層組合及逆沖疊瓦構(gòu)造下盤有利于CO2煤層地質(zhì)封存。

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