封存過(guò)程中二氧化碳對(duì)煤體理化性質(zhì)的作用規(guī)律

王倩倩，張登峰，王浩浩，顧麗莉，楊勁，楊榮，陶軍

（昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

二氧化碳（CO2）作為最主要的人為溫室氣體將引發(fā)全球氣候變暖問(wèn)題。為此，人類(lèi)社會(huì)需要采取措施降低CO2的排放水平以緩解氣候變暖趨勢(shì)。研究表明，實(shí)施CO2捕集與封存技術(shù)（CO2capture and sequestration，CCS）能夠削減能源行業(yè)排放CO2的20%[1]。CO2封存包括地質(zhì)封存和深海封存，其中可用于地質(zhì)封存的圈閉結(jié)構(gòu)主要包括枯竭的油氣藏、油層、深部咸水層和深部不經(jīng)濟(jì)性煤層等[2-4]。其中，強(qiáng)化煤層氣（CH4）開(kāi)采的深部煤層封存CO2技術(shù)（CO2sequestration in coal seams with enhanced coal-bed methane recovery，CO2-ECBM）引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-10]。一方面，深部煤層具有極可觀的CO2封存潛力，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，全球范圍內(nèi)煤層CO2封存規(guī)模可以達(dá)到300～964Gt[11]；另一方面，由于CO2分子的極化率和電離勢(shì)均高于CH4分子，因此CO2分子與煤體分子之間具有更深的吸附勢(shì)阱，即吸附作用更強(qiáng)（圖1）。上述煤分子與CO2及CH4分子之間的微觀作用規(guī)律，將導(dǎo)致CO2在煤層封存的過(guò)程中驅(qū)替出CH4。獲得的CH4資源在一定程度上將抵償CO2的封存成本（圖2）。

截至目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)深部煤層封存CO2開(kāi)展的研究工作和取得的研究成果主要包括：①不同儲(chǔ)層條件下（溫度、壓力、煤的變質(zhì)程度和平衡水含量），煤對(duì)單組分CO2及CH4的吸附性能[8，12-13]；②不同儲(chǔ)層條件下，煤對(duì)CO2/CH4混合組分的吸附性能[14-16]；③飽和CH4煤樣的CO2驅(qū)替行為[17-19]；④模擬儲(chǔ)層條件下，煤吸附CO2后的基質(zhì)溶脹效 應(yīng)[20-22]；⑤深部煤層封存CO2潛力評(píng)價(jià)與實(shí)例分 析[23-25]。

圖1 CO2和CH4分子在煤孔隙表面的吸附勢(shì)能

圖2 強(qiáng)化煤層氣（CH4）開(kāi)采的深部煤層封存CO2技術(shù)

深部煤層封存CO2是一個(gè)涉及多元流體與固體作用的過(guò)程。對(duì)于目標(biāo)煤層，其CO2封存能力和CH4可采收能力是首要考察目標(biāo)，因此相關(guān)研究人員結(jié)合煤體對(duì)CO2和CH4流體的吸附作用及規(guī)律開(kāi)展了廣泛且深入的研究工作，并獲得了豐富的研究成果。然而，考慮到適宜封存的儲(chǔ)層條件下（溫度、壓力）CO2的流體特性和煤層自身特征，CO2流體和煤體之間還存在除吸附作用以外的其他流固作用。為此，本文將對(duì)深部煤層封存CO2過(guò)程中的關(guān)鍵流-固作用及其對(duì)煤體理化性質(zhì)的影響進(jìn)行評(píng)述。

1 CO2流體對(duì)煤體物理性質(zhì)的作用

圖3 煤層結(jié)構(gòu)示意圖[28]

煤的物理性質(zhì)主要包括顯微硬度、可磨性、真密度、視密度、最高內(nèi)在水分和孔隙結(jié)構(gòu)等。由于煤層結(jié)構(gòu)特征對(duì)CO2流體的封存具有重要的影響，為此以CO2流體對(duì)煤層物理結(jié)構(gòu)的作用進(jìn)行評(píng)述。煤層內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)包括基質(zhì)（matrix）和割理（cleat）兩種類(lèi)型（圖3）[10]。研究證明，CO2、CH4等流體在煤基質(zhì)和割理結(jié)構(gòu)中的運(yùn)移方式不同[26]。其中，流體在基質(zhì)中的運(yùn)移主要是以擴(kuò)散（diffusion）為主，并遵循Fick定律，因此推動(dòng)力為濃度梯度；然而，流體在割理中的運(yùn)移方式以層流（laminar flow）為主，遵循Darcy定律，因此推動(dòng)力為壓力梯度。由于CO2封存主要通過(guò)煤基質(zhì)的物理吸附作用實(shí)現(xiàn)[27]，因此煤層割理結(jié)構(gòu)將會(huì)影響CO2流體在煤層內(nèi)部的運(yùn)移，而煤基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)將決定目標(biāo)煤層的CO2封存性能。

現(xiàn)有研究表明：針對(duì)煤層封存CO2的過(guò)程，CO2流體對(duì)煤基質(zhì)和割理結(jié)構(gòu)均具有潛在的影響。

1.1 對(duì)基質(zhì)的作用

Larsen等[29]提出煤基質(zhì)大分子交聯(lián)體系具有玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)特征，整個(gè)體系的Gibbs自由能并沒(méi)有達(dá)到最小，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此，在封存過(guò)程中，高壓CO2流體會(huì)對(duì)煤體自身的理化性質(zhì)產(chǎn)生潛在影響。目前，多數(shù)研究報(bào)道指出CO2在煤基質(zhì)表面發(fā)生吸附的同時(shí)會(huì)誘導(dǎo)煤基質(zhì)發(fā)生溶脹（swelling）作 用[30-32]；然而，CO2的解吸又會(huì)引起煤基質(zhì)收縮。因此，溶脹與收縮的疊加效應(yīng)將會(huì)影響煤基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)。煤基質(zhì)是CO2等流體發(fā)生吸附的主要場(chǎng) 所[10]，如圖3所示，煤基質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括微孔、介孔和大孔。Gathitu等[33]針對(duì)經(jīng)高壓 CO2作用后并充分脫氣的煤樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果表明：收到基煙煤微孔表面積和孔容增加，但對(duì)于干燥基煙煤微孔表面積和孔容變化不明顯；收到基和干燥基褐煤微孔表面積和孔容值均呈增加趨勢(shì)；對(duì)于介孔和大孔體系（孔徑＞2nm），收到基和干燥基煙煤的介孔及大孔表面積增加，然而收到基和干燥基褐煤卻呈降低趨勢(shì)。Gathitu等[33]輔以掃描電子顯微鏡（SEM）表征結(jié)果證實(shí)了上述結(jié)論。Kutchko等[34]利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和表面積分析技術(shù)對(duì)Pittsburgh和Sewickly兩種收到基煙煤經(jīng)CO2作用前后孔結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了研究（作用壓力、溫度和時(shí)間分別為15.3MPa、328K和104天）。其中，F(xiàn)E-SEM結(jié)果表明CO2不會(huì)明顯改變煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)（圖4和圖5），而以CO2和N2作為分子探針的分析數(shù)據(jù)表明，經(jīng)CO2作用后兩種煤樣的微孔和介孔表面積存在輕微的變化（變化范圍為3%～19%）。Zhang等[35]利用N2吸附測(cè)量技術(shù)針對(duì)CO2作用前后的3種煤級(jí)煤（干燥基）進(jìn)行了孔隙結(jié)構(gòu)的表征。結(jié)果表明：CO2作用不會(huì)改變煤基質(zhì)孔隙形狀及孔容分布，而CO2作用后煤樣的介孔表面積均出現(xiàn)降低或者升高的現(xiàn)象（Bulianta煙煤和 Zhangji煙煤的介孔表面積均降低，相對(duì)煤級(jí)較高的Liulin煙煤介孔表面積升高）。

圖4 Pittsburgh煙煤CO2作用前后的FE-SEM表征[34]

由上述文獻(xiàn)可知：封存過(guò)程中的CO2流體不會(huì)改變煤基質(zhì)孔隙的整體形貌，然而卻會(huì)對(duì)孔隙的表面積等參數(shù)產(chǎn)生輕微的作用，具體的作用規(guī)律與煤樣的變質(zhì)程度、實(shí)驗(yàn)煤樣的賦存狀態(tài)、孔徑尺寸等因素有關(guān)。

1.2 對(duì)割理的作用

如圖6所示，CO2流體在煤基質(zhì)微孔表面發(fā)生吸附的同時(shí)將會(huì)誘導(dǎo)基質(zhì)發(fā)生溶脹效應(yīng)。溶脹將會(huì)壓縮割理結(jié)構(gòu)，會(huì)縮小割理空間并降低煤層機(jī)械強(qiáng)度和滲透性能，因此不利于流體在煤層內(nèi)部的運(yùn)移和吸附，最終給目標(biāo)煤層封存CO2過(guò)程帶來(lái)負(fù)面 影響。

圖6 煤基質(zhì)溶脹及割理壓縮示意圖[36]

目前，針對(duì)CO2等流體在煤基質(zhì)內(nèi)部孔表面吸附所導(dǎo)致的溶脹現(xiàn)象已展開(kāi)深入研究。首先，絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為煤基質(zhì)溶脹程度與流體類(lèi)型有關(guān)。Reucroft等[37]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CO2流體導(dǎo)致的煤的體積溶脹率為0.36%～1.31%，而氦氣（He）等非吸附性氣體卻沒(méi)有誘導(dǎo)基質(zhì)產(chǎn)生明顯的溶脹效應(yīng)。van Bergen等[21]和Pini等[38]研究認(rèn)為氣相主體壓力相同時(shí)，CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)的溶脹程度高于CH4和N2。然而，Pan等[39]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CO2、CH4和N2的吸附量相同時(shí)，3種流體引起的溶脹程度也相同，因此認(rèn)為煤體的溶脹主要取決于煤體對(duì)流體的吸附量。其次，CO2導(dǎo)致煤基質(zhì)的溶脹具有異質(zhì)性，具體體現(xiàn)在維度和煤的顯微組分兩方面。維度異質(zhì)性表現(xiàn)為垂直于煤層方向上的溶脹程度強(qiáng)于平行方 向[40]。Zarebska等[41]認(rèn)為維度異質(zhì)性主要?dú)w因于流體分子進(jìn)入煤基質(zhì)垂直方向內(nèi)部的能壘低于煤層的平行方向。對(duì)于顯微組分溶脹異質(zhì)性，Karacan 等[42-44]證實(shí)鏡質(zhì)組表現(xiàn)出膨脹效應(yīng)，而惰質(zhì)組和高嶺石組織表現(xiàn)出收縮效應(yīng)。最后，CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹過(guò)程是否可逆目前存在爭(zhēng)議。多數(shù)學(xué)者基于聲發(fā)射（AE）、三維測(cè)試或者衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）數(shù)據(jù)認(rèn)為，CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹是不可逆過(guò)程[35，45-49]，煤體的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度均會(huì)發(fā)生變化。然而，Day等[50]和Melnichenko等[51]分別利用可視化光學(xué)系統(tǒng)和小角/超小角中子散射（SANS/USANS）技術(shù)對(duì)CO2作用前后煤基質(zhì)的孔隙性質(zhì)進(jìn)行了研究，研究表明煤基質(zhì)微孔隙未發(fā)生明顯變化，因此認(rèn)為溶脹過(guò)程完全可逆。分析認(rèn)為，CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹是否可逆問(wèn)題存在分歧的原因可能與CO2流體和煤體的作用條件（溫度、壓力等）、煤樣的變質(zhì)程度及研究手段有關(guān)。為此，針對(duì)不同煤級(jí)煤，在寬溫度和壓力區(qū)間范圍內(nèi)，綜合采用上述多種研究手段對(duì)煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)進(jìn)行研究，有助于最終明確和解釋CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹過(guò)程是否可逆問(wèn)題。

需要指出，煤吸附CO2的同時(shí)會(huì)誘導(dǎo)溶脹效應(yīng)，溶脹效應(yīng)又會(huì)通過(guò)改變煤基質(zhì)孔隙性質(zhì)和割理結(jié)構(gòu)影響煤吸附CO2的能力，因此只有綜合考慮吸附作用及溶脹效應(yīng)兩方面，才能夠?qū)O2-ECBM技術(shù)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。為此，Chareonsuppanimit等[36]通過(guò)耦合簡(jiǎn)化的局域密度吸附模型（SLD）[52]和Pan等提出的溶脹模型[39]形成SLD-PC模型。由于該模型綜合考慮吸附和溶脹效應(yīng)，因此相比其他單一的等溫吸附模型，該模型對(duì)于煤體封存CO2能力具有極高的預(yù)測(cè)精度。針對(duì)目標(biāo)煤層的CO2封存潛力評(píng)價(jià)，SLD-PC模型有望成為較權(quán)威的預(yù)測(cè)工具。

2 CO2流體對(duì)煤體化學(xué)性質(zhì)的作用

封存過(guò)程中，CO2流體不僅會(huì)對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)煤體自身化學(xué)性質(zhì)構(gòu)成影響?，F(xiàn)有研究顯示煤的主體化學(xué)結(jié)構(gòu)是三維空間聚合物結(jié)構(gòu)[53]，其是芳香層大小、芳香性、雜原子、側(cè)鏈官能團(tuán)特征以及不同結(jié)構(gòu)單元鍵合類(lèi)型和作用方式的綜合表現(xiàn)。

2.1 CO2流體對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的作用

目前對(duì)于煤層封存CO2過(guò)程中，煤和CO2分子之間的化學(xué)作用存在不同的認(rèn)識(shí)。Mazumder等[54]利用高壓靜態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在煤層封存CO2的過(guò)程中極有可能存在煤和CO2反應(yīng)生成CO的反應(yīng)。Nishino等[55]針對(duì)20種不同煤樣的CO2吸附實(shí)驗(yàn)（吸附溫度和壓力分別為20℃和0.1MPa）發(fā)現(xiàn)煤樣含有的羧基（—COOH）是CO2分子的優(yōu)先吸附位，因而表明CO2分子在煤體表面的吸附可能存在化學(xué)吸附。Huang等[56]利用密度泛函（DFT）理論模擬結(jié)果進(jìn)一步指出煤表面的羧基（—COOH）、羥基（—OH）等含氧官能團(tuán)能夠與CO2分子形成氫鍵，從而強(qiáng)化煤和CO2之間的相互作用。此外，含氧官能團(tuán)還能通過(guò)強(qiáng)化煤體表面電子分布的離域化程度及改變最高占據(jù)分子軌道（HOMO）兩種途徑增強(qiáng)煤體和CO2間的作用?；瘜W(xué)吸附是吸附質(zhì)分子碰撞到固體吸附劑表面，從而與吸附劑表面上的原子或分子發(fā)生電子的交換、共有或轉(zhuǎn)移，最終形成化學(xué)鍵的吸附作用類(lèi)型[57-58]。因此，上述研究結(jié)果表明CO2分子在煤體上不僅僅是發(fā)生物理吸附，還會(huì)發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。Cao等[59]利用固態(tài)13C核磁共振（NMR）光譜技術(shù)研究了CO2吸附（吸附溫度和最大壓力分別為20℃和4.27MPa）對(duì)高揮發(fā)分煙煤的4種煤巖類(lèi)型（鏡煤、亮亮煤、亮煤和絲炭）化學(xué)結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律，研究表明CO2在煤體發(fā)生吸附的同時(shí)會(huì)與煤體發(fā)生某些化學(xué)作用，具體表現(xiàn)為：與CO2接觸后，鏡煤和絲炭的芳香性降低，脂肪族側(cè)鏈增加；與之相反，亮煤和亮亮煤的芳香性增加，脂肪族側(cè)鏈含量降低。

2.2 作用機(jī)理

關(guān)于CO2流體對(duì)煤體化學(xué)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理目前仍未有定論，截至目前，可能的作用機(jī)理主要有以下幾方面。

（1）Mastalerz等[60]發(fā)現(xiàn)不同煤巖類(lèi)型的煤巖學(xué)組成（鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組）存在差異，并且各煤巖學(xué)組成對(duì)CO2存在不同響應(yīng)，因此上述原因?qū)е虏煌簬r類(lèi)型與CO2之間的化學(xué)作用存在 差異。

（2）研究證明地質(zhì)封存CO2最適宜的深度范圍為800～1000m[2]，對(duì)于深部不經(jīng)濟(jì)性煤層而言，封存深度將更深。因此，封存深度范圍對(duì)應(yīng)的煤層溫度及壓力條件均高于CO2的臨界溫度（Tc）和臨界壓力（pc）（Tc= 304.2K，pc=7.3MPa），封存的CO2流體屬于超臨界態(tài)。研究表明，超臨界CO2流體的擴(kuò)散性能與氣體相仿，溶解能力與液體類(lèi)似，黏度和表面張力值較小，因而具有極強(qiáng)的萃取性 能[61]。同時(shí)，根據(jù)Jüntgen提出的煤的兩相化學(xué)結(jié)構(gòu)模型（圖7）[53]，煤的大分子主體結(jié)構(gòu)中分散了一些小分子有機(jī)物（稱(chēng)為移動(dòng)相）。因此，超臨界CO2流體具有萃取煤大分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的小分子有機(jī)物的潛力。Kolak等[62]通過(guò)動(dòng)態(tài)萃取實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超臨界CO2流體能夠萃取出高揮發(fā)分煙煤內(nèi)部的多環(huán)芳烴（PAHs）和烷烴。Zhang等[35]根據(jù)靜態(tài)萃取實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)超臨界CO2流體能夠?qū)?種不同變質(zhì)程度煤樣（3種煙煤和一種無(wú)煙煤）內(nèi)部的正構(gòu)烷烴萃取出來(lái)。岳立新等[63]指出壓力處于7～10MPa的超臨界CO2能夠萃取出煤體中較低極性的類(lèi)脂有機(jī)化合 物和碳?xì)浠衔铮ɡ珲ァ⒚?、?nèi)酯類(lèi)、環(huán)氧化合物）。煤內(nèi)部的有機(jī)物被萃取出來(lái)，煤體化學(xué)性質(zhì)也會(huì)隨之發(fā)生改變。

圖7 煤的兩相物理結(jié)構(gòu)模型[53]

（3）目前已有CO2分子與煤體表面某些含氧官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)吸附的研究報(bào)道[55]。如果確實(shí)存在上述化學(xué)吸附作用，那么CO2分子必然會(huì)與煤體表面原子（或分子）形成吸附化學(xué)鍵，從而一定程度上改變煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

需要指出，上述研究人員針對(duì)煤和CO2分子之間的化學(xué)作用的研究工作雖然一定程度上有助于揭示作用機(jī)理，但仍需要改進(jìn)和完善。分析認(rèn)為，后續(xù)需要在以下方面深入開(kāi)展研究工作。首先，進(jìn)一步明確煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)。由于煤的非晶態(tài)特性及結(jié)構(gòu)高度異質(zhì)性，對(duì)煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)的解析尚未形成共識(shí)（Given模型、Wiser模型、Shinn模型和本田模型等均可用來(lái)描述煤體化學(xué)結(jié)構(gòu)[64-65]），為此，利用儀器表征手段和理論分析工具明確不同變質(zhì)程度煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)有助于探明煤和CO2分子之間的化學(xué)作用機(jī)理。其次，利用原位儀器分析技術(shù)對(duì)CO2和煤的作用過(guò)程進(jìn)行研究。目前，大多數(shù)的研究都是針對(duì)CO2作用后的煤樣進(jìn)行相應(yīng)的理化性質(zhì)表征，但是這樣的表征手段并不能如實(shí)客觀反映CO2和煤作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程。為此，采用高壓ATR-FTIR、高壓成像系統(tǒng)等原位表征手段有助于對(duì)CO2和煤的作用過(guò)程進(jìn)行直接分析。最后，采用量子化學(xué)計(jì)算工具進(jìn)行輔助研究。由于煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有多變性和復(fù)雜性，單純利用實(shí)驗(yàn)研究的手段很難對(duì)煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)做全面的描述，因此有必要采用理論工具作為輔助研究的手段。具體而言，經(jīng)典的量子化學(xué)理論為從分子水平上研究CO2分子和煤體大分子結(jié)構(gòu)之間的相互作用提供了強(qiáng)大的理論工具。目前，以量子化學(xué)理論為基礎(chǔ)的Gaussian、VASP、DMol和PWSCF等商業(yè)化計(jì)算軟件已為研究人員進(jìn)行相應(yīng)的理論模擬工作提供了便利。依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果并結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將有助于全面闡釋CO2和煤體之間化學(xué)作用機(jī)理。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

利用深部煤層實(shí)現(xiàn)CO2的封存主要是基于多孔性煤體具有自發(fā)吸附的特性，然而考慮到煤體性質(zhì)和適宜儲(chǔ)層條件下CO2流體的特征，煤體和CO2流體之間還存在除吸附作用以外的作用關(guān)系。現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的研究顯示封存過(guò)程中煤體和CO2流體之間的作用關(guān)系主要包括以下兩個(gè)方面。

（1）CO2會(huì)誘導(dǎo)煤基質(zhì)發(fā)生溶脹作用。煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)會(huì)改變煤基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)和煤割理的滲透性能，因此會(huì)影響注入的CO2流體在煤層內(nèi)部的擴(kuò)散/吸附行為以及煤層的滲透率。

（2）適宜儲(chǔ)層條件下，CO2流體處于超臨界狀態(tài)。超臨界CO2流體具有萃取煤大分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的小分子有機(jī)物的潛力。對(duì)于煤層封存CO2的過(guò)程，如果煤內(nèi)部的有機(jī)物被超臨界CO2萃取出來(lái)并進(jìn)入其他地層或含水層，極有可能對(duì)環(huán)境安全與健康造成威脅。

針對(duì)目前CO2-ECBM技術(shù)的研究，除了關(guān)注目標(biāo)煤層的CO2吸附性能之外，仍需要圍繞CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹效應(yīng)和超臨界CO2流體萃取作用兩方面開(kāi)展以下研究工作。

（1）深入研究CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹機(jī)理及其可逆性能。利用NMR及拉曼（Raman）光譜等手段進(jìn)行不同煤級(jí)煤化學(xué)結(jié)構(gòu)的解析，同時(shí)結(jié)合高分子聚合物溶脹理論將有助于深入揭示煤基質(zhì)的溶脹機(jī)理。針對(duì)煤基質(zhì)溶脹過(guò)程是否可逆的問(wèn)題，可以在寬溫度和壓力區(qū)間范圍內(nèi)，綜合參考多種表征手段（如AE、三維測(cè)試、ATR-FTIR、可視化光學(xué)系統(tǒng)SANS/USANS等）的分析結(jié)果，從而最終明確CO2誘導(dǎo)煤基質(zhì)溶脹過(guò)程是否可逆問(wèn)題。

（2）精確分析超臨界CO2流體萃取出煤基質(zhì)中有機(jī)物的組成及含量。在模擬儲(chǔ)層條件（溫度、壓力、煤體平衡水含量和煤的變質(zhì)程度）和注入條件（CO2注入流率）下，超臨界CO2流體對(duì)煤內(nèi)部有機(jī)物的萃取過(guò)程遵循怎樣的規(guī)律、被萃取出有機(jī)物的組成分布和濃度大小情況如何、被萃取出有機(jī)物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)處于怎樣的強(qiáng)度范圍目前仍未明確。為此，結(jié)合上述問(wèn)題，針對(duì)超臨界CO2流體對(duì)煤基質(zhì)的萃取作用開(kāi)展研究工作有助于為煤層封存CO2技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)，最終有助于完善煤層封存CO2技術(shù)的理論與應(yīng)用體系。

（3）建立深部煤層封存CO2潛力的評(píng)價(jià)方法學(xué)。從地質(zhì)條件入手，在超臨界CO2流體對(duì)煤體理化性質(zhì)的作用規(guī)律及機(jī)理所開(kāi)展的研究工作基礎(chǔ)上，深入探討影響CO2封存量的主控因素（如安全性、可封存煤層資源儲(chǔ)量、煤層可注入性、蓋層密封性能、儲(chǔ)層及水文地質(zhì)、煤層氣資源情況、煤及礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)程度、封存地和排放源匹配程度、其他風(fēng)險(xiǎn)）及上述因素的綜合控制作用，并建立深部煤層封存CO2潛力的評(píng)價(jià)方法學(xué)，從而為CO2-ECBM技術(shù)的預(yù)先調(diào)研與客觀評(píng)估提供有效的工具。

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