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8.3.1 煤层气产业发展前景
目前，除了井下瓦斯抽放利用已形成一定规模并获相应效益外，地面煤层气勘探开发仍处于探索阶段，尚未进入工业性规模开发阶段。但是，展望未来，我国煤层气产业具有良好的发展前景。
根据最新的预测结果，我国烟煤和无烟煤煤田中，在埋深300～2000 m范围内煤层气资源量为31.46×1012m3。在世界上，前苏联煤层气资源量为（17.0～113.3）×1012m3，美国为（9.7～11.7）×1012m3（据Boyer，et al.，1998），我国煤层气资源量位居世界第二位。由石油天然气系统进行的全国第二轮油气资源评价结果显示，我国有38×1012m3的常规天然气资源量，其中陆地有30×1012m3、海域有8×1012m3（据陈永武，2000）；可见，在我国陆地范围内，煤层气资源量比常规天然气还要大。值得指出的是，在计算煤层气资源量时，褐煤、不可采煤层和煤层围岩等均未参与计算。但事实上，褐煤中含有一定量的煤层气，如我国沈北矿区褐煤的气含量Cdaf达6.47cm3/g，美国鲍德河盆地褐煤的气含量（Cdaf）虽只有0.03～2.3cm3/g，由于煤层单层厚度达67 m之巨，因而同样实现了商业性开发；我国褐煤广泛分布，大多煤层厚度都很大，故其中的煤层气资源潜力是不小的；另根据煤矿通风和井下瓦斯抽放实践，在不可采煤层和围岩中的煤层气资源量通常是可采煤层的10%～20%。若将上述3个范畴都包括在内，我国煤层气资源量将会更加巨大。
丰富的资源量为我国煤层气产业的形成和发展提供了雄厚的物质基础和资源保证。
8.3.2 国家能源战略和煤矿安全的需要
随着社会的进步和发展，在21世纪，人们将更加重视可持续发展战略。为实现国民经济持续、快速发展，必须坚持保护和建设生态环境、净化家园，节约和有效地利用能源资源。为此国家将大力推进开发和使用天然气等洁净能源。另外，从国家石油安全战略考虑，必须减少国民经济和人民生活对石油资源的依赖程度，开拓替代能源。我国人均拥有天然气产量不足20 m3，相对发达国家（如英国人均达1300 m3以上）差距很大，天然气消费量在一次能源消费结构中比例小，仅占2%左右，这种局面远远不能适应国民经济的发展和人民生活水平提高的需要。要改变这种被动局面，只靠常规天然气是不能解决问题的，国家在大力加强常规天然气开发的同时，十分重视煤层气这种非常规天然气的开发利用问题。因此，煤层气在未来我国的能源构成中将具有广阔的发展空间。
从煤矿安全生产角度看，煤层气（俗称煤层瓦斯）是煤矿安全生产的最大隐患，常常造成惨重的灾害事故，而且随着矿井的延伸，问题会变得更加严重。在采煤前及采煤过程中，如果从地面预先将煤层气开采出来，就会大大减少矿井瓦斯灾害的隐患；同时还大大降低了采煤过程中甲烷（CH4）这种强烈温室效应气体的排放量，对保护大气环境具有重要作用。
因此，利用地面采气技术开发利用煤层气资源，是解决矿井瓦斯灾害的一条有效途径，特别是对矿井深部，意义更为突出。
8.3.3 国家重视煤层气的开发利用
国家对煤层气资源的开发利用工作十分重视。江泽民总书记为煤层气开发题词：“依靠科技进步，发展煤层气产业，造福人民。”代表了国家和人民对煤层气产业化的殷切期望和高度重视。
1999年，由国土资源部、国家计委等5部委联合下发的《矿产资源储量评审认定办法》文件中，将煤层气与石油、天然气和放射性矿产同样对待，列为由国家统一管理的矿种。自20世纪80年代以来，国家在煤层气管理、产业政策、资源综合利用、价格政策及对外合作勘探开发等方面先后制定并实施了一系列措施和优惠政策（孙茂远，1998），扶持和鼓励煤层气产业的发展。
为了集中各方面的力量，加速我国煤层气资源的开发利用，经国务院批准，于1996年5月组建了中联煤层气有限责任公司。这是一个跨地区、跨行业，集煤层气开采、利用和输送于一体的主干公司，并被授予对外合作进行煤层气勘探、开发和生产的专营权。中联公司的成立，标志着我国煤层气勘探开发已进入了有序发展的全新历史阶段，也为我国煤层气产业的形成和发展提供了强有力的组织保证。
1990年，沈阳市煤气总公司引进美国技术，在辽宁省红阳矿区施工红阳一号煤层气井，进行煤层气资源风险勘探，开创了我国利用现代煤层气技术之先河。此后，国内煤炭、石油、地矿系统各有关单位和中联公司与联合国开发计划署（UNDP）、美国和澳大利亚的有关公司等，在我国各地进行煤层气勘探开发试验工作，先后在柳林、石楼、潘庄及晋城、潘庄及大城建成了6个小型煤层气试验开发井网，均获得工业性气流；由中联公司在枣园地区施工的TL-007 井，单井最高产气量达16000 m3/d。另外，正在建设中的还有新集、淮北、临兴、盘江和丰城等小型试验开发井网。这些小型开发井网起到了试验和示范作用。
小型开发井网显示出在中国利用地面技术开采煤层气的可行性，并积累了大量生产资料和丰富的实践经验，特别是在晋城矿区高变质无烟煤中利用地面垂直井技术采气获得成功，大大拓展了人们的视野。所有这些都为今后大规模工业性开发进行了有效的技术储备。
我国进行地面煤层气勘探开发试验工作已有10余年的历史，但至今仍停留在打勘探井和小型试验开发井网的水平上，未能进入大规模工业性开发利用阶段。究其原因，主要是投入不足和下游工程（特别是输气管道）不配套。美国至1995年底共有6700口煤层气生产井，年产气量达270×108m3；而我国截至1999年底，共打各类煤层气井156口，其中进行过采气试验的井（包括地面垂直井和采动区井）只有99 口；采出的气体全部排空，故煤层气产量为“零”。相比之下，我国煤层气井数量很少，相应的投入就更少。在这种状况下，很难实现煤层气开发利用的实质性突破。
天然气输送管道缺乏是制约我国煤层气发展的重要外部条件。在已有的和正在建设的小型煤层气试验开发井网范围内，除大城地区有地域性的天然气输气管道外，其他地区都没有。这种局面严重地抑制着对煤层气进一步投入和勘探的热情。若能解决煤层气远距离输送的通道问题，必将大大激发人们对煤层气勘探开发投资的热情。
伴随着国家实施西部大开发战略，由塔里木盆地至上海的“西气东输”工程已全面开工。这条长4200 km的输气管道，将经过榆林、长治和淮南等地，这些地区都是煤层气资源条件很好的地区，也是目前我国煤层气勘探开发的热点区域。“西气东输”工程的建设，为相关地区煤层气开发利用提供了一个大发展的良好契机。
8.3.4 开发前景评价
在对各主要地区分别评价和全国总体认识的基础上，按照分层次、分阶段和综合评价的原则，以煤层发育富集程度、煤层气资源量规模、地理位置及市场条件、煤层气勘探开发程度为依据，以含气带为单位，对于开发前景进行了分类评价。
Ⅰ类：指资源条件和经济地理位置俱佳，目前煤层气勘探效果显著，作为优先开发的含气带。此类含气带有沁水、鄂尔多斯盆地东缘、渭北、徐淮和淮南等5个含气带。这5个含气带的煤层气资源量为8.90×1012m3，占全国总资源量的28.29%。
Ⅱ类：指资源量丰富，但地区经济发展相对滞后，或地形条件不利，煤层气勘探工作很少，或煤层气勘探工作尚未开展的含气带，可作为长远规划考虑。这类含气带包括华蓥山、川南、黔北、六盘水、吐-哈、准噶尔南和伊犁等6个含气带。这6个含气带的煤层气资源量为6.81×1012m3，占全国总资源量的21.65%。
Ⅲ类：指资源条件一般，但经济地理位置优势明显，市场需求旺盛，煤层气勘探具有一定基础，煤层气开发利用已取得一定成效的含气带，可根据需要和可能性开展工作。这类含气带包括三江-穆棱河、浑江-辽阳、抚顺、辽西、京唐、冀中平原、豫西、萍乐、湘中、黄陇、鄂尔多斯盆地北部、鄂尔多斯盆地西部、桌-贺和准噶尔东14个含气带。这14个含气带的煤层气资源量为10.60×1012m3，占全国煤层气总资源量的37.73%。
Ⅳ类：为上述各类以外的含气带，资源条件和外部条件较差，在当前技术经济条件下可暂不考虑开发利用其煤层气资源。
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类含气带中，优选出沁水盆地北部的阳泉-寿阳地区、沁水盆地南部地区、鄂尔多斯盆地东缘、渭北煤田东段、铁法盆地、大城地区、淮北矿区、淮南矿区、丰城矿区和盘江矿区等有利区块，作为煤层气地面开发的重点工作对象。
建议进一步阅读
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2.赵庆波.2004.中国煤层气地质特征及其勘探新领域.天然气工业，24（5）：4～8
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4.张新民等.2002.中国煤层气地质与资源评价.北京：科学出版社，65～137、202～219、224～276
陈润1 秦勇2
(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
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: chenrun@ cumt. edu. cn
Advance of CO2Sequestration Effect in Coal Seams and Its Monitoring
CHEN Run1，QIN Yong2
( 1. Jiangsu Key Laboratory of Coal-based CO2. Capture and Geological Storage ( Low Carbon Energy Institute，China University of Mining and Technology) ，Xuzhou，Jiangsu 221008， China; 2. School of Resource and Geosciences，China University of Mining and Technology， Xuzhou，Jiangsu 221008，China)
Abstract: CO2sequestration in coal seams is a focus of saving energy and reducing greenhouse gas emissions at present. It is considered that CO2sequestration in coal seams can be implemented through physical，chemical and microbial capture. It is found that CO2sequestration in coal seams except effects on groundwater，microbes and rocks，geological hazards such as earthquake might be induced. In order to ensure the safety and longinquity， the monitoring of CO2migration in coal seams is necessary. Based on this，the technologies of CO2migration moni- toring in coal seams are discussed，and it is pointed out that the study of technologies of CO2sequestration 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。
2.1 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。
2.2 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(Kelemen S R 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)。
钙硅石:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
云母:
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
正长石:
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。
2.3 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
3.1 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2.88(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(WangSetal.，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。
3.2 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(Karacan C O，2007;Siriwardane H J 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。
3.3 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(GibbsJFelal.，1973);同样由于向深部钻井中注入废液，德国大陆深钻工程(ShapiroSAetal.，1997)和加拿大艾伯特冷湖油田(TalebiSetal.，1998)都曾诱发过中等级地震;美国还曾因此诱发强度高达为4.9级O-hio地震和5.3级Denver地震(BertMetal.，2005)。
3.4 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5.9～8.8之间适宜大部分产甲烷菌生长，而pH介于6.8～7.8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。
4.1 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(PrestonCetal.，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。
4.2 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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