煤基CO2地質封存對頂板裂縫導流能力影響實驗研究

朱世良，邵麗偉，周效志，曹煜彤，張 琨，王建東

(中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

煤基CO2地質封存利用煤巖對CO2吸附能力強于CH4的特點，在提高煤層氣采收率的同時，可實現CO2的地質封存，在能源開發與環境保護方面均具有重要意義[1-3]。煤基CO2地質封存過程中，煤層頂板作為主要的封存介質，其巖性、完整性、有效性直接影響到CO2封存效率及安全封存時間[4-5]。國內外學者開展了較多的CO2地質封存條件研究。Li Zhaowen 等[6]研究了枯竭油氣藏蓋層封存能力與CO2封存量的關系，認為儲體上方必須存在低滲蓋層遮擋才能實現CO2有效封存；孔維鐘等[7]研究了組合蓋層對CO2封存效果的影響，認為組合蓋層中薄砂巖層的存在降低了蓋層的壓力積聚，具有比直接蓋層更好的封存效果。然而，當前研究多集中于蓋層巖性、巖性組合及滲透性對CO2靜態封存效果評價，但對煤基CO2地質封存中頂板裂縫導流能力動態演化的研究相對較少。

為了評估煤基CO2地質封存的安全性，采集了沁水盆地南部胡底煤礦山西組3 號煤頂板泥質粉砂巖樣品，制備了圓柱狀人工造縫試樣，模擬實驗研究“CO2-H2O-巖”反應中試樣人工裂縫形貌、全巖礦物組成與CO2導流能力變化，評價煤基CO2地質封存過程中頂板封蓋能力的演化，對煤基CO2地質封存工程選址與安全性評估具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗樣品采自沁水盆地南部胡底煤礦，為山西組3 號煤頂板，巖性為泥質粉砂巖。首先，垂直巖樣層理方向鉆取直徑?=5.0 cm 的圓柱狀試樣；然后，利用三軸伺服儀在5.0 MPa 環壓下對試樣進行軸向剪切造貫穿裂縫；最后，選擇兩個具代表性的低滲(LY-1)、高滲(HY-1)人工造縫試樣開展“CO2-H2O-巖”反應實驗(圖1)。

圖1 人工造縫柱狀試樣端面Fig.1 The end face of columnar samples after artificial fracture

1.2 實驗儀器

采用 TFF2-32/316L 型高壓反應釜開展“CO2-H2O-巖”反應實驗，模擬CO2地質封存過程中CO2、H2O 對煤層頂板泥質粉砂巖礦物的溶蝕過程。實驗過程中，利用JSZ6 型體式顯微鏡、Quanta-250 型掃描電子顯微鏡觀察裂縫微觀形貌，利用D8 Advance X 射線衍射儀進行全巖礦物組成分析，利用CUMTKD-CESS-Ⅰ型CO2注入與煤層氣強化開發模擬實驗系統測試試樣裂縫導流能力。

1.3 實驗過程

將LY-1、HY-1 試樣加5.0 MPa 壓力飽水后置于高壓反應釜中并通入CO2，控制反應釜溫度31℃、氣體壓力7.38 MPa。實驗前及實驗進行至5、10、15、25 d 時將試樣取出，進行裂縫形貌觀察及滲透率測試。

據胡底煤礦地應力梯度、煤層平均埋深所確定的地應力條件[8]，在圍壓6.0 MPa，注入壓力2.0 MPa下測定試樣CO2氣測滲透率。測試過程中，儀器自動記錄入口端壓力p1、出口端壓力p2、流量Q0等參數，并利用下式[9-10]計算滲透率。

式中：K為CO2氣測滲透率，10–3μm2；A為試樣截面積，cm2；L為巖樣長度，cm；p1、p2分別為入口、出口端壓力，MPa；p0為大氣壓力，MPa；μ為CO2氣體黏度，mPa·s；Q0為CO2氣體流量，cm3/s。

2 實驗結果

模擬實驗過程中，LY-1、HY-1 試樣CO2氣測滲透率變化如圖2 所示。

圖2 “CO2-H2O-巖”反應中試樣氣測滲透率變化Fig.2 Permeability changes of samples in the process of CO2-H2O-Rock reaction

由圖2 可見：初始滲透率較低的LY-1 試樣，實驗過程中CO2氣測滲透率呈先升高、后降低的變化趨勢。實驗前10 d，試樣滲透率由0.017×10–3μm2升高至0.034×10–3μm2，升幅達100%；隨著反應進行，滲透率至第25 天下降至0.010×10–3μm2，與初始滲透率相比降幅為41.2 %。初始滲透率較高的HY-1 試樣，CO2氣測滲透率在實驗過程中逐漸下降，由實驗初始的3.785×10–3μm2下降至實驗結束時的0.172×10–3μm2，滲透率降幅達95.5%；特別是在實驗前期，HY-1 試樣滲透率快速下降，反應15 d 后滲透率已降至0.444×10–3μm2。

3 討論

3.1 “CO2-H2O-巖”反應機理

煤基CO2地質封存條件下，“CO2-H2O-巖”反應即CO2與H2O 形成H2CO3，進而與煤層頂板中部分礦物發生酸化反應的過程[11-16]。在此過程中，礦物的溶蝕程度隨反應時間的延長而加深，且有次生礦物產生。模擬實驗前后，試樣全巖礦物組成分析結果如圖3 所示。

由圖3 可見，石英質量分數實驗前后僅略有升高，反映試樣中礦物總質量無明顯變化。與石英、白云母、菱鎂礦、白云石等穩定的礦物含量相比，長石質量分數由15.67%降至12.49%，其他礦物由16.04%降至14.07%，高嶺石質量分數則由13.16%升至18.68%。試樣中礦物組成的變化，說明實驗中H2CO3與長石等可溶性礦物反應，并產生高嶺石等次生礦物。實驗過程中，掃描電鏡觀察顯示，LY-1試樣表面板狀長石等礦物不斷減少，鱗片狀高嶺石明顯增多，且呈現疊瓦狀排列(圖4a)。

圖3 實驗前后試樣全巖礦物組成對比Fig.3 Comparison of whole rock mineral composition before and after the experiment

X 射線衍射圖譜分析顯示，試樣中基本不含分散狀方解石，但體式顯微鏡可觀察到LY-1 試樣表面方解石脈的存在。實驗過程中，對LY-1 試樣同一位置進行重復觀察，發現試樣構造裂隙中充填的不規則方解石脈逐漸被溶蝕，脈體面積不斷縮小，顏色呈“先淺后深”變化(圖4b)。

圖4 LY-1 試樣表面礦物宏微觀形貌變化Fig.4 Macroscopic and microscopic changes of minerals on the surface of LY-1 sample

3.2 頂板裂縫宏微觀形貌變化

利用體式顯微鏡觀察HY-1 試樣發現，初始裂縫寬度為75 μm 的人工裂隙，實驗過程中裂隙壁面粗糙度下降，且由于石英等原生礦物碎屑與高嶺石等次生礦物混合充填而逐漸閉合、裂縫開度變小。實驗結束時，HY-1 試樣表面已難以觀察到明顯的裂口(圖5a)。

掃描電鏡觀察HY-1 試樣中顯微裂隙，發現反應前裂隙多呈鋸齒狀，同一裂隙不同位置的裂隙寬度存在明顯差別，甚至出現同一裂隙不相連通的情況。實驗過程中，試樣顯微裂隙壁面上凸起的礦物顆粒部分被溶蝕，裂隙壁面逐漸光滑，裂隙寬度增大(圖5b)。

圖5 HY-1 試樣表面人工裂縫與顯微裂隙形貌變化Fig.5 Morphology changes of artificial fracture and micro fracture on the surface of HY-1 sample

3.3 頂板裂縫導流能力影響因素

結合“CO2-H2O-巖”反應機理與試樣裂縫宏微觀形貌變化特征，認為CO2地質封存過程中頂板裂縫導流能力受方解石脈溶蝕、次生礦物充填與外部有效應力的共同影響。

1) 方解石脈溶蝕

對于構造裂隙后期被方解石等脈體充填的煤層頂板，由于原始孔隙率、滲透率均較低，CO2氣體導流能力弱[17-18]。“CO2-H2O-巖”反應中，方解石脈等逐漸被H2CO3溶蝕，且產物被水溶解，局部形成CO2流動的高滲通道，導致低滲試樣實驗前期滲透率顯著升高。由于脈體軸向未貫通試樣，因此，方解石溶蝕作用難以使滲透率產生數量級的提升。

2) 次生礦物充填

CO2地質封存過程中，泥質粉砂巖頂板人工裂縫壁面上分散狀的長石等可溶礦物與H2CO3發生酸化反應，并產生鱗片狀高嶺石等次生礦物。次生礦物與石英等原生礦物微小碎屑混合充填于頂板裂縫中，且隨裂縫中CO2流動產生短距離運移，并逐漸堵塞CO2流動通道，導致試樣人工裂縫的CO2導流能力逐漸下降。

3) 外部有效應力

煤基CO2地質封存過程中，頂板中張性構造裂縫發育、H2CO3溶蝕方解石脈、人工裂縫產生，將導致煤層頂板具有較強的CO2導流能力。此時，天然構造裂縫與人工裂縫是最主要的CO2滲流通道。隨著煤基CO2地質封存中“CO2-H2O-巖”反應進行，頂板中原生礦物溶蝕將導致宏觀裂縫與顯微裂隙的迂曲度變小、裂縫開度降低[19]。由于地下巖石同時受垂直及水平方向地應力作用，頂板巖石骨架在有效應力作用下發生彈塑性變形導致宏觀裂縫與顯微裂隙進一步被壓實閉合，可引起頂板裂縫導流能力快速下降[20-21]。

3.4 裂縫導流能力演化對CO2 封存的影響

通過向煤層氣井中注入液態CO2的方式，可實現煤基CO2地質封存和煤層氣采收率的提升[22]。隨CO2注入，當CO2運移至注入井周邊未改造低滲區或高儲層壓力區后，注入井井底流體壓力快速上升，注入井周圍煤層頂板在以往壓裂改造基礎上進一步破裂，產生人工裂縫可能會引起CO2泄露的風險。當注入施工停止后，CO2不斷被煤基質吸附導致井筒周圍流體壓力下降，頂板巖石骨架壓力增加，人工裂縫在次生礦物充填與外部有效應力共同作用下逐漸閉合，CO2通過頂板裂縫長期泄露的風險顯著降低。

從煤層頂板巖性與厚度來看，當頂板厚度大且含有部分分散狀長石等可溶性礦物時，煤基CO2地質封存“CO2-H2O-巖”反應導致頂板裂縫粗糙度降低，形成高嶺石等次生礦物，并與石英等原生穩定礦物混合充填，因此，更有利于CO2的長期安全封存。

4 結論

a.煤基CO2地質封存頂板裂縫導流能力受方解石脈溶蝕、次生礦物充填與外部有效應力的共同影響。“CO2-H2O-巖”反應中，方解石脈等逐漸被H2CO3溶蝕，局部形成CO2流動的高滲通道，導致實驗前期低滲試樣氣測滲透率顯著升高。同時，分散狀長石等可溶礦物與H2CO3發生酸化反應，產生鱗片狀高嶺石等次生礦物，逐漸堵塞CO2流動通道，導致裂縫CO2導流能力逐漸下降。頂板中原生礦物溶蝕導致宏觀裂縫與顯微裂隙迂曲度變小、裂縫開度降低，巖石骨架在有效應力作用下發生彈塑性變形，導致宏觀裂縫與顯微裂隙被壓實閉合，引起裂縫導流能力快速下降。

b.CO2地質封存過程中，較高的注入壓力導致注入井周圍煤層頂板產生人工裂縫，存在CO2泄露的風險。CO2注入施工結束后，CO2不斷被煤基質吸附導致井筒周圍流體壓力下降，引起頂板巖石骨架壓力增加，導致裂縫在次生礦物混合充填與外部有效應力作用下逐漸閉合，因此，煤中注入的CO2沿頂板裂縫長期泄露的風險較低。