深部煤层中CO2地质封存的潜力评估与有利区优化

为何在煤层中封存碳很重要

要在足够快的速度上减少二氧化碳（CO2）排放以实现气候目标，不仅需要更清洁的能源，还需要能够在地下安全封存大量CO2数百年的场所。深部、不可采的煤层是一个有前景的选项：它们能在内部表面吸附CO2并将其困住，同时还能帮助驱出有价值的天然气。本研究以中国沁水盆地的一个主要煤层为例，提出一个务实的问题：这些深部煤层到底能存储多少CO2？在哪里注入最合适？

煤炭产区下方的地下地质环境

研究聚焦于沁水盆地南部的3号煤层，该区是中国重要的煤与煤层气区之一。这里，厚层的中高阶煤层位于地下数百到一千多米处，两侧夹着致密的泥岩与砂岩，这些岩层充当天然封盖。地下水层多为相对分隔的层系，流体不易在层间纵向迁移。目标煤层为硬质高阶烟煤，具有极小的孔隙与很大的内表面积，因而通过吸附（分子粘附在孔壁上）特别擅长储气，同时周围致密岩石有助于防止渗漏。

随着埋深变化CO2的行为

当CO2被注入地下时，随深度升高温度与压力，最终将气体推进到具有液体密度与气体流动性的超临界态。研究人员在实验室中使用来自约900米深的粉煤重现这些条件，测量了三种温度（20、30和40°C）及至多20兆帕压力下的CO2吸附量。在所有温度下，随着压力升高，煤先快速吸附CO2、达到峰值，然后所测的“超额”量呈缓慢下降。较高温度会降低在任一压力下的持气量，这意味着更深、更热的煤层与较浅、较冷的煤层表现不同。

构建一个简洁但强大的储存估算器

为将这些测量结果转为规划工具，团队测试了三种常用的吸附数学描述，发现一种多层吸附模型（即BET模型）最好地捕捉了CO2的行为，尤其在靠近及超过临界点、气体进入超临界状态时表现更佳。随后他们将该吸附模型与分别描述作为自由流体占据的开孔空间和溶解入形成水中那一小部分CO2的公式结合。矿物反应会在数百万年尺度将CO2固定为碳酸盐，但在工程时间尺度内对本煤层可忽略不计。结果是一组紧凑的方程，可按深度估算单位煤质量的总CO2储量，采用孔隙度、含水率、煤密度以及原位压温等典型参数。

能存多少，以及哪里最优

将区域地质数据输入该框架后，作者计算了约300到1300米埋深范围内储量随深度的变化。在较浅的“亚临界”层中，煤表面的吸附占主导，随深度略增后趋于平稳。大约在800米以下，CO2进入超临界状态，孔隙内作为致密自由流体的储存份额迅速增加，总体容量在约1100米之前快速上升，随后增速放缓。总体来看，研究区主煤层理论上可贮存约5.75亿吨CO2，其中约三分之二位于更深的超临界区。详细的构造剖面显示，标为单元I和II的有利区位于区块北部构造较为简单的部分，那里的厚煤层、良好封盖岩和少量易漏失断层与较强的煤层气潜力叠加。

对气候行动与能源利用的意义

对非专业读者而言，关键信息是：在某些深部煤层中，尤其是在压力和温度将气体推入致密超临界状态时，这些煤层可以像巨大的地下海绵一样储存CO2。在沁水盆地的例子中，煤上的吸附与孔隙中致密的自由CO2共同构成了99%以上的储存潜力，而溶于水和极缓慢的矿物反应在短中期内影响甚微。研究表明，兼顾安全性与效率的最佳埋深位于约800到1100米之间，且最优注入点常与现有气田和井位重合。这为既储存CO2又提高甲烷产量的项目打开了可能性，既能为封存支付部分费用，又有助于推进中国“碳达峰、碳中和”的双碳目标。

引用: 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

关键词: CO2封存, 深部煤层, 超临界流体, 煤层气, 碳捕集与封存