煤矿区固废矿化固定封存CO_(2)与减污降碳协同处置利用的研究进展

“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体,已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪里来到哪里去”的理念,探寻煤矿区固废无害化、减量化、资源化、低碳化的处置新路径,创新发展矿区固废处置、采空区地下空间充分利用、CO_(2)捕集利用与封存(CCUS)相融合的关键技术,是“双碳”目标下我国矿区绿色低碳发展的紧迫需求。研究工作表明:煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术已取得重要进展,为矿区固废固定封存CO_(2)研究提供了基础和启示,但矿区固废固定封存CO_(2)的工程化技术研究亟待加强;矿区固废矿化固定与封存CO_(2)潜力大、具有工程可行性,正在形成矿区固废处置-煤基CCUS-采空区充填新的技术体系;矿区固废与CO_(2)基气-液-固三相介质矿化强化、高效吸收与矿化固碳调控技术、地下空间矿化固碳充填与CO_(2)密闭封存、采空区充填固定封存CO_(2)潜力评价与碳去除量核算、采空区充填固定封存CO_(2)环境与安全性评价等将构成固废处置-煤基CCUS-采空区充填技术体系的核心内涵;矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术是未来实现“煤炭生产加工-矿区固废处置-高效矿化固碳与CO_(2)封存-地下空间充填与利用-矿区地面沉陷防治与生态修复”的无废矿山循环经济模式的关键,矿区固废+CO_(2)基地下充填与封闭功能材料研发是重要突破口。矿区固废处置、煤基CCUS、采空区充填与地下空间利用、矿区生态修复保护等融合技术研发应用为绿色低碳型矿山建设提供了新的发展思路。

中国煤炭甲烷管控与减排潜力

甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层气高效勘探开发技术体系,精准化、数字化、智能化、低碳化煤矿瓦斯高效抽采技术体系,关闭/废弃矿井煤炭甲烷减排管控与利用技术体系,全浓度瓦斯综合利用技术体系等是主要发展方向。

碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜力更大、煤层气开发效果会更好。基于水平井应力释放技术,围绕扩大应力释放范围、提高煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3个方面,对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望,以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高煤层气单井产量提供参考。

宁夏回族自治区碳捕集、利用与封存源汇匹配与集群部署

“双碳”(碳达峰、碳中和)战略背景下,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现化石能源大规模低碳化利用的关键技术之一。近年,CCUS技术呈现出规模化和集群化发展趋势,而科学、合理的源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据,能够建立高效CO_(2)输运管网、降低减排成本。宁夏是国家能源安全战略布局的重要保障基地,能源结构偏煤、工业结构偏重特征明显,面临着巨大的碳减排压力。针对宁夏CCUS集群部署的源汇匹配问题,调研评估了宁夏工业碳排放源特征和地质碳汇潜力,构建了CCUS源汇匹配模型,在充分考虑源汇性质、捕集-输运-封存成本、CO_(2)运输距离、区域地理条件、土地利用类型、人口密度等因素基础上,应用改进的节约里程法和基于地理信息系统(GIS)的最低成本路径优化法,结合ArcGIS平台和优化求解软件,获得了宁夏CCUS源汇匹配优化和应用方案,并提出宁夏CCUS集群部署建议。结果表明,截止2021年,宁夏工业碳排放源107个,碳排放总量2.26亿t/a,以化工(含自备电厂)和电力行业碳排放为主。宁夏主要封存地质体包括深部咸水层、深部不可开采煤层和油气藏,CO_(2)理论地质封存容量151.55亿t,以深部咸水层封存潜力最大。宁夏CCUS源汇匹配效果较好,在源汇直接相连的情况下,区内年排放量10万t以上的大型工业排放源CCUS集群部署(30 a规划期)总成本约2.45万亿元,并以捕集成本为主,占比83.65%,单位减排成本402.32元/t,共需建设CO_(2)运输管道2 459 km;改进的节约里程法和基于GIS的最低成本路径优化法可大幅降低CCUS集群部署成本,优化后CCUS单位减排成本降至381.76元/t,节约管道建设里程938 km。宁夏应聚焦电力、化工等“两高”(高耗能、高排放)行业,在以宁东能源化工基地为重点的北部、东部地区超前应用CCUS技术,打造宁东能源化工基地、银川—吴忠、石嘴山、中卫和固原5个CCUS特色集群,构建宁夏特色的工程化CCUS全流程技术模式。

CO_(2)间接矿化工业固废制备多晶型碳酸钙研究进展

CO_(2)和工业固体废弃物的排放量逐年上升,威胁人类的生存和发展,世界各国迫切寻求降碳减排的解决路径。研究人员基于钙、镁元素与CO_(2)反应生成稳定的碳酸盐反应,开发出一系列CO_(2)矿化工艺,实现CO_(2)的永久封存。为实现CO_(2)的大规模封存和含钙固废的高值化利用,降低矿化成本,选取廉价易得的含钙工业固体废弃物为矿化原料,从多晶型微纳米碳酸钙的制备入手,总结了含钙工业固废浸取和CO_(2)间接矿化的最新研究进展,介绍了含钙工业固废间接矿化常用的浸取剂,并着重分析了间接矿化制备微纳米碳酸钙时反应条件和晶型控制剂对碳酸钙晶型和形貌产生的影响,对其控制原理进行了解释说明,总结了CO_(2)间接矿化含钙固废当前存在的技术难点,展望了未来的研究重点。国内外结果表明,调变温度、pH、搅拌速率以及CO_(2)通气速率等矿化反应条件或添加晶型控制剂能有效控制碳酸钙的晶型、形貌和尺寸。利用含钙工业固体废弃物间接矿化CO_(2)制备微纳米碳酸钙能够满足不同领域对碳酸钙的使用要求,能带来经济效益和环境效益,具有广阔的发展前景。

化学吸收法胺液逃逸控制技术研究进展

CO_(2)化学吸收法吸收剂及其降解产物的逃逸会导致吸收剂成本变高以及胺类排放污染大气,带来运行成本增加和环境污染。本文主要介绍了胺逃逸类型、原理及逃逸控制方法。文中指出:水洗和传统除雾器为目前常用的控制方法,可高效率去除气体和物理夹带逃逸,但气溶胶由于粒径小、逃逸量大带来的问题还未得到很好的解决。目前较为常用的控制方法有加大分离设备、控制运行参数、添加助剂、中间冷却法等方法,未来的发展趋势仍将放在物理方法上,如急冷、高频电场等,在不改变前期反应条件的基础上,在吸收塔或水洗塔后对逃逸气体进行控制。在兼顾CO_(2)吸收法捕集效率的前提下提高经济效益和环境效益,为工业发展提供技术支持。

基于正交实验的带式输送机落料降尘装置研究

针对选煤厂带式输送机落料扬尘的问题,通过改造落料口,提出一种带式输送机落料降尘装置,并对其结构参数进行了优化设计。采用数值模拟及四因素五水平正交试验方法研究了粉尘在落料降尘装置中的运移规律,分析了外圆柱直径、排风管直径、内置引风筒插入深度和出风口平均风速对落料扬尘抑制效果的影响;并基于陕西某选煤厂落料扬尘实测粒径分布特征,优化了落料降尘装置的结构尺寸。研究结果表明:实验条件下落料降尘装置的最优结构参数组合为外圆柱直径φ2400 mm,排风管直径与外圆柱直径之比0.4,内置引风筒插入深度600 mm,出风口平均风速为5 m/s。该参数组合下,落料降尘装置的总抑尘率可达73.18%,对PM_(10)的抑尘效率为44.27%,对PM_(2.5)的抑尘效率为43.06%。

基于高分五号卫星的山西省煤炭行业甲烷点源排放特征

甲烷是长效温室气体之一,其增温潜势是CO_(2)的28倍,约占全球变暖效应的16%。煤炭生产活动是中国甲烷排放的主要来源之一,作为中国主要的煤炭生产基地之一,山西省煤炭行业排放了大量甲烷。利用高分辨率遥感数据对山西省煤炭行业的甲烷排放进行估算,可以为建立精细化的煤炭行业甲烷排放清单奠定数据基础,并为制定有效的减排措施提供科学依据。利用我国高分五号02星搭载的先进高光谱成像仪(AHSI),使用2021年10月—2023年3月的数据,探测到山西省煤炭行业等408个厂矿的838个甲烷羽流,并计算各羽流的排放速率。结果显示:①山西省煤炭行业的甲烷羽流排放速率呈现出非对称性,84%的羽流的排放速率在0.5~3.0 t/h,但也有少数极端情况,最高的排放速率超过10.0 t/h。②山西省有6个煤炭行业甲烷点源排放密集区,其中5个密集区与XCH_(4)的高值区域相对应。③检测到甲烷排放点源,以煤矿和焦化企业为最多。不同类型的排放源甲烷平均排放速率差异性较大,且排放速率会随时间和排放源的变化而波动。煤炭行业的各个环节都可能存在甲烷排放。④高度持续性排放源虽然只占所有点源的13%,但其贡献了41%的总排放速率。相反,高度间断性排放源虽然占了59%,但其只贡献了25%的总排放速率。全山西煤炭行业的甲烷综合排放速率为177.17±56.35 t/h,主要由煤矿类、焦化类和火电类企业的甲烷排放构成。

CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同的技术基础研究进展

规模化集群化部署是CCUS技术发展方向和化石能源低碳化利用的国家重大需求,CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系及机制是实现CCUS技术规模化、集群化部署的理论基础。系统梳理评述了国内外CO_(2)地质封存潜力及其评价方法、CCUS源汇匹配与管网设计模型、CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系、CCUS集群部署技术基础与模式等领域的主要进展,讨论展望了我国CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同理论方法体系的研究思路。研究工作取得以下认识:CO_(2)地质封存潜力制约着CCUS技术的发展潜力与应用规模,适宜性评价方法、封存容量评估方法和封存选址方法所构成的CO_(2)地质封存潜力评价方法体系已初步建立,但亟待完善发展;源汇匹配是CO_(2)运输管网设计与CCUS技术集群化部署的重要直接依据,完善建立CCUS源汇匹配规划优化模型与CCUS集群管网设计模型是技术关键,从单阶段静态规划模型向多阶段动态规划模型发展是方向;CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系构成了CCUS技术的约束条件,CCUS技术与可再生能源、氢能、储能等新能源技术的协同有望形成实现能源系统脱碳的新路径、新模式和新方向,CO_(2)地质封存潜力与生物质、水资源协同关系约束了CCUS技术规模化部署地域和BECCS技术发展应用潜力,基于CCUS源汇匹配模型的能源资源系统优化模型研究也成为新的技术需求;CO_(2)地质封存潜力、能源系统约束的CCUS源汇匹配优化方案和CCUS全流程技术体系构成CCUS集群化部署的重要技术基础,近源输送陆上封存CCUS集群部署模式应是我国优先考虑发展方向,远源输送陆上封存CCUS集群部署模式和离岸封存CCUS集群部署模式在我国长三角、大湾区等区域也有发展前景。

深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想

温和氧化解聚作用下,低阶煤(褐煤、长焰煤)可高效生成高值化学品,同时煤体多尺度流动能力显著改善。针对我国低阶煤资源丰富与煤层中赋存巨量天然气的地质背景,结合低阶煤化学性质特点,提出了基于原位氧化改性的深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想,从氧化解聚制备羧基化学品方法、氧化改性提高煤层气采收率机理、共采技术模式、地质及工程有利条件等4方面论证了该技术可行性。调研总结发现:低阶煤具有丰富的含氧官能团(如羧基—COOH和酚羟基—OH)和侧链,为氧化解聚制备高值化学品(如羧酸)提供了关键前体结构;过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂,在低温(<100℃)、常压条件下,温和氧化解聚低阶煤可高效、低成本制备羧基化学品,实现低阶煤非能源化高值利用;氧化解聚反应对低阶煤具有明显的氧化改性作用,主要表现为煤表面对甲烷的吸附能力减弱、水的疏水性增强、形成溶蚀孔与微裂缝,并可原位生成CO_(2),从而增加了煤层气解吸-渗流能力。围绕深部低煤阶煤层气井高效增产改造需求与枯竭煤层气井二次利用,设计了单井压裂-溶浸开采(采气为主)与群井压裂-溶浸开采(采高值化学品为主)2种技术模式。前者通过注入氧化性压裂液,合理控制压后焖井时间,充分发挥力学-化学协同改造增渗作用,返排阶段分离压裂液中高值化学品,并高效抽采天然气;后者对各枯竭气井重复改造,通过压裂缝网形成相互沟通的注采井网,持续生成、抽采高值化学品。我国巨厚(数十米~近百米)、深埋藏(500~1000 m)低煤阶煤层分布广泛,能有效减小氧化剂及反应产物泄漏诱发的地下水污染,为共采提供了有利地质条件;现有大规模煤层气水平井及水力压裂缝网,避免了高值化学品原位制备的高额建井成本,为共采提供了有利工程条件。结论认为,利用温和氧化解聚反应,实现深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采,丰富了原位改性采矿理论与技术体系,有望形成煤层气增产改造新模式,增加低煤阶煤层资源开采综合经济效益。

华东地区深部煤层气资源与勘探开发前景

华东地区深部煤层气勘探开发对保障区域能源需求、优化地区能源结构、实现“双碳”目标具有重要意义。基于系统调研和前期研究积累,总结了华东地区煤层气及瓦斯抽采现状,分析了该地区深部煤层含气特征与资源潜力,探讨了已有深部煤层气勘探开发技术在华东地区的适用性,讨论并预测了华东地区深部煤层气勘探开发潜在有利区,最后提出了华东地区开展深部煤层气勘探开发的优势和挑战。已有研究结果表明:华东地区针对煤矿区及构造煤的煤层气勘探开发技术储备良好,形成了煤矿区煤层气开发“淮南模式”与构造煤煤层气顶板水平井分段压裂开发技术。华东地区深部煤层具有含气量高(大于10 cm^(3)/g)和含气饱和度高(大于80%)的特征,两淮矿区深部煤层气预测地质资源量占绝大多数,2000 m以浅高达8984.69×10^(8)m^(3),表明两淮地区深部煤层气具备良好的资源优势。深部煤层气的水平井等开发方式及造洞穴应力释放、水力割缝等增产工艺在华东地区具有较大的应用前景,淮南煤田潘谢矿区可作为华东地区深部煤层气勘探开发先导试验区。华东地区深部煤层气工作程度低,需要开展区域性的深部煤层气资源评价与典型地区成藏规律的深入解剖。

CO_(2)地质封存与利用示范工程进展及典型案例分析

CO_(2)地质封存与利用工程实施具有十分可观的CO_(2)减排效果,推行CO_(2)地质封存与利用项目对于缓解全球气候变暖、践行我国可持续发展战略具有重要意义。梳理了目前主要的CO_(2)地质封存与利用方式,统计了全球范围内的CO_(2)地质封存与利用示范工程,重点介绍了我国典型CO_(2)地质封存与利用示范工程案例,并对CO_(2)地质封存与利用技术发展趋势进行了展望。目前,CO_(2)地质封存与利用方式主要包括CO_(2)驱油封存、CO_(2)驱替煤层气封存、CO_(2)咸水层封存、CO_(2)枯竭油气藏封存、CO_(2)驱替页岩气封存、CO_(2)深部咸水层封存与采水、CO_(2)封存与增强型地热发电、CO_(2)封存与铀矿地浸开采等;国内外在CO_(2)驱油封存、CO_(2)咸水层封存以及CO_(2)封存与铀矿地浸开采方面已形成了配套完整的技术体系,实现了广泛商业化应用,而在其他CO_(2)地质封存与利用方面尚处于现场试验与工程探索阶段;我国现已开展了23个CO_(2)地质封存与利用项目,含12个CO_(2)驱油封存项目、2个CO_(2)咸水层封存项目、7个CO_(2)驱煤层气项目以及2个CO_(2)+O_(2)地浸采铀项目。我国的CO_(2)地质封存与利用技术起步较晚,与欧美发达国家相比仍具有较大差距,未来亟待加快百万吨/年以上规模的CO_(2)地质封存与利用全流程技术与集群部署的工程示范,强化CO_(2)地质封存与利用集群化规模部署技术科学基础研究,重点解决工程化CO_(2)地质封存与利用全流程技术关键环节瓶颈。

中国二氧化碳地质封存潜力评价研究进展

CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用与封存)技术是减少化石能源发电和工业生产过程中CO_(2)排放的关键技术,也是我国实现碳中和的兜底技术。CO_(2)地质封存是CCUS技术的核心组成部分,决定了CCUS技术的发展潜力和发展方向,建立适用我国地质特点的CO_(2)封存潜力评价方法,科学评估我国主要沉积盆地CO_(2)封存潜力是我国CCUS技术发展的基础。国外将CO_(2)地质封存潜力评价分为国家/州级筛选、盆地级评价、场址描述、场址应用4个阶段,并将封存地质体特征、区域地质、评估目的、地方保护、社会健康、封存安全和环境风险等作为主要指标,形成了一系列盆地级别评价指标体系,同时针对不同封存地质体,建立了CSLF(碳封存领导人论坛)法、DOE(美国能源部)法、欧盟法,ECOFYS和TNO-TING法等CO_(2)封存量计算方法。我国封存潜力评估整体处于起步阶段,尚未建立统一、系统的封存潜力评估方法,采用的封存潜力评价方法主要是基于层次分析法的模糊综合评价,并发展了封存潜力的次级盆地评价方法和CO_(2)封存量的溶解度计算方法。我国CO_(2)地质封存潜力巨大、方式多样,封存有利区域为渤海湾盆地、松辽盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、苏北盆地和四川盆地。由于中国地质条件的复杂性,采用不同评价方法评估得到的CO_(2)封存潜力差距较大,亟需对深部咸水层、正在开采或枯竭的油气田、深部不可采煤层、浅海等主要封存地质体开展CO_(2)封存潜力的精细评估。

压裂液矿化度对支撑裂缝及裂隙内煤粉运移的影响

在煤层气井水力压裂阶段,支撑裂缝内煤粉沉积以及裂隙内煤粉运移,将导致支撑裂缝和裂隙渗透率降低,影响水力压裂改造效果以及后续的煤层气井排采效果。为有效疏通支撑裂缝并避免裂隙堵塞,从优化压裂液矿化度的视角,提出了水力压裂阶段支撑裂缝及裂隙内煤粉防控新方法。基于石英砂充填柱和无烟煤样,分别开展了矿化度逐级递减条件下支撑裂缝及裂隙内煤粉运移实验,分析了煤粉运移对矿化度变化的响应特征;采用扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论对煤粉运移进行了模拟,揭示了矿化度对煤粉运移的影响机制;并在此基础上,探究了兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的最优矿化度范围。研究结果表明:支撑裂缝及裂隙内煤粉运移均存在临界矿化度现象,当矿化度低于临界矿化度时,支撑裂缝渗透率急剧增大,裂隙渗透率骤然降低,并伴有大量的煤粉产出;支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度高于裂隙内煤粉运移临界矿化度,支撑剂表面电负性强于裂隙,而其疏水性弱于裂隙,是导致支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度偏高的主要原因;随矿化度的逐级降低,煤粉与通道间的双电层斥力不断增大,当矿化度降至临界矿化度时,双电层斥力开始大于Lifshitz-van der Waals引力和Lewis酸碱引力之和,诱发煤粉运移;理论模型预测的支撑裂缝及裂隙内煤粉运移临界矿化度均与实验结果一致,证实了模型的可靠性。在水力压裂阶段,可将压裂液矿化度设计在支撑裂缝与裂隙内煤粉运移临界矿化度之间,从而促使支撑裂缝内煤粉产出,并抑制裂隙内煤粉运移,达到兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的目的。

苏北—南黄海盆地工业固定排放源CO_(2)地质封存源汇匹配研究

围绕“双碳”目标,各省根据自身地域与产业特点,陆续开展碳减排方案研究。作为最发达的省份之,江苏省巨大的经济产值伴随着大量的CO_(2)排放,如何处置这部分CO_(2)成为减排的关键。CCUS作为减少化石能源发电和工业过程中CO_(2)排放的关键技术以及实现碳中和的兜底技术,可大幅减少江苏省工业碳排放的同时,确保能源结构由煤炭为主体的化石能源消费向清洁能源过渡.

基于流固耦合的煤系气排采数值模拟研究

煤系气开发过程中流体运移受叠合型储层物性差异影响,其产出规律较单储层更为复杂,通过对煤系气流体渗流规律的研究,分析煤系气流体渗流规律对开发工程的启示。本文以六盘水矿区大河边区块煤系气开发示范工程的地质、排采等资料为基础,考虑应力影响的CH4吸附、扩散与渗流作用,以及典型煤系叠合型储层孔隙度与渗透率的动态演化特征,构建典型煤系叠合型气藏渗流数学模型,并应用COMSOL Multiphysics数值模拟软件实现有限元求解.

新疆煤层气大规模高效勘探开发关键技术领域研究进展与突破方向

新疆煤层气资源量7.5万亿m^(3)(2000 m以浅),已施工煤层气井450口,年产气量达到0.8亿m^(3),新疆维吾尔自治区提出了2025年实现煤层气产量25亿m^(3)的目标,煤层气大规模高效开发成为紧迫的重大需求。从煤层气富集模式与选区技术、“甜点”预测探测技术、加速滚动开发与快速增储上产策略、地质适配性开发技术、煤层气与煤炭、油气协同开发技术5个关键技术领域,系统梳理了新疆煤层气勘探开发已取得的主要研究进展,分析提出了可能突破方向。研究表明:新疆煤储层具有多-厚煤层普遍、低阶煤发育、急倾斜煤层多见、煤体变形与构造控制显著、水文条件和露头条件复杂,和三“低”(含气量低、甲烷体积分数低、含气饱和度低)五“高”(高含气强度、高孔隙度、高地应力变化、高储层压力变化、高渗透率变化)的含气性及物性等煤层气地质独特性;煤层气成因与富集模式具有多样性,包括生物成因气、热成因气或生物-热复合成因及其相应富集模式,生物成因气藏或生物成因气贡献普遍;煤层气分布赋存规律呈现前陆盆地、山间盆地显著差异性;创新形成基于“两”分开(浅部与深部,低阶煤与中高阶煤)“两”结合(地质评价与工程评价,多元数据)的科学评价与基于“机器学习+三维地质建模”的精准选区技术是第1个突破方向。深部煤层气/煤系气“甜点”发育区域主要为盆内坳陷的凸起、盆内隆起的凹陷、盆缘斜坡,高产井位多为构造高点,发育层位为割理裂隙发育的原生结构煤层或孔裂隙发育的煤系砂砾岩储层;基于“地球物理+岩石物理+岩石力学地层新方法”和“地质甜点+工程甜点新理念”的深部煤层气/煤系气“甜点”预测探测技术是第2个突破方向。低风险、短周期、高效率、多批次工程部署是加速滚动开发的基本原则;中浅部煤层气快速增储上产技术策略是在优选新区块布井建井、对老区块煤层气井进行增产改造;深部煤层气快速增储上产技术策略是在大型盆地缓坡深部和盆内凸起“甜点”区优先部署开发;科学加速滚动开发与高效快速增储上产的工程部署方法与技术策略是第3个突破方向。在井网井型差异性优化部署、低储层伤害钻井固井、高可靠性录井测井试井、多井型高效分段压裂、低套压-控压排采管控等工程技术取得重要进展;发展构建新疆煤层气大规模高效勘探开发地质适配性技术体系是第4个突破方向。开展先采气后采煤、煤层气与煤共采、煤层气与原位富油煤共采,推动中浅部煤层气与煤炭协同勘探开发;开展煤系叠合型气藏开发、煤层气与煤系气共探共采、煤系全油气系统勘探开发,推动深部煤层气与油气协同勘探开发,已有关注和探索;煤层气与煤、油气共探共采是第5个突破方向。成果试图为新疆煤层气大规模高效勘探开发提供技术支持和工程决策参考。

基于分段压裂水平井的临兴区块煤层气开发数值模拟

煤层气作为非常规天然气的重要组成部分,其高效开发技术已引起广泛关注,而水平井分段压裂技术是目前非常规天然气开发的关键技术之一,因而有必要对基于分段压裂水平井的区块煤层气开发进行数值模拟,以期提高煤层气的开发效果以及实现工艺优化。基于煤层气开发流固耦合数学模型,考虑煤储层中割理系统发育与分布,以临兴区块为研究对象,建立水平井分段压裂物理模型,开展煤层气储层压力与产能数值模拟,并对煤层压力变化以及产气效果影响因素进行分析。结果表明:水平井分段压裂开发煤层气在365 d左右可实现较远区域控制,且水平井井周压力较稳定。割理条数、裂缝参数的增加可提高煤层气的产气效果,但需考虑水平井分段压裂技术的开发成本以及井间干扰等因素的影响。基于分段压裂水平井的区块煤层气开发数值模拟模型可为实现煤层气高效开发的水平井分段压裂技术提供参考与指导。

综掘巷道大风量双压风筒下长压短抽除尘效果的模拟研究

煤矿井下大风量双压风筒综掘巷道具有产尘强度大、粉尘分散度高、巷道风速大等特点,严重威胁作业人员身心健康和矿井安全生产。为降低大风量综掘巷道粉尘浓度,基于CFD数值模拟软件建立了双压风筒综掘巷道物理结构,采用DPM模型,重点研究了单抽双压式通风下抽风筒入风口与巷道迎头之间的距离对掘进工作面粉尘运移规律的影响,分析了大风量双压风筒下长压短抽通风方式对司机位置作业环境的影响。结果表明:保持双压风筒出口距巷道迎头为4、5 m,压入风量为1 200 m^(3)/min条件下,当抽风筒入口与巷道迎头之间的距离为8 m时,司机位置粉尘浓度为30~90 mg/m^(3),作业环境最佳。

碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

概述了碳中和地质技术的形成背景及其在碳中和知识体系中的定位,提出了碳中和地质技术的概念和内涵,评述了关键碳中和地质技术的国内外进展,分析讨论和前瞻了碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中的重要应用方向、应用模式和发展前景。已有研究工作表明:作为碳中和知识体系的碳中和科学与工程交叉学科正在形成,在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向,碳中和地质技术是碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分,也是实现碳中和目标的关键技术;二氧化碳捕集利用与封存技术、生态地质与碳增汇技术、煤层中甲烷减排与资源化开发利用技术、化石能源低碳化开发利用地质技术、地热资源高效勘查与开发技术、新能源高效安全开发利用地质保障技术、矿化固碳地质技术和地球工程等构成了碳中和地质技术的当前核心内涵;以CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用与封存)大规模集群化部署与全流程技术、煤层甲烷接续高效抽采与低浓度瓦斯(含乏风瓦斯)利用技术、煤型关键金属探采选冶全流程技术、矿区生态地质修复重构与碳增汇技术、干热岩型地热地质新能源勘查开发利用技术、供能蓄能一体化水电和核电等新能源开发利用地质工程保障技术、太阳辐射管理前沿技术探索为代表,关键碳中和地质技术已取得重要进展;CCUS将成为低排放燃煤发电、煤转化、煤制氢、煤制特种燃料、煤基材料等煤炭低碳洁净高效利用关键技术的关键,煤炭基地或煤矿区CCUS以煤基CO_(2)源、煤系CO_(2)地质碳汇、CO_(2)矿化固定与采空区充填封存为技术特色且具有紧迫需求;从原位煤层气高效勘探开发、煤矿瓦斯井下-地面协同高效抽采、关闭矿井瓦斯高效抽采到低浓度和乏风瓦斯高效利用,煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术应用模式将得到快速发展和推广;通过覆岩变形控制与地表植被生态系统保持、水资源与区域生态系统保护、采动裂隙与温室气体大气排放控制、数字矿山与节能提效等方式发展和应用绿色智慧矿山地质保障技术,实现煤炭生产过程减碳;应用煤矿区生态修复与碳增汇技术,实现煤矸石处置与减污降碳协同、塌陷区治理与碳增汇、土地整治利用与增汇固碳;加快应用和发展煤系共伴生资源共探共采与碳减排技术,实现煤系气、煤型关键金属高效勘查开发利用突破,对服务我国低碳洁净高效安全新能源体系构建和实现源头减碳意义重大。