注二氧化碳強(qiáng)化煤層氣開(kāi)采研究進(jìn)展

撒占友，吳靜波，陸衛(wèi)東，楊永亮，張 鑫，盧守青，劉 杰

（1.青島理工大學(xué)安全科學(xué)與工程系，山東青島 266520；2.青島理工大學(xué)山東省重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域事故防范技術(shù)研究中心，山東青島 266520；3.新疆工程學(xué)院安全科學(xué)與工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830023）

隨著人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步，全球經(jīng)濟(jì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的需求和人類對(duì)生活的需求使得大量CO2排放到大氣中，CO2引起的全球變暖與極端氣象等事件對(duì)人類生活生產(chǎn)造成巨大影響。全球溫暖化促成了《氣候變動(dòng)框架條約》、《京都議定書(shū)》等文件的構(gòu)建，目的就是將大氣中溫室氣體量控制在可接受的安全水平內(nèi)。中國(guó)已經(jīng)是世界第一大CO2排放國(guó)，習(xí)近平宣布中國(guó)力爭(zhēng)在2030 年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。李俠祥等[1]研究證明，中國(guó)CO2排放量將在2030 年左右達(dá)到峰值。為了減少CO2向大氣中排放，學(xué)者們提出二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)，目前公認(rèn)較好的封存場(chǎng)所為廢棄油氣藏、深部咸水層和不可開(kāi)采煤層[2]。

深部不可開(kāi)采煤層封存CO2利用了煤巖對(duì)于CO2的吸附強(qiáng)度大于對(duì)CH4的吸附強(qiáng)度，將CO2注入煤層后可以將其內(nèi)部CH4氣體置換出來(lái)，這種方法稱為CO2強(qiáng)化煤層氣開(kāi)采技術(shù)（CO2-Enhanced Coalbed Methane Recovery，CO2-ECBM），注氣技術(shù)最早被用于石油開(kāi)采行業(yè)，隨著科技發(fā)展，注氣驅(qū)替煤層氣增產(chǎn)逐步得到推廣使用，此方法封存了CO2的同時(shí)還提升了煤層氣開(kāi)采，為企業(yè)帶來(lái)附屬經(jīng)濟(jì)利益。

為了探究CO2-ECBM 的最佳條件，借助前人的研究成果對(duì)煤級(jí)、溫度、壓力、含水率等影響因素，以及煤層內(nèi)氣體運(yùn)移理論及吸附模型進(jìn)行分析總結(jié)，利用VOSviewer 軟件從時(shí)間角度分析并預(yù)測(cè)了CO2-ECBM 的研究趨勢(shì)。

1 CO2-ECBM 影響因素

煤對(duì)氣體吸附能力受多方面因素作用，為此從CO2-ECBM 的主要影響因素，也是眾多學(xué)者的主要研究方向，即煤級(jí)與孔隙結(jié)構(gòu)、溫度與壓力、水分含量等因素方面對(duì)CO2-ECBM 過(guò)程進(jìn)行分析。

1.1 煤級(jí)與孔隙結(jié)構(gòu)

研究不同煤級(jí)煤對(duì)氣體吸附能力的差異性主要從宏觀與微觀2 方面分析。宏觀指的是直接利用不同煤級(jí)煤對(duì)CO2、CH4等氣體做吸附等溫曲線，分析不同煤對(duì)氣體吸附情況；微觀指的是通過(guò)射線、圖像等手段，從煤的孔隙結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、粒度、可壓縮性、吸附熱等多方面分析吸附性能。

孔隙結(jié)構(gòu)影響煤對(duì)氣體吸附量，研究發(fā)現(xiàn)，在煤化過(guò)程中，煤吸附孔結(jié)構(gòu)受其變質(zhì)程度影響，隨著煤級(jí)增加，比孔體積與比表面積呈U 型變化，即先減小后增大的趨勢(shì)，在鏡質(zhì)組最大反射率（R.max）約為1.3%時(shí)達(dá)到最小值[3]，而煤變質(zhì)程度是通過(guò)其比表面積影響吸附能力的[4]?？捉Y(jié)構(gòu)中大孔范圍隨著煤級(jí)增大而逐漸減小，孔隙結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化，高階煤級(jí)中微孔結(jié)構(gòu)開(kāi)始增加，裂縫趨于良好定向擴(kuò)展[5-6]?；|(zhì)壓縮會(huì)影響煤微孔狀態(tài)，而基質(zhì)壓縮系數(shù)與煤級(jí)之間呈先減小后增大，再減小的三次函數(shù)關(guān)系，拐點(diǎn)位于R.max約為1.3%與2.5%處[7]。

根據(jù)Langmuir 單分子層吸附理論，煤對(duì)氣體吸附量受Langmuir 體積與Langmuir 壓力影響，而2 個(gè)變量又受到煤變質(zhì)程度的影響，隨著R.max增大，Langmuir 體積呈先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，而Langmuir 壓力則呈先減小后增大的趨勢(shì)，低階煤和高階煤的Langmuir 壓力大于中階煤的Langmuir 壓力，說(shuō)明在降壓過(guò)程中，低階煤與高階煤中的吸附氣體比中階煤中的吸附氣體更容易解吸[8]。Langmuir 方程不適用于不同煤級(jí)煤對(duì)三元混合氣體等溫吸附的描述，而多項(xiàng)式模型可以準(zhǔn)確表達(dá)該過(guò)程，應(yīng)用多項(xiàng)式模型表明中級(jí)煤對(duì)氣體的吸附量最低，這與以往單組分氣體吸附結(jié)果不同，說(shuō)明混合氣體的組分與比例對(duì)煤吸附情況有一定影響[9]。

1.2 溫度與壓力

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)CO2大多數(shù)情況下優(yōu)先于CH4被吸附，注氣壓力越高則驅(qū)替效率越高[10]，但低煤階煤的CO2/CH4吸附比值隨壓力增加而降低[11]，原因可能與吸附質(zhì)在大孔或微孔中的表觀擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，CO2的動(dòng)力學(xué)直徑較CH4與N2的動(dòng)力學(xué)直徑更小，則其表觀微孔擴(kuò)散率更大，同時(shí)有研究表明CO2的表觀大孔擴(kuò)散率也大于CH4與N2，這就導(dǎo)致CO2氣體分子可以進(jìn)入CH4或N2無(wú)法滲透的微小孔中[12]。

在常壓階段，吸附量與壓力呈正相關(guān)，壓力是影響吸附量的主要因素；而低壓階段，溫度是影響吸附量的主要因素，壓力降低，溫度影響力增大[13]。同一壓力下，吸附量曲線隨溫度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，在40 ℃時(shí)達(dá)到最大值，因此認(rèn)為40 ℃為最佳驅(qū)替溫度[14]；而在注氣壓力為1.4 MPa 時(shí)，置換單位量CH4所需的CO2最少，因此認(rèn)為1.4 MPa 為最佳注氣壓力[15]。Levy 等[16]研究結(jié)果表明在5 MPa、30 ℃狀態(tài)下，溫度每升高1 ℃，甲烷吸附量減少0.12 mL/g。

煤吸附氣體影響煤的滲透率，同時(shí)滲透率反作用影響著氣體在煤層中的擴(kuò)散滲流。魏建平等[17]、袁梅等[18]研究了應(yīng)力、孔隙壓力和溫度耦合下對(duì)煤體滲透率的影響，表明高應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，滲透率與溫度呈負(fù)相關(guān)；低應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，滲透率與溫度呈正相關(guān)，學(xué)者認(rèn)為這種現(xiàn)象可能與煤基質(zhì)內(nèi)、外膨脹效應(yīng)有關(guān)；而袁梅實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明煤體滲透率與孔隙壓力間呈指數(shù)關(guān)系，孔隙壓力恒定時(shí)，滲透率隨溫度增加而下降；吳迪等[19]、李曉泉等[20]的研究結(jié)果表明氣體吸附量隨體積應(yīng)力增加而減小，CH4驅(qū)替效率同時(shí)降低，原因可能是有效體積應(yīng)力的增加降低了煤層滲透率。

1.3 水分含量

研究水分的影響主要集中在水對(duì)煤儲(chǔ)層吸附特性、對(duì)煤層變形及滲透率、對(duì)氣體滲流運(yùn)移等方面。研究手段通常為在相同條件下，采用干煤樣與不同含水率煤樣、高壓注水煤樣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

注水煤樣的Langmuir 壓力與Langmuir 體積均高于干煤樣和水平衡煤樣，同時(shí)注水煤樣的等溫吸附量也高于另外2 類樣品，而隨著含水率的增加，平衡水煤樣的等溫吸附量逐漸降低并與之呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，究其原因，是高壓注水增大了煤樣滲透率，其滲透率顯著高于干煤樣的滲透率，而干煤樣滲透率略高于平衡水煤樣滲透率，且平衡水煤樣的滲透率隨含水率的增大而降低，水堵塞或填充了煤樣的部分微孔，占據(jù)了吸附位，降低了微孔體積，減少了氣體可運(yùn)移或吸附范圍，最終使煤層氣體等溫吸附量降低[21-26]。另有學(xué)者認(rèn)為水分以引起煤變形與力學(xué)性質(zhì)變化的方式影響滲透率，且在擴(kuò)散速率方面，其對(duì)CH4的影響大于對(duì)CO2的影響，隨著含水率降低，楊氏模量增大，并表明煤在失去水分后會(huì)硬化[27]。

孔隙壓力增大會(huì)降低煤滲透率，但隨著含水率增加，孔隙壓力對(duì)滲透率的影響減弱，而水分子對(duì)滲透率作用增強(qiáng)[28]，雖然煤的滲透率隨含水率的增加而降低，但兩者之間并不是簡(jiǎn)單的反相關(guān)線性關(guān)系，而呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系[29-30]。即使水分顯著降低了煤對(duì)氣體的吸附能力，但煤樣對(duì)CH4及CO2的吸附量仍然隨煤級(jí)的增加呈線性增加的趨勢(shì)，其中高煤級(jí)水平衡煤樣對(duì)氣體吸附量的降低幅度較小[31]。

水分還影響煤儲(chǔ)層氣體含量與滲流速度。隨著含水率上升，水分子封堵孔裂隙，使其中甲烷氣體難以運(yùn)移，加大抽采難度。但有學(xué)者認(rèn)為在抽采作用下，含水率較高煤的氣體含量下降速度卻更快，壓力下降幅度也更大。文獻(xiàn)［32］研究了煤層含水率分別為0.54%、1.09%、11.6%時(shí)的抽采效果，結(jié)果表明，水分子占據(jù)了吸附位，降低了煤對(duì)氣體的吸附能力，使裂隙系統(tǒng)中游離氣含量增加，使煤儲(chǔ)層中形成更大的氣體壓力，因此，在抽放過(guò)程中，瓦斯壓力與瓦斯含量下降速度更快。另外，增加煤層有效應(yīng)力，氣體滲流速度以二次函數(shù)關(guān)系遞減，該函數(shù)的應(yīng)力敏感區(qū)位置與滲流速度取決于煤層含水量。同時(shí)，含水率增加會(huì)降低煤體黏聚力和內(nèi)摩擦角[33]。因此，在建立模型或設(shè)計(jì)開(kāi)采方案時(shí)考慮水分因素是很有必要的。

2 氣體吸附運(yùn)移理論及數(shù)學(xué)模型

對(duì)CO2-ECBM 理論的研究，主要集中于吸附模型、煤巖對(duì)氣體吸附機(jī)理、氣體在煤層中流動(dòng)特性以及煤層流固耦合等方面。

2.1 氣體運(yùn)移理論

氣體在煤層中運(yùn)移總體分為2 種類型：一是在孔徑r＜1 μm 時(shí)做擴(kuò)散運(yùn)移；二是在孔徑r≥1 μm時(shí)做滲流運(yùn)移[34]。CH4在煤層中運(yùn)移是解吸-擴(kuò)散-滲流相互作用，相互影響的復(fù)雜機(jī)制，在注氣井與產(chǎn)氣井壓差作用下，裂隙中CH4發(fā)生滲流向產(chǎn)氣井運(yùn)移，使孔隙與裂隙中CH4產(chǎn)生濃度差，孔隙中CH4發(fā)生解吸，在濃度差作用下孔隙中CH4發(fā)生擴(kuò)散向裂隙運(yùn)移[35]。同理，注入CO2后也會(huì)引起滲流-擴(kuò)散-吸附過(guò)程，最終在多因素作用下造成CO2-ECBM，而CH4在水飽和煤中運(yùn)移有2 個(gè)階段，分別由毛細(xì)管力控制和擴(kuò)散控制[36]。

根據(jù)Knudsen 數(shù)，可將氣體擴(kuò)散分為Fick 擴(kuò)散、Knudsen 擴(kuò)散和過(guò)渡型擴(kuò)散，在不同孔徑中擴(kuò)散類型是不同的，由于煤體存在多種尺寸孔徑，所以氣體在煤體中擴(kuò)散類型是多樣的[37]。但擴(kuò)散性能受到溫度、壓力及水分等多因素影響，且該過(guò)程是非熱力平衡的，擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨溫度升高而增大[38-39]。

在研究CO2-ECBM 模擬時(shí)主要有3 種思路，即單孔單滲、雙孔單滲與雙孔雙滲，大多數(shù)模擬研究基于雙孔單滲假設(shè)。雙孔單滲假設(shè)指的是煤被看作是由孔隙和裂隙組成的雙重固體介質(zhì)，孔隙和裂隙分別是吸附態(tài)甲烷和游離態(tài)甲烷存在的主要場(chǎng)所，氣體在孔隙中運(yùn)移主要以擴(kuò)散為主且符合Fick 定律，在裂隙中運(yùn)移以滲流為主且符合Darcy 定律，在分析過(guò)程中僅考慮裂隙滲流，而忽略煤基質(zhì)滲流的情況。但氣體滲流在很多情況下并不符合達(dá)西滲流，而滿足非達(dá)西滲流，非達(dá)西滲流狀態(tài)也是學(xué)者的研究重點(diǎn)。

2.2 氣體吸附理論與數(shù)學(xué)模型

氣體吸附理論及其表達(dá)式見(jiàn)表1。

表1 氣體吸附理論及其表達(dá)式Table 1 Gas adsorption theory and its expression

1916 年，朗格繆爾首次通過(guò)研究固體表面吸附特性，得出單組分單分子層的狀態(tài)方程；1931 年，Markham 與Benton 將其擴(kuò)展為雙組分氣體吸附，之后又發(fā)展為多組分氣體吸附，但Langmuir 方程的本質(zhì)仍然是基于均勻表面單分子層吸附?，F(xiàn)代理論認(rèn)為，固體表面層是不均勻狀態(tài)，如此形成不同的活性中心，導(dǎo)致被吸附氣體并非平鋪于吸附劑表面，可能是1 個(gè)氣體分子被多個(gè)相鄰活性中心吸附，根據(jù)此理論，學(xué)者總結(jié)出適用于不均勻表面的Freundlich 經(jīng)驗(yàn)方程。

學(xué)者認(rèn)為煤層對(duì)氣體吸附是由范德華力引起的物理吸附，則吸附狀態(tài)不僅為單分子層吸附。1938年，Brunnuer 等提出多分子層吸附理論及模型，之后在考慮到吸附層不是無(wú)限大，而是有限制的，僅能吸附層的基礎(chǔ)上，將模型發(fā)展為3 參數(shù)BET 方程，當(dāng)為1 時(shí)，即為單分子層吸附；1947 年，理論進(jìn)一步發(fā)展，Dubinin 分別與Radushkevich、Astakhov 提出微孔填充理論和最優(yōu)體積填充模型。此外，還有Ideal Adsorbed Solution（IAS）理論，用于計(jì)算氣體吸附量；Simplified Local Density（SLD）理論，用于計(jì)算CH4吸附密度，得到絕對(duì)吸附量。

Rupple 等[40]表明利用Langmuir 方程能很好表達(dá)煤對(duì)CH4的吸附，但隨著學(xué)者們的深入研究，發(fā)現(xiàn)Langmuir 方程的擬合結(jié)果并不理想，而微孔填充理論更符合實(shí)際。崔永君等[41-42]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)煤吸附CH4擬合精度高低順序?yàn)椋簄=1 時(shí)的D-A 方程>Langmuir 方程> D-R 方程>BET 方程；于洪觀等[43]研究發(fā)現(xiàn)煤吸附CO2擬合精度高低順序?yàn)椋築ET 方程＞Langmuir 方程＞D-A 方程＞D-R 方程。

模型只是研究煤吸附氣體行為的工具，某種模型對(duì)于某種煤的吸附預(yù)測(cè)較好，但對(duì)另一種煤的吸附預(yù)測(cè)可能并不理想，因此，研究時(shí)因考慮不同煤的特性，煤與氣體間相互作用情況，不能盲目使用模型進(jìn)行分析。

2.3 注氣驅(qū)替甲烷研究

向煤層中注入非CH4氣體可以有效驅(qū)替CH4，達(dá)到增產(chǎn)目的。Fulton 等[44]與Reznik 等[45]分別在低壓與高壓下向煤樣注入CO2，結(jié)果表明注CO2能提高CH4產(chǎn)量，且加大注入壓力能提高CH4生產(chǎn)率。一些學(xué)者向煤樣中注入CH4、CO2、N2的二元、三元混合物，結(jié)果顯示CO2在與CH4的吸附中占有優(yōu)勢(shì)，而N2在與CH4的吸附中處于劣勢(shì)，由此可說(shuō)明氣體的吸附能力為CO2＞CH4＞N2[46-48]。

混合氣體在煤層中的吸附不是獨(dú)立的，而是彼此之間存在吸附競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，處于此消彼長(zhǎng)的狀態(tài)[49]，并且這種競(jìng)爭(zhēng)性在變壓吸附過(guò)程中直接影響到各組分的吸附解吸情況[50]。CO2與N2雖然都能驅(qū)替CH4達(dá)到增產(chǎn)目的，但原理是不同的，N2是通過(guò)降低甲烷有效分壓使CH4從孔隙中解吸出來(lái)，而CO2是分壓與競(jìng)爭(zhēng)吸附的作用[51]；注入氣體還有攜帶與稀釋的功能，注入氣體流量越大，則置換作用越弱而攜帶與稀釋作用越強(qiáng)[52]。煤對(duì)氣體的吸附是物理吸附，其吸附解吸情況與氣體注入順序無(wú)關(guān)，只與氣體吸附前后狀態(tài)有關(guān)，氣體的沸點(diǎn)、吸附勢(shì)阱及分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度等都可影響煤層對(duì)氣體的吸附[53-54]。

綜上所述，在提高CH4采收率方面，注入CO2比N2更有效，100%的CO2對(duì)CH4的抽采效果要優(yōu)于CO2與N2混合氣的效果。

3 國(guó)內(nèi)外CO2-ECBM 先導(dǎo)性試驗(yàn)及應(yīng)用

我國(guó)提出力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)[55]。碳達(dá)峰是指一定空間范圍內(nèi)年碳排放總量達(dá)到工業(yè)化以來(lái)最高值，進(jìn)入平臺(tái)期，之后逐漸降低的狀態(tài)；碳中和是指CO2等溫室氣體的排放與吸收相同，實(shí)現(xiàn)正負(fù)相抵，即排放到大氣中的CO2等溫室氣體凈增量為0[56]。任世華等[57]、桑樹(shù)勛等[58]認(rèn)為發(fā)展CO2-ECBM 技術(shù)，推動(dòng)碳捕獲、利用與封存對(duì)碳減排具有重要作用。利用不可開(kāi)采煤層封存CO2并將其中煤層氣開(kāi)采出來(lái)，在保護(hù)環(huán)境同時(shí)增加企業(yè)收益。

1972 年，Every 等發(fā)現(xiàn)CO2氣流可以有效去除碎煤中CH4，1977 年，他們將所有與向煤層注入CO2驅(qū)替CH4有關(guān)的內(nèi)容申請(qǐng)了發(fā)明專利[59-60]。自此，眾多國(guó)家在這方面做了許多先導(dǎo)性試驗(yàn)。美國(guó)是開(kāi)采利用煤層氣最早的國(guó)家，學(xué)者們?cè)谑ズ才璧貙?shí)測(cè)收集了大量數(shù)據(jù)并加以分析，驗(yàn)證了“基質(zhì)收縮理論”，闡述了CCS 項(xiàng)目可能性[61]。之后在科羅拉多州盆地做了N2增強(qiáng)煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)，但結(jié)果是失敗的，N2既沒(méi)有取代CH4也沒(méi)有促進(jìn)CH4解吸[62]。2001 年，波蘭啟動(dòng)歐洲第1 個(gè)煤層封存CO2和提高煤層氣采收先導(dǎo)性試驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)果顯示CO2被煤吸收了，這給長(zhǎng)期CO2煤層封存穩(wěn)定性增強(qiáng)了信心[63]。日本學(xué)者研究了該國(guó)CO2封存潛力，通過(guò)先導(dǎo)試驗(yàn)認(rèn)識(shí)到滲透率對(duì)CO2封存或增強(qiáng)煤層氣生產(chǎn)的重要性，認(rèn)為提高煤層滲透率是全球大規(guī)模實(shí)施CO2-ECBM 的關(guān)鍵之一[64]。加拿大、澳大利亞，荷蘭，印度等國(guó)也先后在本國(guó)開(kāi)展CO2-ECBM 的先導(dǎo)性試驗(yàn)。

中國(guó)在CO2-ECBM 方面研究起步相對(duì)較晚，但仍有不少學(xué)者以不同埋藏深度為研究對(duì)象，定量評(píng)價(jià)了中國(guó)不同煤層范圍可封存CO2容量，在地下可封存CO2總?cè)萘繛?4 548 億t，其中300～1 500 m深煤層范圍可封存CO2容量約為120.78 億t，可增采煤層氣達(dá)16 320 億m3，煤層氣開(kāi)發(fā)主要為華北與華南煤層氣省，而CO2封存的良好位置為沁水、鄂爾多斯、準(zhǔn)格爾盆地等[65-68]。中國(guó)最早的CO2-ECBM 先導(dǎo)試驗(yàn)是在沁水盆地的中加合作項(xiàng)目，項(xiàng)目取得了不錯(cuò)的效果，結(jié)果表明利用沁水盆地高階無(wú)煙煤封存CO2同時(shí)提高煤層氣產(chǎn)量是可行的，高階無(wú)煙煤相對(duì)低階煤可以用較少CO2驅(qū)替出等量煤層氣，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)良好[69]。

CO2-ECBM 可行性得到驗(yàn)證，但封存的安全性，包括泄漏，存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)，環(huán)境等問(wèn)題仍然需要大量研究。美國(guó)弗吉尼亞州的CO2封存試驗(yàn)點(diǎn)利用作為天然示蹤劑，用以檢測(cè)注入CO2泄漏的可能性。結(jié)果表明在上覆地層中檢測(cè)到碳同位素值，但下伏煤層沒(méi)有明顯CO2泄漏，證明碳同位素仍然是有效監(jiān)測(cè)泄漏問(wèn)題的示蹤劑[70]。

4 討 論

4.1 CO2-ECBM 相關(guān)文獻(xiàn)和關(guān)鍵詞

基于CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索2010—2021 年期間與“CO2-ECBM”相關(guān)文獻(xiàn)共計(jì)864 篇，利用CNKI 自有計(jì)量可視化分析功能得到年度與文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量之間的關(guān)系，2010—2021 年國(guó)內(nèi)與“CO2-ECBM”相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量如圖1。

由圖1 可知，在碳達(dá)峰大背景下，2013 年后有關(guān)CO2-ECBM 研究大幅上升，并在整體上呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，基于CNKI 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年相關(guān)文獻(xiàn)量達(dá)109 篇，說(shuō)明CO2-ECBM 在未來(lái)仍是熱點(diǎn)話題。

從CNKI 和Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索2015—2020 年期間與“CO2-ECBM”相關(guān)文獻(xiàn)，將所得文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞等信息以適當(dāng)格式保存。基于VOSviewer 軟件導(dǎo)入已存文件，對(duì)關(guān)鍵詞信息以時(shí)間順序進(jìn)行分析，2015—2020 年國(guó)外與“CO2-ECBM”相關(guān)關(guān)鍵詞趨向如圖2，2015—2020 年國(guó)內(nèi)與“CO2-ECBM”相關(guān)關(guān)鍵詞趨向圖如圖3。

由圖2 可知，2016 年之前，國(guó)外學(xué)者研究關(guān)鍵詞主要為sorption、strain 及permeability 等為主要內(nèi)容，也就是從宏觀上分析煤層在應(yīng)力等條件作用下氣體運(yùn)移，吸附情況。2016—2018 年，學(xué)者多應(yīng)用各種模型，在科技手段下對(duì)不同煤級(jí)煤樣的組成成分進(jìn)行分析，研究組成成分及不同煤階對(duì)吸附的影響，期間以中國(guó)地質(zhì)作為研究對(duì)象所貢獻(xiàn)的文獻(xiàn)居多。近些年研究關(guān)鍵詞為pore structure 與specific surface area 等，也就是從孔隙結(jié)構(gòu)等微觀角度分析CO2-ECBM 的作用機(jī)理，在此基礎(chǔ)上研究溫度與注氣壓力、應(yīng)力等外界條件對(duì)煤層滲透率、CH4開(kāi)采量與CO2封存量的影響更為廣泛。

由圖3 可知，2016 年之前，我國(guó)學(xué)者仍然以地質(zhì)封存潛力評(píng)價(jià)和注CO2驅(qū)替煤層氣，以提高采收率為主要研究?jī)?nèi)容，在宏觀上探究中國(guó)利用不可開(kāi)采煤層封存CO2的可行性。2016—2018 年，學(xué)者多采用數(shù)值模擬手段，利用多物理場(chǎng)耦合方式研究CO2-ECBM 過(guò)程，方向逐漸趨向于微觀分子模擬，但CH4與CO2的競(jìng)爭(zhēng)吸附研究仍然是重點(diǎn)。近些年主要從煤體官能團(tuán)、分形維數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)等方面探究其對(duì)瓦斯抽采或CO2封存的影響，值得注意是利用液態(tài)CO2或超臨界CO2研究CO2-ECBM 過(guò)程成為一種趨勢(shì)。

利用CNKI 中可視化分析功能將有關(guān)滲透率、孔隙（孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙壓力、孔隙度）、數(shù)值模擬及超臨界CO2等4 個(gè)關(guān)鍵詞按年文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量分析，2010—2021 年國(guó)內(nèi)相關(guān)主題文獻(xiàn)數(shù)量趨向圖如圖4。

通過(guò)對(duì)比圖2、圖3 和圖4 可以看出：在2016年之前，都是從宏觀上評(píng)價(jià)煤層封存能力，探究外界條件對(duì)煤吸附氣體的影響以及注入CO2后煤層內(nèi)CO2與CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附原理，在此基礎(chǔ)上，研究逐漸趨向于微觀，從煤的組成成分，孔隙結(jié)構(gòu)等微觀角度出發(fā)，在分子學(xué)角度分析煤對(duì)氣體吸附原理及注CO2提高CH4采收率的機(jī)理。在CO2-ECBM 過(guò)程中，提高滲透率是研究的重點(diǎn)內(nèi)容，近些年針對(duì)滲透率的研究呈上升趨勢(shì)，利用有限元軟件做多物理場(chǎng)耦合模擬更為普遍。由圖4 可知，2018 年以后，研究超臨界CO2驅(qū)替煤層中CH4的文獻(xiàn)開(kāi)始增多，在地底高溫高壓作用下，注入煤層的CO2并非僅為氣態(tài)，而呈多種狀態(tài)共存，有研究表明注入超臨界CO2較氣態(tài)CO2，在提高煤層氣采收率方面更具優(yōu)勢(shì)。

4.2 問(wèn)題和展望

CO2-ECBM 能將CO2封存于煤層中，減少碳排放，同時(shí)強(qiáng)化煤層氣開(kāi)采，提高經(jīng)濟(jì)效益。但CO2-ECBM 在理論研究與技術(shù)應(yīng)用方面面臨的困難是客觀而現(xiàn)實(shí)的，因此要明確該過(guò)程的利弊條件，以追求最優(yōu)效果。為此，從有效性、廣泛性、經(jīng)濟(jì)性及安全性方面闡明CO2-ECBM 存在的問(wèn)題。

1）有效性。有效性是CO2-ECBM 實(shí)施過(guò)程中最需解決的難點(diǎn)，是廣泛性、經(jīng)濟(jì)性及安全性的基礎(chǔ)與前提。CO2-ECBM 的有效性仍有許多問(wèn)題尚待解決，例如，熱-氣-水-固-化相互作用對(duì)氣體滲流擴(kuò)散的影響；多尺度煤巖對(duì)氣體的吸附特征；超臨界CO2的可注性及其對(duì)煤層特性的影響；智能調(diào)節(jié)壓注參數(shù)及注入方式的研發(fā)；搭建與工程試驗(yàn)相匹配的大型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；基于理論數(shù)學(xué)模型與工程實(shí)際，優(yōu)化數(shù)值模擬技術(shù)，用數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)工程實(shí)踐等。

2）廣泛性。我國(guó)煤田分布廣泛，但煤的滲透率普遍較低，提高滲透率的主要方法有水力壓裂技術(shù)和定向羽狀水平鉆井技術(shù)等，但這2 種方法缺點(diǎn)明顯，需要開(kāi)發(fā)合理有效且經(jīng)濟(jì)性良好的增滲技術(shù)；目前CO2-ECBM 項(xiàng)目?jī)H以沁水盆地為主，需要不斷勘探新的合適煤層，探究不同煤級(jí)、不同煤層面積與開(kāi)采工藝之間的關(guān)系；從匹配封存量、實(shí)際封存量、有效封存量及理論封存量等角度評(píng)價(jià)CO2地質(zhì)封存量，為CO2-ECBM 技術(shù)推廣做好準(zhǔn)備。

3）經(jīng)濟(jì)性。CO2-ECBM 中重要的是有充足的CO2氣體來(lái)源，現(xiàn)有工業(yè)分離法回收的CO2不能滿足大規(guī)模使用，且經(jīng)濟(jì)效益較低，與之相關(guān)的工業(yè)化CO2捕獲、分離、運(yùn)輸及封存能力仍有待提高。另一方面，規(guī)?；疌O2-ECBM 需要配置相應(yīng)的設(shè)施，一次性投資較大，因此，需要研發(fā)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)有效的壓注采抽技術(shù)及配套設(shè)施，以期降低CO2-ECBM 經(jīng)濟(jì)成本。

4）安全性。從封蓋層、裂隙和生產(chǎn)井等方面加強(qiáng)對(duì)CO2地質(zhì)封存安全性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性的定量或定性安全評(píng)價(jià)研究；研發(fā)長(zhǎng)期耐腐蝕材料，增強(qiáng)CO2注入管道與CH4抽采管道的防腐蝕能力；優(yōu)化工藝參數(shù)，搭建智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，防止煤與CO2突出，為CO2-ECBM 打好安全保障。

在國(guó)家的大力支持下，在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的指引下，在工程實(shí)踐的指導(dǎo)下，相信中國(guó)的科技工作者們一定能克服各種難題，在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的CO2-ECBM 技術(shù)應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）煤級(jí)、溫度、壓力、含水率等因素能通過(guò)改變氣體自由能、占據(jù)吸附位、減小煤體滲透率的方式影響煤的吸附能力，不同外界因素對(duì)CO2-ECBM 產(chǎn)氣率影響較大，在具體實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r做先導(dǎo)性試驗(yàn)。我國(guó)目前實(shí)地先導(dǎo)性工程較少，仍處于對(duì)煤樣的研究過(guò)程中，效果較好的先導(dǎo)性試驗(yàn)工程位于沁水盆地等地區(qū)。

2）煤體是由孔隙及裂隙組成的雙重固體介質(zhì)，CO2-ECBM 過(guò)程是吸附/解吸-擴(kuò)散-滲流等組成的復(fù)雜系統(tǒng)，煤對(duì)氣體的吸附表征有多種數(shù)學(xué)模型，但模型只是研究煤吸附氣體行為的工具，具體研究應(yīng)依據(jù)不同煤特性，注入氣體性質(zhì)等多因素條件使用不同吸附模型，不能盲目使用模型。

3）基于VOSviewer 軟件分析了國(guó)內(nèi)外與“CO2-ECBM”有關(guān)文獻(xiàn)年度趨向及關(guān)鍵詞趨向，結(jié)果表明CO2-ECBM 研究在我國(guó)處于上升趨勢(shì)，未來(lái)有關(guān)CO2-ECBM 熱度會(huì)進(jìn)一步增加。國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究面也逐漸由宏觀的地質(zhì)封存潛力評(píng)價(jià)、煤對(duì)氣體吸附狀態(tài)等轉(zhuǎn)向?yàn)閺目紫督Y(jié)構(gòu)，組成成分等微觀或分子領(lǐng)域解釋研究氣體吸附原理及注CO2強(qiáng)化煤層氣開(kāi)采的最佳條件。隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，應(yīng)用各類軟件建立多場(chǎng)耦合模擬也更為普遍。

4）探討了CO2-ECBM 在理論研究與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之間存在的差異，CO2-ECBM 是復(fù)雜過(guò)程，其中涉及的有效性、廣泛性、經(jīng)濟(jì)性及安全性等關(guān)鍵問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。