朱希安 汪毓鐸

(北京信息科技大學(xué)光電信息與通信工程學(xué)院,北京 100101)

1 前言

近三十年來,“全球氣候變化”和“全球變暖”等相關(guān)問題,已從學(xué)術(shù)研究課題成為全球各國(guó)首腦峰會(huì)的主要議程。根據(jù)美國(guó)夏威夷Mauna Loa觀測(cè)臺(tái)、中國(guó)氣象局瓦里關(guān)山全球大氣觀測(cè)站及南極Law Dome冰心資料提供的數(shù)據(jù),大氣CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)將由1750年前的280×10-6提高到2000年的368×10-6(增加31%±4%)。預(yù)計(jì)到2100年,大氣的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)將達(dá)到540×10-6～970×10-6,由此將產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。目前我國(guó)CO2年排放量?jī)H次于美國(guó),居世界第二位,預(yù)計(jì)到2025年,我國(guó)的CO2排放總量很可能超過美國(guó),居世界第一位,作為溫室氣體排放大國(guó)的形象將更加突出,使我國(guó)在氣候變化問題上面臨巨大壓力。

我國(guó)的煤層氣資源非常豐富,煤層氣資源量約為116.8×10-12m3,埋深2000～4000m范圍的煤層氣資源量約為50×10-12m3,這部分埋藏較深的資源由于開發(fā)成本較高,雖然在短期內(nèi)很難加以利用,但碳封存技術(shù)的出現(xiàn)為開發(fā)和利用深部煤層氣資源提供了可能的技術(shù)條件。

發(fā)展完善適合中國(guó)國(guó)情的規(guī)模化CO2捕集、埋存及高效利用理論并將研究成果轉(zhuǎn)化為技術(shù),實(shí)施CO2長(zhǎng)期地質(zhì)埋存和資源化利用的示范,將成為我國(guó)科研人員對(duì)CO2減排、儲(chǔ)存和資源化利用的研究目標(biāo)。為此,“十二五”期間,國(guó)家設(shè)立了大型油氣田及煤層氣開發(fā)國(guó)家科技重大專項(xiàng),對(duì)潛在的油氣資源和煤層氣資源進(jìn)行了深度的研究與開發(fā)。其中CO2的埋存與置換甲烷技術(shù)的研究是項(xiàng)目2011ZX05042-003的重要研究?jī)?nèi)容。

2 CO2的捕獲與地質(zhì)埋存

上世紀(jì)90年代,國(guó)際能源署IEA對(duì)世界儲(chǔ)層CO2埋存潛力做了評(píng)估,如表1所示,政府間環(huán)境變化組織IPCC也對(duì)世界儲(chǔ)層CO2埋存量做了評(píng)估,如表2所示。

表1 儲(chǔ)層CO2埋存潛力評(píng)估

表2 儲(chǔ)層CO2埋存量評(píng)估

通過這些數(shù)據(jù)可以看出,CO2地質(zhì)埋存潛力非常巨大,將對(duì)CO2減排起到非常重要的作用。CO2捕捉與埋存 (Carbon Captureand Storage,簡(jiǎn)稱CCS)技術(shù)是指將CO2從相關(guān)排放燃燒源捕獲并分離出來,輸送到油氣田、海洋等地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期封存,從而阻止或顯著減少CO2向大氣中排放。目前,處于研究階段、工業(yè)試驗(yàn)或工業(yè)化應(yīng)用的封存場(chǎng)所主要有深度含鹽水層、枯竭或開采到后期的油氣田、不可采的貧瘠煤層和海洋。隨著全球面臨的氣候問題日益嚴(yán)峻,各國(guó)政府非常重視對(duì)CCS技術(shù)研究的支持。CO2捕獲和存儲(chǔ)技術(shù)主要由3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：

(1)CO2的捕獲,指將CO2從化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中分離出來,并將其壓縮至一定壓力。

(2)CO2的運(yùn)輸,指將分離并壓縮后的CO2通過管道或運(yùn)輸工具運(yùn)至存儲(chǔ)地。

(3)CO2的存儲(chǔ),指將運(yùn)抵存儲(chǔ)地的CO2注入到諸如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤礦等地質(zhì)結(jié)構(gòu)層或者深海海底或海洋水柱或海床以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。

CCS技術(shù)是一項(xiàng)極具潛力的減少CO2排放的前沿技術(shù),自二十世紀(jì)七十年代起,挪威、加拿大、丹麥、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就已開始對(duì)CO2的地質(zhì)埋存方法進(jìn)行研究;中國(guó)也一直在試行自己的解決方案。作為CO2排放大國(guó),我國(guó)積極參與溫室氣體減排,密切關(guān)注CCS技術(shù)進(jìn)展,并著手開展了一些研究與實(shí)踐工作,我國(guó)與國(guó)際社會(huì)一起積極開展了CCS技術(shù)研究與項(xiàng)目合作。2007年啟動(dòng)了“中歐碳捕獲與封存合作 (COACH)”,12個(gè)歐方機(jī)構(gòu)和8個(gè)中方機(jī)構(gòu)參與了COACH。2007年11月20日,啟動(dòng)了“燃煤發(fā)電CO2低排放英中合作項(xiàng)目”。2008年1月25日,中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司以下簡(jiǎn)稱“中聯(lián)煤”與加拿大百達(dá)門公司、香港環(huán)能國(guó)際控股公司簽署了“深煤層注入/埋藏CO2開采煤層氣技術(shù)研究”項(xiàng)目合作協(xié)議。自2002年以來,中聯(lián)煤和加拿大阿爾伯達(dá)研究院已在山西省沁水盆地南部合作,成功實(shí)施了淺部煤層的CO2單井注入試驗(yàn)。

3 CO2的煤層埋存

煤層氣是由煤層生成并主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)集于煤層中的一種非常規(guī)天然氣,其主要成分是甲烷,煤礦俗稱為瓦斯。標(biāo)準(zhǔn)狀況下,CO2是一種無色、無味、比空氣重的氣體,密度是1.977克/升。在CO2的溫度-壓力相圖中,31℃、7.4×106帕是它的臨界點(diǎn)。當(dāng)溫度壓力高于臨界點(diǎn)時(shí),CO2的性質(zhì)發(fā)生變化：形態(tài)近于液體,黏度近于氣體,擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍。這時(shí)的CO2是一種很好的溶劑,其溶解性、穿透性均超過水、乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑。將CO2埋存于深部煤層中,煤層表面可以吸附注入的CO2,不僅保存了CO2,而且可以置換出煤層中的甲烷,由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是相當(dāng)可觀的。由于煤層具有較大的內(nèi)表面積,與等效體積的天然氣藏相比,煤層可以儲(chǔ)存幾倍的CO2。

在煤層中注入CO2還能提高煤田甲烷產(chǎn)量。煤層是富甲烷氣體儲(chǔ)存的巖層,一般情況下每噸煤中會(huì)產(chǎn)生4.3～6.2m3甲烷,所產(chǎn)生的甲烷集結(jié)在煤層中、吸附在煤的表面上。煤巖內(nèi)部多微孔,具有吸附大量氣體的能力。在煤層壓力條件下,煤對(duì)甲烷的吸附可高達(dá)25m3/噸。煤的年代越久,含氣量越多,褐煤的氣量最少,煙煤和無煙煤每噸可含有30m3的煤層氣。煤與CO2的親和力比甲烷大,在相同的壓力下,煤對(duì)CO2的吸附量是甲烷的1.8～2.8倍,從鉆井注入的CO2通過煤的內(nèi)生裂隙系統(tǒng)擴(kuò)散到煤基質(zhì),被吸附在煤微空隙的表面,把與煤親和力低的甲烷趕走。把CO2注入煤層,可以保持儲(chǔ)層的壓力并很快把甲烷置換出來。美國(guó)圣胡安盆地阿利森 (Allison)煤田的試驗(yàn)表明,注入3份體積的CO2,可以得到1份體積的甲烷。被注入的CO2一直到大部分甲烷都給置換出來以后,才會(huì)少量地從鉆井口流出。

2002～2006年,我國(guó)與國(guó)外公司合作開展向煤層注入CO2,提高煤層氣采收率的試驗(yàn),選擇在山西沁水盆地南部T L-003井作為微型先導(dǎo)性試驗(yàn)的第一口井位。試驗(yàn)?zāi)康膶邮?#煤層,埋深470余米,厚度6米。煤層頂板為泥巖,厚度9米,上覆砂巖28米。單井試驗(yàn)與單井、多井?dāng)?shù)值模擬表明,單井試驗(yàn)注入192噸液態(tài)CO2,注入后的重新生產(chǎn)初期CO2產(chǎn)出量累計(jì)約40噸,70%以上的CO2氣體被埋存在煤層中。結(jié)果顯示在沁南無煙煤地區(qū)注入CO2能夠提高煤層氣采收率,而且具有對(duì)CO2的封存能力。

4 CO2地質(zhì)埋存后的運(yùn)移監(jiān)測(cè)手段

煤層氣開發(fā)中,CO2注入前后,煤層會(huì)產(chǎn)生下列變化：煤層受CO2注入的壓裂作用,煤層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生了變化,煤層的泊松比等彈性力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化,煤層與圍巖之間的波阻抗差異更加明顯;由于巖層的電阻率不取決于干燥巖石本身的電阻率,主要取決于巖石的飽和度和水分礦化度。CO2注入煤層后,煤層的飽和度發(fā)生變化,因此電阻率和CO2注入前有明顯的差異;CO2注入煤層后,受壓裂作用,破壞了煤層及上覆巖體的天然應(yīng)力狀態(tài),引起應(yīng)力重新分布,可能引起局部應(yīng)力集中,使煤層頂板出現(xiàn)裂縫。這必然會(huì)改變地下氣體的運(yùn)移和聚集環(huán)境,對(duì)CO2、氡氣的運(yùn)移和富集具有一定的控制作用;CO2向上運(yùn)移,與地下水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),土壤和地下水的化學(xué)成分會(huì)發(fā)生變化;氡氣向上運(yùn)移,可在地表形成氡異常區(qū)。

通過對(duì)煤層注入CO2前后,煤層、上覆巖層及地表土壤和地下水的物理、化學(xué)特征進(jìn)行分析,為CO2注入后的運(yùn)移監(jiān)測(cè)提供了條件。選擇適應(yīng)深層煤層氣CO2注入后的運(yùn)移監(jiān)測(cè)的地球物理、地球化學(xué)方法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2注入后運(yùn)移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。方法如下：

4.1 井間地震測(cè)定法

CO2注入煤層后,煤層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生了變化,煤層的泊松比等彈性力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化,煤層與圍巖之間的波阻抗差異更加明顯,可采用井間地震成像、3-D和4-D(時(shí)移地震)地震方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2 瞬變電磁測(cè)定法

CO2注入煤層后,煤層的電性參數(shù)發(fā)生變化,根據(jù)注入CO2前后煤層及頂板的電阻率變化,采用井-井或地-井瞬變電磁法可測(cè)定電阻率的變化。井-井瞬變電磁技術(shù)綜合了電磁感應(yīng)和層析成像的優(yōu)勢(shì),生成井間電阻率分布剖面圖,瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法,它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng),在一次脈沖場(chǎng)間歇期間利用回線或電偶極接收感應(yīng)二次場(chǎng),該二次場(chǎng)是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場(chǎng),良性導(dǎo)電地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)與地質(zhì)體的電阻率密切相關(guān),電阻率越低、低電阻地質(zhì)體規(guī)模越大,感應(yīng)二次場(chǎng)越高、二次場(chǎng)衰減越慢。

4.3 氡氣測(cè)定法

CO2注入煤層后,煤層及煤層受壓,在煤層及頂板形成氡氣上移通道,在地表形成氡異常,擬通過測(cè)氡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。氡是一種無色、無味的放射性氣體,也是一種惰性氣體,一般不參加化學(xué)反映,能溶于水,但溶解度隨溫度升高而下降。ρ=9.73×10-3g/cm3,沸點(diǎn)-65℃,溶點(diǎn)為-71℃,具有強(qiáng)烈的擴(kuò)散性和擴(kuò)散能力,由于氡是非極性單原子分子,氡容易被固體物質(zhì)所吸附,其中以活性炭、煤、橡膠、石蠟最為突出。在自然界中,氡及其子體憑借自身很強(qiáng)的向上運(yùn)移的能力和母體與子體的地球化學(xué)特征不同,在自然界不同地質(zhì)體中的分布也各有差異,并有一定的規(guī)律,所以通過地表測(cè)氡,分析其異常規(guī)律,可以探測(cè)出地下地質(zhì)體的賦存特征。

4.4 化學(xué)分析測(cè)定法

由于CO2注入前后地表土壤及地下水的化學(xué)成分變化,通過監(jiān)測(cè)地下水及土壤的微量元素,分析地下水的水化學(xué)特征,可以測(cè)得CO2注入后的運(yùn)移。同時(shí),對(duì)于CO2在空氣中是否逸散,可通過采集CO2注入煤層前后的空氣中的CO2含量,來監(jiān)測(cè)CO2注入后的運(yùn)移,并評(píng)價(jià)對(duì)空氣及其對(duì)環(huán)境的影響。

5 CO2煤層埋存后運(yùn)移監(jiān)測(cè)狀況與新進(jìn)展

隨著全球氣候的變化,以控制CO2排放為主要手段的控制全球氣候變暖研究工作,即CO2捕獲與埋存已經(jīng)在全球范圍內(nèi)展開。CO2埋存后的運(yùn)移監(jiān)測(cè)也隨之成為新的研究熱點(diǎn)。目前,主要采用的監(jiān)測(cè)CO2運(yùn)移的手段有：

(1)CO2注入壓力和地層壓力監(jiān)測(cè)

CO2注入井口和地層壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)己臻于成熟。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可用于反演現(xiàn)場(chǎng)尺度的水文地質(zhì)參數(shù)和多相流參數(shù)、探測(cè)儲(chǔ)層堵塞或滲透性增高等。

(2)井孔完整性監(jiān)測(cè)

井的注入部分和止水帶的完整性,可以通過連續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)空中壓力和氣體組成來監(jiān)測(cè)。壓力和成份的變化可用壓力傳感器或紅外分析儀測(cè)得。通過水泥膠結(jié)測(cè)井的周期測(cè)量,確定套管與巖石之間的粘結(jié)狀態(tài)。通過套管的泄漏或者井孔的直接泄漏可應(yīng)用被動(dòng)聲波等手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)儲(chǔ)層地球化學(xué)監(jiān)測(cè)

地球化學(xué)方法可用于地下CO2運(yùn)移的直接監(jiān)測(cè)和認(rèn)識(shí)CO2與儲(chǔ)層流體和礦物間的反應(yīng)。對(duì)流體樣品的主要離子 (如 Na、K、Ca、Mg、Mn、Cl、Si、HCO-3、SO2-4等)、pH、堿度、穩(wěn)定同位素、氣體(如烴類、CO2及其同位素)進(jìn)行分析;對(duì)酚類及其它有毒有機(jī)化合物進(jìn)行分析,開展研究。利用天然示蹤劑 (與注入的CO2相關(guān)的C、O、H同位素及稀有氣體)或投放人工示蹤劑 (稀有氣體、SF6、全氟化碳等),繪制示蹤劑響應(yīng)曲線,分析CO2運(yùn)移方向、速率,研究多相流的滲透力學(xué)屬性 (飽和度、滲透率等)及其變化。此外,CO2的取樣和分析本身指示其為注入或天然來源。示蹤劑注入可更精確地確定CO2自注入并到監(jiān)測(cè)井的遷移路徑和速率。

示蹤劑可為人工投放的氣體,如全氟化碳或稀有氣體,二者都具有很低的檢出限。尤其是稀有氣體,在巖石介質(zhì)中可較CO2運(yùn)動(dòng)更快,提供了CO2遷移的近似路徑。某些情況下,可由注入井和監(jiān)測(cè)井實(shí)現(xiàn)CO2垂向遷移的直接測(cè)量,在套管不同深度上采集流體樣品,可以實(shí)現(xiàn)目的部位的周期測(cè)試,取得的流體樣品可進(jìn)行CO2和CO2濃度升高所致流體化學(xué)組成變化的分析。

(4)深部CO2運(yùn)移的監(jiān)測(cè)

地震方法是監(jiān)測(cè)深部CO2運(yùn)移的常用工具。通過4-D地震,可考察CO2暈的時(shí)空演化;或在CO2注入前后,于注入井應(yīng)用垂向地震剖面 (VSP)方法,監(jiān)測(cè)CO2的運(yùn)移和空間分布;于注入井和監(jiān)測(cè)井應(yīng)用井間地震方法,監(jiān)測(cè)井間CO2暈的空間分布,并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果獲取CO2飽和度的空間分布。地下深部CO2的運(yùn)移也可以通過測(cè)量監(jiān)測(cè)井中孔隙流體變化的方法直接確定。通過分析流體化學(xué)組成變化 (如PH、Alk、HCO-3或 EC等),判斷CO2是否到達(dá)監(jiān)測(cè)井。

(5)勻淺部含水層監(jiān)測(cè)

因毛細(xì)突破、機(jī)械突破和富含CO2的流體與蓋層、水泥反應(yīng)導(dǎo)致的蓋層、廢井突破,咸水和CO2將向淺部含水層泄漏,可應(yīng)用地球化學(xué)指標(biāo)、示蹤氣體淺部含水層。

(6)包氣帶和地表監(jiān)測(cè)

確定CO2自儲(chǔ)層進(jìn)入包氣帶,進(jìn)而到達(dá)地表或僅地表環(huán)境的技術(shù)有很多。CO2在近地表環(huán)境中可以自由氣體或溶解態(tài)存在。探測(cè)CO2濃度增高的技術(shù)主要包括土壤氣體監(jiān)測(cè)和地表CO2通量監(jiān)測(cè)。

分析土壤水中主要離子 (Na、K、HCO-3等),堿度、PH,烴類氣體、碳穩(wěn)定同位素比,可以確定CO2變化量和來源。此外,因PH變化可造成鉛、砷微量元素等的活化,這些微量元素的污染或可作為CO2濃度升高的指示。土壤氣體或集氣箱中氣體的分析和CO2同位素分析有助于確定其來源,尤其是淺部生物來源的CO2與化石來源的不同。與CO2一并注入的人工示蹤劑,如全氟化碳或稀有氣體,檢出限低,或可提供泄漏可能性的信息。

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