沁水盆地CO2地質(zhì)封存及驅替煤層氣選區(qū)數(shù)值模擬研究

侯　麗，田晶晶，張彥欣

（山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院，太原030006）

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沁水盆地CO2地質(zhì)封存及驅替煤層氣選區(qū)數(shù)值模擬研究

侯麗，田晶晶，張彥欣

（山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院，太原030006）

摘要：以山西省沁南盆地深部煤層為研究對象，結合研究區(qū)周邊地質(zhì)資料、深部鉆井數(shù)據(jù)，利用Eclipse軟件對該區(qū)域CO2地質(zhì)封存及驅替煤層氣(CO2- ECBM)過程進行數(shù)值模擬及相關研究。結果表明，該研究區(qū)適合開展CO2- ECBM相關工作的優(yōu)選區(qū)為Q- 2，其模擬所得煤層氣的產(chǎn)氣量、CO2封存量數(shù)據(jù)均優(yōu)于區(qū)內(nèi)其他區(qū)域。同時研究結果也揭示了深部煤儲層滲透率的改善，是將來CO2封存和ECBM取得理想效果的關鍵。

關鍵詞：沁水盆地；CO2封存及驅替煤層氣；數(shù)值模擬

隨著溫室氣體CO2減排壓力逐年增加，二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術引發(fā)廣泛關注，該技術利用廢棄油氣田、深部含水層、海洋深部、不可開采煤層等地下空間封存CO2，地質(zhì)減排被認為是當前解決全球變暖的重要措施[1-3]。國內(nèi)外在CCUS方面開展了大量研究工作[4-6]。

山西省沁水煤田擁有豐富的煤炭及煤層氣資源，但煤炭開發(fā)利用技術相對落后，煤層氣資源采收率低，工業(yè)CO2等溫室氣體排放量巨大。CO2封存及驅替煤層氣（CO2-ECBM）技術是山西省大規(guī)模CO2減排的重要技術途徑。山西省沁水煤田深部煤層處置CO2的潛力巨大，是CO2-ECBM技術開發(fā)應用的主要地區(qū)，本工作利用資料收集、野外實地踏勘、數(shù)值模擬等研究方法，以沁水煤田中南部深部煤層為研究對象，為山西省開展CO2-ECBM工作地質(zhì)封存區(qū)提供科學依據(jù)。

1　基礎地質(zhì)

沁水煤田整體呈NNE向展布的大型復式向斜，煤田構造簡單，煤層厚度大，主層3號、15號煤層煤田發(fā)育，煤層埋深適中、煤層含氣量高（19 m3/t ～26 m3/t），地層產(chǎn)狀平緩，斷層少，煤層割理發(fā)育，具備良好的煤炭資源及煤層氣資源開發(fā)地質(zhì)條件。

目前，沁水煤田是山西省煤炭及煤層氣勘探熱點區(qū)域，也是開展CO2-ECBM工作的適宜區(qū)。全省埋深2 000 m以淺的含煤面積約5.67萬km2，煤炭資源總量6 557.57億t，其中沁水煤田煤炭資源量為1 954.43億t，約占全省煤炭資源量的30%。全省煤層氣資源2 000 m以淺預測資源量約8.3萬億m3，其中沁水煤田煤層氣資源量5.39萬億m3，占全省煤層氣資源量65%，且埋深1 500 m～2 000 m煤層氣資源量最為豐富[7]。

研究區(qū)域位于沁水盆地中南部，沁水復式向斜構造軸部南端。其南北長52 km，東西寬16 km，面積832 km2。研究區(qū)東部、南部和西部分布了一系列煤田地質(zhì)勘探區(qū)和煤層氣地面開發(fā)區(qū)塊。

結合項目區(qū)周邊勘查區(qū)的資料，區(qū)域內(nèi)的含煤地層包括二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，含煤地層總厚度154.7 m，共含煤15層，煤層總厚平均14.36 m，含煤系數(shù)為9.28%。山西組平均厚度51.9 m，共含煤4層，煤層平均總厚度6.19 m。太原組平均厚度102.8 m。共含煤11層，煤層平均總厚度8.17 m。本研究主要針對區(qū)內(nèi)主要可采煤層3號和15號煤層進行探討。

3號煤層的埋深在1 053.46 m～1 562.53 m之間，平均1 420.33 m，其空間形態(tài)為兩個寬緩的向斜，一個在中北部，走向近EW向，一個在南部，走向SE。15號煤層埋深在1 153.46 m～1 662.53 m之間，平均1 520.33 m；上距3號煤層約100 m，其形態(tài)與15號煤層相似。15號煤層厚度在1.28 m～3.17 m之間，平均值為2.73 m，總體呈向南厚度逐漸增加的趨勢。3號煤層厚度在1.78 m～5.19 m之間，平均值為3.67 m，在中南部存在一個高區(qū)，向南、西、北方向厚度逐漸減小。

3號煤層原煤灰分（Ad）在13.41%～31.12%之間，一般為19.91%。浮煤灰分為5.07%～19.17%，一般為8.43%。原煤揮發(fā)分（Vdaf）變化于8.58%～19.63%之間，一般為13.60%。浮煤揮發(fā)分為7.77%～19.92%，一般為11.62%。15號煤層原煤灰分（Ad）在8.04%～42.13%之間，一般為21.75%。浮煤灰分為3.51%～13.67%，一般為7.67%。原煤揮發(fā)分（Vdaf）在6.29%～20.65%之間，一般為12.45%。浮煤揮發(fā)分為7.24%～15.55%，一般為10.26%。

3號煤層含氣量在15.24 m3/t～21.11 m3/t之間，平均18.29m3/t。15號煤層含氣量在17.85 m3/t～23.13 m3/t之間，平均19.67 m3/t。在平面上與埋深或構造形態(tài)具有一定的相關性，總體向北略有下降。相關研究表明，研究區(qū)煤層含氣量的空間展布具有南部高、北部低，盆地軸部高、兩翼低，兩翼又呈東部高、西部低的總體特征。下主煤層含氣量略高于上主煤層[8]。

CO2的埋藏潛力與煤層氣資源潛力有密切的關系，資源豐度相對較大，CO2的置換系數(shù)較高，可置換出更多的CH4氣體[9]。經(jīng)估算，本區(qū)域3號煤層煤層氣資源豐度為0.85億m3/km2，15號煤層為0.75億m3/km2。

研究區(qū)內(nèi)煤層反射率R0max值3號為2.39%，15號為2.45%，區(qū)內(nèi)煤層變質(zhì)程度高。煤變質(zhì)作用直接影響煤層的孔隙-裂隙系統(tǒng)的形成與發(fā)育、煤層含氣性和滲透性、煤層氣吸附量。這也是高變質(zhì)煤含氣量較高的原因之一[10]。

2　數(shù)值模擬方案

基于上述圖件繪制和儲層參數(shù)值整理，運用Eclipse儲層數(shù)值模擬軟件，首先對研究區(qū)3號、15號煤層進行地質(zhì)模型的建立，地質(zhì)模型反映研究區(qū)煤層埋深，煤厚等基礎地質(zhì)特征，反映儲層物性特征和空間變化規(guī)律，是進行CO2注入數(shù)值模擬研究的基礎。

在地質(zhì)模型建立的基礎上，根據(jù)關鍵控制因素煤層埋深，并綜合考慮區(qū)域內(nèi)煤層氣礦權設置、行政區(qū)劃、交通干線、自然及水源保護區(qū)、居民聚集區(qū)及構造形態(tài)等因素，將研究區(qū)劃分6個區(qū)塊。在各個區(qū)塊中部設計1個400 m×400 m的正方形井組，并在井組中間加1口CO2注入井，4個煤層氣生產(chǎn)井。利用Eclipse軟件進行CO2注入及驅替煤層氣過程的模擬。本次工作考慮到煤層氣開發(fā)過程的儲層改造增強滲透率，設計了一個滲透率系列（0.01 mD, 0.1 mD, 1 mD），分別模擬在不同的滲透率下3號煤層和15號煤層CO2的注入驅替及封存效果。

3　模擬成果及討論

3.1地質(zhì)模型結果

圖1　3號煤層空間特征模型

圖2　15號煤層空間特征模型

地質(zhì)建模是進行CO2-ECBM研究工作的重要基礎。首先從全盆地的角度把握和控制好區(qū)塊整體特征，然后利用煤田地質(zhì)勘探和煤層氣地質(zhì)勘探開發(fā)數(shù)據(jù)進行修正。各種儲層參數(shù)，如孔滲特征、吸附參數(shù)、相滲參數(shù)等根據(jù)煤層氣井試井和以往的室內(nèi)測試等成果進行預測。通過建立埋深、煤厚、含氣量和儲層壓力等地質(zhì)參數(shù)與埋深等因素的關系，進行深部區(qū)的預測。

3.2驅替過程結果及討論

1）由模擬結果可得，滲透率是煤層氣的產(chǎn)氣量首要影響因素，無論是上主煤層（3號煤層）還是下主煤層（15號煤層），無論是否注入CO2增產(chǎn)。煤層氣的日均產(chǎn)氣量，0.01 mD條件下＜0.1 mD條件下＜1 mD條件下。其他條件相同情況下，高滲透率煤層氣產(chǎn)氣量是低滲透率下的20～1 000倍。這說明滲透率是煤層氣開采過程中的重要因素。

2）不同滲透率條件下（0.01 mD, 0.1 mD, 1 mD），無論是否注入CO2增產(chǎn)，下主煤層（15號煤層）的煤層氣產(chǎn)量都高于上主煤（3號煤層），說明埋深對煤層氣產(chǎn)氣有一定的影響。

3）不同滲透率條件下（0.01 mD, 0.1 mD, 1 mD），注入CO2驅替煤層氣過程的煤層氣產(chǎn)量都高于未注入CO2的過程的煤層氣產(chǎn)量。低滲透條件下（0.01 mD），CO2注入增產(chǎn)煤層氣最高達1倍；滲透率0.1 mD, 1 mD下，CO2注入增產(chǎn)煤層氣增量明顯，平均增產(chǎn)達9倍，最高可達近50倍。說明注入CO2驅替煤層氣的方法可以用于增產(chǎn)煤層氣，而煤層滲透率影響煤層氣產(chǎn)氣量增幅。

圖3　注入及未注入CO2下3號、15號煤層各區(qū)塊煤層氣產(chǎn)氣情況圖（0.01 mD）

圖4　注入及未注入CO2下3號、15號煤層各區(qū)塊煤層氣產(chǎn)氣情況圖（0.1 mD）

圖5　注入及未注入CO2下3號、15號煤層各區(qū)塊煤層氣產(chǎn)氣情況圖（1 mD）

4）由圖可知，CO2驅替條件下，3號、15號煤層區(qū)塊Q-2產(chǎn)氣能力最好，高于其他區(qū)塊的煤層氣日平均產(chǎn)量。1 mD滲透率下分別能達到13.35×105m3/d，13.24×105m3/d，0.1 mD滲透率下分別為3.31× 105m3/d，2.78×105m3/d，0.01 mD下分別為13.7×103m3/d，14.06×103m3/d。其余區(qū)塊的產(chǎn)氣能力相近。

3.3CO2封存過程結果及討論

圖6　CO2封存情況圖（0.01 mD, 0.1mD, 1mD）

上圖表示的是封存區(qū)內(nèi)各區(qū)塊不同煤層累計二氧化碳封存量情況，煤層滲透率直接影響到區(qū)塊的二氧化碳封存能力。整體而言，3號煤層的封存能力略大于15號煤層。同時，各個區(qū)塊的封存能力也有差別。

3號、15號煤層最適合CO2封存的區(qū)塊為區(qū)塊Q-2。該區(qū)塊3號煤層在0.01 mD時封存量為1.87×109m3，0.1 mD時封存量為5.89×109m3，1 mD時封存量為10.76×109m3。該區(qū)塊15號煤層在0.01 mD時封存量為1.32×109m3，0.1 mD時封存量為4.24×109m3，1 mD時封存量達到9.21×109m3。由模擬數(shù)據(jù)結果可得該區(qū)塊的CO2封存量明顯高于其余區(qū)塊，封存能力強。

4　結論

通過對山西省沁水盆地南部深部煤層3號、15號煤層的數(shù)值模擬研究，模擬了CO2在上述煤層中注入及驅替煤層氣的過程，初步探討該過程的影響因素滲透率、埋深對此過程的影響程度，在此基礎上選出區(qū)域內(nèi)CO2封存優(yōu)選區(qū)，得出以下結果：

1）沁水煤田深部煤層CO2注入及驅替煤層氣主要影響因素是煤層的滲透率，要開展CO2-ECBM工作需考慮煤層的滲透率改造問題。

2）本次工作所選區(qū)域最適合CO2封存及驅替煤層氣的區(qū)塊為Q-2。應進一步開展工作，為推廣CO2-ECBM技術奠定基礎。

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（編輯：楊鵬）

Numerical Simulation on Geological Sequestration of CO2and Coalbed Methane Displacement

HOU Li, TIAN Jingjing, ZHANG Yanxin
(Shanxi Resources and Environment Survey Institute of Coal Geology, Taiyuan 030006, China)

Abstract:Taking deep coal seam in Qinnan Basin as the study object, combined with peripheral geological data and deep drilling data, Eclipse software was used to simulate the process of geological sequestration of CO2and enhanced coalbed methane displacement (CO2- ECBM). The results showthat, in that area, the optimal area is Q- 2, which is suitable for related work of CO2- ECBM, since the simulated gas production and sequestration data of CO2are better than other areas. Meanwhile, the results alsoreveal that the improvement on the permeability of deep coal reservoir is the key to ideal effects of the process of CO2- ECBM.

Keywords:Qinshui basin; sequestration of CO2and coalbed methane displacement; numerical simulation

作者簡介：侯麗（1983-），女，山西忻州人，碩士，工程師，從事煤碳減排、節(jié)能環(huán)保方向的研究。

收稿日期：2015- 11- 02

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.022

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0075- 04

中圖分類號：TE122

文獻標識碼：A