深部煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区评价技术

1. 深部煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区评价技术

张兵 叶建平 张晓朋
( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘 要: 目前，向深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气技术已经发展到微型先导性试验阶段，世界各国所做试验结果都表明该技术能够提高煤层气的单井产量和采收率，同时能够实现二氧化碳的埋存。但是，针对注入二氧化碳之前的选区评价研究较少，主要针对盆地级别的基础参数评价，没有进行系统的研究。本文以注入二氧化碳开采煤层气的可靠性和经济性两个基本原则，将选区分为盆地和有利区带评价两个层次，针对影响选区评价的地质、工程和经济因素，总结出五大方面 17 个影响参数，划分出各参数的评价指标。利用层次分析法对沁水盆地柿庄北区块和新疆硫磺沟区块进行了评价，优选出适合深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气的区域。
关键词: 深煤层 注入 二氧化碳 煤层气 选区 评价体系
基金项目: 科技部国际科技合作项目 ( 2007DFB60050) “深煤层注入/埋藏 CO2开采煤层气技术研究”。
作者简介: 张兵，男，1982 年生，工程师，现从事煤层气勘探开发研究工作。地址: 北京市东城区安外大街甲 88 号 ( 100011) 。Email: bzh010@163. com。
Deep Coal CO2Sequestration and Enhanced Coalbed Methane Production Selection Evaluation Technology
ZHANG Bing YE Jianping ZHANG Xiaopeng
( China United Coalbed Methane co，ctd. Beijing 100011，China)
Abstract: At present，the deep coal CO2sequestration and enhanced coalbed methane production selection evaluation technology has been developed to the micro-pilot test stage. Test results around the world have shown that the technique can improve the CBM production and coalbed methane recovery， CO2can be sequestrated. However，there is little research about the selection evaluation technology of deep coal CO2seques- tration and enhanced coalbed methane production，the main research is the basis for basin-level parameters of e- valuation. In this paper，reliability and economy of injecting CO2into coal seams are two basic principles. The con- stituency is divided into two-level zone of the basins and favorable area. This article summarizes five major aspects of 17 parameters from the evaluation of geological，engineering and economic factors. They are analyzed by the e- valuation index of each parameter. In this paper，Shizhuang North Block of Qinshui Basin and Liuhuanggou Block of Xinjiang are evaluated using the analytic hierarchy process. Coalbed methane extractions zone that suitable for deep coal CO2injection / burying are selected.
Keywords: Deep coal; injection; CO2; coalbed methane; selection; evaluation
深部煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气(CO2ECBM)技术是指通过向煤层中注入一定量的二氧化碳，利用CO2更容易吸附到煤层表面上的性质，置换出更多的甲烷，提高煤层气井的单井产量和采收率，将大量的温室气体埋藏到煤层中。该技术一方面能实现CO2埋存，另一方面可提高煤层气井产量。
目前，美国、加拿大、波兰、中国和日本都进行了微型先导性试验。多次试验结果表明向煤层中注入二氧化碳能够提高煤层气井的产量和埋存CO2(叶建平等，2007;中联煤层气有限责任公司，2008;Scott Reeves et al.，2002;Van Bergen et al.，2003;M.J.Mavor，et al.，2004;Reeves S.R.et al.，2005;Oudinot.A.Y.et al.，2007;S.Reeves，2008;)。但是，并不是所有的含煤地层都适合该技术，在注入CO2前进行深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气选区评价是非常必要的。到目前为止，针对注入二氧化碳之前的选区评价研究较少，主要针对盆地级别的基础参数评价，没有针对选区评价进行系统的研究。
1 选区的基本原则
深煤层中注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区需要遵循两个基本原则:一是可靠性，即选择的地点必须能够将CO2长时间埋藏在地层中;二是经济性，即该技术的应用能够创造经济效益。
大量的CO2需要长时间或者永久的被埋藏在煤层中才能起到减少温室气体的作用。CO2泄露出来，将会影响到地层水和土壤，对注入地区环境造成影响。
深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气的技术已经达到微型先导性试验阶段，大范围的推广需要该技术应用具有经济性。国内没有对埋藏CO2进行补偿的政策，如果大规模的埋藏CO2必须选择在能够产生经济效益的地点实施。
2 选区阶段划分
深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区是分析和评价某一特定区域(小至一口井的影响范围，大至全盆地)地下煤层埋藏CO2与开采煤层气能力的一项工作。选区按含煤盆地(坳陷)和区带两个层次进行评价。由于各个层次的规模、对象不同，评价的内容、要求和方法也不同。在选区过程中，先进行盆地的优选，然后针对有潜力的盆地进行区带的筛选。通过地质评价、埋藏量的计算、风险分析和经济分析等环节来实现有利区带的优选。
2.1 盆地评价
盆地评价是区域性评价的基本单元，是在对盆地基本地质条件(包括盆地类型、构造、沉积、地热等)、盆地煤层气地质条件(包括含气量、煤层气丰度和煤炭储量等)、煤矿开采、钻井情况、基础设施等进行综合分析，计算相关的评价参数，估算煤层气资源量和二氧化碳可埋藏量。针对各个参数进行盆地级别的评价，选出优势盆地。
2.2 有利区带评价
在优势盆地选区的基础上，根据可获得的采矿数据和煤岩特征参数(包括工业分析、元素分析和镜质组反射率等)评价煤田的范围和品质。根据井下岩心分析测试，确定煤层含气量、渗透率、等温吸附特征、含气饱和度等。针对各参数进行综合评价，优选出适合煤层中注入/埋藏二氧化碳开采煤层气的有利区带，并对所在地区的交通和天然气需求等情况进行评价，利用层次分析法确定最有利的区带。
3 选区评价指标体系
目前，国际上对煤层中注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区评价主要针对地质埋藏潜力进行分析，并且是以大的盆地为评价单位，评价系统只包括地质因素，较少的对埋藏CO2的经济性进行评价。
本文针对ECBM项目所涉及的主要因素进行了评价，包括煤层气的资源潜力和CO2埋藏潜力、CO2埋存的安全性、CO2供给能力、注入地点的工程控制程度和市场潜力等五大方面17个参数进行评价。
3.1 指标Ⅰ———煤层气资源潜力/CO2埋藏潜力
3.1.1 煤层气的资源潜力
煤层气资源潜力可以用待选点的煤层气资源丰度来判定，它能够代表待选点煤层气开发潜力。煤层气资源丰度以亿m3/km2作为单位，它是吨煤含气量和净煤厚度的函数。
煤层气资源丰度由下式计算:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:A为面积，km2，取1km2;H为煤层的有效厚度，m;nc为煤的密度，t/m3;fa为煤中的灰分占煤的质量分数，%;fm为煤中的水分占煤的质量分数，%;GCH4为含气量(空气干燥基)，m3(气)/t(煤);
3.1.2 CO2埋藏潜力
它与煤层气资源潜力有密切的关系。本文同样采用单位平方公里能够埋存二氧化碳的量来表述，以亿m3/km2作为单位。

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:A为面积，km2，取1km2;H为煤层的有效厚度，m;nc为煤的密度，t/m3;fa为煤中的灰分占煤的质量分数，%;fm为煤中的水分占煤的质量分数，%;GCO2为二氧化碳在原始储层压力下的吸附量(空气干燥基)，m3/t。
为了方便对比CO2在某一区带的埋存潜力，只计算原始储层压力下的最大埋藏量。本次研究具体评价指标分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。采用单位面积埋存量大于等于2为Ⅰ类，大于1小于2的为Ⅱ类，煤层气资源丰度小于等于1的为Ⅲ类(表1)。
表1 煤层气资源/CO2储存潜力评价表


3.2 指标Ⅱ———埋存的风险
CO2能被大量的长期保存在地层中是主要目的之一。影响埋存时间长短的影响因素主要是埋存地点的地质和工程条件，包括埋存深度、埋存层位上部盖层的厚度及封闭性、埋存地点断层发育的复杂程度与封闭性，以及与埋存地层连通井的封闭性。
(1)煤层深度。根据目前国内煤炭开采深度大部分都在0～1000m范围。煤层中埋藏二氧化碳需要选择深部非开采煤层。
(2)盖层的封闭性。由于在CO2注入过程中，需要尽量保持井底压力低于煤层的破裂压力，但是注入压力会逐渐大于煤储层原始压力，因此煤层上部盖层的封闭性非常重要。一般认为泥岩或页岩作为盖层的密封性最好，其次是致密砂岩。盖层的厚度越大，封闭能力越好。
(3)断层的发育。在封存地点有大的断层发育，并且断层是开启状态，那么CO2将沿着断层裂缝运移到其他的地层或者到地面。
(4)埋藏区废弃井的处理。如果注入区块内已经有煤田勘探钻孔或者煤层气废弃井，需要对这些井的处理情况进行监测。
(5)地震发生概率。将CO2埋存到地下的时间有效性目前并没有明确的说法，一般认为至少在100年以上才有控制温室气体排放的效果。因此，要求优选的地区地壳比较稳定，不易发生地震。
本文将以上五个风险因素划分三个层次进行评价(表2)。
表2 埋存的风险评价表


3.3 指标Ⅲ———CO2供给潜力
要使CO2－ECBM项目具有经济效益，必须有大量廉价的CO2源。
(1)CO2的捕获成本。目前中国进行烟道气的回收电厂都分布在东部地区，距离煤田很远，运输费用很高。在这种情况下，CO2运输成本太大。另一个可选择的来源是利用纯净的CO2源。例如，从氢气生产炉的尾气中进行提纯CO2，这时CO2捕获成本将大大降低，从而能提高CO2－ECBM技术的经济性。
(2)CO2的运输成本。CO2的运输方式包括汽车运输、管道运输、火车运输和船运。在中国西部地区进行船运的可能性几乎为零。微型试验要架设CO2的专门运输管线的成本过高。火车的运输成本较低，但需要再转为汽车运输到注入地点。汽车的单公里运输成本最高，但对于距离小于100km的情况，这种运输方式是较方便和经济的。
(3)CO2埋存后的安全性。深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气要求注入气体CO2的浓度在90%以上即可。但是，如果混合气体中含有有毒或者污染环境的气体也是非常危险的。因为注入的气体可能跟随采出的煤层气到地面污染环境或者对人类的安全造成危害。
本文对5个与CO2供给潜力有关的参数进行评价，并且划分为三个层次(表3)。
表3 CO2供给潜力评价表


3.4 指标Ⅳ———注入地区工程控制程度
为了正确地评价项目，必须获得一些地质和工程资料。数据资料不充足将增加评价过程中的不确定性。注入CO2最好选择勘探成熟的地区。
通过数值模拟认为在煤层气井达到高峰的时候注入CO2能达到提高产量的最好效果。具体分析见图1。

图1 不同阶段注入二氧化碳开采煤层气的数值研究

a)没有注入CO2情况下，煤层气井的生产情况。
b)对于CO2减排的角度来看，应该越早的注入CO2越能达到减排的目的。但是在生产初期就注入CO2，可能导致注入压力过大，注入总量减少，并且注入CO2后，CO2在煤层气井达到最高产量之前突破，最终导致煤层气井生产出来的甲烷含量降低，CO2含量很高，生产井被废弃。
c)在煤层气井的产气高峰后期注入CO2，煤层气井的产量将会迎来另一次的高峰，并且CO2能够在较低的注入压力下注入。同时，CO2的突破时间将延后，煤层气井的总产量增加。直到CO2突破后，注入压力仍然不是很高，可以继续注入一段时间，从而增加了注入CO2的总量。
另外，注入点所在区带的地球物理勘探程度和煤层气井的数量也影响了评价的可信程度。本文选择三个指标进行评价(表4)。
表4 注入地区工程控制程度


3.5 指标Ⅵ———市场潜力
煤层气销售获取利益是CO2－ECBM项目的主要经济驱动力。煤层气作为一种天然气，需要通过管线输送到集输中心。一旦煤层气被输送到集输中心，就需要分销网络将煤层气输送到用户。如果在试验点附近存在这样的管线基础设施，那么项目的市场潜力就极大地被提高。另外，CO2－ECBM项目将产生碳交易指标，创造货币价值，在评价市场潜力时，我们需要考虑这方面的效益。目前何时能实现碳交易指标的销售还不是很清楚。本文将市场潜力的两个参数列出评价指标(表5)。
表5 市场潜力分析标准表


4 综合评价
本文选择沁水盆地柿庄北区块和新疆硫磺沟区块进行深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气潜力评价，对区带的地质、地球物理和地理资料进行了收集整理，并按照上述的评价准则进行分级评价，采用层次分析法进行权重排序，从而优选出有利区带。
首先建立层次结构模型，根据本文的评价指标进行分级评价，运用分层分析法计算各个区块的权重(图2与表6)。

图2 层次结构模型

表6 选区参数评分及权重


经过分层分析法的判定，无论是在环境和经济性等方面柿庄北更适合进行注入CO2开采煤层气(表7)。
表7 二氧化碳注入选区评价结果


参考文献
叶建平，冯三利.2007.沁水盆地南部注二氧化碳提高煤层气采收率微型先导性试验研究［J］.石油学报.(4):77～80
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