沁水盆地二氧化碳埋存潛力評(píng)價(jià)模型

姜 凱，李治平，竇宏恩，曹振義，洪 垚

(1.非常規(guī)天然氣能源地質(zhì)評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

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沁水盆地二氧化碳埋存潛力評(píng)價(jià)模型

姜 凱1，2，李治平1，2，竇宏恩3，曹振義2，洪 垚2

(1.非常規(guī)天然氣能源地質(zhì)評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

為了確定沁水盆地二氧化碳驅(qū)煤層氣(CO2-ECBM)的增產(chǎn)潛力和煤層CO2的埋存量，通過(guò)對(duì)已有埋存量評(píng)價(jià)方法的局限性的分析，依據(jù)煤層氣的不同賦存狀態(tài)將埋存量分為吸附埋存量、溶解埋存量和礦化埋存量，根據(jù)中國(guó)煤層氣“三低一高”的特征和勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，認(rèn)為適合埋存CO2的煤層埋深在1 000 m以上，并給出了考慮探明率、CO2與CH4的置換比、采收率、灰分、水分、有效孔隙體積、含氣飽和度等因素的埋存潛力評(píng)價(jià)新方法。沁水盆地的評(píng)價(jià)結(jié)果表明：CO2驅(qū)可增加煤層氣可采儲(chǔ)量1 696×108m3，CO2可埋存量為4.5×108t，考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平CO2可埋存量為1.4×108t，表明沁水盆地有較大的CO2-ECBM應(yīng)用潛力和CO2埋存潛力。該研究可為其他地區(qū)CO2埋存評(píng)價(jià)提供借鑒。

煤層氣；CO2埋存；潛力評(píng)價(jià)；CO2與CH4置換比；沁水盆地

0 引 言

CO2埋存和提高煤層氣采收率技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳減排的有效方式之一，全球范圍內(nèi)對(duì)煤層的CO2埋存量評(píng)價(jià)模型仍未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，文獻(xiàn)[1-6]根據(jù)不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)不同地區(qū)的煤層CO2埋存量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但計(jì)算時(shí)未考慮探明率及中、美煤層置換率的不同，只考慮了CO2吸附作用的埋存評(píng)價(jià)模型，沒(méi)有考慮煤層中水的溶解埋存模型，也未考慮溫度、壓力、水分等因素對(duì)埋存效果的影響。基于以上分析，以沁水盆地為例，提出CO2埋存潛力評(píng)價(jià)模型。由實(shí)例計(jì)算可知，沁水盆地南部的無(wú)煙煤儲(chǔ)層不僅能大幅度提高煤層氣采收率，而且適合進(jìn)行長(zhǎng)期CO2的埋存減排[7]。

1 新模型的提出

基于已有評(píng)價(jià)模型的局限性，考慮中國(guó)煤層的實(shí)際條件，在提出新模型時(shí)考慮了以下5個(gè)方面。

(1) 中國(guó)煤層以吸附氣為主(占70%～95%)，其次是游離氣(占10%～20%)，溶解氣可以忽略不計(jì)。CO2提高煤層氣采收率的機(jī)理主要為CO2與CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制，因此，在評(píng)價(jià)模型中，將埋存量分為3個(gè)部分，其大小依次為吸附埋存量、溶解埋存量、礦化埋存量。

(2) 目前中國(guó)煤礦井的開(kāi)采深度在1 000 m以淺。若在1 000 m以淺的煤層埋存CO2，則煤炭無(wú)法繼續(xù)開(kāi)采，造成巨大的資源浪費(fèi)。Zuber[8]認(rèn)為只有滲透率大于1×10-3μm2的地層才可以進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)，而與其對(duì)應(yīng)的深度極限值為1 500 m，因此，首先將CO2的埋存深度定為1 000～1 500 m。另外，由于開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，埋藏深度在1 500 m以深的煤層氣資源可借助壓裂手段提高滲透率，進(jìn)而開(kāi)發(fā)煤層氣資源；但是煤層氣的勘探進(jìn)展緩慢，2 000 m以深的資源探明率極低(全國(guó)平均為9‰)，不具有商業(yè)化開(kāi)發(fā)的潛力。因此，認(rèn)為1 500～2 000 m的煤層氣資源是可開(kāi)發(fā)利用的。借鑒文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為埋深1 500～2 000 m的煤層氣無(wú)法用常規(guī)方法開(kāi)采，但可利用CO2-ECBM采收煤層氣和實(shí)現(xiàn)CO2的埋存。綜上所述：評(píng)價(jià)模型的埋藏深度為1 000～1 500 m和1 500～2 000 m。

(3) 煤層氣開(kāi)采包括常規(guī)開(kāi)采和注氣開(kāi)采，CO2煤層埋存量包括常規(guī)開(kāi)采后煤所能埋存的CO2和CO2驅(qū)煤層氣后吸附或溶解在煤層的埋存量。

(4) 在煤層氣生產(chǎn)過(guò)程中，隨著有效應(yīng)力增加，煤層孔隙度和滲透率減小，模型需考慮有效應(yīng)力的影響。

(5) 礦化埋存影響因素眾多，儲(chǔ)層水的組成、礦物巖石組成、體系溫度、壓力、固液界面張力、流體流速等在礦化過(guò)程中都發(fā)揮作用，評(píng)價(jià)模型尚不能定量描述礦化埋存的影響。

理論埋存量評(píng)價(jià)方法為：

MCO2t=ρCO2NECBM(1-fa-fm)DR

(1)

式中：MCO2t為CO2的理論埋存量，t；NECBM為已探明的煤層氣資源量，m3；ρCO2為標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2的密度，取值為1.873 kg/m3；fa為煤中煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；fm為煤中濕度質(zhì)量分?jǐn)?shù)；DR為CO2與CH4的置換比。

有效埋存量評(píng)價(jià)方法為：

MCO2e=MCO2tλE

(2)

λ=λfdλvd

(3)

E=EVESgEφ

(4)

(5)

式中：MCO2e為CO2有效埋存量，t；λ為煤層氣的采收率；E為埋存有效因子；λfd為煤質(zhì)平面驅(qū)替率；λvd為煤質(zhì)垂向驅(qū)替率；EV為適合埋存的有效體積百分?jǐn)?shù)；ESg為含氣量校正因子；Eφ為有效應(yīng)力影響下的孔隙度變化率；φ為煤巖孔隙度；φ0為煤巖原始孔隙度。

CO2密度隨地層條件的不同而變化，且溫度、壓力、礦化度及溶解度不同。因此，評(píng)價(jià)模型中采用地?zé)崽荻群蛪毫μ荻葏^(qū)別CO2在不同條件下的溶解度。煤層中CO2的溶解埋存量評(píng)價(jià)模型為：

Ms=ρCO2McoalfmS

(6)

式中：Ms為溶解埋存量，t；Mcoal為探明資源量對(duì)應(yīng)的煤炭資源量，t；S為CO2在水中的溶解度，10-3m3/kg。

2 實(shí)例應(yīng)用

沁水盆地是中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)程度最高、產(chǎn)量最大的盆地，煤層較為密集，含氣量高[9]，平均資源豐度超過(guò)1×108m3/km2，目前探明率為3.0%。評(píng)價(jià)所需參數(shù)如表1所示，其中，探明率是基于全國(guó)常規(guī)天然氣探明率平均值(19.6%)的遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)值。

表1 沁水盆地評(píng)價(jià)參數(shù)

在評(píng)價(jià)中需要注意的是：①并不是所有的常規(guī)煤層氣生產(chǎn)所剩余的煤層氣資源都可采用CO2-ECBM技術(shù)[3]；②埋存深度大于1 500 m的煤層勘探程度極低，根據(jù)希爾頓定律，埋藏深度越深，煤的變質(zhì)程度越高，解吸附能力越低。因此，把埋深小于1 500 m的CO2與CH4置換比減去0.2作為埋深為1 500～2 000 m煤層的置換比。

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，沁水盆地煤層氣CO2驅(qū)可增加可采儲(chǔ)量1 696×108m3；煤層CO2的理論埋存量為10×108t，有效埋存量為4×108t，溶解埋存量為0.44×108t，且埋深在1 500～2 000 m的埋存量比1 000～1 500 m的埋存量大，這是由于勘探程度不同造成的。隨著勘探和開(kāi)發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，深層煤的埋存潛力將會(huì)更大。

表2為目前國(guó)內(nèi)已公開(kāi)發(fā)表的沁水盆地煤層CO2埋存量的評(píng)價(jià)結(jié)果。于洪觀評(píng)價(jià)結(jié)果基于其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的CO2與CH4置換比回歸方程，但其對(duì)所有盆地不具有共性，結(jié)果偏大；劉巖峰等的評(píng)價(jià)僅考慮了埋深在300～1 500 m的煤層，雖然考慮了可采氣區(qū)面積占煤層總面積的比例、不同煤階煤的可采系數(shù)、采收率及CO2與CH4置換比，但沒(méi)有考慮探明率和Reeves結(jié)論的局限性，評(píng)價(jià)結(jié)果偏大；FANG Zhiming等評(píng)價(jià)時(shí)考慮的因素與新模型較為一致，但沒(méi)有將不同埋深的煤層分開(kāi)討論和評(píng)價(jià)，且沒(méi)有考慮溶解埋存量，評(píng)價(jià)結(jié)果偏??；王烽等[9]的評(píng)價(jià)包含了埋深1 000 m以淺的煤層，借鑒了于洪觀的置換比數(shù)據(jù)，且沒(méi)有考慮多個(gè)限制因素的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果偏大。而新模型根據(jù)盆地實(shí)際勘探開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果介于較大值與較小值之間，從而證明了煤層埋存CO2評(píng)價(jià)潛力新方法具有較好的適用性。

表2 沁水盆地CO2埋存量的不同評(píng)價(jià)結(jié)果比較

3 結(jié)論和建議

(1) 提出的新評(píng)價(jià)模型針對(duì)中國(guó)煤層特點(diǎn)，考慮了探明率、CO2與CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制、有效埋存體積等因素，構(gòu)建了適應(yīng)中國(guó)煤層特點(diǎn)的吸附埋存量和溶解埋存量評(píng)價(jià)模型，同時(shí)也證明了新模型的適用性。

(2) 沁水盆地的煤層氣資源豐富，勘探開(kāi)發(fā)程度較高，具有較大的CO2-ECBM應(yīng)用潛力和CO2埋存潛力：CO2驅(qū)可增加沁水盆地煤層氣可采儲(chǔ)量1 696×108m3，采收率可達(dá)到72%，CO2埋存量為4.5×108t，考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平CO2埋存量為1.4×108t。

(3) 雖然深層煤的勘探程度較低，但評(píng)價(jià)結(jié)果表明其CO2埋存潛力大于淺層煤，所以1 500～2 000 m的煤層是理想的埋存深度。

(4) CO2煤層埋存技術(shù)研究在中國(guó)仍處于理論階段，因此，應(yīng)以沁水盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地為主要研究對(duì)象，開(kāi)展全國(guó)范圍內(nèi)的埋存量評(píng)價(jià)、深層煤吸附、解吸附機(jī)理、埋存選址評(píng)價(jià)、CO2-ECBM經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等研究，提高煤炭開(kāi)采的安全性，減少大氣中的溫室氣體，為中國(guó)實(shí)踐工程提供可靠依據(jù)。

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編輯 劉 巍

20151014；改回日期：20160106

國(guó)家“973”項(xiàng)目“二氧化碳減排、存儲(chǔ)和資源化利用的基礎(chǔ)研究”(2011CB707302)；國(guó)家油氣重大專項(xiàng)課題“新一代油藏?cái)?shù)值模擬軟件”(2011ZX05009006)

姜?jiǎng)P(1990-)，男，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)石油與天然氣工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事碳捕集、運(yùn)輸、利用和封存(CCUS)與油藏工程研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.027

TE357

A

1006-6535(2016)02-0112-03