深部煤层封存二氧化碳过程中碳同位素分馏效应

20250121

采矿业

当前已完成基础理论分析、实验测试、机制研究，形成了一套完整的二氧化碳碳同位素分馏评价方法体系，并设计了相应的测试设备。

面相二氧化碳封存工程应用的技术服务与技术开发，包括封存评价、封存监测的设计、现场取气工程设计、实验测试、封存效果评价等，需要拟合作方有具体的二氧化碳封存工程。 二氧化碳同位素分馏研究仪器设备的制造，需要对方有仪器设备工厂及有相关仪器的研制经验。

可国（境）内外转让

能够准确评定二氧化碳封存效果，实施二氧化碳封存监测，进而助力实现碳达峰、碳中和的规划； 所涉及的仪器可助力相关研究的进一步推进，且帮助仪器公司创收、员工就业等。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

在北京市自然科学基金项目（编号：8222071）的支持下，形成了本科技成果。研究成果主要涉及基于气体碳同位素数据的煤或其他地质储层中二氧化碳封存评价、封存效果监测等，同时相关理论成果及技术方法也可应用于深部煤层气/页岩气的勘探开发之中。研究团队当前已完成了基础理论分析、实验测试、机制研究，并形成了一套完整的方法体系，主要内容包括： ① 理论原理：二氧化碳或甲烷气体在注入封存或产出过程中会产生碳同位素分馏现象，其中甲烷气体碳同位素分馏现象在煤或页岩中已有了大量的实验结果及一定的机理分析，相对而言，二氧化碳气体碳同位素分馏现象及其应用尚属于空白。在北京市自然科学基金项目支持下，我们从机理上厘清了二氧化碳气体同位素分馏的理论机理，这一现象产生的核心原因在于δ13CO2与δ12CO2在分子质量上有较为明显的差异，而δ13CO2与δ12CO2与煤分子之间的相互作用基本一致，由此使得二者在运移过程中加速度有着较大的差异，进而引起同位素分馏现象，本项目在研究过程中从能量和吸附量上证明了同位素分馏的这一机理：分馏现象是由于二者在运移过程中产生，而不是多数研究者认为吸附作用所产生。由于煤或其他部分地质储层纳米级孔隙发育，特别是小于2nm的孔隙含量高，在运移过程中煤分子与二氧化碳气体分子有着较强的作用力，在注入封存或产出的运移过程中会产生明显的碳同位素分馏现象。 ② 实验现象与分馏机制：我们在项目中测试了不同成熟度煤样中二氧化碳碳同位素分馏现象，现象表明不同成熟度煤样中二氧化碳同位素分馏可大致分为三个阶段（不同煤样分馏规律有一定的差异）：第一阶段为二氧化碳同位素稳定阶段，这一阶段主要为较大孔裂隙中游离气的产出；第二阶段为二氧化碳同位素变轻阶段，这一阶段为吸附气与游离气的共同产出阶段。第三阶段为二氧化碳同位素变重阶段，这一阶段为吸附气的产出。基于同位素的变化可划分二氧化碳气体注入封存/流动产出的特征与阶段，进而应用于煤或其他地质储层中二氧化碳封存评价及封存效果监测之中。 ③ 技术方法与指标：我们建立了基于同位素分馏现象的评价方法，并设计的相应的研究仪器，评价方法体系可详细厘清二氧化碳在煤中的赋存状态、吸附气游离气比例等。相应的仪器设备是针对于二氧化碳气体同位素分馏现象的研究，比现有的仪器设备操作更为简单，且更为可靠。 ④ 应用前景： a. 应用于二氧化碳封存工程之中（包括但不限于煤层中）：此方面的应用侧重于技术服务与技术开发，其中包括封存评价、封存监测的设计、现场取气工程设计、实验测试、封存效果评价等。 b. 应用于相关研究仪器的制造与销售：此方面的应用侧重于仪器的制造，相关仪器的目标客户包括：二氧化碳封存公司、相关高校、能源企业、相关科研院所等。