在深部低渗透性煤层中，CO?-ECBM（二氧化碳辅助煤层气抽采）操作条件的多目标评估：CH?回收、CO?储存与渗透率保持之间的平衡

《Journal of Cleaner Production》：Multi-objective evaluation of CO 2-ECBM operating conditions in deep low-permeability coal reservoirs: Trade-offs among CH 4 recovery, CO 2 storage, and permeability preservation

　　

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  一个多组分双孔隙框架将传输和渗透率演化结合起来。
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  渗透率的保持被明确纳入了CO₂-ECBM决策标准中。
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  层次加权法和TOPSIS量化了回收–存储–渗透率的权衡。
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  权重敏感性分析测试了优选操作条件的鲁棒性。
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  该框架支持以更清洁的生产方式为目标的CO₂-ECBM操作。

引言

煤层气（CBM）是非传统天然气的重要组成部分，但其高效回收受到强吸附作用、低渗透率以及煤层中压力传播受限的影响（Huang等人，2023年；Ge等人，2026年）。来自化石燃料开采的甲烷排放，尤其是煤炭生产，仍然是人为温室气体排放的重要来源，这突显了在煤炭资源开发过程中提高甲烷回收率和减少泄漏排放的必要性（Shen等人，2023年；Tibrewal等人，2024年；Jervis等人，2025年）。在CBM回收过程中，压力扰动通常集中在生产井附近，无法在井间区域有效维持，导致大量吸附的CH₄未能充分释放（Yan等人，2026年）。CO₂增强型煤层气回收（CO₂-ECBM）通过补充储层能量并利用CO₂比CH₄更强的吸附能力来促进CH₄的解吸和迁移，从而缓解了这一限制（Mukherjee和Misra，2018年；Fan等人，2023年；Li等人，2024a年；Zhang等人，2026a年）。因此，其低碳价值取决于CH₄回收、CO₂保留和注入–生产效率的协同表现（Cho等人，2019年；Jiang等人，2022年；Ma等人，2025年；Fan等人，2025年）。

深部低渗透率煤层既提供了有利的存储条件，也带来了CO₂-ECBM实施中的重大工程挑战。埋藏深度的增加通常伴随着温度和压力的升高以及原位应力的增加，这些因素降低了裂缝的导电性、压力传递能力和气体输送能力，进一步限制了初次CBM回收过程中的井间CH₄迁移（Zhang等人，2025年；Yang等人，2025a年）。相反，深部的高压–低温条件有利于注入的CO₂处于超临界状态，并通过吸附作用在煤基质中保留（Yao等人，2023年；Mwakipunda等人，2023年；Wang等人，2026a年）。最近的现场研究表明，在深部低渗透率煤层中进行受控的CO₂注入和储层监测是可行的，但也指出了注入能力下降、CO₂突破、渗透率演化以及存储安全性是现场规模实施的主要限制因素（Hosseinzadeh等人，2024年；Zhang等人，2026b年；Yang等人，2025b年）。因此，此类储层中的CO₂-ECBM应被视为一个涉及储层压力、气体组成和渗透率共同演化的过程，而不仅仅是一个简单的CH₄置换过程（Liu等人，2023a年；Li等人，2024a年）。

实验和数值研究显著推进了对CO₂-ECBM机制的理解。竞争性吸附、气体置换、吸附诱导的变形以及孔隙–裂缝结构演化共同决定了CH₄的解吸、CO₂的迁移和储层流容量的变化（Zhang等人，2023年；Bai等人，2024年；Yao等人，2023年；Ardehjani等人，2025年）。NMR测量进一步表明，CO₂注入可以在传统压力耗尽后 mobilize 剩余的吸附CH₄，并在吸附态和自由态之间动态重新分配甲烷（Zheng等人，2022年）。在不同注入压力和围压下的置换实验表明，较高的CO₂压力通常可以提高CH₄的回收率，而过高的压力可能会加剧吸附膨胀并导致更大的渗透率降低（Gao等人，2024年；Li等人，2024a年；Ye等人，2026年）。同时，数值模型已从有效应力和基质变形模型发展到了考虑竞争性吸附、基质扩散、气体–水流动、热传递、煤变形和渗透率演化的THM和THMC框架（Palmer和Mansoori，1998年；Shi和Durucan，2005年；Liu等人，2023b年；Jing等人，2022年；Fang等人，2024年；Li等人，2024b年）。这些进展为共同评估CH₄生产、CO₂存储和储层流容量演化提供了基础。

尽管取得了这些进展，但在深部低渗透率煤层中的CO₂-ECBM研究中仍然缺乏一个统一的框架来评估各种竞争性操作目标。之前的研究主要集中在单个操作参数或主要性能指标上。Huang等人（2014年）优化了CO₂注入计划以提高CH₄产量，Wang等人（2022年）研究了注入率和持续时间对CH₄产量的影响，Li等人（2023年）和Fang等人（2026年）分别评估了注入温度和注入时间。尽管这些研究为个别操作参数提供了有价值的见解，但CH₄回收率、CO₂存储性能、回收–存储协同效应以及渗透率的保持很少在共同的决策框架内进行整合。增加注入强度可能会提高压力支持和绝对的生产–存储性能，但同时会降低CO₂保留效率，减少每单位储存CO₂的增量CH₄收益，加速突破并降低储层流容量（Zhang等人，2023年；Liu等人，2024年；Wang等人，2026b年）。因此，需要一种定量多目标方法来比较这些竞争性响应，确定优选的操作条件，并评估结果排序对目标偏好变化的鲁棒性。

因此，本研究采用了一个多组分双孔隙数值框架，针对秦水盆地中东部的一个代表性深部低渗透率煤层进行评估。比较了初次CBM回收和CO₂-ECBM在压力传播、基质气体成分重新分布、渗透率演化以及生产–存储响应方面的差异，并系统地评估了注入压力和注入率的影响。建立了一个多目标评估框架，以CH₄产量增加、累计CO₂存储量、模拟周期内的CO₂保留效率、每单位储存CO₂的增量CH₄产量和剖面平均渗透率保留作为决策标准。然后应用层次加权法、TOPSIS和权重敏感性分析来确定优选操作条件并评估排序的鲁棒性。进一步通过已发表的实验数据评估了渗透率响应的可靠性，并将模型的整体响应与独立的实验和现场观察结果进行了对比。该研究为协调CH₄回收、有效的CO₂保留和储层流容量保持提供了定量基础，以支持以更清洁的生产方式为目标的CO₂-ECBM操作。

章节摘录

基本假设和控制方程

开发了一个双孔隙、单渗透率模型，用于描述深部低渗透率煤层中的CO₂注入、CH₄置换、多组分气体传输和动态渗透率。储层由基质和裂缝两部分组成：基质主要通过吸附储存气体，并通过特定的质量传输与裂缝交换CH₄和CO₂，而连接的裂缝系统则提供了气体–水流动的主要通道。

压力演化和气体成分重新分布

在初次CBM回收和CO₂-ECBM过程中，储层压力的变化明显不同。图3所示的压力代表总气体相压力，记为P_{g。对于CH4和CO2气体混合物，各组分的 partial pressures 可由方程（2）给出，其中pCH4和pCO2控制组分的吸附和基质到裂缝的质量传输，而Pg控制由压力驱动的裂缝流动。在初次CBM回收过程中，生产井附近形成了压力衰减区，并逐渐扩散。}

CO₂-ECBM中的耦合生产–存储–渗透率响应

初次CBM回收主要依靠生产井的压力下降来诱导CH₄的解吸和迁移。然而，在深部低渗透率煤层中，其有效性受到储层能量耗尽、井间压力传播受限以及吸附CH₄动员不足的影响（Du等人，2026年）。在本研究中，储层压力在初次CBM回收过程中持续下降，井间压力差减弱，CH₄含量的减少仍然存在。

结论

• 与初次CBM回收相比，CO₂-ECBM有效地重建了储层压力场，保持了井间压力支持，并扩大了CH₄在井间区域的动员。在基准情况下，累计CH₄产量增加了30.4%，同时有4.03?×?10⁶?m³的CO₂被储存在模型中，相当于模拟周期内的保留效率为98.8%。因此，CO₂注入实现了CH₄回收的同步增强和显著的

CRediT作者贡献声明

张倩:撰写 – 原稿编写，可视化，数据分析。王聪:撰写 – 审稿与编辑，方法论研究，数据分析。张平松:撰写 – 审稿与编辑。李阳:撰写 – 审稿与编辑，数据分析。吴彩芳:方法论研究。刘慧胡:撰写 – 审稿与编辑。唐书亨:撰写 – 审稿与编辑，项目管理和资金争取。

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

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：42430805、42472226和42277483）、安徽科技大学高层次人才科学研究基金（资助编号：2025yjrc0127）以及山西省基础研究计划项目（自由探索类别—自然科学研究一般项目）（资助编号：202403021211026）的财政支持。

张倩|王聪|张平松|李阳|吴彩芳|刘慧胡|唐书亨