沁水盆地沁源區(qū)塊二氧化碳地質(zhì)封存數(shù)值模擬

薛園園，邵長奎，張 偉，牛 雪，喬建龍，王 林

(1.保定理工學(xué)院資源與工程技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000；2.中國地質(zhì)工程集團(tuán)有限公司河北分公司，河北 保定 071000；3.中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)有限公司，北京 100082；4.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071000)

0 引 言

最新研究表明，全球地表平均溫度近百年來升高了約1 ℃，預(yù)計(jì)未來20年將升高甚至超過1.5 ℃(IPCC，2021)。20世紀(jì)中葉以來，全球化石燃料的燃燒等人類活動(dòng)使大氣中的CO2含量呈逐年增大的趨勢(shì)，全球的平均氣溫亦在逐步攀升(任相坤等,2009)?？刂瓢–O2在內(nèi)的溫室氣體的排放，共同應(yīng)對(duì)全球氣候變暖問題，已成為世界各國的共識(shí)(能源與環(huán)境政策研究中心，2010)。

要實(shí)現(xiàn)大氣中溫室氣體含量趨于穩(wěn)定甚至穩(wěn)步下降的目標(biāo)，需綜合各種減排方法的優(yōu)劣，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、綜合減排的效果。CO2捕集與封存技術(shù)(CCS)的基本原理及工作流程是CO2分離→氣體輸送→定點(diǎn)封存→大氣隔絕，是一種相對(duì)可靠且可大規(guī)模減排溫室氣體的技術(shù)(白冰，2008；能源與環(huán)境政策研究中心，2010)。據(jù)IEA(國際能源信息署)推測(cè)，至21世紀(jì)中葉，CCS的減排量將占全球總減排量的20%～28%，成為世界第二大減排技術(shù)。CCS技術(shù)亦為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)之一(葉建平等，2007；白冰，2008；任相坤等，2009；朱炎銘等，2009；閆高原等，2016；張春杰等，2016)。

地質(zhì)結(jié)構(gòu)層的封存較為可靠，能有效減少CO2的排放。除常規(guī)的3種地質(zhì)構(gòu)造外，地下深部不可采的煤層亦為理想的封存場(chǎng)所。研究表明，煤層可吸附多種氣體，對(duì)CO2的吸附性處于優(yōu)勢(shì)地位，且遠(yuǎn)高于對(duì)CH4的吸附量。此外，煤層對(duì)CH4吸附滯后而對(duì)CO2吸附優(yōu)先，這種特性極大地提高了煤層氣的采收率，也增強(qiáng)了CO2的地質(zhì)封存量(朱炎銘等，2009)。CO2煤層封存技術(shù)既可使煤層氣增產(chǎn)從而增加能源供給，又可大規(guī)模地質(zhì)封存CO2，適用于擁有豐富的煤炭和煤層氣資源的沁水盆地，該盆地沁源區(qū)塊具有較大的CO2煤層封存潛力，且有一定的煤層氣研究和勘探開發(fā)基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)。該區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果證明，CO2煤層封存技術(shù)于沁水盆地沁源區(qū)塊具有可行性(葉建平等，2007；白冰，2008；朱炎銘等，2009；閆高原等，2016；張春杰等，2016)。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)1∶20萬區(qū)域地質(zhì)圖沁源幅修改)Fig. 1 Regional geological map of the study area(modified from 1∶200 000 regional geological map of Qinyuan area)

沁水盆地位于山西南部，為一大型復(fù)式向斜盆地，呈北北東向展布。該盆地遭受過多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，構(gòu)造(褶皺、斷裂)較為發(fā)育，但相對(duì)簡(jiǎn)單。沁源區(qū)塊位于沁水盆地中部，沁水向斜軸部從區(qū)塊東部穿過，區(qū)內(nèi)斷層不甚發(fā)育，主要發(fā)育北北東向帶狀展布的褶皺構(gòu)造(圖1)。區(qū)內(nèi)含煤巖系地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，15號(hào)煤層屬于太原組，該組地層為碳酸鹽巖類臺(tái)地-濱海三角洲交互沉積亞相，地層的平均厚度達(dá)98.5 m，巖性以粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r及煤層為主。含煤共7層，煤層厚度總計(jì)7.75 m，含煤系數(shù)達(dá)7.87%。綜上，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造整體較為簡(jiǎn)單，斷層不太發(fā)育，封閉性良好，有利于CO2的注入和封存。

1.2 儲(chǔ)層特征

太原組15號(hào)煤層為研究區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的最主要目標(biāo)層之一，也是研究的目標(biāo)層位。根據(jù)前人的研究，QY01區(qū)塊15號(hào)煤層厚度為4.5～5.4 m，由北向南煤層厚度逐漸變薄，但總體較大(表1)。兩主煤層間距基本穩(wěn)定，15號(hào)煤層埋深介于1 450～1 700 m之間，自西向東逐漸增大。

表1 研究區(qū)含煤巖系主要標(biāo)志層Table 1 Main marker beds of coal-bearing series in the study area

15號(hào)煤層的煤體主要為原生結(jié)構(gòu)，宏觀煤巖類型主要為半亮型、光亮型，次為暗淡型，少量為半暗型煤。顯微煤巖組分：有機(jī)組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73.80%～84.00%、16.00%～26.20%，缺少殼質(zhì)組，形成環(huán)境為偏還原環(huán)境；無機(jī)組分主要為黏土成分，含少量的硫化物、碳酸鹽及氧化物。煤巖中礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.00%～47.70%，礦物質(zhì)含量下主煤層高于上主煤層。15號(hào)煤層鏡質(zhì)組反射率Ro最大值在2.10%～2.80%之間，煤層以貧煤和無煙煤三號(hào)為主，熱演化程度較高。原煤灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.89%～42.37%，平均值為23.30%，主要為中灰煤(楊昌永等，2019)。

15號(hào)煤層含氣量為17.85～20.41 m3/t，平均值為19.17 m3/t；含氣飽和度為1.24%～83.00%，平均值為56.74%；煤層滲透率最大值為(0.001～6.9)×10-3μm2，平均值為1.02×10-3μm2；煤儲(chǔ)層壓力為11.25～13.77 MPa，平均值為12.68 MPa；臨界解吸壓力為1.68～2.78 MPa(楊昌永等，2019)。

2 地質(zhì)模型建立

地質(zhì)模型可反映研究區(qū)15號(hào)煤層的埋深、厚度等煤儲(chǔ)層基本特征及空間分布規(guī)律，為區(qū)內(nèi)CO2地質(zhì)封存數(shù)值模擬研究奠定地質(zhì)基礎(chǔ)(曹佳等，2012)。沁源QY01區(qū)塊15號(hào)煤層為地質(zhì)建模的目標(biāo)儲(chǔ)層，采用油氣藏?cái)?shù)值模擬軟件Eclipse中的FloGrid模塊進(jìn)行建模研究(侯麗等，2016；李寧，2018)。

地質(zhì)建模前期，整理建模所需的區(qū)內(nèi)15號(hào)煤層的埋深、厚度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)提取和前人成果整理，匯總儲(chǔ)層物性參數(shù)。利用油氣藏?cái)?shù)值模擬軟件中的FloGrid模塊建立15號(hào)煤層相關(guān)參數(shù)的地質(zhì)模型(圖2、圖3)(侯麗等，2016；劉靜等，2017)。

圖2 15號(hào)煤層埋深地質(zhì)模型Fig.2 Geological model of buried depth of No.15 coal seam

圖3 15號(hào)煤層厚度地質(zhì)模型Fig.3 Geological model of No.15 coal seam thickness

3 CO2注入數(shù)值模擬

3.1 模擬方案及參數(shù)設(shè)置

基于建立的地質(zhì)模型，在沁源QY01區(qū)塊中模擬設(shè)計(jì)方形井組組合，規(guī)格為400 m×400 m；由5口井組成，井組中間為1口注入井，方形的四角為4口生產(chǎn)井組(閆高原等，2016)；井型選擇二分支疊狀水平井。模擬過程中不涉及壓裂技術(shù)增產(chǎn)。

CO2注入數(shù)值模擬分3個(gè)階段：第一階段為CO2注入驅(qū)替產(chǎn)氣階段，持續(xù)5年，由于深部煤儲(chǔ)層的滲透率低，在該階段以少量注入CO2氣體的方式進(jìn)行長期驅(qū)替產(chǎn)氣；第二階段為不注入排采階段，持續(xù)10年，該階段不注入CO2氣體，只進(jìn)行煤層氣排采；第三階段為CO2地質(zhì)封存階段，在封閉產(chǎn)氣井并停止排采后，連續(xù)注入一定量的CO2到15號(hào)煤儲(chǔ)層，直至煤儲(chǔ)層破裂，即達(dá)到破裂壓力，可得QY01區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層的CO2最大地質(zhì)封存量(韋重韜等，2015；閆高原等，2016；劉靜等，2017)。

15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力為12.68 MPa，儲(chǔ)層溫度為44.04 ℃(表2)，二者均大于臨界值，所注入的CO2將進(jìn)入超臨界狀態(tài)，該狀態(tài)下的CO2密度高且具備氣液雙相的特征，其密度遠(yuǎn)大于氣態(tài)CO2。但超臨界狀態(tài)下的壓縮只增大CO2的密度，并未使其達(dá)到液相，這對(duì)于儲(chǔ)存能力的提升效果明顯(張麗雅等，2017)。同時(shí)，氣液雙相也使CO2具備了較強(qiáng)的溶劑化特征，但相對(duì)液態(tài)CO2其黏度大大降低，流動(dòng)性所需的壓差相對(duì)較小，更有利于注入(馬瑾，2013)。

表2 15號(hào)煤層數(shù)值模擬參數(shù)Table 2 Numerical simulation parameters of No.15 coal seam

在CO2注入數(shù)值模擬過程中，受煤層氣開發(fā)初期儲(chǔ)層改造的影響，煤儲(chǔ)層滲透率將會(huì)增大。因此，設(shè)計(jì)3類煤儲(chǔ)層滲透率(初始預(yù)測(cè)滲透率、0.1 mD、1.0 mD)，模擬在不同儲(chǔ)層滲透率條件下CO2的驅(qū)替及注入封存效果。設(shè)計(jì)的CO2最大注入速率隨著滲透率的逐漸增大而增大。① 在初始滲透率條件下，注入難度較大，注入速率控制在500 m3/d以內(nèi)；② 儲(chǔ)層滲透率達(dá)0.1 mD時(shí)，CO2的注入難度降低，前期驅(qū)替階段注入速率設(shè)為3 000～4 000 m3/d，后期封存階段選取更好的模擬注入速率；③ 儲(chǔ)層滲透率達(dá)1.0 mD時(shí)，前期驅(qū)替階段的CO2注入速率設(shè)定為8 000 m3/d，后期封存階段選取更好的模擬注入速率。驅(qū)替過程中產(chǎn)出的氣體均不含CO2氣體(韋重韜等，2015；閆高原等，2016；劉靜等，2017)。

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 初始滲透率數(shù)值模擬 15號(hào)煤層在不同滲透率下的數(shù)值模擬參數(shù)見表2。在初始滲透率0.016 6 mD條件下，注入CO2的數(shù)值模擬結(jié)果(圖4)顯示：驅(qū)替階段CO2最大注入速率為800 m3/d，驅(qū)替和未驅(qū)替的15年累計(jì)產(chǎn)氣量分別為4.78×105、1.36×105m3，驅(qū)替產(chǎn)氣量為未驅(qū)替產(chǎn)氣量的3.5倍；后期封存階段，初始滲透率較低導(dǎo)致CO2難以注入，CO2的最大注入速率僅為1 320 m3/d，在5年的注入過程中，儲(chǔ)層壓力僅上升了1.7 MPa，較難達(dá)到地層的破裂壓力，因此不再繼續(xù)模擬過程。

圖4 初始滲透率15號(hào)煤層數(shù)值模擬曲線圖1-CO2注入速率；2-CO2累計(jì)注入量；3-CO2驅(qū)替煤層氣日產(chǎn)氣量；4-CO2驅(qū)替煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量；5-CO2未驅(qū)替煤層氣日產(chǎn)氣量；6-CO2未驅(qū)替煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量；7-儲(chǔ)層壓力Fig. 4 Numerical simulation curves of No. 15 coal seam at initial permeability

在初始滲透率下CO2注入5年驅(qū)替結(jié)束(圖5)及15年排采結(jié)束時(shí)的CO2摩爾分?jǐn)?shù)(圖6)顯示，在排采過程中，CO2并未擴(kuò)散至井口附近，所產(chǎn)出的氣體不含CO2。5年與15年的CO2摩爾分?jǐn)?shù)圖形相似，無明顯變化。究其原因，儲(chǔ)層壓力在此階段僅從13.6 MPa降至13.2 MPa，壓降小，仍處于高壓狀態(tài)，CO2無法自由移動(dòng)。

圖5 初始滲透率注入CO25年的CO2摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.5 Plot of CO2 mole fraction after 5 years of CO2 injection at initial permeability

圖6 初始滲透率注入CO215年的CO2摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.6 Plot of CO2 mole fraction after 15 years of CO2 injection at initial permeability

3.2.2 滲透率0.1 mD數(shù)值模擬 在0.1 mD儲(chǔ)層滲透率下的CO2注入數(shù)值模擬結(jié)果(圖7)顯示，在前5年的驅(qū)替階段，以4 000 m3/d的速率注入CO2，驅(qū)替效果良好。15年的排采中，在未驅(qū)替條件下，煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量為1.24×106m3，日產(chǎn)氣量平均值為227 m3；在驅(qū)替條件下，煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)4.51×106m3，平均日產(chǎn)氣量達(dá)823 m3。驅(qū)替產(chǎn)氣量為未驅(qū)替產(chǎn)氣量的3.6倍。在封存期，以初始6 000 m3/d的速率注入CO2，注入27年地層破裂，壓力為59.75 MPa，此時(shí)CO2累計(jì)注入量達(dá)3.98×107m3。

圖7 滲透率0.1 mD下15號(hào)煤層數(shù)值模擬曲線圖1-CO2注入速率；2-CO2累計(jì)注入量；3-CO2驅(qū)替煤層氣日產(chǎn)氣量；4-CO2驅(qū)替煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量；5-CO2未驅(qū)替煤層氣日產(chǎn)氣量；6-CO2未驅(qū)替煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量；7-儲(chǔ)層壓力Fig. 7 Numerical simulation curves of No. 15 coal seam at 0.1 mD permeability

在0.1 mD滲透率下CO2注入5年驅(qū)替結(jié)束時(shí)(圖8)及15年排采結(jié)束時(shí)的CO2摩爾分?jǐn)?shù)(圖9)顯示，在煤層氣排采過程中，CO2的擴(kuò)散范圍較初始滲透率時(shí)有所增大，但仍未擴(kuò)散至煤層氣生產(chǎn)井井口，且摩爾分?jǐn)?shù)圖形未發(fā)生明顯變化，因?yàn)閮?chǔ)層壓力僅由16.0 MPa降至14.0 MPa，壓降小，壓力仍較高。

圖8 滲透率0.1 mD注入CO2 5年的CO2摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.8 Plot of CO2 mole fraction after 5 years of CO2 injection at 0.1 mD permeability

圖9 滲透率0.1 mD注入CO2 15年的CO2摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.9 Plot of CO2 mole fraction after 15 years of CO2 injection at 0.1 mD permeability

3.2.3 滲透率1.0 mD數(shù)值模擬 QY01區(qū)塊在1.0 mD的滲透率下的CO2注入數(shù)值模擬曲線(圖10)顯示，當(dāng)滲透率為1.0 mD時(shí)，在前5年的驅(qū)替階段，以8 000 m3/d的速率注入CO2，驅(qū)替效果較其他滲透率條件下更好。15年的排采中，在未驅(qū)替條件下，煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量為4.86×106m3，平均日產(chǎn)氣量約為886 m3；驅(qū)替條件下，煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)1.99×107m3，平均日產(chǎn)氣量達(dá)3 640 m3。驅(qū)替產(chǎn)氣量為未驅(qū)替產(chǎn)氣量的4.1倍。在之后的封存過程中，因滲透率效果較好，設(shè)定初始CO2注入速率為1.28×104m3/d，注入11年后地層壓力達(dá)59.75 MPa，地層破裂，此時(shí)CO2注入量累計(jì)為6.10×107m3。

圖10 滲透率1.0 mD 下15號(hào)煤層數(shù)值模擬曲線圖1-CO2注入速率；2-CO2累計(jì)注入量；3-CO2驅(qū)替煤層氣日產(chǎn)氣量；4-CO2驅(qū)替煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量；5-CO2未驅(qū)替煤層氣日產(chǎn)氣量；6-CO2未驅(qū)替煤層氣累計(jì)產(chǎn)氣量；7-儲(chǔ)層壓力Fig. 10 Numerical simulation curves of No. 15 coal seam at 1.0 mD permeability

圖11 滲透率1.0 mD注入CO2 5年的CO2摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.11 Plot of CO2 mole fraction after 5 years of CO2 injection at 1.0 mD permeability

圖12 滲透率1.0 mD注入CO2 15年的CO2摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.12 Plot of CO2 mole fraction after 15 years of CO2 injection at 1.0 mD permeability

在1.0 mD滲透率下CO2注入5年(圖11)及15年排采結(jié)束時(shí)的CO2摩爾分?jǐn)?shù)(圖12)顯示，在煤層氣排采過程中，由于儲(chǔ)層滲透率較大，所注入的CO2初始速率大，擴(kuò)散范圍明顯增大，但仍未擴(kuò)散至煤層氣生產(chǎn)井井口，所產(chǎn)出的氣體不含CO2。5年和15年節(jié)點(diǎn)的CO2摩爾分?jǐn)?shù)變化不明顯，儲(chǔ)層壓力由13.8 MPa降至10.2 MPa，儲(chǔ)層壓降小，且始終處于相對(duì)高壓狀態(tài)，CO2無法自由移動(dòng)，導(dǎo)致擴(kuò)散范圍難以擴(kuò)大。

4 結(jié) 論

(1)儲(chǔ)層滲透率是影響沁源區(qū)塊煤層氣開發(fā)的重要因素之一，滲透率1.0 mD條件下的日均產(chǎn)氣量>滲透率0.1 mD條件下的日均產(chǎn)氣量>初始預(yù)測(cè)滲透率條件下的日均產(chǎn)氣量。

(2)不同儲(chǔ)層滲透率條件下，注入CO2驅(qū)替產(chǎn)氣量均高于未注入CO2驅(qū)替產(chǎn)氣量，增產(chǎn)達(dá)3～4倍。

(3)研究區(qū)儲(chǔ)層條件好，產(chǎn)氣能力強(qiáng)，儲(chǔ)層滲透率為1.0 mD時(shí)，日產(chǎn)氣量達(dá)3 635 m3。但深部煤層由于滲透率較低，難以改善，注入CO2驅(qū)替條件下的產(chǎn)氣量仍不高。

(4)研究區(qū)煤儲(chǔ)層厚度大，適合CO2安全封存。儲(chǔ)層滲透率為0.1 mD時(shí)，CO2的封存量達(dá)3.98×107m3；儲(chǔ)層滲透率為1.0 mD時(shí)，CO2的封存量可達(dá)6.10×107m3，煤儲(chǔ)層封存能力較強(qiáng)。