楊 娟

（西安石油大學，陜西西安 710065）

在地球大氣層CO2濃度的增加對環(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潛在的選擇就是在深地質地層中隔離大量的CO2，例如，不可采的煤層，枯竭的油氣藏或鹽堿含水層。這些都具有存儲潛力和經(jīng)濟效益，并且在其他地方也可以找到。一些因素導致并決定了潛在的存儲位置，例如，生烴潛力，構造地質學，盆地歷史和附近的基礎設施（如管道和發(fā)電廠等）。

世界各地的一些實驗研究表明向煤層中注入CO2可以達到雙贏的效果，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壓力從而開采出煤層氣，但是水通常是含鹽和其他礦物質，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壓入煤層就會置換出煤層氣并將CO2封存在煤層中[1]。因為煤層表面對于CO2的吸附力大于甲烷，所以當煤層中注入CO2時，就會大量的吸附在煤層表面。注入CO2可以提高煤層的壓力。煤層氣的特性對于煤層中CO2的存儲至關重要，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，幾個研究已經(jīng)解決了煤層中CO2儲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的長期流動和地質力學還沒有被完全理解。通過長期注入CO2，需要解決CO2的運移和其對地面的反應。在本文的研究中，選擇了一個活躍的煤層層序，通過注入CO2來研究地面反應和CO2運移。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，然后評價存儲潛能和提高煤層氣采收率。當在測試區(qū)深煤層中心注入CO2時，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。對于煤層氣開發(fā)和CO2的注入，水平井的使用對這個研究項目來說是獨一無二的。

以阿巴拉契亞盆地北部為例，在注入?yún)^(qū)安裝了36個高精度傾斜儀和絕對遠程的GPS。用多相流和地質建模來預測CO2的運移并計算地面位移。注入之前要進行敏感性分析，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出的CO2地面位移值和模型計算的地面位移值。先進的建模方法結合現(xiàn)場有限的高精度設備來開發(fā)和提高監(jiān)測技術，通過地面測量來了解CO2的運移并評價長期存儲的選擇。

本文是以美國西弗吉尼亞州北部為例，來評價煤層氣采收率以及恢復潛力。

2 研究區(qū)簡介

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)包括兩個煤層，一個是匹茲堡煤層（上部煤層），另一個是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)場操作是由康索爾和幾個來自西維吉尼亞大學的研究人員共同完成的。能源部大約計劃把18 144 t 的CO2用于這個項目。本文給出了第一次注入907 t CO2的現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結果[3]。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 地面監(jiān)測工具的引進

對于優(yōu)化任何儲存CO2的儲層來說，通過注入CO2，來監(jiān)測流體流動和地面反應是至關重要的。在當前的研究項目中，幾個監(jiān)測程序被用來研究注入CO2和煤層氣生產(chǎn)的各個方面。本文研究的重點在于，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。地面監(jiān)測工具如傾斜儀在過去幾個實例中都有使用過。傾斜儀非常敏感，具有高精度，它能夠測量的傾斜精度為1 納弧度。傾斜儀網(wǎng)絡可以被用來測量亞毫米范圍的位移，這個位移是由于流體注入或采出所引起的表面擴張或者下沉所產(chǎn)生的。研究這些高精度儀器是用于長期監(jiān)測注入CO2的操作。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測陣列

研究區(qū)部署了一組36 個高精度地面傾斜儀和2個GPS 用于研究注入CO2的流動?，F(xiàn)場安裝的傾斜儀和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的兩個方向。監(jiān)測排列的陣列要根據(jù)具體項目研究區(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，雖然有定期關井，但現(xiàn)在仍在繼續(xù)。36 個傾斜儀和2 個GPS 接收器在注入CO2之前都已經(jīng)被校準和優(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)。在這個例子中，只描述了CO2注入907 t，平均壓力接近4.82 MPa 的結果[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，流體流動模型和地質建模也被用來研究CO2運移和計算地面位移。在一段時間內，比較建模和測量的結果。

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)的地質詳情。這些模型囊括了合并雙孔隙系統(tǒng)、多相流體流動、復雜的儲層幾何形態(tài)、水平井軌跡、吸附/解析特征、夾層定位、滲透非均質性、儲層壓實和煤層的膨脹/收縮等多項特征。儲層非常規(guī)特性，如原始含氣量，原始含氣成分，原始儲層壓力，原始儲層溫度，解析時間，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 個網(wǎng)格（X 與Y 都是203.2 cm），一個網(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)儲層的地質特性。歷史匹配性是用來確定對于每個儲層最合適的選擇。天然氣產(chǎn)率要和天然氣累計產(chǎn)量相匹配?，F(xiàn)場注入CO2的量要和注入壓力相匹配。

4.3 地質建模

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

5 總結和結論

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

根據(jù)美國成熟地區(qū)煤層氣采收率估計，一般煤層氣資源可采系數(shù)在10～50，中值為30 %。我國煤層氣儲量增長高峰值在2040 年左右，最終煤層氣資源探明率達40 %～50 %，中值45 %。最終可探明煤層氣儲量（30～40）×1012m3[4]。煤層氣資源非常豐富，所以提高煤層氣采收率對于我國發(fā)展經(jīng)濟是很重要的。我國現(xiàn)在對于煤層氣的開采技術也日漸成熟，如CO2置換技術，為了更進一步的提高煤層氣采收率，對于注入CO2的監(jiān)測和研究是少不了的。

［1］ 中國化工網(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置換技術開采我國深部煤層氣資源的可行性分析［G］.中國石油勘探開發(fā)科學研究院廊坊分院，2010.