富油煤原位熱解開發(fā)地下體系封閉方法探討

郭 威，劉 召，孫友宏，李 強(qiáng)，鄧孫華

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026；2.油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130026；3.頁(yè)巖油氣資源勘探開發(fā)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130026；4.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130026；5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

我國(guó)原油對(duì)外依存度高，能源安全存在巨大威脅[1]。富油煤是一種中低成熟度的煤基油氣資源，焦油產(chǎn)率大于7%，其中的有機(jī)質(zhì)在350～500℃條件下可裂解為油氣[2-4]。根據(jù)2019 年中國(guó)煤炭地質(zhì)總局研究成果，我國(guó)富油煤資源潛力巨大，主要分布于陜西、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅和寧夏5 個(gè)省(自治區(qū))[5]。因此，推進(jìn)富油煤向油氣產(chǎn)品的工業(yè)轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔低碳利用，增加國(guó)內(nèi)油氣供給的戰(zhàn)略選擇。地下原位熱解轉(zhuǎn)化是對(duì)富油煤“留碳取油”的重要方式，該技術(shù)是通過注熱井注入熱量原位加熱富油煤層，使內(nèi)部有機(jī)質(zhì)裂解產(chǎn)生油氣，并通過采油工藝開采到地面的開發(fā)方式[2-3]。地下原位熱解技術(shù)是油頁(yè)巖的重要開發(fā)方式，目前已進(jìn)行了廣泛的室內(nèi)裂解機(jī)理研究，并且在我國(guó)松遼盆地開展先導(dǎo)試驗(yàn)工程成功產(chǎn)油，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性[6]。油頁(yè)巖與富油煤的物化性質(zhì)及有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)雖具有差異性，但是固體有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)層高效加熱方法以及油氣采收等地下原位熱解關(guān)鍵技術(shù)具有相通之處。

儲(chǔ)層高效加熱是地下原位熱解技術(shù)的核心。目前，地下原位加熱方法根據(jù)傳熱方式可分為對(duì)流加熱、傳導(dǎo)加熱、輻射加熱和化學(xué)加熱[7]。其中，對(duì)流加熱是加熱效率較高、開發(fā)應(yīng)用效果較好的方式，通過注熱井注入熱流體通過熱對(duì)流的形式原位加熱儲(chǔ)層，常用的熱流體主要是氮?dú)?、空氣、二氧化碳、水蒸氣等。由于地下?chǔ)層存在熱流體的滲流作用，可強(qiáng)化加熱效率，同時(shí)具有驅(qū)替裂解油氣的作用。以加熱方式為特征的各種原位熱解技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，但是共同目標(biāo)均是高效加熱儲(chǔ)層，提高注入能量利用率。在高含水地層，特別是地下水滲流速度大的目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行原位熱解開發(fā)時(shí)，避免開采區(qū)涌水造成注入熱量損失對(duì)于原位熱解技術(shù)至關(guān)重要[8]。通過體系封閉將富油煤原位熱解開采區(qū)相對(duì)封閉在地下三維空間內(nèi)，構(gòu)建地下 “密閉反應(yīng)釜”是提高開采能量利用率的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也可以抑制裂解區(qū)有機(jī)烴、重金屬元素等產(chǎn)物向周圍含水層擴(kuò)散污染。研發(fā)適宜的地下體系封閉技術(shù)是富油煤地下原位熱解高效綠色開發(fā)的必然選擇。

地下體系封閉技術(shù)是通過降低局部?jī)?chǔ)層有效孔隙率、水相滲透率的方式弱化或隔絕封閉區(qū)域內(nèi)外的傳質(zhì)過程。地下體系封閉技術(shù)主要包括地下凍結(jié)技術(shù)、注漿帷幕技術(shù)、氣驅(qū)止水封閉技術(shù)，以及泡沫止水方法和氣驅(qū)?冷凍結(jié)合法等[9]。地下凍結(jié)與注漿帷幕是目前最為成熟的封閉技術(shù)，廣泛應(yīng)用于巷道施工、基坑維護(hù)、地基處理等基礎(chǔ)工程，并且在地下資源開發(fā)中也得到應(yīng)用，如殼牌公司和吉林大學(xué)分別采用地下凍結(jié)技術(shù)和注漿帷幕技術(shù)為油頁(yè)巖原位裂解區(qū)構(gòu)建止水屏障[10-11]。氣驅(qū)止水封閉技術(shù)是吉林大學(xué)針對(duì)大規(guī)模油頁(yè)巖原位開采自主研發(fā)的快速、低成本施工的地下體系封閉方法[12]。不同的地下體系封閉技術(shù)具有不同的地層適應(yīng)性，需要根據(jù)地質(zhì)條件、設(shè)備條件和原位熱解工藝進(jìn)行合理選擇。

筆者立足富油煤地下原位熱解技術(shù)，分析總結(jié)現(xiàn)有地下體系封閉技術(shù)的原理、適應(yīng)性及優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合富油煤層結(jié)構(gòu)、地下水條件、開發(fā)工藝等，篩選出適合不同富油煤儲(chǔ)藏特點(diǎn)的地下原位熱解體系封閉技術(shù)。為進(jìn)一步開展體系封閉技術(shù)實(shí)施，還設(shè)計(jì)了體系封閉方案設(shè)計(jì)?監(jiān)測(cè)?修復(fù)以及環(huán)境恢復(fù)方法，提出了富油煤地下原位熱解開發(fā)一體化技術(shù)構(gòu)想，以期為富油煤地下原位熱解先導(dǎo)試驗(yàn)及未來工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 地下體系封閉技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 地下凍結(jié)技術(shù)

地下凍結(jié)技術(shù)(Artificial Ground Freezing，AGF)是通過向地下封閉井筒內(nèi)注液氮、超冷鹽水等低溫冷流體，用熱傳導(dǎo)的方式將井筒周圍孔隙水和地層基質(zhì)凍結(jié)在一起，通過群井施工使凍結(jié)體交圈形成連續(xù)的地下凍結(jié)墻[13]，技術(shù)原理如圖1 所示。由于地下凍結(jié)體周圍存在溫度梯度，需要保持低溫冷流體持續(xù)注入，維持凍結(jié)墻的長(zhǎng)期有效。孔隙水的凍結(jié)可完全占據(jù)孔裂隙空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水滲流通道的完全低溫封堵，是實(shí)現(xiàn)開采區(qū)地下體系絕對(duì)封閉的有效措施。

圖1 地下凍結(jié)技術(shù)原理與殼牌公司凍結(jié)墻試驗(yàn)井位布置方案[10]Fig.1 Principle of AGF technology and well layout of Shell’s freezing wall tests[10]

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 地層原始結(jié)構(gòu)的影響可逆；工程結(jié)束地層溫度升高恢復(fù)后，凍結(jié)體逐漸解凍消失，地層原始孔隙結(jié)構(gòu)可基本恢復(fù)原狀。(2) 非均質(zhì)地層適應(yīng)性強(qiáng)；凍結(jié)體呈規(guī)則的圓柱狀擴(kuò)展，由于地層溫度降低速度較慢，地層裂隙、層理和水力裂縫等非均質(zhì)性因素對(duì)凍結(jié)體的形成與形態(tài)影響較小。(3) 凍結(jié)封閉性好，凍結(jié)區(qū)域幾乎不可滲；飽和地下水凍結(jié)成冰占據(jù)了全部孔裂隙空間，凍結(jié)體可認(rèn)為完全不可滲，可實(shí)現(xiàn)地下體系絕對(duì)封閉。

該技術(shù)的缺點(diǎn)如下：(1) 凍結(jié)效率低，封閉半徑小，封閉速度慢，成本高；熱傳導(dǎo)換熱效率低，一般單井凍結(jié)半徑小于1 m，施工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，能量利用率約為50%。在大規(guī)模長(zhǎng)期開發(fā)過程中，凍結(jié)過程需長(zhǎng)期運(yùn)行，施工成本較高。(2) 高地下水流速地層的適應(yīng)性差，甚至失效；井筒周圍凍結(jié)體外緣溫度相對(duì)較高，易受地下水流作用解凍，造成凍結(jié)范圍畸形縮小，甚至難以形成連續(xù)的凍結(jié)墻。

綜上，考慮到凍結(jié)速率較慢、封閉性好和凍結(jié)半徑小等特點(diǎn)，該技術(shù)較適于小規(guī)模富油煤原位熱解先導(dǎo)工程，可實(shí)現(xiàn)有限熱解區(qū)域的完全封閉。

1.2 注漿帷幕技術(shù)

注漿帷幕技術(shù)是通過注漿井向目標(biāo)地層注入水泥漿，通過水泥漿固結(jié)封堵地下孔裂隙，并利用群井聯(lián)結(jié)固結(jié)體形成連續(xù)的地下注漿帷幕[14]，技術(shù)原理如圖2所示。注漿帷幕不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的有效封堵，水泥漿的固結(jié)也可以提高巖土體的抗變形能力。因此，該技術(shù)常用于未固結(jié)或高滲地層，如基坑維護(hù)或地基強(qiáng)化處理等領(lǐng)域。另外，在煤田開采和油頁(yè)巖原位開發(fā)等領(lǐng)域也常用于處理頂板水害、邊水入侵的問題，如吉林大學(xué)在我國(guó)松遼盆地油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化開采先導(dǎo)工程中，通過群井注漿帷幕，形成了垂直地下水流方向的連續(xù)帷幕墻，有效降低了原位裂解加熱區(qū)的涌水量[15]。

圖2 注漿帷幕技術(shù)原理Fig.2 Technical principle of grouting curtain

該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 注漿帷幕封閉性好，封閉速度快；水泥漿液固結(jié)后占據(jù)地層原始孔裂隙，形成相對(duì)不可滲固結(jié)體，可在1～2 d 內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)通道的完全封堵。(2) 漿液配方可根據(jù)地層條件調(diào)節(jié)；從擴(kuò)大漿液擴(kuò)散半徑和降低成本的角度考慮，注漿帷幕技術(shù)更適合于高滲地層，而致密地層和含斷層、大裂隙地層需通過優(yōu)化漿液配方或注漿工藝解決注漿難和漏失問題。

該技術(shù)的缺點(diǎn)如下：(1) 地層結(jié)構(gòu)影響不可逆；水泥漿液固結(jié)會(huì)永久占據(jù)孔裂隙空間，對(duì)地層孔裂隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響不可逆。(2) 封閉半徑小，施工成本較高；水泥漿液黏度大，且隨著水化時(shí)間延長(zhǎng)而顯著增加，造成漿液在地層擴(kuò)散半徑有限，約1 m；考慮到注漿帷幕具有一次施工、長(zhǎng)期有效的特點(diǎn)，相較于地下凍結(jié)技術(shù)，施工成本較低。(3) 埋深和滲透性對(duì)設(shè)備要求影響大；注漿帷幕施工是將水泥漿高壓壓入地層的過程，目標(biāo)儲(chǔ)層埋深大、滲透性差會(huì)提高注漿施工設(shè)備能力。

綜上，與地下凍結(jié)技術(shù)相類似，注漿帷幕技術(shù)適于小規(guī)模富油煤原位熱解試采。在高滲水流速地層體系封閉好，并具有處理突發(fā)涌水事件、封堵大斷層和裂隙的優(yōu)勢(shì)，但是需要優(yōu)化漿液配方或注漿工藝。而在低滲儲(chǔ)層中，可選用超細(xì)水泥、劈裂注漿的方式提高固結(jié)體半徑。

1.3 氣驅(qū)止水封閉技術(shù)

氣驅(qū)止水封閉技術(shù)是吉林大學(xué)針對(duì)油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化開采自主研發(fā)的新型地下體系封閉技術(shù)[9,12]。該技術(shù)是通過在向熱解區(qū)邊緣的注氣井注入高壓氣體，建立高氣相飽和度的高壓充氣區(qū)，充氣區(qū)前緣形成氣體壓力與孔隙水壓力和毛細(xì)管力的平衡邊界，從而降低水相相對(duì)滲透率和抑制開采區(qū)污染物擴(kuò)散，技術(shù)原理如圖3 所示。該技術(shù)在我國(guó)松遼盆地農(nóng)安地區(qū)和扶余地區(qū)油頁(yè)巖原位開采試驗(yàn)工程均取得成功應(yīng)用，驗(yàn)證了技術(shù)可行性與高效性。

圖3 氣驅(qū)止水封閉技術(shù)原理[9]Fig.3 Schematic of water-stopping and sealing technology by gas flooding[9]

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 氣體流動(dòng)性強(qiáng)且單井封閉半徑大；在稍高于地層孔隙水壓力的注氣壓力下即可實(shí)現(xiàn)半徑高達(dá)數(shù)十米的單井止水封閉半徑，施工和運(yùn)行成本低。(2) 施工過程不影響地層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)；氣驅(qū)止水封閉過程僅是動(dòng)態(tài)氣驅(qū)水過程，不影響地層原始結(jié)構(gòu)，施工完成后地層可以恢復(fù)至初始狀態(tài)。(3) 儲(chǔ)層地質(zhì)特性對(duì)止水封閉范圍影響大；油頁(yè)巖等各向異性地層，垂直層理方向的低滲特性可以顯著抑制氣流的浮力效應(yīng)，使氣驅(qū)前緣擴(kuò)展速度沿垂直層理方向上趨于相對(duì)一致，有利于擴(kuò)大止水封閉范圍。(4) 注入氣流具有油氣驅(qū)替作用；邊緣氣體滲流的存在可以有效控制地下流體流向，提高對(duì)裂解區(qū)油氣的驅(qū)替作用。

該技術(shù)的缺點(diǎn)如下：含斷層或溶洞等構(gòu)造的地層適用性差；高滲通道會(huì)引發(fā)注入氣體竄流，不利于發(fā)揮止水封閉效果。

綜上，氣驅(qū)止水封閉技術(shù)可以快速建立范圍大的體系封閉區(qū)域，尤其在高含水或高地下水流速儲(chǔ)層可發(fā)揮較好的止水能力。通過合理布局止水井與開采井，可以充分發(fā)揮邊緣氣驅(qū)對(duì)開采區(qū)油氣和載熱介質(zhì)等流體的驅(qū)替和控制作用。

1.4 泡沫止水技術(shù)

泡沫止水技術(shù)是通過將黏度較高的泡沫注入目標(biāo)地層，利用賈敏效應(yīng)(氣阻效應(yīng))阻止地下水沿高滲通道竄流，實(shí)現(xiàn)封堵地下高含水層。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油工程，處理石油開發(fā)中邊水、底水問題[16-17]。起泡劑和穩(wěn)泡劑等配方的不同，泡沫的穩(wěn)定性、半衰期、黏度和耐溫性等性能各不相同，需要根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)選用適宜的發(fā)泡配方。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 止水封閉范圍大且可控；泡沫具有一定的黏度，但是遠(yuǎn)小于水泥漿液黏度，可獲得較大且可控的單井封閉范圍，且施工成本較低。(2) 滲透率極差大且非均質(zhì)儲(chǔ)層適用性強(qiáng)；注入泡沫會(huì)優(yōu)先封堵裂縫等高滲通道，因此在滲透率極差大且非均質(zhì)性強(qiáng)的儲(chǔ)層具有較好的封閉效果。(3) 不影響地層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)；泡沫消泡后，地層原始兩相滲流特性恢復(fù)。(4) 注入泡沫具有油氣驅(qū)替作用；與氣驅(qū)止水封閉技術(shù)類似，注入泡沫可以發(fā)揮對(duì)開采區(qū)流體的驅(qū)替作用。

該技術(shù)的缺點(diǎn)如下：止水封閉效果取決于泡沫性能與補(bǔ)注周期；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，邊緣區(qū)域消泡嚴(yán)重，泡沫止水性能下降，需要結(jié)合泡沫半衰期及地下涌水情況定期補(bǔ)注泡沫。

綜上，泡沫止水技術(shù)地層適應(yīng)性強(qiáng)，單井封閉半徑大，施工成本較低，且具有油氣驅(qū)替作用，適宜于大規(guī)模富油煤地下原位熱解開發(fā)中體系封閉。但是，富油煤地下原位熱解開采區(qū)溫度高、地下環(huán)境含油、地下水礦化度高，需要合理設(shè)計(jì)注泡沫井位以及泡沫配方，提高泡沫耐溫、耐鹽和耐油性質(zhì)。

2 富油煤地下原位熱解開發(fā)體系封閉技術(shù)篩選

地下原位熱解是油頁(yè)巖和富油煤等成熟度較低的非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用方式，選擇適合的地下體系封閉技術(shù)是保障儲(chǔ)層高效加熱和保護(hù)地下生態(tài)的關(guān)鍵。根據(jù)前述研究現(xiàn)狀的調(diào)研，本文總結(jié)了以上各種技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用情況和地層適應(yīng)性(表1)。結(jié)合富油煤層地質(zhì)特點(diǎn)、熱解開發(fā)工藝及規(guī)模，探討分析適于富油煤地下原位熱解開發(fā)的體系封閉技術(shù)。

表1 4 種地下體系封閉技術(shù)特點(diǎn)Table 1 Characteristics of 4 underground system sealing methods

我國(guó)富油煤主力區(qū)塊，如榆神礦區(qū)、神府礦區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，內(nèi)生裂隙發(fā)育程度低，尚未發(fā)現(xiàn)大斷層構(gòu)造，煤層傾角??；埋深一般介于30～700 m，煤層厚度約10 m，甚至更厚[18]。此外，煤層原始滲透率一般高于頁(yè)巖1～3 個(gè)數(shù)量級(jí)[19]。此類礦區(qū)較適宜開展地下原位熱解開發(fā)。礦區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)地下體系封閉技術(shù)的選用影響較大，結(jié)合各類體系封閉技術(shù)特點(diǎn)，分如下5 方面討論富油煤原位熱解開采適宜的地下體系封閉技術(shù)。

(1)對(duì)于埋深淺的富油煤層(<100 m)，考慮到氣體泄漏及高壓注氣對(duì)近地表含水層的潛在影響，氣驅(qū)止水封閉技術(shù)適用性較低。而泡沫止水、注漿帷幕和地下凍結(jié)法具有較強(qiáng)適用性。

(2)對(duì)于中深富油煤層，氣驅(qū)止水封閉工藝中氣體泄漏等影響可忽略，該技術(shù)適用性強(qiáng)；而地下凍結(jié)法施工中的長(zhǎng)井筒熱損失顯著提升，適用性降低。

(3)對(duì)于薄煤層(<5 m)，由于漿液和泡沫滲流的可控性，地下凍結(jié)、注漿帷幕和泡沫止水法適用性強(qiáng)。而氣驅(qū)止水封閉技術(shù)具有封閉半徑大、能耗低的特點(diǎn)，在厚煤層應(yīng)用中具有顯著降低成本的優(yōu)勢(shì)。

(4)對(duì)于不同的熱解工藝，氣驅(qū)止水封閉技術(shù)和泡沫止水技術(shù)可為熱解開發(fā)區(qū)提供惰性氣體、含氧氣體、泡沫等滲流場(chǎng)，具有熱解油氣驅(qū)替、原位流體控向、壓力調(diào)控等作用，可根據(jù)熱解開發(fā)工藝的不同，合理選用。

(5)對(duì)于小規(guī)模原位熱解開采試驗(yàn)，富油煤地下原位熱解開發(fā)技術(shù)驗(yàn)證階段需要開展小規(guī)模先導(dǎo)試驗(yàn)時(shí)，封閉區(qū)域小，封閉性要求高，可采用地下凍結(jié)和注漿帷幕技術(shù)。而在大規(guī)模熱解開發(fā)中，封閉區(qū)域大，選用氣驅(qū)止水封閉和泡沫止水技術(shù)可以大幅縮減工程投資。

富油煤地下原位熱解開發(fā)技術(shù)尚處于研發(fā)階段，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分結(jié)合煤層地質(zhì)特點(diǎn)、開發(fā)工藝、規(guī)模、工程投資等，合理選擇適宜的體系封閉技術(shù)。

另外，現(xiàn)有的地下體系封閉技術(shù)來源于淺層基礎(chǔ)工程、石油工程等領(lǐng)域，難以完全滿足富油煤地下原位熱解開發(fā)需求。因此，亦可開展針對(duì)性技術(shù)攻關(guān)研究，未來技術(shù)攻關(guān)可有如下2 個(gè)方向：

(1) 創(chuàng)新技術(shù)原理，彌補(bǔ)技術(shù)缺陷：注漿帷幕技術(shù)可通過劈裂注漿的方式有效擴(kuò)大漿液擴(kuò)散半徑[20]；氣驅(qū)止水封閉技術(shù)可通過儲(chǔ)層潤(rùn)濕改性，發(fā)揮親氣介質(zhì)中高壓注氣后殘余氣的氣阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)止水封閉效果，克服持續(xù)高壓注氣的影響[21]；地下凍結(jié)技術(shù)可采用水平井?dāng)U大凍結(jié)范圍等。目前此類創(chuàng)新性技術(shù)尚在研發(fā)，仍需通過深入研究完善施工工藝。

(2) 融合現(xiàn)有技術(shù)體系，發(fā)揮復(fù)合技術(shù)優(yōu)勢(shì)：通過開采區(qū)或群井高壓氣驅(qū)，調(diào)控單井漿液擴(kuò)散方向，實(shí)現(xiàn)定向注漿[22]；通過冷氣驅(qū)與地下凍結(jié)法的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)流傳熱形式凍結(jié)地層，發(fā)揮氣驅(qū)止水與地下凍結(jié)的復(fù)合技術(shù)優(yōu)勢(shì)[23]?，F(xiàn)有技術(shù)融合需要綜合考慮不同技術(shù)的特點(diǎn)，從而研發(fā)優(yōu)勢(shì)突出的新型復(fù)合體系封閉技術(shù)。

3 地下體系封閉設(shè)計(jì)?監(jiān)測(cè)?修復(fù)和環(huán)境恢復(fù)系統(tǒng)方法建議

地下體系封閉技術(shù)以最大程度隔絕熱解區(qū)內(nèi)外物質(zhì)與能量交換為目標(biāo)，需要開發(fā)前精細(xì)設(shè)計(jì)、開發(fā)中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)和開發(fā)后安全恢復(fù)，建立地下體系封閉的設(shè)計(jì)?監(jiān)測(cè)?修復(fù)和環(huán)境恢復(fù)的系統(tǒng)方法，如圖4 所示。

圖4 地下體系封閉設(shè)計(jì)?監(jiān)測(cè)?修復(fù)和環(huán)境恢復(fù)系統(tǒng)方法Fig.4 System methods of design-monitoring-restoration of underground system sealing and environmental restoration

3.1 地下體系封閉方案設(shè)計(jì)

地下體系封閉技術(shù)的選取與地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、熱解開發(fā)工藝和開發(fā)規(guī)模等因素密不可分。設(shè)計(jì)前，應(yīng)通過物探、鉆探等手段充分了解目標(biāo)儲(chǔ)層地質(zhì)構(gòu)造，明確地層走向、傾角、斷裂、溶洞等情況。此外，通過巖樣和水樣測(cè)試、抽水試驗(yàn)和區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查等評(píng)估方法了解儲(chǔ)層孔滲、地下水滲流方向與強(qiáng)度、地下水化學(xué)特征等。結(jié)合熱解開發(fā)工藝、規(guī)模以及井網(wǎng)規(guī)劃，合理選擇地下體系封閉技術(shù)，制定井位布置和井身結(jié)構(gòu)方案、注入流體配方、注入?yún)?shù)等施工技術(shù)方案。最后，通過礦場(chǎng)尺度的數(shù)值模擬評(píng)估地下體系封閉效果，優(yōu)化并確定施工方案。

3.2 地下體系封閉效果監(jiān)測(cè)

地下體系封閉效果監(jiān)測(cè)主要包括：(1) 地下封閉工藝關(guān)鍵參數(shù)，決定防滲帷幕的可靠性。如泡沫止水技術(shù)中泡沫擴(kuò)散范圍，地下凍結(jié)技術(shù)中凍結(jié)體半徑和溫度場(chǎng)，氣驅(qū)止水封閉技術(shù)中兩相分布、壓力和飽和度等。(2) 止水封閉效果監(jiān)測(cè)，決定防滲帷幕的實(shí)時(shí)效果。如開采區(qū)涌水速率、涌水方向和開采區(qū)外污染物濃度等。

地下封閉工藝關(guān)鍵參數(shù)與止水封閉效果相互關(guān)聯(lián)，止水封閉效果減弱表明需要調(diào)整地下封閉工藝關(guān)鍵參數(shù)。開采區(qū)涌水與開采區(qū)外生態(tài)污染情況是地下體系封閉技術(shù)實(shí)施效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，在建立地下封閉體系后，通過生產(chǎn)井、監(jiān)測(cè)井等不同位置鉆孔的實(shí)時(shí)涌水量、水位，以及監(jiān)測(cè)井污染物濃度來評(píng)價(jià)。

3.3 地下封閉體系功能修復(fù)

地下封閉體系功能修復(fù)是保障封閉效果長(zhǎng)期有效的關(guān)鍵，是指采取調(diào)控工藝或增設(shè)封閉井等措施修復(fù)封閉功能減弱，甚至失效的封閉體系。如地下凍結(jié)技術(shù)中通過強(qiáng)化地下?lián)Q熱使凍結(jié)區(qū)擴(kuò)展或交圈，恢復(fù)連續(xù)的凍結(jié)帷幕；氣驅(qū)止水封閉技術(shù)中通過提高注氣壓力增大充氣區(qū)范圍；泡沫止水技術(shù)中通過縮短泡沫補(bǔ)注周期以抑制泡沫擴(kuò)散范圍的縮小。地下封閉體系修復(fù)需結(jié)合地下溫度場(chǎng)、封閉井狀態(tài)等，詳細(xì)了解涌水方向和涌水量變化，合理調(diào)控封閉工藝參數(shù)；涌水量顯著增加時(shí)可在涌水方向增加封閉井水量。

3.4 地下環(huán)境恢復(fù)

地下環(huán)境恢復(fù)是指開采完成后，撤銷連續(xù)的防滲帷幕并恢復(fù)至原始地下狀態(tài)的過程。如氣驅(qū)止水封閉完成后可通過井筒短時(shí)安全泄壓或地層長(zhǎng)期壓力消散實(shí)現(xiàn)恢復(fù)。地下凍結(jié)技術(shù)和泡沫止水技術(shù)可通過自然過程實(shí)現(xiàn)融化和消泡，進(jìn)而恢復(fù)至原始狀態(tài)。注漿帷幕技術(shù)中地層結(jié)構(gòu)恢復(fù)僅可通過儲(chǔ)層改造實(shí)現(xiàn)。

4 富油煤地下原位熱解一體化開發(fā)技術(shù)構(gòu)想

對(duì)流加熱是實(shí)現(xiàn)富油煤地下原位熱解高效開發(fā)的有效措施，通過注入熱流體加熱儲(chǔ)層，同時(shí)驅(qū)替并攜帶油氣產(chǎn)物至地表。因此，富油煤地下原位熱解開發(fā)是流體注入與流體采出的過程，采出流體主要是油、烴類氣體、二氧化碳及其他氣體。實(shí)現(xiàn)富油煤地下原位熱解高效開發(fā)，需要整合熱解工藝、驅(qū)采工藝、體系封閉工藝和地面循環(huán)工藝等不同技術(shù)環(huán)節(jié)，建立一體化高效開發(fā)模式，如圖5 所示。通過合理規(guī)劃開采區(qū)規(guī)模與開發(fā)方案，選擇適宜的體系封閉技術(shù)，建立富油煤地下熱解與體系封閉工藝的協(xié)同關(guān)系尤為重要。例如：氣驅(qū)止水封閉技術(shù)與泡沫止水技術(shù)既可實(shí)現(xiàn)對(duì)開采區(qū)的封閉作用，也可以通過調(diào)整注氣、注泡沫壓力發(fā)揮調(diào)節(jié)原位熱解區(qū)范圍、控制熱解區(qū)流體流動(dòng)、驅(qū)替油氣產(chǎn)物等作用。因此，在選用適宜體系封閉技術(shù)后，建立體系封閉關(guān)鍵工藝與熱解開采工藝的參數(shù)關(guān)聯(lián)、效果互評(píng)的協(xié)同關(guān)系可有效促進(jìn)注入能量高效利用，實(shí)現(xiàn)熱解油氣高效采收。

圖5 富油煤地下原位熱解開發(fā)及二氧化碳地質(zhì)封存一體化技術(shù)體系構(gòu)想Fig.5 Conception of integrated technology of underground in-situ pyrolysis exploitation of tar-rich coal and CO2 geological storage

另外，在碳中和背景下，通過整合體系封閉、富油煤原位熱解、產(chǎn)物驅(qū)采、CO2地質(zhì)封存等工藝技術(shù)，形成富油煤地下原位熱解一體化開發(fā)技術(shù)體系，是實(shí)現(xiàn)富油煤資源綠色高效開發(fā)的重要發(fā)展方向。

CO2是富油煤高溫?zé)峤猱a(chǎn)物中含量相對(duì)較大的非烴氣體，也是常見的溫室氣體[24]。然而CO2具有降低油水界面張力和黏度的作用。因此，通過地面分離產(chǎn)物氣體，將產(chǎn)物CO2和其他介質(zhì)共同作為載熱介質(zhì)和氣驅(qū)止水注入流體，可以充分發(fā)揮CO2混相驅(qū)替的優(yōu)勢(shì)，提高熱解油氣采收率。同時(shí)，富油煤中有機(jī)質(zhì)充分轉(zhuǎn)化，孔裂隙大量釋放，可為CO2封存提供充足的地下空間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)富油煤開發(fā)后CO2地質(zhì)封存，形成富油煤地下原位熱解開發(fā)及CO2地質(zhì)封存一體化技術(shù)體系。但是，富油煤地下原位熱解技術(shù)尚處于研發(fā)階段，富油煤熱解殘?jiān)诐B性、地下水特征、蓋層密閉性與長(zhǎng)期封存安全性仍需進(jìn)一步探討。

5 結(jié)論

a.梳理總結(jié)了地下凍結(jié)、注漿帷幕、氣驅(qū)止水、泡沫止水4 類地下體系封閉技術(shù)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)，評(píng)價(jià)了各類技術(shù)的地層適應(yīng)性。

b.結(jié)合富油煤層埋深、厚度、構(gòu)造等地質(zhì)特點(diǎn)，以及原位熱解開發(fā)工藝與規(guī)模，討論了不同體系封閉技術(shù)在富油煤原位熱解開發(fā)中的適用性；給出了體系封閉技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，即創(chuàng)新現(xiàn)有技術(shù)原理、發(fā)展復(fù)合封閉技術(shù)。

c.針對(duì)地下體系封閉技術(shù)的工程實(shí)施，圍繞開發(fā)前精細(xì)設(shè)計(jì)、開發(fā)中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)和開發(fā)后安全恢復(fù)，提出地下體系封閉設(shè)計(jì)?監(jiān)測(cè)?修復(fù)和環(huán)境恢復(fù)的系統(tǒng)方法建議。

d.以低碳和高效為目標(biāo)，整合富油煤原位熱解、體系封閉、產(chǎn)物驅(qū)采、CO2地質(zhì)封存等關(guān)鍵技術(shù)，提出了富油煤地下原位熱解開發(fā)及CO2地質(zhì)封存一體化技術(shù)構(gòu)想。

e.注漿帷幕、地下凍結(jié)和氣驅(qū)止水封閉技術(shù)已在油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化開采試驗(yàn)中成功應(yīng)用，在富油煤原位熱解開發(fā)中的應(yīng)用前景巨大；未來工作中建議深入探究富油煤熱解特性，并開展體系封閉對(duì)熱解開發(fā)過程的影響研究。