中國深部煤層CO2地質(zhì)處置的哲學(xué)思考

雷能忠

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.皖西學(xué)院 城市建設(shè)與環(huán)境系，安徽六安 237012）

中國深部煤層CO2地質(zhì)處置的哲學(xué)思考

雷能忠1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.皖西學(xué)院 城市建設(shè)與環(huán)境系，安徽六安 237012）

利用唯物辯證法的認(rèn)識論、矛盾論觀點全面闡述中國深部煤層CO2地質(zhì)處置的發(fā)展歷程，以真理的實踐標(biāo)準(zhǔn)和事物普遍聯(lián)系與發(fā)展觀點分析深部煤層CO2地質(zhì)處置在中國的應(yīng)用前景。深部煤層CO2地質(zhì)處置源于油氣資源開發(fā)實踐，并在煤層氣開發(fā)和科學(xué)研究的持續(xù)實踐中得到逐步完善，其選擇應(yīng)用，必須與中國國情相適應(yīng)，在我國碳減排實踐中進一步檢驗與發(fā)展。

二氧化碳；地質(zhì)處置；深部煤層；唯物辯證法

工業(yè)革命以來，人類活動對地球生態(tài)系統(tǒng)的影響已從區(qū)域擴展到全球。由于溫室氣體增加產(chǎn)生溫室效應(yīng)所導(dǎo)致的全球變暖已成為人類共同關(guān)注的問題，對CO2的控制已成為世界各國所面對的共同責(zé)任與義務(wù)。最新研究表明，利用廢棄油氣田、深部含水層、海洋深部、不可開采深部煤層等地下空間對CO2地質(zhì)減排是應(yīng)對全球氣候變化的重要途徑之一。自美國于1996年在San Juan basin實施的向深部煤層注入CO2及煤層氣增產(chǎn)試驗以來［1］，深部煤層CO2地質(zhì)埋藏就成為近年來CO2地質(zhì)處置技術(shù)研究與開發(fā)的一個新熱點。這一減排技術(shù)理論的形成時間很短，但經(jīng)歷了由實踐、認(rèn)識、再實踐、再認(rèn)識的多次復(fù)雜循環(huán)往復(fù)，目前正在向更高一級的認(rèn)識和實踐邁進。本文利用唯物辯證法的認(rèn)識論、矛盾論觀點全面闡述CO2地質(zhì)處置的發(fā)展歷程，以真理的實踐標(biāo)準(zhǔn)和事物普遍聯(lián)系和發(fā)展觀點分析中國CO2地質(zhì)處置的應(yīng)用前景，以期為有關(guān)部門決策提供參考。

一、深部煤層CO2地質(zhì)處置的概念與意義

2005年，政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第三工作組公布了由該工作組編寫的CO2捕獲和封存技術(shù)（Carbon Capture and Storage，CCS）特別報告。該報告對CO2捕獲與封存定義如下：CO2捕獲和封存是指把CO2從工業(yè)或相關(guān)能源排放源分離出來，輸送到封存地點進行儲存，并使其長期與大氣隔絕的過程。封存地點為地質(zhì)體的CO2捕獲與封存就稱為CO2地質(zhì)處置。目前科學(xué)證實能夠被用于地質(zhì)處置的地質(zhì)體主要有廢棄油氣田、深部含水層、海洋深部、不可開采深部煤層等。

圖1是深部煤層CO2地質(zhì)處置過程的示意圖。圖中有兩個鉆井，一個是煤層氣（主要是甲烷CH4）生產(chǎn)井（CH4recovery），另一個是CO2注入井（CO2injection）。深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)產(chǎn)生于ECBM（Enhanced Coalbed Methane Recovery）過程，即增強型煤層氣開發(fā)，其實質(zhì)是通過向深部煤層注入CO2，因CO2與CH4在煤層中的競爭吸附，實現(xiàn)以CO2驅(qū)替CH4，從而獲得持續(xù)高產(chǎn)的煤層氣。

將地表捕獲的CO2注入深部煤層，其直接意義是減少了大氣CO2排放量，與此同時還具有以下三個方面的間接意義。第一是CO2注入深部煤層可以獲得高產(chǎn)的煤層氣產(chǎn)量，煤層氣是一種新型潔凈能源，其開發(fā)利用可彌補常規(guī)能源的不足，同時還能夠降低煤炭生產(chǎn)中瓦斯突出與爆炸安全事故的發(fā)生率。第二，我國是煤炭大國，煤炭資源豐富，特別是在地下深部有大面積的煤層分布，這些煤層一般是無法開采的自然資源，利用這些煤層進行CO2地質(zhì)處置，使這些廢棄資源發(fā)揮了作用。第三，在國際事務(wù)中中國正面臨碳減排的沉重壓力，但我國能源結(jié)構(gòu)決定了今后相當(dāng)一段時間內(nèi)煤電還是我國的主要電力資源，將燃煤產(chǎn)生的CO2注入深部地質(zhì)體，可以使我國在可供選擇的其他替代能源出現(xiàn)之前的相當(dāng)一段時間繼續(xù)使用廉價的煤炭資源，其具有重要的戰(zhàn)略意義。

圖1 ECBM過程示意圖［2］

二、深部煤層CO2地質(zhì)處置的早期實踐與認(rèn)識

實踐是認(rèn)識的來源。認(rèn)識產(chǎn)生于實踐的需要，認(rèn)識在實踐中產(chǎn)生。認(rèn)識的形成和發(fā)展都離不開實踐，人們在實踐中獲得經(jīng)驗，再把經(jīng)驗上升為理論。生產(chǎn)活動是最基本的實踐活動，上世紀(jì)六七十年代，人類在石油和天然氣勘探開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，向石油和天然氣儲層中注入CO2可以持續(xù)提高油氣井的產(chǎn)量，逐步形成了一整套較成熟的EOR（Enhanced Oil Recovery）油氣開發(fā)技術(shù)理論。上世紀(jì)70年代末期的世界能源危機，導(dǎo)致美國政府采取稅制優(yōu)惠政策，鼓勵煤層氣開發(fā)。地面勘探開發(fā)石油和常規(guī)天然氣技術(shù)日趨成熟，為地面勘探開發(fā)煤層氣提供了可借鑒的經(jīng)驗和方法。美國于上世紀(jì)80年代取得重大突破，成為世界上第一個大規(guī)模商業(yè)性生產(chǎn)煤層氣的國家，充分證實煤層氣資源的重大價值和潛力，同時也掀起煤層氣勘探開發(fā)的全球性熱潮，隨后中國、加拿大、澳大利亞等相繼開展煤層氣勘探開發(fā)。煤層氣和石油天然氣開發(fā)兩者之間雖存在共性，但由于煤層氣賦存條件的特殊性，煤層氣藏畢竟不是油藏和常規(guī)氣藏，煤儲層相對而言厚度不大，具可壓縮性和化學(xué)活動性，其儲集性能及力學(xué)特征與常規(guī)儲層（如砂巖、碳酸巖）有明顯的區(qū)別，從而導(dǎo)致煤層氣井的鉆井、完井及氣井動態(tài)等一系列的特殊性，其開采難度遠(yuǎn)大于石油和天然氣，國際上一些煤層氣開發(fā)項目相繼陷入困境。

社會的需要，實踐的發(fā)展，不斷提出需要解決的新課題，推動人們從事新的探索，同時人們正是在總結(jié)實踐提供的新經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，才能對新課題給予回答，形成新的理論。煤層氣生產(chǎn)中產(chǎn)生的技術(shù)難題，不斷推動人們?nèi)ふ倚碌募夹g(shù)，而此時日益成熟的EOR技術(shù)給一些陷入困境的煤層氣勘探開發(fā)項目帶來了曙光，以美國Tiffany Unit項目為代表，首先在San Juan basin盆地實施CO2增強型煤層氣開發(fā)，取得了明顯效果，一些已經(jīng)廢棄的煤層氣井在注入CO2一定時期后，又重新噴出煤層氣，而且產(chǎn)量較原先有很大程度的增長。San Juan basin盆地就成為最早實施ECBM技術(shù)的發(fā)源地。

三、深部煤層CO2地質(zhì)處置的再實踐、再認(rèn)識

矛盾是事物發(fā)展的動力。隨著東西方冷戰(zhàn)結(jié)束，和平與發(fā)展成為世界的主題，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境退化已經(jīng)成為人類社會發(fā)展矛盾系統(tǒng)中的一對主要矛盾，在經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境退化的對立統(tǒng)一運動中，經(jīng)濟發(fā)展是矛盾的主要方面，兩者統(tǒng)一于環(huán)境容量，沒有超出環(huán)境容量的發(fā)展，就是可持續(xù)的發(fā)展，超出環(huán)境容量的發(fā)展必然會導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量的退化。

深部煤層CO2地質(zhì)處置的再實踐、再認(rèn)識過程正是起源于人類社會發(fā)展中經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境退化這一對事物的矛盾運動。工業(yè)革命以來，全球經(jīng)濟在經(jīng)歷了多次反復(fù)波動下取得了長足發(fā)展，與此同時，由于經(jīng)濟發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了環(huán)境承載力許可，產(chǎn)生的環(huán)境退化也愈來愈嚴(yán)重，并已經(jīng)成為人類社會發(fā)展最主要的一個制約因素。可持續(xù)發(fā)展理論為人類社會發(fā)展指明了方向。在全球大規(guī)模的可持續(xù)發(fā)展實踐中，人們認(rèn)識到，CO2因其生命期可長達(dá)二百年，對氣候變化影響最大，是全球氣候變暖的首要肇事者，成為全球減緩溫室氣體排放的首要目標(biāo)。在這種歷史背景下，增強型油氣開發(fā)技術(shù)（EOR）和增強型煤層氣開發(fā)技術(shù)（ECBM）給CO2減排帶來了啟示，即在石油、天然氣、煤層氣生產(chǎn)中，可以將捕獲的CO2埋藏于各類地質(zhì)儲層中封存起來。正是基于這個科學(xué)認(rèn)識，使CO2地質(zhì)處置迅速興起成為CCS技術(shù)研究中的一個新熱點而得到國際政府組織和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。

國際上有關(guān)政府組織和科研機構(gòu)開展了大范圍的CO2地質(zhì)處置研究，主要的研究內(nèi)容有以下幾個方面：CO2煤層地質(zhì)處置潛力評估，煤層多組分氣體的競爭吸附與解吸，CO2注入煤層產(chǎn)生的物理、化學(xué)和生物化學(xué)變化，CO2－ECBM現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬，CO2注入煤層后的監(jiān)測，CO2煤層地質(zhì)處置的經(jīng)濟規(guī)劃研究等。

隨著人們生產(chǎn)實踐的擴大和加深，新工具和新技術(shù)的發(fā)明和使用，特別是跨學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，上述5個方面的科學(xué)問題都在不同程度上得到新的認(rèn)識，極大推動了CO2地質(zhì)處置技術(shù)的進步。目前，科學(xué)研究已經(jīng)初步評估了全球深部煤層CO2埋藏潛力；通過實驗室的實驗研究和現(xiàn)場地球物理、地球化學(xué)觀測，對CO2注入深部煤層后產(chǎn)生的物理化學(xué)變化有初步認(rèn)識；CO2－ECBM現(xiàn)場試驗工作也在美國、加拿大、新西蘭、日本、中國等世界許多國家廣泛展開，獲得了豐富的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，為CO2－ECBM數(shù)值模擬與預(yù)測提供了基礎(chǔ)；建立了包括地球物理、地球化學(xué)等較系統(tǒng)的CO2注入煤層后的監(jiān)測方法；在加拿大、美國等國家開展了深部煤層CO2地質(zhì)處置經(jīng)濟規(guī)劃研究，取得了有參考價值的一些區(qū)域性深部煤層CO2地質(zhì)處置成本收益數(shù)據(jù)。上述實踐成果使深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)日臻完善。

四、深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)在中國的應(yīng)用前景

任何真理的認(rèn)識，既具有絕對性的一面，又具有相對性的一面，都是絕對與相對的統(tǒng)一。在科學(xué)認(rèn)識的成果中，既沒有純粹的絕對真理，也沒有純粹的相對真理，如果在真理的認(rèn)識中，只有相對性而沒有絕對性，那么這個所謂的“真理”就失去了不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀內(nèi)容而不成為真理了。反之，如果在真理認(rèn)識中，只有絕對性而無相對性，那么這個所謂的“真理”就成為僵死的“永恒真理”，而這在現(xiàn)實的認(rèn)識過程中是根本不存在的。深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)經(jīng)過反復(fù)的實踐和認(rèn)識［3］，已經(jīng)成為一個可供人類社會選擇的碳減排新技術(shù)，從哲學(xué)上考察，是認(rèn)識主體對客觀事物及其規(guī)律性的正確反映，這是其絕對性一面。但是，受到認(rèn)識主體的歷史條件限制，深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)也存在相對性。這主要表現(xiàn)在，現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)條件下獲得的深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)還存在許多需要進一步探索的問題：CO2注入煤層后的物理化學(xué)變化，目前還沒有公認(rèn)的結(jié)果；埋藏在深部煤層中的CO2能夠滯留的最長時間是多少，會不會逃逸到地下含水層而污染地下水；由于CO2注入煤層產(chǎn)生的物理膨脹，是否會引發(fā)局部的地震現(xiàn)象；CO2注入煤層后與煤層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是否改變煤層的物理化學(xué)性質(zhì)，從而引發(fā)整個煤儲層性質(zhì)變化等等，許多方面都還需要更深入的認(rèn)識與實踐。正如毛澤東指出：“實踐、認(rèn)識、再實踐、再認(rèn)識，這種形式，循環(huán)反復(fù)，以至無窮，而實踐和認(rèn)識之每一循環(huán)的內(nèi)容，都比較地進到了高一級的程度?！保?］

實踐不但是認(rèn)識的基礎(chǔ)，它還是檢驗認(rèn)識是否具有真理性的標(biāo)準(zhǔn)，看實踐的結(jié)果能否達(dá)到預(yù)想的目的，這是整個認(rèn)識過程的繼續(xù)。產(chǎn)生于西方發(fā)達(dá)國家的深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)，有其明顯的社會經(jīng)濟技術(shù)與歷史文化背景。如果深部煤層CO2地質(zhì)處置技術(shù)能夠在技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面都可行的話，那么廉價而又豐富的化石能源將可得到更持久的利用，這對我國這種能源結(jié)構(gòu)以煤為主的發(fā)展中國家來說，將具有極其重大的戰(zhàn)略意義。深部煤層CO2地質(zhì)處置成本包括CO2捕獲成本、運輸成本、注入成本、監(jiān)測成本等，扣除由此產(chǎn)生的煤層氣產(chǎn)量收益，根據(jù)發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗，一般都很高，在20歐元每噸左右［5］。我國管道運輸系統(tǒng)還不發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遠(yuǎn)不能滿足實施深部煤層CO2埋藏技術(shù)，最明顯的是，我國存在煤電分離的現(xiàn)象，即煤礦和電廠分離嚴(yán)重，產(chǎn)煤大省常常不是煤電大省，由此導(dǎo)致捕獲的CO2必須經(jīng)過長距離運輸，其成本是十分高昂的，這就是中國的具體實踐，完全不同于西方發(fā)達(dá)國家。還有，中國僅僅是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟還很不發(fā)達(dá)，人年均GDP在世界排名為106位，僅僅為美國的1/14［6］，在全球碳減排中我國完全沒有理由在目前的條件下投入巨資實施深部煤層CO2埋藏。

唯物辯證法指出，事物是普遍聯(lián)系的。提高能源使用效率，開發(fā)新技術(shù)使用替代能源，都可以實現(xiàn)碳減排，深部煤層CO2處置技術(shù)僅僅是CO2地質(zhì)埋藏的一種技術(shù)。我們必須深入再實踐，通過有關(guān)部門科技工作者的聯(lián)合攻關(guān)，在較準(zhǔn)確掌握全國范圍內(nèi)深部煤層CO2地質(zhì)埋藏潛力的基礎(chǔ)上，開展CO2地質(zhì)埋藏經(jīng)濟規(guī)劃研究，在我國現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)水平和承擔(dān)的國際減排義務(wù)條件下，全面考察和比較研究各種可能的碳減排技術(shù)，從我國實際情況出發(fā)，選擇最優(yōu)的減排方法或減排方法組合，從而使我國的社會經(jīng)濟發(fā)展走上科學(xué)發(fā)展道路。一味照搬國外發(fā)達(dá)國家提出的碳減排技術(shù)，是一種教條主義，勢必會給我國社會經(jīng)濟發(fā)展造成不良影響。

［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］ 中共中央文獻(xiàn)編輯委員會.毛澤東選集（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］ 《經(jīng)濟論壇》編輯部.《經(jīng)濟論壇》2008世界各國人均 GDP排名［EB/OL］.（2009－05－09）［2009－10－12］.http：//www.tianya.cn/publicforum/content/develop/1/270909.shtml.

（責(zé)任編輯 郭立錦）

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

國家自然科學(xué)基金重點項目（40730422）；“863”項目（2006AA06Z231）；地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室開放基金項目（GPMR200905）

雷能忠（1969－），男，福建建陽人，皖西學(xué)院副教授，中國礦業(yè)大學(xué)博士生。