在深部、低渗透性的无烟煤中应用CO?-ECBM技术的可行性：来自一项成功的水平井试点项目的见解

《International Journal of Coal Geology》：Feasibility of CO?-ECBM in deep, low-permeability anthracite: Insights from a successful horizontal well pilot

中国首个千吨级CO?-ECBM深低渗透无烟煤试点通过U型水平井（垂直注入井/水平生产井）实现，注入量1001.28吨，压力稳定（≤14.42MPa），封存机制以吸附为主（>90%），水平段720米确保有效注入。监测显示CO?羽流 confined在10米内，无示踪剂突破，验证深低渗透煤层CO?封存与煤层气协同技术可行性，提出地质工程一体化监测框架。

　　

张松航|唐书恒|王赞伟|方志明|王金毅|李建新|奚兆东

中国地质大学能源资源学院，北京 100083，中国

摘要

将二氧化碳安全高效地注入深层、低渗透性的煤层是实现碳储存和增强型煤层气回收（CO?-ECBM）的关键挑战。然而，关于使用水平井在深层（>1000米）、低渗透性（<0.1米达西）和高阶煤中的现场规模数据仍然很少，这代表了全球碳储存部署中的一个关键知识空白，且在原位条件下多种捕获机制的相对贡献也尚未得到充分研究。本研究介绍了中国首次在深层无烟煤层（3号煤层，深度约1040米，渗透率为0.03米达西）中进行的千吨级液态二氧化碳注入试点试验，该试验使用了改造后的U形井（一个垂直注入井/生产井和一个720米长的水平井）在沁水盆地进行。试验结合了全面的“井下-地表-井筒”监测（压力、地球化学、示踪剂）和历史匹配的数值模拟。结果表明：在64天的运行时间内，累计注入了1001.28吨液态二氧化碳，注入速率为每天18吨，井底压力保持在≤14.42兆帕（低于破裂梯度26.8兆帕），确保了整个过程中的盖层完整性。监测和模拟一致表明，注入的二氧化碳羽流有效地被限制在水平井筒周围约10米的范围内。在距离27.5米的监测井处未检测到示踪剂突破，HCO??/CO?2?浓度保持不变。快速吸附到煤基质上是主要的捕获机制，而在试验期间溶解性和矿物捕获作用可以忽略不计。720米长的水平井段对于在该低渗透性储层中实现可行的注入量至关重要。本研究证实了在深层低渗透性无烟煤中进行CO?-ECBM在技术上是可行的，并确定了储存安全性由快速吸附固定以及有效的地质封存所支撑。这些发现为在全球深层低渗透性煤盆地中扩大安全二氧化碳储存规模提供了关键的技术基准和综合的地质-工程-监测框架。

引言

气候变化和《巴黎协定》下的承诺促使中国提出了雄心勃勃的“双碳”目标，即到2030年实现碳峰值，到2060年实现碳中和。碳捕获、利用和储存（CCUS）技术被广泛认为是实现大规模二氧化碳减排的不可或缺的途径（Sang, 2018; White et al., 2005）。在各种策略中，将二氧化碳储存在不可开采的深层煤层中同时增强煤层气回收（CO?-ECBM）具有双重效益，是一种有吸引力的地质储存选项。这种协同作用源于煤对二氧化碳的吸附亲和力通常高于甲烷，从而能够在二氧化碳封存的同时实现甲烷的置换和回收（Du et al., 2021; Lee et al., 2013; Mazzotti et al., 2009; Pini et al., 2009; Yu et al., 2019）。

自从提出CO?-ECBM概念以来（Every and Dell'Osso, 1977; Reznik et al., 1984），全球已经进行了近二十次试点试验，主要在中高渗透性煤盆地（例如，美国圣胡安盆地；加拿大阿尔伯塔省；波兰RECOPOL项目）（Hamelinck et al., 2002; Li and Fang, 2014; Pan et al., 2018）。这些项目证明了向煤层注入数百至数千吨二氧化碳的技术可行性。在中国，主要在南部沁水盆地进行了一系列现场试验，包括单井注入、多井置换以及通过垂直井和水平井向深层煤层注入（Pan et al., 2013; Wong et al., 2007; Ye et al., 2007; Ye et al., 2019; Ye et al., 2012）。通过这些实践，中国初步开发了自己的技术体系并积累了宝贵的现场经验。然而，关于在深层（>1000米）、低渗透性无烟煤层中进行注入的现场结果仍然很少，特别是那些使用水平井技术的结果，这对于评估中国许多深层含煤层的二氧化碳储存可行性至关重要。

最近的研究已经从证明技术可行性扩展到解决长期储存安全性、盖层完整性和经济可行性问题（Chen et al., 2025; Chen et al., 2024a; Fang et al., 2025）。同时，监测和数值模拟的进步提高了项目的可预测性（Tang et al., 2025）。尽管取得了这些进展，但在深层低渗透性环境中仍存在一些关键问题：（1）如何通过优化工程在深层低渗透性、高阶煤层中实现经济有效的二氧化碳注入？（2）在野外条件下，多种储存机制（吸附、溶解、矿化）的相对贡献和短期效果是什么？（3）现有监测和模拟技术在验证储存安全性和预测实际应用中的长期行为方面的可靠性和局限性是什么？

本研究对中国首次在深层（>1000米）、低渗透性（0.03米达西）无烟煤层中使用改造后的“U形”水平井对（SX018-5V/SX018-5H）进行的千吨级二氧化碳注入试点试验进行了全面分析。该试验独特地结合了详细的地质特征描述、定制的注入工程、全面的监测（压力、地球化学、示踪剂）和数值模拟，形成了一个闭环评估。我们通过（1）展示一个经过现场验证的低渗透性煤层工程解决方案，（2）量化吸附的主要作用并阐明多机制的相互作用，以及（3）评估监测和模拟工具包的性能，解决了上述知识空白。这些发现为在全球深层煤盆地中扩大二氧化碳储存规模提供了关键的技术基准和地质-工程-综合框架，包括类似的环境，如哈萨克斯坦的卡拉干达盆地（Safaei-Farouji et al., 2025）。

地质环境

研究区域位于沁水盆地东南边缘的石家庄北区块（图1a，图1b），行政上隶属于山西省长治市。该地区的地形以中等山地为主，西北部较高，东南部较低，海拔范围从780米到1380米，平均海拔约为1100米。该地区具有大陆性半干旱气候，年平均降水量约为

样品采集和实验室分析

用于实验室表征的煤样是从参数井SX-018和SX-027采集的，这两口井与注入井对相邻。SX018-5V/SX018-5H井没有进行取芯，因为它们最初是用于生产的；因此，这些井的储层属性是根据SX-018和SX-027的岩心分析进行校准得出的。

按照相关程序进行了近似分析（水分、灰分、挥发分）和最终分析（碳、氢、氧、氮）

目标煤层（3号煤层）的性质

二叠纪山西组的3号煤层具有稳定的几何形状和简单的结构，裂隙较少。其厚度在4.8到5.3米之间，在试点地点平均为5.05米（表2）。埋藏深度从东向西逐渐增加（800–1600米）；在试点地点，煤层深度约为1040米（图1c、d、e）。

宏观上看，这种煤呈黑色，质地轻，易碎，具有金属光泽和贝壳状断口，被分类为

选址和选井理由

选择SX018-5V/SX018-5H井对作为注入地点经过了系统的筛选过程，综合考虑了地质适宜性、工程可行性和安全性因素。这次试点试验的成功验证了以下选址标准，为未来的深层煤层二氧化碳储存项目提供了可复制的模板。

超临界储存所需的深度。试点地点的3号煤层埋藏深度为

结论

基于中国首次在深层煤层通过水平井进行的千吨级CO?-ECBM现场试验的结果，主要结论和意义如下：

(1)

水平井是实现深层低渗透性无烟煤层可行注入的必要条件，而不仅仅是优化手段。在本研究中，使用一个720米长的水平井在5.05米厚的煤层中（渗透率为0.03米达西，深度超过1000米），实现了每天18吨的持续注入速率。

作者贡献声明

张松航：软件、方法论、调查、正式分析、概念化、撰写——初稿。唐书恒：项目管理、资金获取、撰写——审阅与编辑。王赞伟：方法论、概念化。方志明：方法论、概念化。王金毅：方法论、概念化。李建新：数据管理。奚兆东：数据管理、撰写——审阅与编辑。

未引用的参考文献

Song et al., 2019

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“深地探测和矿产资源勘探——国家科技重大项目”（编号2024ZD1004200）、“国家自然科学基金”（编号42472235和42430805）以及“国家科技支撑计划项目”（编号2014BAC18B02）的资助。