楊俊哲，王振榮，許 峰，王永勝

(1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團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，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

國家能源集團鄂爾多斯煤制油項目在煤液化生產過程中，每年排放將近300萬t CO2，在當今全球氣溫因溫室氣體逐漸變暖的形勢下，煤制油項目面臨較大環(huán)境壓力。為應對這一問題，國家能源集團實施了二氧化碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，簡稱CCS)示范工程。CCS技術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，全球多個國家已實施或建設70余個CCS項目[11-15]，二氧化碳封存總量達到4×107t以上[16]。而國家能源CCS示范工程為我國首個二氧化碳捕集與深部地質封存全流程示范項目，該示范工程設施建設于2011年完成并實施二氧化碳灌注，至2015年4月，成功完成3.02×105t二氧化碳設計注入目標，并持續(xù)對其進行監(jiān)測[17，18]。在國家能源CCS示范工程實施全過程中，針對二氧化碳地質封存的監(jiān)測工作尤為重要。因為，二氧化碳需長期封存在深部咸水含水層中，一旦封存效果不佳導致泄露，將會帶來較多負面影響，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，采取有效及時的手段監(jiān)測封存狀況，對于CO2在深部儲層中的變化和發(fā)生泄露后的積極應對具有重要意義。

國家能源集團CCS示范項目CO2封存監(jiān)測點位于補連塔煤礦五盤區(qū)12515和12514工作面范圍內，由于補連塔煤礦采掘接續(xù)的原因，上述工作面即將開采，屆時，將會對封存監(jiān)測鉆孔及設備造成破壞。因此，為了在不壓覆煤炭資源的基礎上進一步對CO2封存狀況進行監(jiān)測，有必要重新選址施工遠距離定向監(jiān)測井，與原先監(jiān)測井并行監(jiān)測一定時長，最終實現(xiàn)解放煤炭資源的同時保證CO2封存監(jiān)測的完整性。目前已有CCS項目均是在封存地點進行原位監(jiān)測，并沒有因為特殊原因進行過異地監(jiān)測。通過此次異地定向持續(xù)監(jiān)測技術的應用，使得國家能源集團CCS示范工程成為全球首個異地持續(xù)監(jiān)測CCS項目，豐富了CCS監(jiān)測手段，對于深入研究CO2長期封存于深部儲層的物性變化、安全性以及CO2封存對地質環(huán)境的影響具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

國家能源集團CCS示范工程封存的CO2來自國家能源集團鄂爾多斯煤直接液化項目中產生的煙氣，通過對煙氣中CO2捕集、低溫濃縮處理后采用罐車運往位于內蒙古自治區(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)的封存場地[18]，并以高壓將其注入指定儲層中。封存場地內主要建設有1口注入井(中神注1井)和2口監(jiān)測井(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地質封存場地

CO2封存點的地層自上而下發(fā)育有第四系風積沙層、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，儲蓋層具有完整性高、滲透性底的特征[18]。同時中神監(jiān)1井對4個不同封存層位的孔隙壓力和儲層溫度等關鍵指標進行監(jiān)測，中神監(jiān)2井對儲層上覆地層(監(jiān)測深度1000m左右)壓力和溫度進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據實時傳輸至監(jiān)測終端，如圖2所示。

圖2 CO2地質封存及監(jiān)測示意圖

2 CCS項目對煤炭資源開采影響分析

CCS項目封存場地位于補連塔煤礦五盤區(qū)12514以及12515工作面范圍內，位置關系如圖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CCS項目監(jiān)測井以及地表構筑物不受采動影響，則根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》，需要留設保護煤柱。經計算，留設的四層煤柱資源量約為477.1萬t，見表1。按照目前補連塔煤礦噸煤利潤200元考慮，則CCS示范工程項目壓覆補連塔煤炭資源價值達到9.542億元。

圖3 封存場地與補連塔煤礦工作面平面位置關系

表1 CCS項目留設煤柱資源量統(tǒng)計表

除留設煤柱外，12514和12515工作面回采至該保護煤柱時，需要實行跳采，增加了搬家倒面以及巷道掘進工程量，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行和持續(xù)監(jiān)測將對補連塔煤礦造成巨大的經濟損失。由于壓覆煤炭資源時限已過，加之補連塔12514與12515工作面回采在即，需要對CCS注入及監(jiān)測井進行永久性封井作業(yè)。雖然CO2封存監(jiān)測時長已達到設計要求，但鑒于該項目為我國首個CCS示范工程，有必要進一步對已注入儲層的30.26萬t的CO2封存狀況進行持續(xù)監(jiān)測。那么，補連塔煤炭資源的開采與CO2封存持續(xù)監(jiān)測產生沖突。鑒于此，國家能源集團采用定向鉆井持續(xù)監(jiān)測技術，即從異地施工定向鉆井至目前封存點附近，進行并行及接力監(jiān)測工作，實現(xiàn)CO2封存持續(xù)監(jiān)測的同時解放煤炭資源。

3 CO2封存異地定向持續(xù)監(jiān)測技術

3.1 異地定向持續(xù)監(jiān)測技術

通常情況下，二氧化碳封存監(jiān)測工作在封存場地原址上進行，監(jiān)測指標數(shù)據可靠性高且監(jiān)測成本相對較低。先期封存監(jiān)測場地在某種特殊原因(如煤炭資源開發(fā))下將遭受破壞不具備監(jiān)測條件，同時二氧化碳封存監(jiān)測工作需要繼續(xù)開展時，則需要采用異地定向持續(xù)監(jiān)測技術。

異地定向持續(xù)監(jiān)測技術具體實施過程為：選擇原封存監(jiān)測場地外(異地)不受特殊原因影響的區(qū)域，采用定向鉆探技術施工監(jiān)測鉆孔至封存監(jiān)測區(qū)域，同時在原監(jiān)測鉆孔報廢之前與之并行監(jiān)測一段時長，將二者監(jiān)測數(shù)據進行比對分析，確定是否滿足監(jiān)測要求。若滿足，則可以在原監(jiān)測工作的基礎上異地的進行持續(xù)監(jiān)測。

相比封存場地原址監(jiān)測，異地定向持續(xù)監(jiān)測具有施工難度大、成本高等特點，其優(yōu)點是能夠滿足二氧化碳封存監(jiān)測的同時釋放大量煤炭資源，帶來巨大經濟效益。

3.2 異地監(jiān)測鉆孔設計及施工

經反復論證，選擇在補連塔五盤區(qū)保護煤柱內鉆井，施工定向監(jiān)測鉆井(中神監(jiān)3井)，該井位于CO2封存點西北方向，距注入井直線距離1810m左右，如圖4所示。

圖4 異地定向監(jiān)測鉆孔位置圖

監(jiān)測鉆井(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33d，完成了鉆井的施工工作。為完成監(jiān)測要求，該井施工過程中包括垂直段、造斜段以及水平段三個階段的施工，最終順利達到監(jiān)測層位以及監(jiān)測區(qū)域。其中鉆孔垂直段孔深509m，孔徑為444.5mm，穿透補連塔礦開采年限內最深的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)測鉆孔施工

鉆孔完井后，順利將結構復雜、工藝要求高的監(jiān)測管柱下到孔深2480m處，到達監(jiān)測區(qū)域，完成了與中神監(jiān)2井并行及持續(xù)監(jiān)測要求。

3.3 異地監(jiān)測鉆孔施工創(chuàng)新技術

1)由于異地定向監(jiān)測鉆井井深較大，且水垂比達到1.88，在國內陸地施工的鉆井中比較罕見，因此對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計要求。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)測儀器設備的下入要求。

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

4 實施效果分析

自該CCS項目完成設計注入量后，中神監(jiān)2井對儲層上覆地層(埋深960m)壓力和溫度進行了持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖6(a)所示，由圖6(a)監(jiān)測數(shù)據表明：地層壓力為15.2～15.6MPa，監(jiān)測數(shù)據呈逐步衰減趨勢，但衰減幅度較小，從2017年1月至2019年6月，歷時30個月，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)測數(shù)據呈逐步上升趨勢，從2017年1月至2019年6月，歷時30個月，溫度上升了0.8℃，上升幅度為0.026℃/月。

圖6 監(jiān)測層壓力與溫度監(jiān)測數(shù)據曲線

至2020年3月，中神監(jiān)3井已持續(xù)對地層進行長達6個月的異地監(jiān)測，如圖6(b)所示，由圖6(b)監(jiān)測數(shù)據表明：地層壓力為15.2～15.1MPa，監(jiān)測數(shù)據呈逐步衰減趨勢，歷時6個月，衰減了0.1MPa，衰減幅度為0.017MPa/月；地層溫度為48.3～48.5℃，監(jiān)測數(shù)據呈上升趨勢，歷時6個月，溫度上升0.2℃，上升幅度為0.033℃/月。

通過異地監(jiān)測前后數(shù)據對比顯示，地層壓力、溫度監(jiān)測數(shù)據基本一致，延續(xù)性較好，變化趨勢相同，且變化幅度也較接近，表明該異地定向監(jiān)測項目實施效果較好，實現(xiàn)了設計既定目標，滿足了持續(xù)監(jiān)測的要求。

5 結 論

1)針對CCS項目工程壓覆補連塔煤礦煤炭資源問題，提出了異地定向持續(xù)監(jiān)測技術及方案，并通過現(xiàn)場施工，完成了監(jiān)測井，實現(xiàn)了CO2封存異地持續(xù)監(jiān)測，釋放了該項目壓覆的煤炭資源，增加補連塔煤礦經濟效益約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)測設備，具有較高難度，對于類似監(jiān)測鉆井的施工具有借鑒意義。

3)國家能源集團CCS示范工程項目為國內首個且唯一一個深部咸水層CO2地質封存示范工程，通過異地定向持續(xù)監(jiān)測技術的實施，進一步延長了示范項目監(jiān)測數(shù)據序列，豐富了CO2地質封存監(jiān)測手段，對于深入研究CO2長期封存于深部儲層的物性變化、安全性以及CO2封存對地質環(huán)境的影響具有重要的意義。