煤層氣儲(chǔ)層注入CO2 的研究

楊 娟

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

在地球大氣層CO2濃度的增加對(duì)環(huán)境有很大的影響。全球表面溫度已經(jīng)升高以及溫室氣體總排量增加。雖然現(xiàn)在提出了一些緩解這些問題的方案，但是很少執(zhí)行。減排溫室氣體的一個(gè)潛在的選擇就是在深地質(zhì)地層中隔離大量的CO2，例如，不可采的煤層，枯竭的油氣藏或鹽堿含水層。這些都具有存儲(chǔ)潛力和經(jīng)濟(jì)效益，并且在其他地方也可以找到。一些因素導(dǎo)致并決定了潛在的存儲(chǔ)位置，例如，生烴潛力，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)，盆地歷史和附近的基礎(chǔ)設(shè)施（如管道和發(fā)電廠等）。

世界各地的一些實(shí)驗(yàn)研究表明向煤層中注入CO2可以達(dá)到雙贏的效果，就是既可以安全的圈閉CO2又可以提高煤層氣的采收率。常用的提取煤層氣的方法就是通過抽水降低井內(nèi)壓力從而開采出煤層氣，但是水通常是含鹽和其他礦物質(zhì)，所以都不被煤層表面接受，從而影響采收率。但通過用泵將CO2壓入煤層就會(huì)置換出煤層氣并將CO2封存在煤層中[1]。因?yàn)槊簩颖砻鎸?duì)于CO2的吸附力大于甲烷，所以當(dāng)煤層中注入CO2時(shí)，就會(huì)大量的吸附在煤層表面。注入CO2可以提高煤層的壓力。煤層氣的特性對(duì)于煤層中CO2的存儲(chǔ)至關(guān)重要，這些特性如割理滲透率、煤層收縮/膨脹和煤層吸附/解析。

1 問題陳述

最近，幾個(gè)研究已經(jīng)解決了煤層中CO2儲(chǔ)存的一些問題也提高了煤層氣采收率。 然而，在煤層中注入CO2的長(zhǎng)期流動(dòng)和地質(zhì)力學(xué)還沒有被完全理解。通過長(zhǎng)期注入CO2，需要解決CO2的運(yùn)移和其對(duì)地面的反應(yīng)。在本文的研究中，選擇了一個(gè)活躍的煤層層序，通過注入CO2來研究地面反應(yīng)和CO2運(yùn)移。以阿巴拉契亞盆地北部的地層層序，通過使用水平井在不可采煤層中注入大量的CO2，然后評(píng)價(jià)存儲(chǔ)潛能和提高煤層氣采收率。當(dāng)在測(cè)試區(qū)深煤層中心注入CO2時(shí)，通過使用位于外圍的水平開發(fā)井，把深部和淺部的煤層氣都可以采出來。對(duì)于煤層氣開發(fā)和CO2的注入，水平井的使用對(duì)這個(gè)研究項(xiàng)目來說是獨(dú)一無二的。

以阿巴拉契亞盆地北部為例，在注入?yún)^(qū)安裝了36個(gè)高精度傾斜儀和絕對(duì)遠(yuǎn)程的GPS。用多相流和地質(zhì)建模來預(yù)測(cè)CO2的運(yùn)移并計(jì)算地面位移。注入之前要進(jìn)行敏感性分析，研究甲烷生產(chǎn)和注入CO2的歷史匹配性。還要考慮煤的特性，如吸附/解析和收縮/膨脹。本文描述了傾斜儀測(cè)出的CO2地面位移值和模型計(jì)算的地面位移值。先進(jìn)的建模方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)有限的高精度設(shè)備來開發(fā)和提高監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過地面測(cè)量來了解CO2的運(yùn)移并評(píng)價(jià)長(zhǎng)期存儲(chǔ)的選擇。

本文是以美國(guó)西弗吉尼亞州北部為例，來評(píng)價(jià)煤層氣采收率以及恢復(fù)潛力。

2 研究區(qū)簡(jiǎn)介

研究區(qū)有茂密的森林和山區(qū)小溪，地面海拔差異大，從274 m 到最高的442 m 不等。研究區(qū)包括兩個(gè)煤層，一個(gè)是匹茲堡煤層（上部煤層），另一個(gè)是Upper Freeport 煤層（下部煤層）。上部煤層的平均深度大約為213 m，下部煤層的平均深度大約為381 m，這兩個(gè)煤層被厚182 m 的頁巖和其他低滲透的巖層隔開了。上部煤層和下部煤層的平均厚度分別為2.0 m 和1.3 m[2]?，F(xiàn)場(chǎng)操作是由康索爾和幾個(gè)來自西維吉尼亞大學(xué)的研究人員共同完成的。能源部大約計(jì)劃把18 144 t 的CO2用于這個(gè)項(xiàng)目。本文給出了第一次注入907 t CO2的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果[3]。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 地面監(jiān)測(cè)工具的引進(jìn)

對(duì)于優(yōu)化任何儲(chǔ)存CO2的儲(chǔ)層來說，通過注入CO2，來監(jiān)測(cè)流體流動(dòng)和地面反應(yīng)是至關(guān)重要的。在當(dāng)前的研究項(xiàng)目中，幾個(gè)監(jiān)測(cè)程序被用來研究注入CO2和煤層氣生產(chǎn)的各個(gè)方面。本文研究的重點(diǎn)在于，通過部署一組傾斜儀和GPS 接收器，來探討注入CO2所引起的地面反應(yīng)。地面監(jiān)測(cè)工具如傾斜儀在過去幾個(gè)實(shí)例中都有使用過。傾斜儀非常敏感，具有高精度，它能夠測(cè)量的傾斜精度為1 納弧度。傾斜儀網(wǎng)絡(luò)可以被用來測(cè)量亞毫米范圍的位移，這個(gè)位移是由于流體注入或采出所引起的表面擴(kuò)張或者下沉所產(chǎn)生的。研究這些高精度儀器是用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)注入CO2的操作。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)陣列

研究區(qū)部署了一組36 個(gè)高精度地面傾斜儀和2個(gè)GPS 用于研究注入CO2的流動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的傾斜儀和GPS 接收器，傾斜儀的排列圖（見圖1），其中MH-18 和MH-20 分別是注入CO2的兩個(gè)方向。監(jiān)測(cè)排列的陣列要根據(jù)具體項(xiàng)目研究區(qū)的情況和排列的要求來定。傾斜數(shù)據(jù)和海拔高度的變化數(shù)據(jù)都會(huì)被研究區(qū)的中央處理單元定期的收集和處理。

CO2的注入始于2009 年9 月8 日，雖然有定期關(guān)井，但現(xiàn)在仍在繼續(xù)。36 個(gè)傾斜儀和2 個(gè)GPS 接收器在注入CO2之前都已經(jīng)被校準(zhǔn)和優(yōu)化。所有的傾斜儀和GPS 單元仍然繼續(xù)記錄和收集注入操作的數(shù)據(jù)。在這個(gè)例子中，只描述了CO2注入907 t，平均壓力接近4.82 MPa 的結(jié)果[3]。

圖1 傾斜儀的排列圖

4 數(shù)值模擬

4.1 引言

除了傾斜儀，流體流動(dòng)模型和地質(zhì)建模也被用來研究CO2運(yùn)移和計(jì)算地面位移。在一段時(shí)間內(nèi)，比較建模和測(cè)量的結(jié)果。

4.2 歷史匹配性和敏感性分析

煤層的三維多相流體流動(dòng)模型都是用來提高煤層氣的開采和用于注入CO2，這些都是基于研究區(qū)的地質(zhì)詳情。這些模型囊括了合并雙孔隙系統(tǒng)、多相流體流動(dòng)、復(fù)雜的儲(chǔ)層幾何形態(tài)、水平井軌跡、吸附/解析特征、夾層定位、滲透非均質(zhì)性、儲(chǔ)層壓實(shí)和煤層的膨脹/收縮等多項(xiàng)特征。儲(chǔ)層非常規(guī)特性，如原始含氣量，原始含氣成分，原始儲(chǔ)層壓力，原始儲(chǔ)層溫度，解析時(shí)間，這些都是研究所需的基本數(shù)據(jù)。這些煤層被網(wǎng)格化，分為1 600 個(gè)網(wǎng)格（X 與Y 都是203.2 cm），一個(gè)網(wǎng)格的尺寸為45.72 m[3]。模型的邊界選擇不僅要覆蓋注入地區(qū)中心，而且還要覆蓋邊緣地區(qū)。

敏感性分析是研究非常規(guī)儲(chǔ)層的地質(zhì)特性。歷史匹配性是用來確定對(duì)于每個(gè)儲(chǔ)層最合適的選擇。天然氣產(chǎn)率要和天然氣累計(jì)產(chǎn)量相匹配?，F(xiàn)場(chǎng)注入CO2的量要和注入壓力相匹配。

4.3 地質(zhì)建模

除了多相流體流動(dòng)模型，地質(zhì)模型是使用有限元方法來計(jì)算研究區(qū)地面位移。有限元建模的結(jié)果與儲(chǔ)層建模的結(jié)果是一致的。從有限元模型計(jì)算的地面位移范圍為3.56 mm～4.6 mm[2]。

5 總結(jié)和結(jié)論

在本文的研究工作中，通過注入CO2來了解CO2的運(yùn)移和研究地面位移。研究區(qū)安裝了36 個(gè)高精度傾斜儀和2 個(gè)GPS 接收器用于研究CO2的運(yùn)移。傾斜儀和所有儀器在注入CO2之前已經(jīng)被校準(zhǔn)。通過傾斜儀測(cè)出的最大地面位移為3.3 m[3]。而通過模型計(jì)算的表面位移為3.56 mm～4.6 mm。只有當(dāng)先進(jìn)的建模方法和現(xiàn)場(chǎng)高精度的儀器設(shè)備相結(jié)合，才能更好的發(fā)展或提高監(jiān)測(cè)技術(shù)。

根據(jù)美國(guó)成熟地區(qū)煤層氣采收率估計(jì)，一般煤層氣資源可采系數(shù)在10～50，中值為30 %。我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)高峰值在2040 年左右，最終煤層氣資源探明率達(dá)40 %～50 %，中值45 %。最終可探明煤層氣儲(chǔ)量（30～40）×1012m3[4]。煤層氣資源非常豐富，所以提高煤層氣采收率對(duì)于我國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)是很重要的。我國(guó)現(xiàn)在對(duì)于煤層氣的開采技術(shù)也日漸成熟，如CO2置換技術(shù)，為了更進(jìn)一步的提高煤層氣采收率，對(duì)于注入CO2的監(jiān)測(cè)和研究是少不了的。

［1］ 中國(guó)化工網(wǎng).二氧化碳在煤層氣抽采中的雙重作用，2010.

［2］ Wilson，T.H，H.Siriwardane，L.Zhu，R.A.Bajura，R.A.Winschel，J.E. Locke，and J.Bennett.2012.Fracture model of the Upper Freeport coal，Marshall County West Virginia pilot ECBM and CO2sequestration site.Int.J.Coal Geology 104，70-82.

［3］ Gondle，R.K.siriwardane，H.J.Field Monitoring and Modeling of CO2Injection into an Unmineable Coal Seam.ARMA 14-7187.

［4］ 劉洪林，王紅巖，李景明，李貴中.利用CO2置換技術(shù)開采我國(guó)深部煤層氣資源的可行性分析［G］.中國(guó)石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院，2010.