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陈润1 秦勇2
基金项目:国家重大专项(2011ZX05042-01-02),中国矿业大学青年科技基金A类项目(2010QNA09)和中国矿业大学青年教师启动基金资助。
作者简介:陈润,男,1979年生,江苏宿迁人,博士,助理研究员;从事煤层气与CCS研究。地址:(221008)江苏省徐州市中国矿业大学低碳能源研究院。电话:。E-mail:
(1.江苏省煤基CO2捕集与地质储存重点实验室(中国矿业大学低碳能源研究院),江苏徐州 221008;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221008)
摘要:CO2的煤层封存是-当今节能减排的研究热点。认为CO2煤层封存是通过物理、化学以及微生物转化等方式实现,煤层封存CO2除对地下水以及上覆盖层岩石产生影响外,还可能诱发地震等地质灾害。为了保证煤层封存CO2的安全性与长久性,有必要对CO2在煤层中的运移状况进行监测。基于此,本文论述了目前CO2煤层运移的监测技术,指出CO2煤层封存及监测技术有待深入并加以系统化。
关键词:CO2 煤层 封存 影响 监测
Advance of CO2 Sequestration Effect in Coal Seams and Its Monitoring
CHEN Run1, QIN Yong2
( Key Laboratory of Coal-based and Geological Storage (Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology), Xuzhou, Jiangsu 221008, China; of Resource and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China)
Abstract: CO2 sequestration in coal seams is a focus of saving energy and reducing greenhouse gas emissions at is considered that CO2 sequestration in coal seams can be implemented through physical, chemical and microbial is found that CO2 sequestration in coal seams except effects on groundwater, microbes and rocks, geological hazards such as earthquake might be order to ensure the safety and longinquity, the monitoring of CO2 migration in coal seams is on this, the technologies of CO2 migration moni- toring in coal seams are discussed, and it is pointed out that the study of technologies of CO2 sequestration in coal seams and monitoring should be furthering and systematization.
Keywords: CO2; Coal seam; Sequestration; Effect; monitoring
1 引言
人类使用化石燃料排放的CO2气体是一种导致全球变暖的温室气体,其大量排放会带来一系列的自然灾害,从而CO2的减排工作引起世界各国政府与社会各界广泛关注。目前,我国CO2的排放总量仅次于美国,居世界第二位。如何将CO2气体有效封存成为我国环境乃至全球环境问题的一个重要议题。煤层气地质研究表明煤吸附CO2的能力比CH4强,众多研究者提出煤层注入CO2强化CH4产出(唐书恒等,2004;吴建光等,2004;苏现波等,2008)。基于此,笔者探讨了CO2煤层封存机制、CO2封存对煤储层环境影响以及CO2地下运移监测技术,以期为CO2煤层封存与驱替煤层气开发服务。
2 CO2煤层封存技术
煤层封存CO2可通过物理封存、化学封存以及微生物转化等机制实现。在已知的CO2煤层封存技术中,物理封存能力最大,煤层微生物转化最具前景。
物理封存
CO2的物理封存是一种不改变CO2理化性质的封存方式,被看做是天然气开采的逆过程。煤层封存捕获CO2与其他地质体相比既有相同之处,但也存在差异。一方面,在CO2注入煤层初期,煤层捕获CO2也是通过上覆岩层隔挡来实现。即CO2注入煤层后,由于上覆的页岩和粘土质岩类低渗透性而阻挡了CO2向上运移,形成了压力封存箱。另一方面,在高压条件下,煤对CO2吸附能力要比CH4大得多(苏现波等,2008),被压力封堵在煤层的CO2运移一定距离后很快就在煤表面吸附捕获,驱替煤表面吸附CH4产生;实现煤层物理封存CO2的方式转变,同时实现强化煤层气产出的功效。
此外,在一些含水煤层,CO2的物理封存还包括CO2的水溶封存以及其水合物封存等。在高压条件下,CO2在水中的溶解度是极其可观的(陈润等,2007),溶解作用也对CO2煤层封存起到了一定作用,但一般煤层含水性较差,CO2水溶封存在CO2煤层封存中一般不予考虑。CO2水合物封存具有很强的封存能力,但由于其封存需要极其苛刻的温压条件,在煤层封存CO2中很难实现。
化学封存
CO2的化学封存是CO2与其他物质发生化学反应生成新物质而实现CO2固定的一种方法。一般情况下,煤层这种特殊的储层存在渗透率各向异性(KelemenSR et al.,2009),即沿水平方向的渗透能力较强,锤直方向则相对较弱。而这种各向异性表现为煤层沿水平一侧或多侧开口,有利于CO2在盖层下侧向流动。随着运移的进行,CO2与煤中矿物质以及围岩中矿物发生化学反应,实现化学封存。该封存方式随着矿物的类型不同而有显著差异(于洪观,2005)。
中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集
中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集
从而,CO2通过溶蚀作用形成碳酸盐或碳酸氢盐不溶物或可溶物而实现了地质封存。
地下微生物转化
CO2的地下微生物转化利用是少有人涉足的领域,仅有的研究表明:地质条件下注入CO2和H2经微生物转化生成CH4(夏遵义等,2004),这样即实现了CO2封存,又生成了新的能源。由于研究中人为加入了H2,使得储层条件下(少氢气)能否实现CO2的微生物自然捕获并转化有待进一步验证。但相关研究表明:煤储层条件下产氢菌的大量存在是CO2微生物转化的一个有利条件(夏遵义等,2004),其他类型化学反应或低价含铁矿物的蚀变也都可能为产甲烷菌转化CO2提供必要的H2。如生物膜——岩石相互反应、岩浆热液流、水的辐射分解等(徐永昌,1994)。可见,CO2的地下微生物转化在一定的地质条件下是可以实现的。
CO2的微生物封存可实现CO2的永久转化,减少CO2的大气排放,达到减缓温室效应的目的;同时CO2的地下微生物转化具有可观的能源生成前景。但由于地下微生物作用要具备苛刻的环境条件,微生物转化CO2能力还有待进一步研究。
3 CO2封存对环境的影响
地下水污染
CO2封存对地下水污染是多方面的。CO2在水中溶解量增加,会降低地层水的pH值,导致地下水酸化。研究表明,1kg水中溶解1摩尔CO2溶液的pH值为(孙茂远等,1998);研究也表明地下水的酸性不断增强,致使地层中许多微量元素被溶蚀在地层水中富集。CO2对地下某些重金属或其有机化合物大量溶蚀时,则可能严重影响人类工业、农业和生活用水的安全和健康。Wang和.Jaffe(WangS et al.,2004)采用化学模拟的方法,将CO2注入到100m深处让其向浅部含水层运移(中间层位富含一定浓度的硫化铅)。结果发现,在缺少束缚的条件下,封存的CO2充分溶解,导致地层水中大量有害的矿物硫化铅从固体中溶出,造成以注入点为中心的CO2晕,方圆几百米内的地层水受到了严重污染。
岩体变化
如前文所述,随着煤层CO2注入量的增加,CO2注入井附近煤储层负荷压力增加,导致CO2在煤层水中的溶解度增大溶蚀煤中的矿物,改变煤岩对原有矿物的束缚性,降低煤岩及上覆盖层的力学强度,造成岩层断裂;同时,由于煤储层吸附大量的CO2气体发生膨胀效应(KaracanCO,2007;SiriwardaneHJ et al.,2009),减小煤中孔裂隙空间,降低煤储层的渗透率。在地下水存在的情况下,CO2的大量溶解也可能使地层水中的一些矿物沉淀或析出,堵塞煤中通道孔隙。
诱发地质灾害
CO2注入煤层进行封存使得煤层所受有效应力增加,如果注入压力超过上覆地层所能承载压力时,将可能诱发上覆盖层断裂以及断裂沿一定方向移动。该现象反映到地表为地质变形、坍塌等地质灾害。在一些高压层位,伴随着一系列裂缝产生和断层的活动,也有可能诱发地震这种高危害地质灾害。如:美国科罗拉多州Rangely油田,就发生过因向其孔隙中注入流体而导致微地震产生的事件(Gibbs J Felal.,1973);同样由于向深部钻井中注入废液,德国大陆深钻工程(Shapiro S A et al.,1997)和加拿大艾伯特冷湖油田(Talebi S et al.,1998)都曾诱发过中等级地震;美国还曾因此诱发强度高达为级O-hio地震和级Denver地震(Bert M et al.,2005)。
对煤层微生物影响
煤层封存CO2对其中存活的微生物通过多方面产生影响。一方面,pH在之间适宜大部分产甲烷菌生长,而pH介于之间其活性最强(郭泽清等,2006)。煤层水酸化使得产甲烷菌活性降低,生长受到抑制,降低固定CO2能力。另一方面,煤层水的酸化可大量溶解岩石中碱金属元素和微量元素。如果煤中Na,K等离子大量溶解会抑制产甲烷菌的活性;与此相反,Fe,Co,Ni,Se等离子溶解则会增强产甲烷菌活性(祖波等,2008)。可见,金属离子和微量元素的溶解对产甲烷菌的影响应根据地质环境具体分析。
4 CO2运移监测
当CO2注入煤层时,其注入速度及注入量对封存效果及安全性产生重要影响,故开展CO2煤层运移监测是非常有必要的。如前文所述,当CO2注入煤层后,极易对煤层及围岩以及存活于其中的微生物产生影响,故监测多从CO2本身或其对煤层及其围岩地层产生的影响进行开展。目前监测技术主要分为物理监测和化学监测。
物理监测
物理监测有储层压力监测、测井、地震、电磁手段以及地表变形等多种方法(Preston C et al.,2005)。目前使用最广、技术最成熟的是三维地震监测技术和测井监测技术。三维地震监测是通过监测煤层CO2注入量随着时间偏移的变化来实现。即:随着CO2向煤层不断注入,煤吸附气体的饱和度、煤孔隙压力、气体饱和度以及流体运移方向都将发生变化,不同时期观测到的地震资料属性也将发生变化。该方法利用两次或多次观测对比,推断CO2的运移情况。除了人工源地震以外,煤层注入CO2所造成的盖层断裂及其微小震动在监测的过程中都可以加以利用。而电法、电磁法以及重磁法等监测技术都不如地震监测来的直观、准确和形象。
化学监测
地球化学成分的变化也可以有效地反映CO2在煤层中的运移状况。CO2注入煤层后,极易与煤层内的气、水以及围岩发生物理和化学反应,最为明显的变化是流体中酸度增加,尤其酸式碳酸盐离子。通过采集煤层气体和地下水层样品分析CO2的含量或根据水中碳、硫稳定同位素的特征直接测量。Emberley等(2004)研究加拿大Weybum油田封存CO2发现,CO2注入储体后其碳同位素相比注入前存在一定的差异。此外,化学监测与示踪剂联合使用不失为一种较为理想的监测方法。它通过监测CO2碳同位素以及外加示踪剂在煤层中的运移情况来反映CO2在煤层中的平面展布,通过时间偏移来反映CO2在煤层中的运移情况。
5 结语
CO2的煤层封存通过煤层物理封存、化学封存以及微生物封存三种途径来实现。其封存项目的实施除了具有减排、增产效应外,还可能带来一个极大的附加值——生物甲烷生成。最重要的是,CO2煤层封存对地质体具有一定的影响,其污染甚至可能威胁到人类健康。为此,在CO2封存的过程中,在保证CO2注入速度和注入压力的合理性的前提下,监测CO2在煤层中的运移与分布情况也非常重要。目前,CO2地质封存可行在不断细化,CO2地质封存的影响与危害的认识也在不断强化,因此,CO2地下运移的监测技术也需要不断更新。而我国在该方面的研究更是刚刚起步,仅有的试验井也以强化煤层气产出为目的,对CO2封存效果及其对地下环境的影响、危害及其监测甚少(中联煤层气有限责任公司,2007)。因此,相关认识和论证工作亟待深入开展,逐步实现系统化,为CO2煤层封存技术工业化实施扫除障碍。
参考文献
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应该这样讲。中国矿业大学学报自然科学版是EI全文收录的，什么级别的就不用说了。获奖情况1995年以来，本刊连续多次获国家、教育部和江苏省期刊奖 ——1997年获第二届全国优秀科技期刊评比（学术类）三等奖;1997和1999年连续两次荣获江苏省“双十佳期刊”称号;1999年获全国优秀高校自然科学学报及教育部优秀科技期刊评比一等奖;2001年入围“中国期刊方阵‘双效’期刊”;2002年入围“江苏期刊方阵‘双效’期刊”，并获第三届华东地区优秀期刊奖,2004年12月被评为江苏省优秀期刊。中文版收录情况收录《中国矿业大学学报》的检索刊物（数据库）1． 美国《工程索引》(Ei Compendex)2． 美国《化学文摘》 (CA)3． 美国《乌利希国际期刊指南》 (UIPD)4． 美国《应用力学评论》 (AMR)5． 俄罗斯《煤文精选》 (CH)6． 《中国科学引文（数据库）》7． 《中国力学文摘》8． 《中国学术期刊文摘》9． 《矿业文摘》10．《中国地质文摘》11．《电子科技文摘》12． 中国无机分析化学文摘》13．《中国国土资源文摘》14．《全国报刊索引》15．《测绘文摘》16．万方数据库17．《中国学术期刊（光盘版）》18. 中文科技期刊数据库19．《中国期刊网》万方数据—数字化期刊群==========================================================社会科学版：是核心期刊中国矿业大学学报(社会科学版)◆ 第二届全国优秀社科学报◆ 首届江苏期刊方阵优秀期刊◆ 第四届江苏省一级期刊◆ 首届执行《CAJ-CD规范》优秀期刊中国矿业大学学报(社会科学版)被下列数据库收录或列为源刊：● 中国核心期刊（遴选）数据库● 《中国学术期刊综合评价数据库》● 《中国期刊网》● 《中国学术期刊（光盘版）》● 中文科技期刊数据库● 万方数据-数字化期刊群你可以到这个地址查阅：另外，自然科学版一般要求第一作者是在读博士以上级别，而且需要有省级以上基金资助的。
是北大核心，CSCD核心，EI核心，刊物质量很高，望采纳刊名： 中国矿业大学学报 Journal of China University of Mining & Technology主办： 中国矿业大学周期： 双月出版地：江苏省徐州市语种： 中文;开本： 大16开ISSN： 1000-1964CN： 32-1152/TD邮发代号： 28-73历史沿革：现用刊名：中国矿业大学学报曾用刊名：中国矿业大学学报(自然科学版)创刊时间：1955该刊被以下数据库收录：CA 化学文摘(美)(2011)Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2011)EI 工程索引(美)(2012)CSCD 中国科学引文数据库来源期刊（2013-2014年度）（含扩展版）核心期刊：中文核心期刊(2011)中文核心期刊(2008)中文核心期刊(2004)中文核心期刊(2000)中文核心期刊(1996)中文核心期刊(1992)
中国矿业大学学报(社会科学版) ，是经国家新闻出版署正式批准，在国内外公开发行的社会科学综合性学术理论刊物。该刊现为《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》全文收录期刊，《中国学术期刊综合评价数据库》来源期刊，是社科类中文核心期刊。学刊展示学校社会科学工作者的最新研究成果，同时面向全国，广泛开展学术交流，促进社会科学研究的繁荣。该刊主要刊登哲学、经济与社会、政治与法律、历史与文化、管理科学、高等教育、语言与艺术、新闻与出版、社会主义精神文明建设等方面的学术论文。该刊录用稿件标准首重学术研究上的开拓创新，特别欢迎在掌握翔实资料和深入研究的基础上提出的新思想、新理论、新观点、新论证、新表述，提倡严谨、朴实、明快、清新的文风。中国矿业大学学报（社会科学版）自1999年创刊以来，坚持正确的办刊方针，依托学校的相关学科专业和学术队伍，积极争取国内社科界的支持，努力提高学术品位、彰显学校特色，在促进人才培养、学术研究、学科建设、队伍建设、扩大学校的学术影响等方面发挥了重要作用，在较短时间内实现了办刊质量和学术影响的大幅度提升，先后被评选为江苏省期刊方阵优秀期刊、江苏省一级期刊、全国优秀社科学报、中国人文社科学报核心期刊、全国百强社科学报，2008年又再次跻身于全国高校百强社科期刊行列。经过十多年的努力，学报（社会科学版）已经发展成为在国内外有重要影响的学术研究与学术交流平台。根据2009年的统计，我校学报（社会科学版）的机构用户为2404个，分布在22个国家和地区，个人读者分布在29个国家和地区。2008年，学报（社会科学版）被人大复印资料等转载的论文数量在全国理工类大学学报社科版中排名第15位。2010年在重庆举行的全国高等学校文科学报研究会六届二次理事会暨2010学术年会上，公布了第四次全国高校文科学报百强评选结果，《中国矿业大学学报》（社会科学版）在全国一千多家高等学校文科学报中脱颖而出，入选全国高校百强社科期刊。全国高校社科期刊百强评选工作每4年举行一次，本次系第四次评选，历时4个多月时间。本次评选工作由教育部社会科学司委托全国高等学校文科学报研究会具体实施。该研究会目前拥有近800家会员单位。本次全国高校百强社科期刊按照严格的程序，由全国高等学校文科学报研究会在各省、市、自治区通过层层评选，匿名投票推举产生。江苏省作为经济文化大省，有10家社科期刊入选全国高校文科学报百强，我校学报（社会科学版）在其中名列第七。 根据《著作权法》，并结合本刊具体情况，凡接到本刊回执后3个月内未接到稿件处理通知者，系仍在审阅中。作者如欲投他刊，请先与本刊联系，切勿一稿两投。来稿请自留底稿。不采用的稿件一般不寄还。 来稿一律文责自负。依照《著作权法》有关规定，本刊可对来稿做文字修改、删节，凡有违背原意的修改，则提请作者考虑。修改稿逾3个月不寄回者，视作自动撤稿。本刊处理稿件的一切事宜，只与通信作者或第一作者联系。 该刊对重大研究成果，将使用“快速通道”在最短时间内发表。凡要求以“快速通道”发表的论文，作者应提供关于论文创新性的书面说明和查新报告和两位专家的推荐信，以说明该项成果的学术价值。经审核同意后一般在收到稿件后3个月内出版。要求刊印彩图者需另付彩图印制工本费。稿件刊登后酌致稿酬(已含其他形式出版稿酬)，赠当期杂志1册。
中国矿业大学学报是由中国矿业大学主办的学术性学报，创刊时间为1999年。
中国矿业大学学报(社会科学版) ，是经国家新闻出版署正式批准，在国内外公开发行的社会科学综合性学术理论刊物。该刊现为《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》全文收录期刊，《中国学术期刊综合评价数据库》来源期刊，是社科类中文核心期刊。学刊展示学校社会科学工作者的最新研究成果，同时面向全国，广泛开展学术交流，促进社会科学研究的繁荣。该刊主要刊登哲学、经济与社会、政治与法律、历史与文化、管理科学、高等教育、语言与艺术、新闻与出版、社会主义精神文明建设等方面的学术论文。该刊录用稿件标准首重学术研究上的开拓创新，特别欢迎在掌握翔实资料和深入研究的基础上提出的新思想、新理论、新观点、新论证、新表述，提倡严谨、朴实、明快、清新的文风。中国矿业大学学报（社会科学版）自1999年创刊以来，坚持正确的办刊方针，依托学校的相关学科专业和学术队伍，积极争取国内社科界的支持，努力提高学术品位、彰显学校特色，在促进人才培养、学术研究、学科建设、队伍建设、扩大学校的学术影响等方面发挥了重要作用，在较短时间内实现了办刊质量和学术影响的大幅度提升，先后被评选为江苏省期刊方阵优秀期刊、江苏省一级期刊、全国优秀社科学报、中国人文社科学报核心期刊、全国百强社科学报，2008年又再次跻身于全国高校百强社科期刊行列。经过十多年的努力，学报（社会科学版）已经发展成为在国内外有重要影响的学术研究与学术交流平台。根据2009年的统计，我校学报（社会科学版）的机构用户为2404个，分布在22个国家和地区，个人读者分布在29个国家和地区。2008年，学报（社会科学版）被人大复印资料等转载的论文数量在全国理工类大学学报社科版中排名第15位。2010年在重庆举行的全国高等学校文科学报研究会六届二次理事会暨2010学术年会上，公布了第四次全国高校文科学报百强评选结果，《中国矿业大学学报》（社会科学版）在全国一千多家高等学校文科学报中脱颖而出，入选全国高校百强社科期刊。全国高校社科期刊百强评选工作每4年举行一次，本次系第四次评选，历时4个多月时间。本次评选工作由教育部社会科学司委托全国高等学校文科学报研究会具体实施。该研究会目前拥有近800家会员单位。本次全国高校百强社科期刊按照严格的程序，由全国高等学校文科学报研究会在各省、市、自治区通过层层评选，匿名投票推举产生。江苏省作为经济文化大省，有10家社科期刊入选全国高校文科学报百强，我校学报（社会科学版）在其中名列第七。 根据《著作权法》，并结合本刊具体情况，凡接到本刊回执后3个月内未接到稿件处理通知者，系仍在审阅中。作者如欲投他刊，请先与本刊联系，切勿一稿两投。来稿请自留底稿。不采用的稿件一般不寄还。 来稿一律文责自负。依照《著作权法》有关规定，本刊可对来稿做文字修改、删节，凡有违背原意的修改，则提请作者考虑。修改稿逾3个月不寄回者，视作自动撤稿。本刊处理稿件的一切事宜，只与通信作者或第一作者联系。 该刊对重大研究成果，将使用“快速通道”在最短时间内发表。凡要求以“快速通道”发表的论文，作者应提供关于论文创新性的书面说明和查新报告和两位专家的推荐信，以说明该项成果的学术价值。经审核同意后一般在收到稿件后3个月内出版。要求刊印彩图者需另付彩图印制工本费。稿件刊登后酌致稿酬(已含其他形式出版稿酬)，赠当期杂志1册。
矿大学报是EI检索期刊；审稿较严格；投稿：中国矿业大学学报编辑部E-mail:（中文） (英文)