二氧化碳封存異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

楊俊哲，王振榮，許 峰，王永勝

(1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；4.神華鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油項(xiàng)目在煤液化生產(chǎn)過程中，每年排放將近300萬t CO2，在當(dāng)今全球氣溫因溫室氣體逐漸變暖的形勢(shì)下，煤制油項(xiàng)目面臨較大環(huán)境壓力。為應(yīng)對(duì)這一問題，國(guó)家能源集團(tuán)實(shí)施了二氧化碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱CCS)示范工程。CCS技術(shù)是目前較為成熟且有效遏制溫室氣體增多的手段之一[1-10]，目前，全球多個(gè)國(guó)家已實(shí)施或建設(shè)70余個(gè)CCS項(xiàng)目[11-15]，二氧化碳封存總量達(dá)到4×107t以上[16]。而國(guó)家能源CCS示范工程為我國(guó)首個(gè)二氧化碳捕集與深部地質(zhì)封存全流程示范項(xiàng)目，該示范工程設(shè)施建設(shè)于2011年完成并實(shí)施二氧化碳灌注，至2015年4月，成功完成3.02×105t二氧化碳設(shè)計(jì)注入目標(biāo)，并持續(xù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)[17，18]。在國(guó)家能源CCS示范工程實(shí)施全過程中，針對(duì)二氧化碳地質(zhì)封存的監(jiān)測(cè)工作尤為重要。因?yàn)?，二氧化碳需長(zhǎng)期封存在深部咸水含水層中，一旦封存效果不佳導(dǎo)致泄露，將會(huì)帶來較多負(fù)面影響，如地下水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境污染，甚至影響到采礦安全[19，20]。因此，采取有效及時(shí)的手段監(jiān)測(cè)封存狀況，對(duì)于CO2在深部?jī)?chǔ)層中的變化和發(fā)生泄露后的積極應(yīng)對(duì)具有重要意義。

國(guó)家能源集團(tuán)CCS示范項(xiàng)目CO2封存監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于補(bǔ)連塔煤礦五盤區(qū)12515和12514工作面范圍內(nèi)，由于補(bǔ)連塔煤礦采掘接續(xù)的原因，上述工作面即將開采，屆時(shí)，將會(huì)對(duì)封存監(jiān)測(cè)鉆孔及設(shè)備造成破壞。因此，為了在不壓覆煤炭資源的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)CO2封存狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有必要重新選址施工遠(yuǎn)距離定向監(jiān)測(cè)井，與原先監(jiān)測(cè)井并行監(jiān)測(cè)一定時(shí)長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)解放煤炭資源的同時(shí)保證CO2封存監(jiān)測(cè)的完整性。目前已有CCS項(xiàng)目均是在封存地點(diǎn)進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，并沒有因?yàn)樘厥庠蜻M(jìn)行過異地監(jiān)測(cè)。通過此次異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，使得國(guó)家能源集團(tuán)CCS示范工程成為全球首個(gè)異地持續(xù)監(jiān)測(cè)CCS項(xiàng)目，豐富了CCS監(jiān)測(cè)手段，對(duì)于深入研究CO2長(zhǎng)期封存于深部?jī)?chǔ)層的物性變化、安全性以及CO2封存對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

國(guó)家能源集團(tuán)CCS示范工程封存的CO2來自國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤直接液化項(xiàng)目中產(chǎn)生的煙氣，通過對(duì)煙氣中CO2捕集、低溫濃縮處理后采用罐車運(yùn)往位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)陳家村(110.17°E，39.33°N)的封存場(chǎng)地[18]，并以高壓將其注入指定儲(chǔ)層中。封存場(chǎng)地內(nèi)主要建設(shè)有1口注入井(中神注1井)和2口監(jiān)測(cè)井(中神監(jiān)1井、2井)，占地面積約1.1萬m2。其中，中神監(jiān)1井、2井距離注入井的直線距離分別為70m和31.6m，呈三角形布置，如圖1所示。

圖1 CO2地質(zhì)封存場(chǎng)地

CO2封存點(diǎn)的地層自上而下發(fā)育有第四系風(fēng)積沙層、白堊系下統(tǒng)東勝-羅漢洞組、侏羅系中統(tǒng)直羅組與安定組、侏羅系下統(tǒng)延安組、三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組、三疊系中統(tǒng)紙坊組、三疊系下統(tǒng)和尚溝組與劉家溝組、二疊系上統(tǒng)石千峰組、中統(tǒng)石河子組、下統(tǒng)山西組、石炭系中統(tǒng)太原組與本溪組以及奧陶系中統(tǒng)馬家溝組。CO2封存于劉家溝組至馬家溝層段4個(gè)不同層位，層位埋深分別為1690m、1907m、2196m以及2424m。巖性以砂巖和灰?guī)r為主，儲(chǔ)蓋層具有完整性高、滲透性底的特征[18]。同時(shí)中神監(jiān)1井對(duì)4個(gè)不同封存層位的孔隙壓力和儲(chǔ)層溫度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，中神監(jiān)2井對(duì)儲(chǔ)層上覆地層(監(jiān)測(cè)深度1000m左右)壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測(cè)終端，如圖2所示。

圖2 CO2地質(zhì)封存及監(jiān)測(cè)示意圖

2 CCS項(xiàng)目對(duì)煤炭資源開采影響分析

CCS項(xiàng)目封存場(chǎng)地位于補(bǔ)連塔煤礦五盤區(qū)12514以及12515工作面范圍內(nèi)，位置關(guān)系如圖3所示，盤區(qū)可采煤層有4層，分別為12、22、31、52上煤，其中12514和12515工作面為12煤工作面。為了保護(hù)CCS項(xiàng)目監(jiān)測(cè)井以及地表構(gòu)筑物不受采動(dòng)影響，則根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，需要留設(shè)保護(hù)煤柱。經(jīng)計(jì)算，留設(shè)的四層煤柱資源量約為477.1萬t，見表1。按照目前補(bǔ)連塔煤礦噸煤利潤(rùn)200元考慮，則CCS示范工程項(xiàng)目壓覆補(bǔ)連塔煤炭資源價(jià)值達(dá)到9.542億元。

圖3 封存場(chǎng)地與補(bǔ)連塔煤礦工作面平面位置關(guān)系

表1 CCS項(xiàng)目留設(shè)煤柱資源量統(tǒng)計(jì)表

除留設(shè)煤柱外，12514和12515工作面回采至該保護(hù)煤柱時(shí)，需要實(shí)行跳采，增加了搬家倒面以及巷道掘進(jìn)工程量，致使成本投入增加約5400萬元。因此，CCS示范工程若在原址上運(yùn)行和持續(xù)監(jiān)測(cè)將對(duì)補(bǔ)連塔煤礦造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于壓覆煤炭資源時(shí)限已過，加之補(bǔ)連塔12514與12515工作面回采在即，需要對(duì)CCS注入及監(jiān)測(cè)井進(jìn)行永久性封井作業(yè)。雖然CO2封存監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但鑒于該項(xiàng)目為我國(guó)首個(gè)CCS示范工程，有必要進(jìn)一步對(duì)已注入儲(chǔ)層的30.26萬t的CO2封存狀況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。那么，補(bǔ)連塔煤炭資源的開采與CO2封存持續(xù)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生沖突。鑒于此，國(guó)家能源集團(tuán)采用定向鉆井持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)，即從異地施工定向鉆井至目前封存點(diǎn)附近，進(jìn)行并行及接力監(jiān)測(cè)工作，實(shí)現(xiàn)CO2封存持續(xù)監(jiān)測(cè)的同時(shí)解放煤炭資源。

3 CO2封存異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

通常情況下，二氧化碳封存監(jiān)測(cè)工作在封存場(chǎng)地原址上進(jìn)行，監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)可靠性高且監(jiān)測(cè)成本相對(duì)較低。先期封存監(jiān)測(cè)場(chǎng)地在某種特殊原因(如煤炭資源開發(fā))下將遭受破壞不具備監(jiān)測(cè)條件，同時(shí)二氧化碳封存監(jiān)測(cè)工作需要繼續(xù)開展時(shí)，則需要采用異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)具體實(shí)施過程為：選擇原封存監(jiān)測(cè)場(chǎng)地外(異地)不受特殊原因影響的區(qū)域，采用定向鉆探技術(shù)施工監(jiān)測(cè)鉆孔至封存監(jiān)測(cè)區(qū)域，同時(shí)在原監(jiān)測(cè)鉆孔報(bào)廢之前與之并行監(jiān)測(cè)一段時(shí)長(zhǎng)，將二者監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，確定是否滿足監(jiān)測(cè)要求。若滿足，則可以在原監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ)上異地的進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

相比封存場(chǎng)地原址監(jiān)測(cè)，異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)具有施工難度大、成本高等特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足二氧化碳封存監(jiān)測(cè)的同時(shí)釋放大量煤炭資源，帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 異地監(jiān)測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)及施工

經(jīng)反復(fù)論證，選擇在補(bǔ)連塔五盤區(qū)保護(hù)煤柱內(nèi)鉆井，施工定向監(jiān)測(cè)鉆井(中神監(jiān)3井)，該井位于CO2封存點(diǎn)西北方向，距注入井直線距離1810m左右，如圖4所示。

圖4 異地定向監(jiān)測(cè)鉆孔位置圖

監(jiān)測(cè)鉆井(中神監(jiān)3井)于2019年8月31日開孔，2019年10月14日完井，歷時(shí)33d，完成了鉆井的施工工作。為完成監(jiān)測(cè)要求，該井施工過程中包括垂直段、造斜段以及水平段三個(gè)階段的施工，最終順利達(dá)到監(jiān)測(cè)層位以及監(jiān)測(cè)區(qū)域。其中鉆孔垂直段孔深509m，孔徑為444.5mm，穿透補(bǔ)連塔礦開采年限內(nèi)最深的52煤層下123m；造斜段孔深548m，孔徑為311.2mm；水平段孔深1508m，孔徑215.9mm，垂深為970m，距52煤層584m；鉆孔總深度2565m，如圖5所示。

圖5 異地定向監(jiān)測(cè)鉆孔施工

鉆孔完井后，順利將結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高的監(jiān)測(cè)管柱下到孔深2480m處，到達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域，完成了與中神監(jiān)2井并行及持續(xù)監(jiān)測(cè)要求。

3.3 異地監(jiān)測(cè)鉆孔施工創(chuàng)新技術(shù)

1)由于異地定向監(jiān)測(cè)鉆井井深較大，且水垂比達(dá)到1.88，在國(guó)內(nèi)陸地施工的鉆井中比較罕見，因此對(duì)井眼軌跡提出了很高的要求。本次施工選用1.5°單彎螺桿配合PDC鉆頭，使得造斜率完全滿足設(shè)計(jì)要求。在造斜段，特別是在水平段方位控制取得較大成功，使得井眼軌跡平穩(wěn)、光滑，完全滿足監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的下入要求。

2)在水平段長(zhǎng)達(dá)1500m，垂深只有970m的水平井采取漂浮下套管固井技術(shù)，使得139.7mm完井套管安全、順利下到井底并成功固井。

4 實(shí)施效果分析

自該CCS項(xiàng)目完成設(shè)計(jì)注入量后，中神監(jiān)2井對(duì)儲(chǔ)層上覆地層(埋深960m)壓力和溫度進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6(a)所示，由圖6(a)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：地層壓力為15.2～15.6MPa，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈逐步衰減趨勢(shì)，但衰減幅度較小，從2017年1月至2019年6月，歷時(shí)30個(gè)月，壓力衰減了0.4MPa，衰減幅度為0.013MPa/月；地層溫度為47.5～48.3℃，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈逐步上升趨勢(shì)，從2017年1月至2019年6月，歷時(shí)30個(gè)月，溫度上升了0.8℃，上升幅度為0.026℃/月。

圖6 監(jiān)測(cè)層壓力與溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

至2020年3月，中神監(jiān)3井已持續(xù)對(duì)地層進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的異地監(jiān)測(cè)，如圖6(b)所示，由圖6(b)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：地層壓力為15.2～15.1MPa，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈逐步衰減趨勢(shì)，歷時(shí)6個(gè)月，衰減了0.1MPa，衰減幅度為0.017MPa/月；地層溫度為48.3～48.5℃，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈上升趨勢(shì)，歷時(shí)6個(gè)月，溫度上升0.2℃，上升幅度為0.033℃/月。

通過異地監(jiān)測(cè)前后數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，地層壓力、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，延續(xù)性較好，變化趨勢(shì)相同，且變化幅度也較接近，表明該異地定向監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施效果較好，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)既定目標(biāo)，滿足了持續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。

5 結(jié) 論

1)針對(duì)CCS項(xiàng)目工程壓覆補(bǔ)連塔煤礦煤炭資源問題，提出了異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)及方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)施工，完成了監(jiān)測(cè)井，實(shí)現(xiàn)了CO2封存異地持續(xù)監(jiān)測(cè)，釋放了該項(xiàng)目壓覆的煤炭資源，增加補(bǔ)連塔煤礦經(jīng)濟(jì)效益約10億元。

2)完成了深井(大于2000m)、高水垂比(大于1.5)的異地定向鉆井施工，順利安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，具有較高難度，對(duì)于類似監(jiān)測(cè)鉆井的施工具有借鑒意義。

3)國(guó)家能源集團(tuán)CCS示范工程項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首個(gè)且唯一一個(gè)深部咸水層CO2地質(zhì)封存示范工程，通過異地定向持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)施，進(jìn)一步延長(zhǎng)了示范項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列，豐富了CO2地質(zhì)封存監(jiān)測(cè)手段，對(duì)于深入研究CO2長(zhǎng)期封存于深部?jī)?chǔ)層的物性變化、安全性以及CO2封存對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響具有重要的意義。