摘要
本文以评价河南省嵩箕隆起煤储层二氧化碳封存潜力为目标，开展了储层物性特征分析，以分析结果指导模拟参数设定，开展了二氧化碳封存潜力模拟。结果表明，研究区煤岩物质组成中有机质含量平均为 85.8%，其中镜质组含量平均 72.0%；无机质中黏土类矿物含量 10.7%，黄铁矿平均含量 0.3%，方解石平均含量 3.8%，石英基本不可见，给予后期储层改造带来一定困难。孔隙度介于 6.0%~15.2%；渗透率介于 0.036~1.342 mD，普遍低于0.5 mD；煤样的单轴抗压强度介于18.59~121.49 MPa，普遍低于100 MPa。数值模拟设定 5点井网以 400 m×400 m范围进行布井，模拟结果表明二氧化碳驱替甲烷产量要远大于单一抽采，抽采甲烷产量2.4×106 m3 ，驱替甲烷产量为7.2×106 m3 ，期间注入二氧化碳总量为1.24×107 m3 。敏感性分析表明二氧化碳注入压力对二氧化碳封存效果的正相关性明显。
Abstract
The evaluation of carbon dioxide storage potential of coal reservoirs in Songji Uplift of Henan Province was taken as the goal of this paper. The analysis of reservoir physical properties was carried out. The simulation parameters were set according to the analysis results, and the simulation of carbon dioxide storage potential was carried out. The result indicates that the average content of organic carbon is 85.8%, of which vitrinite is 72.0%. The average contents of clay, pyrite and calcite are 10.7%, 0.3% and 3.8%, respectively. The porosity is between 6.0% -15.2%, the permeability is 0.036-1.342 mD, and the uniaxial compressive strength is 18.59-121.49 MPa. The carbon dioxide storage potential and methane production of the II1 coal seam in the typical block uplift of the study area were simulated. Five wells are used to arrange wells in the range of 400 m×400 m. The results show that carbon dioxide displacement methane production is far greater than single extraction of methane. The cumulative carbon dioxide injection volume is 1.24×107 m3 , the methane production of extraction is only 2.4×106 m3 , and the methane production of displacement is 7.2×106 m3 . Sensitivity analysis shows that carbon dioxide injection pressure has a positive correlation with carbon dioxide storage effect.
0 引言
二氧化碳持续飙升所导致的全球变暖已经严重威胁到人类赖以生存的环境（郭建强等，2015），中国作为世界上碳排放大国将面临重大挑战，解决碳排放问题迫在眉睫。二氧化碳地质封存作为碳中和的重要技术（刘文武等，2023），亦是减少温室气体的有效手段，同时也对中国到2060年实现最终零排放目标具有重要的战略意义（田秦沐，2022； Zhong et al.，2023；佘延双等，2025；熊靓辉等， 2025）。
二氧化碳地质封存是指通过工程技术手段将捕集的二氧化碳注入到可行的地质环境中（刁玉杰等，2023），实现在地质时间尺度上的长期封存（Faiz et al.，2007）。二氧化碳地质封存方式有深部咸盐水层封存、采空区封存（黄定国等，2014）、二氧化碳驱替甲烷（马砺等，2018；周俊文，2019；贺志宏等， 2023）、二氧化碳驱油等，而在诸多封存类型中煤储层是具有大规模且可实施的封存场所。早在 1998 年，国外学者开展了煤层中二氧化碳埋藏潜力全球性评估（Stevens et al.，1998），之后几年内美国、澳大利亚、日本等国家（Koide et al.，2003；O’Brien et al.， 2011；Warwick et al.，2013）均开展了二氧化碳驱替甲烷以及二氧化碳封存的工作。唐书恒等（2006） 针对国内煤层气开发中存在产气量低、回采周期长等问题做二氧化碳驱替甲烷的实验研究，并取得了预期成果。
煤层气是一种烷烃气体，以吸附态、游离态存在于双重孔裂隙结构煤基质内表（王永康，2016），二氧化碳相较于甲烷对煤体有较高亲和度（Tang and Ripepi，2017；李树刚等，2018），因此利用二氧化碳驱替煤层气技术不仅可以得到清洁能源，而且可以利用煤对二氧化碳的吸附特性、相对特殊构造等地质条件将二氧化碳圈闭从而实现碳封存的目的 （周昱坤，2015；赵金洲等，2023）。
储层参数对二氧化碳地质封存存在着显著的影响，比如渗透率、孔隙度、物质组成等。渗透率是指多孔介质允许流体通过的能力，表征了流体注入地层的难易程度；孔隙度影响着二氧化碳的封存容量及二氧化碳对甲烷的置换过程；一般而言，较高的渗透率和孔隙度对二氧化碳封存效果有较好的影响。一些学者针对煤岩显微组分的研究发现，镜质组成分提高了二氧化碳以及甲烷的吸附能力（李伟，2018）。煤中的矿物与二氧化碳、水相互作用后，方解石、白云石、钾长石等矿物均逐渐较少（郭惠，2017）。
煤基质吸附膨胀效应是二氧化碳封存后煤体流体耦合的一个重要效应，它在一定程度上影响了二氧化碳的封存能力。当二氧化碳注入煤层时，由于煤的多孔结构，二氧化碳分子会被煤体孔裂隙表面吸附，煤体结构会因吸附造成的膨胀而增大，孔裂隙因受到挤压而减小，孔隙度和渗透率因此降低 （李祥春等，2005）。这些变化会控制二氧化碳的注入效应，也将对二氧化碳长期封存的稳定性产生一定的影响。同时，煤层吸附属于放热反应，吸附产生的热能导致周围岩石温度升高，从而影响了二氧化碳的运移特征。
本文以河南省嵩箕隆起为研究区，以区内下二叠统山西组二1煤层为目标储层，以野外踏勘、样品采集、物理实验、数值模拟等方法为技术路线，阐明河南省嵩箕隆起区内二1煤层的物性特征及研究区典型区块的二氧化碳封存潜力，为后期二氧化碳封存选址及注气工程实施提供技术指导。
1 地质概况
研究区位于河南省嵩山和箕山之间，因此得名 “嵩箕隆起”，其演化与华北地块的构造演化密切相关，是华北地块中部的一个重要构造单元。本文研究区位于嵩箕隆起东段，以郑州市西南部以新密市为中心，西至嵩山地区，东止新郑市，交通便利。研究区地处秦岭纬向构造带东段，区域地貌属低山丘陵区，呈现东面低的箕型盆地。区内地层发育较全且大部分层序完整，地质条件良好。
1.1 地层
研究区位于嵩箕隆起东段，区内赋存地层由老至新可分有古生界中寒武统长山组（Є3ch），中奥陶统马家沟组（O2m），上石炭统本溪组（C2b）、太原组 （C2t），下二叠统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、上二叠统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh）、新近系 （N）、第四系（Q），无岩浆岩活动。各地层发育情况如表1所示。
表1研究区各地层信息
1.2 煤层及煤质
本文目标储层为下二叠统山西组二1煤层。该煤层全区发育，煤层结构简单，层位稳定，未见夹矸，属较稳定型煤层。二1煤层顶板为砂质泥岩或细砂岩，底板为砂质泥岩。据地质钻孔分析及收集的资料整理，研究区二1煤层煤厚介于 4~9 m；埋深为 200~1000 m，主体埋深大于 800 m。本区煤厚较大，埋深适中，煤厚和埋深均是二氧化碳封存的有利指标。从储层发育条件来看，研究区二1煤层适宜进行二氧化碳的地质封存工作。
煤岩手标本鉴定结果表明，本区二1 煤为灰黑—黑色，粉末状，少量粒状、鳞片状，煤的原生结构和构造已遭到破坏。
1.3 构造
本区构造形迹主要形成于燕山期和喜山期，燕山期构造运动以南北向挤压应力为主，喜山期构造运动以 NW-SE 向挤压应力为主。区内总体构造情况较为复杂（喻广建等，2023），其断层多为高角度正断层，大都具有南升北降成阶梯状组合的特点。主要断层为五指岭断层、大槐断层、嵩山断层、超化断层、七里岗断层等，其中五指岭断层向NW可与济源市境内的封门口断层相连，往南东可延至新密，全长近百千米，由数条断层面组成断裂带，主断面近于直立，整体微向东倾；大槐断层在井田内延展长度约12 km，构成井田的北部边界，断层走向近东西，倾向北，倾角 45°~65°，落差 600~1000 m；嵩山断层为左行走滑断层，延伸长度1.5~2 km，切割了登封群、嵩山群、中元古界及古生界地层。
嵩箕隆起属于背斜结构，岩层向上拱起，中心部分岩层较老，两侧岩层较新，区内主要褶皱有篙山、箕山背斜和颖阳—密县向斜。嵩山、箕山背斜轴向近东西向位于嵩箕隆起的两侧，中间为颖阳— 密县向斜，形成东西向“两隆夹一坳”的构造，穹形有利于石油和天然气的储存，是天然的二氧化碳储存场所。研究区构造纲要图如图1所示。
图1研究区地理位置图（a）与构造纲要图（b）
2 采样及实验
为了对研究区储层地质特征进行分析，并用于后期的二氧化碳封存潜力评价及模拟，本文设计了包括物质组成、孔裂隙特征、含气性及力学性质等方面的实验测试。采样、制样及测试标准等细述如下。
2.1 采样及制样
在野外踏勘的基础上，赴研究区 6 个煤矿采集了 6套代表性的煤岩及顶底板样品（表2）。所有煤样均从井下采集，煤样尺寸约为 30 cm×30 cm×15 cm，采集完样品后，用报纸及胶带包装好，之后立即运回实验室，准备进行样品制备工作。
表2采样点基本信息
选用大小合适的钻头，垂直于块状岩石样品层理方向，选择合适的位置对样品进行钻取，将钻取的柱塞样品切成100 mm的长度，同时确保岩心端面尽量保持平行，在修整过的柱塞样品端部贴上标签，柱塞样品主要用于抗压强度和渗透率测试。为了确保测试结果能反应煤岩块体中不同的区域，选择从样品块体上切割若干约为1 cm3 的小块，用于扫描电镜和压汞实验测试。其余分析试验样品制备一律按GB/T474进行制备。
2.2 测试方案及标准
为查明研究区煤岩储层的物性特征，本论文选择了实验分析方法包括显微组分及镜质组反射率测试、扫描电子显微镜、压汞、低温液氮吸附测试、渗透率测试、等温吸附实验、抗压强度测试。
上述各实验目的如下：利用显微组分及镜质组反射率测试查明研究区煤储层的有机组分及成熟度特征，利用扫描电子显微镜查明研究区煤储层的有机/无机物质组成及孔裂隙形态特征，利用压汞和低温液氮吸附测试查明了研究区孔径分布及结构特征，利用渗透率测试查明研究区渗透性，利用等温吸附实验查明研究区煤储层的吸附特征，利用抗压强度测试查明研究区储层的力学性质。
各实验原理、测试标准及测试过程说明如下。
显微组分测定依据国家标准 GB/T8899-2013进行。镜质组反射率测定依据国家标准 GB/T6948-2008开展，仪器维持室温18~28℃。
低温液氮吸附实验依据国家标准 GB/T19560-2008进行。测定对象主要是煤岩的纳米级孔，测定的孔半径范围为一般为1~100 nm，检测方法为静态吸附容量法。测试过程中，将样品磨成 60~80 目的粉状样，取 1~2 g。选取的参数如下：环境温度： 24.3℃，脱气温度：105℃，试验温度 273.17 K，脱气时间720 min。
压汞测试依据 SY/T5346-2005 进行，采用美国 Micromeritics Instrument 公司生产的 Auto Pore V 9600 型全自动压汞仪对实验煤样孔隙参数进行测试，选取大小为 1 cm3 的煤样，在 80℃条件下干燥 6 h后进行。
等温吸附实验依据国家标准 GB/T19560-2008，选取粒径0.18~0.25 mm，重量约3 g的煤样，测试得到 6 组压力和吸附量的数据，根据数据拟合得到兰氏体积和兰氏压力，即吸附常数 a 和平衡常数 b。
岩石单轴抗压强度测试依据国家标准 GB/T50266-2013 进行，渗透率测试依据国家标准 GB/T34533-2023，两个实验均选取 50 mm×100 mm 煤岩柱塞样品进行实验测试。
所有测试均严格遵守“规范”以及国家标准中的有关规定，所有样品的实验测试方法配套方案经过国家标准验证，其方法准确度和精密度均满足 “规范”以及国家标准要求。
3 实验测试结果
测试结果表明，研究区物质组成中有机质含量平均 85.8%，其中镜质组平均含量 72.0%，惰质组平均含量 13.8%，没有壳质组。无机组分中黏土类矿物含量 10.7%（主要为高岭土），硫化物类平均含量 0.3%（主要为黄铁矿），碳酸盐类矿物平均含量为 3.8%（主要为方解石），石英基本不可见，给予后期储层改造带来一定困难。有机质类型以镜质组为主，成熟度普遍大于 2.0，属高煤级煤。详细结果如表3所示，无机矿物形态如图2所示。
表3研究区煤岩显微组分情况
图2扫描电镜下无机矿物特征
a—高岭石；b—方解石
研究区样品的 BET 比表面积介于 0.66~17.05 m2 /g，单点孔体积介于0.0037~0.0168 ml/g，平均孔径介于 3.94~23.88 nm（表4）。孔隙度介于 6.0%~15.2%。煤样品表面粗糙，含有晶间孔、气孔、角砾孔、铸模孔、碎粒孔，且部分被矿物成分充填，见图3。研究区煤样的渗透率较低，介于 0.036~1.342 mD，普遍低于0.5 mD。
表4研究区样品孔径测试结果（低温液氮吸附实验）
图3研究区煤岩孔隙类型
a—铸模孔；b—角砾孔
4 封存潜力数值模拟
4.1 地质模型及储层参数
本文使用 COMSOL 仿真模拟软件。在研究区内设计一个 400 m×400 m 的正方形井组，在井组中间设定一口二氧化碳注入井，井组各角点为产气井。如图4所示，其中 P1、P2、P3、P4 为煤层气生产井，O 为二氧化碳注入井。同时在注入井 O 至生产井P1设定检测线，监测注入井至生产井之间的气体运移情况。
基于实测数据，模拟过程中输入的参数见表5。同时，模拟相关假设如下：
①模拟模型中初始气体只有甲烷，注入气体只有二氧化碳；②模拟储层均质连续且完整，模拟温度恒定不变；③模拟空间密闭，不考虑气体逃逸情况且气体符合理想气体状态方程；④煤层吸附量与储层压力的关系遵循 Langmuir等温吸附方程；气体在孔隙中扩散符合 Fick第一定律，在裂隙中渗流扩散符合 Darcy 定律；煤体在固体力学场受力遵循 Navier-Stokes方程；⑤不考虑煤基质吸附膨胀效应。
图4模拟设计井网
表5储层模拟参数
4.2 封存潜力模拟
本次模拟设计排采/封存年限为 15 a，以 0.1 MPa 设定负压抽采井，以恒定压强注入二氧化碳至目标煤层，直至煤层破裂或达到封存年限，进而得到煤层最大封存量。模拟过程中的参数采用实验测试得到的平均值或经验值设定，之后对井口进行累计注入量和甲烷生产量进行预测，并对气体运移规律、二氧化碳封存潜力及产气能力等进行分析。
基于上述参数模拟，模拟进行13.6 a时，封存过程结束。图5显示，二氧化碳的注入使得储层应力发生变化，注入二氧化碳使得储层压力相对降低，在注入进行第 13 a时储层压力整体最高，最低点位于二氧化碳在注入扩散最远处。如图6a、图7a所示，以注入井为中心逐渐向四周扩散，分别在 1 a、5 a、10 a、13 a扩散至约 60 m、120 m、170 m、180 m，储层中的甲烷则远离注入井并向生产井附近运移，储层整体甲烷压力分别在 1 a、5 a、10 a、13 a分别下降约0.1 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa。
据图8、表6可知甲烷产气量与二氧化碳注入量，模拟所得 13.6 a二氧化碳注入量 1.24×107 m3，二氧化碳驱替甲烷产量7.2×106 m3，单一抽采甲烷产量为2.4×106 m3。
图5注入井至抽采井储层压力分布
表6气体产量与注入量
图6气体压力扩散分布
a—二氧化碳；b—甲烷
图7注入井至抽采井压力分布
a—二氧化碳；b—甲烷
图8甲烷产气量与二氧化碳注入量
a—驱替注入量；b—驱替产气量与仅抽采产气量
5 讨论与分析
5.1 储层地质特征分析
扫描电子显微镜观测下，煤样品表面粗糙，煤岩孔隙可见大小不一，形状不一的微裂隙，裂隙与裂隙之间有小裂隙连通，但总体而言裂隙的发育程度一般，且部分被矿物成分充填。这一特征也造成了储层渗透性差。介于研究区样品结果，由于渗透率较低的缘故，在进行二氧化碳封存或驱替煤层气产气之前，需要有针对性的制定合理的储层改造方案，以增强储层内流体的运移能力。传统的水力压裂技术主要采用活性水和石英砂进行（张军建等， 2023），这种压裂效果可能不佳。本区建议采用低温液氮/二氧化碳致裂技术（周期性注入致裂媒体） 来改变煤体的储层结构，从而增强储层二氧化碳碳封存能力，同时若以二氧化碳为载体可以实现增产煤层气和二氧化碳封存的“双丰收”。
煤岩样品的 Langmuir 体积为 16.2~26.5 cm3 /g， Langmuir压力为 10.8~15.3 MPa，数据表明研究区各煤层具有较强的吸附能力，仅从吸附性能来看，确保了煤储层的储气潜力。因此，后期在对煤储层进行二氧化碳封存时，还可以兼顾进行煤层气的驱替增产工作，一举两得。岩石的单轴抗压强度是岩石的主要物理技术指标之一，是后期二氧化碳注入封存必不可少的基础参数。测试结果显示，煤样的单轴抗压强度为 18.59~121.49 MPa，普遍低于 100 MPa。抗压强度的差别也代表了研究区不同位置砂岩的孔裂隙系统及物质组成差别较大。因此后期在进行二氧化碳封存选址时应考虑煤层顶板砂岩的物性特征，并进行重点研究。
5.2 封存潜力分析
基于上述模拟讨论分析发现，在二氧化碳地质封存过程中，随着二氧化碳注入时间的推移，储层中二氧化碳浓度逐渐增加，压力逐渐增大，同时发现，前期注入二氧化碳扩散速率较快，后期注入速率明显下降，表明随着储层中二氧化碳的饱和所致。注二氧化碳驱替甲烷过程中，二氧化碳的注入使得煤体中的吸附平衡状态发生变化，破坏了甲烷的吸附平衡状态，同时煤层对二氧化碳吸附能力高于甲烷使煤层中甲烷解析，因此驱替甲烷产量远高于抽采甲烷产量。此外，小范围的二氧化碳封存潜力模拟表明，本区具有一定的二氧化碳封存价值。
5.3 敏感性分析
二氧化碳注入压力是封存施工过程中可控的人为因素，这项因素的数据选取需要基于储层地质条件和实际施工情况等综合判定。为查明二氧化碳注入压力对二氧化碳封存潜力的影响，对二氧化碳注入压力这项参数进行敏感性分析，设定二氧化碳注入压力分别为 3 MPa、5 MPa 及 7 MPa，探究二氧化碳封存效果以及甲烷抽采情况。
图9不同注入压力下二氧化碳注入量和甲烷产量模拟
a—不同注入压力下二氧化碳注入量；b—不同注入压力下甲烷产量
图10不同注入压力下二氧化碳和甲烷压力变化情况
a—二氧化碳压力变化；b—甲烷压力变化
表7不同注入压力下甲烷产量和二氧化碳注入量一览
模拟结果如图9、图10和表7所示。敏感性分析结果表明，不同二氧化碳注入压力对二氧化碳注入量有着相当重要的影响，使其注入量和注入速率均有所提升，二氧化碳注入压力在 3 MPa、5 MPa 和 7 MPa 时二氧化碳注入量分别为 5.33×106 m3、1.24× 107 m3、1.26×107 m3，甲烷产气量分别为 3.07×106 m3、 7.20×106 m3、7.28×106 m3，二氧化碳注入量较甲烷产气量提升较为显著。图10表明在不同二氧化碳注入压力下，二氧化碳扩散半径随着二氧化碳注入压力的增大而增大。甲烷压力在5 MPa、7 MPa时扩散运移并不明显，整体相差较小。二氧化碳注入压力对甲烷的产量与二氧化碳的封存量呈正相关关系。同时，二氧化碳压力的增大使得二氧化碳在储层中运移的时效得到了较大的提升，甲烷抽采有较明显变化，二氧化碳注入压力的提高增强甲烷抽采效率，甲烷压力在5 MPa、7 MPa时扩散运移并不明显，可能与渗透率、吸附差有关。
6 结论
本文查明了河南省嵩箕隆起内二叠系山西组二1煤层的埋深、煤厚、物质组成、孔隙度、渗透率、吸附性、力学性质等物性特征，结合二氧化碳地质封存场地评价体系，进行二氧化碳地质封存和二氧化碳驱替甲烷数值模拟分析，得到如下的结论：
（1）本区构造以正断层以及背斜居多，对二氧化碳圈闭有利。目标储层二1煤层煤厚4~9 m，埋深为200~1000 m，主体埋深均大于800 m，两项指标均是二氧化碳封存的有利指标。
（2）本区物质组成中有机质含量平均为85.8%，其中镜质组平均含量 72.0%；无机质中黏土类矿物含量10.7%，石英基本不可见，给予后期储层改造带来一定困难。 Langmuir 体积为 16.2~26.5 cm3 /g， Langmuir 压力为 10.8~15.3 MPa；孔隙度为 6.0%~15.2%；渗透率为0.036~1.342 mD，普遍低于0.5 mD； 煤样的单轴抗压强度为 18.59~121.49 MPa，普遍低于100 MPa。
（3）模拟过程中以 400 m×400 m 的方式进行布井，正方形四个角点为产气井，正方形中间设计一口二氧化碳注入井。模拟显示，二氧化碳以注入井为中心向四周扩散，注入速率随储层浓度的增加而减缓。模拟区内二氧化碳注入量 1.24×107 m3，驱替甲烷产量 7.20×106 m3。之后对甲烷进行单一抽采，其产量为2.4×106 m3，远小于驱替甲烷产量。综合考虑储层条件和二氧化碳注入量及速率，本区煤储层封存能力较强，适合二氧化碳安全封存。
（4）二氧化碳注入压力对二氧化碳封存量以及其在储层的运移速率均有较大的影响且成正相关关系。7 MPa时注入量为 1.26×107 m3，与低压 5 MPa 相比，注入量有略微提升，注入速率显著增强。