Оценка потенциала и оптимизация благоприятных зон геологического захоронения CO2 в глубоких угольных пластах

Почему важно хранить углерод в угольных пластах

Чтобы сократить выбросы двуокиси углерода (CO2) достаточно быстро и выполнить климатические цели, потребуется не только более чистая энергия, но и места, где можно надежно запереть огромные объемы CO2 под землей на столетия. Глубокие, неразрабатываемые угольные пласты — одно из перспективных решений: они поглощают CO2 на своих внутренних поверхностях и удерживают его, одновременно помогая выдавливать ценный природный газ. В этом исследовании рассматривается крупный угольный слой в китайском бассейне Циншуй с практическим вопросом: сколько CO2 действительно могут удержать эти глубокие угольные толщи и где лучше всего его закачивать?

Подземная обстановка под угольным регионом

Работа сосредоточена на угольном пласте №3 в южной части бассейна Циншуй, одном из важнейших для угля и угольного метана районов Китая. Здесь толстые пачки углей средней и высокой степени метаморфизма залегают на глубинах от нескольких сотен до более тысячи метров, зажаты между плотными глинистыми и песчаниковыми породами, выполняющими роль естественной герметизации. Подземные воды разделены на в основном отдельные условия, поэтому жидкости плохо перемещаются между уровнями. Уголь в целевом пласте — твердый антрацит высокого ранга с очень мелкими порами и большой внутренней площадью, что делает его особенно способным удерживать газ адсорбцией — молекулы, прилипшие к стенкам пор — тогда как окружающие породы помогают предотвратить утечку.

Как ведет себя CO2 при изменении условий с глубиной

По мере закачки CO2 под землю температура и давление растут с глубиной, в конечном счете переводя газ в сверхкритическое состояние, которое сочетает плотность жидкости с подвижностью газа. Исследователи воссоздали эти условия в лаборатории, использовав измельченный уголь примерно с глубины 900 метров. Они измеряли, сколько CO2 уголь может поглотить при трех температурах (20, 30 и 40 °C) и давлениях до 20 мегапаскалей. При всех температурах уголь сначала быстро захватывал CO2 по мере роста давления, затем достигал пика и, наконец, демонстрировал плавное снижение «избыточного» измеренного количества. Более теплые условия снижали объем удерживаемого CO2 при данном давлении, что означает, что глубокие, более горячие пласты ведут себя иначе, чем мелкие, более холодные.

Построение простого, но мощного калькулятора емкости

Чтобы превратить эти измерения в инструмент для планирования, команда опробовала три стандартных математических описания адсорбции и обнаружила, что многослойный подход, известный как модель БЕТ, лучше всего описывает поведение CO2, особенно рядом с критической точкой и выше нее, где газ становится сверхкритическим. Они затем объединили эту модель адсорбции с отдельными формулами для CO2, занимающего открытую поровую пустоту как свободная фаза, и для небольшой фракции, растворяющейся в пластовой воде. Минеральные реакции, которые могли бы за миллионы лет закрепить CO2 в виде карбонатов, признаны пренебрежимо малыми для инженерных временнЫх масштабов в этом угольном пласте. В результате получен компактный набор уравнений, оценивающий суммарное хранение CO2 на единицу массы угля как функцию глубины, с использованием типичных значений пористости, влагосодержания, плотности угля и пластовых давления и температур.

Сколько можно хранить и где лучше всего

Подставив региональные геологические данные в эту схему, авторы рассчитали, как емкость хранения меняется от примерно 300 до 1300 метров глубины. В более мелких, «субкритических» слоях доминирует адсорбция на поверхностях угля и умеренно увеличивается с глубиной, прежде чем выровняться. Ниже примерно 800 метров, где CO2 становится сверхкритическим, доля хранения в виде плотной свободной фазы в порах быстро растет, и общая емкость резко возрастает до примерно 1100 метров, затем растет более медленно. В целом основные угольные пласты исследуемого блока теоретически могли бы вместить около 575 миллионов тонн CO2, причем примерно две трети этой емкости сосредоточены в глубокой сверхкритической зоне. Детальная структурная картография показывает, что наиболее перспективные зоны, обозначенные как подразделения I и II, расположены в северной, структурно простой части пласта, где толстые угли, хорошие герметизирующие породы и мало трещин, склонных к утечке, совпадают с высоким потенциалом по угольному метану.

Что это значит для климатических действий и использования энергии

Для неспециалистов главный вывод состоит в том, что некоторые глубокие угольные пласты могут действовать как огромные подземные губки для CO2, особенно там, где давление и температура переводят газ в плотное сверхкритическое состояние. На примере бассейна Циншуй адсорбция на угле и плотный свободный CO2 в поровом пространстве вместе обеспечивают более 99% потенциала хранения, тогда как растворение в воде и очень медленные минеральные реакции имеют мало значения в краткосрочной и среднесрочной перспективе. Исследование показывает, что оптимальная зона с точки зрения безопасности и эффективности лежит примерно между 800 и 1100 метрами глубины, и что лучшие места для закачки часто совпадают с существующими газовыми месторождениями и скважинами. Это открывает возможности для проектов, которые одновременно хранят CO2 и повышают добычу метана, помогая финансировать хранение и продвигая китайские цели «двойного углерода» — достижения пика и последующего сокращения выбросов.

Цитирование: Xue, Z., Xu, X., Tian, L. et al. Potential evaluation and favorable zone optimization of CO₂ geological sequestration in deep coal reservoirs. Sci Rep 16, 12208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42680-z

Ключевые слова: Хранение CO2, глубокие угольные пласты, сверхкритические жидкости, угольный метан, улавливание и хранение углерода