国内外CO2运移监测技术和方法研究新进展

朱希安 汪毓铎

(北京信息科技大学光电信息与通信工程学院,北京 100101)

1 前言

近三十年来,“全球气候变化”和“全球变暖”等相关问题,已从学术研究课题成为全球各国首脑峰会的主要议程。根据美国夏威夷Mauna Loa观测台、中国气象局瓦里关山全球大气观测站及南极Law Dome冰心资料提供的数据,大气CO2质量分数将由1750年前的280×10-6提高到2000年的368×10-6(增加31%±4%)。预计到2100年,大气的CO2质量分数将达到540×10-6～970×10-6,由此将产生十分严重的后果。目前我国CO2年排放量仅次于美国,居世界第二位,预计到2025年,我国的CO2排放总量很可能超过美国,居世界第一位,作为温室气体排放大国的形象将更加突出,使我国在气候变化问题上面临巨大压力。

我国的煤层气资源非常丰富,煤层气资源量约为116.8×10-12m3,埋深2000～4000m范围的煤层气资源量约为50×10-12m3,这部分埋藏较深的资源由于开发成本较高,虽然在短期内很难加以利用,但碳封存技术的出现为开发和利用深部煤层气资源提供了可能的技术条件。

发展完善适合中国国情的规模化CO2捕集、埋存及高效利用理论并将研究成果转化为技术,实施CO2长期地质埋存和资源化利用的示范,将成为我国科研人员对CO2减排、储存和资源化利用的研究目标。为此,“十二五”期间,国家设立了大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项,对潜在的油气资源和煤层气资源进行了深度的研究与开发。其中CO2的埋存与置换甲烷技术的研究是项目2011ZX05042-003的重要研究内容。

2 CO2的捕获与地质埋存

上世纪90年代,国际能源署IEA对世界储层CO2埋存潜力做了评估,如表1所示,政府间环境变化组织IPCC也对世界储层CO2埋存量做了评估,如表2所示。

表1 储层CO2埋存潜力评估

表2 储层CO2埋存量评估

通过这些数据可以看出,CO2地质埋存潜力非常巨大,将对CO2减排起到非常重要的作用。CO2捕捉与埋存 (Carbon Captureand Storage,简称CCS)技术是指将CO2从相关排放燃烧源捕获并分离出来,输送到油气田、海洋等地点进行长期封存,从而阻止或显著减少CO2向大气中排放。目前,处于研究阶段、工业试验或工业化应用的封存场所主要有深度含盐水层、枯竭或开采到后期的油气田、不可采的贫瘠煤层和海洋。随着全球面临的气候问题日益严峻,各国政府非常重视对CCS技术研究的支持。CO2捕获和存储技术主要由3个环节构成：

(1)CO2的捕获,指将CO2从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来,并将其压缩至一定压力。

(2)CO2的运输,指将分离并压缩后的CO2通过管道或运输工具运至存储地。

(3)CO2的存储,指将运抵存储地的CO2注入到诸如地下盐水层、废弃油气田、煤矿等地质结构层或者深海海底或海洋水柱或海床以下的地质结构中。

CCS技术是一项极具潜力的减少CO2排放的前沿技术,自二十世纪七十年代起,挪威、加拿大、丹麦、美国等发达国家就已开始对CO2的地质埋存方法进行研究;中国也一直在试行自己的解决方案。作为CO2排放大国,我国积极参与温室气体减排,密切关注CCS技术进展,并着手开展了一些研究与实践工作,我国与国际社会一起积极开展了CCS技术研究与项目合作。2007年启动了“中欧碳捕获与封存合作 (COACH)”,12个欧方机构和8个中方机构参与了COACH。2007年11月20日,启动了“燃煤发电CO2低排放英中合作项目”。2008年1月25日,中联煤层气有限责任公司以下简称“中联煤”与加拿大百达门公司、香港环能国际控股公司签署了“深煤层注入/埋藏CO2开采煤层气技术研究”项目合作协议。自2002年以来,中联煤和加拿大阿尔伯达研究院已在山西省沁水盆地南部合作,成功实施了浅部煤层的CO2单井注入试验。

3 CO2的煤层埋存

煤层气是由煤层生成并主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气,其主要成分是甲烷,煤矿俗称为瓦斯。标准状况下,CO2是一种无色、无味、比空气重的气体,密度是1.977克/升。在CO2的温度-压力相图中,31℃、7.4×106帕是它的临界点。当温度压力高于临界点时,CO2的性质发生变化：形态近于液体,黏度近于气体,扩散系数为液体的100倍。这时的CO2是一种很好的溶剂,其溶解性、穿透性均超过水、乙醇、乙醚等有机溶剂。将CO2埋存于深部煤层中,煤层表面可以吸附注入的CO2,不仅保存了CO2,而且可以置换出煤层中的甲烷,由此带来的经济效益也是相当可观的。由于煤层具有较大的内表面积,与等效体积的天然气藏相比,煤层可以储存几倍的CO2。

在煤层中注入CO2还能提高煤田甲烷产量。煤层是富甲烷气体储存的岩层,一般情况下每吨煤中会产生4.3～6.2m3甲烷,所产生的甲烷集结在煤层中、吸附在煤的表面上。煤岩内部多微孔,具有吸附大量气体的能力。在煤层压力条件下,煤对甲烷的吸附可高达25m3/吨。煤的年代越久,含气量越多,褐煤的气量最少,烟煤和无烟煤每吨可含有30m3的煤层气。煤与CO2的亲和力比甲烷大,在相同的压力下,煤对CO2的吸附量是甲烷的1.8～2.8倍,从钻井注入的CO2通过煤的内生裂隙系统扩散到煤基质,被吸附在煤微空隙的表面,把与煤亲和力低的甲烷赶走。把CO2注入煤层,可以保持储层的压力并很快把甲烷置换出来。美国圣胡安盆地阿利森 (Allison)煤田的试验表明,注入3份体积的CO2,可以得到1份体积的甲烷。被注入的CO2一直到大部分甲烷都给置换出来以后,才会少量地从钻井口流出。

2002～2006年,我国与国外公司合作开展向煤层注入CO2,提高煤层气采收率的试验,选择在山西沁水盆地南部T L-003井作为微型先导性试验的第一口井位。试验目的层是3#煤层,埋深470余米,厚度6米。煤层顶板为泥岩,厚度9米,上覆砂岩28米。单井试验与单井、多井数值模拟表明,单井试验注入192吨液态CO2,注入后的重新生产初期CO2产出量累计约40吨,70%以上的CO2气体被埋存在煤层中。结果显示在沁南无烟煤地区注入CO2能够提高煤层气采收率,而且具有对CO2的封存能力。

4 CO2地质埋存后的运移监测手段

煤层气开发中,CO2注入前后,煤层会产生下列变化：煤层受CO2注入的压裂作用,煤层的结构和构造发生了变化,煤层的泊松比等弹性力学参数发生变化,煤层与围岩之间的波阻抗差异更加明显;由于岩层的电阻率不取决于干燥岩石本身的电阻率,主要取决于岩石的饱和度和水分矿化度。CO2注入煤层后,煤层的饱和度发生变化,因此电阻率和CO2注入前有明显的差异;CO2注入煤层后,受压裂作用,破坏了煤层及上覆岩体的天然应力状态,引起应力重新分布,可能引起局部应力集中,使煤层顶板出现裂缝。这必然会改变地下气体的运移和聚集环境,对CO2、氡气的运移和富集具有一定的控制作用;CO2向上运移,与地下水发生物理化学反应,土壤和地下水的化学成分会发生变化;氡气向上运移,可在地表形成氡异常区。

通过对煤层注入CO2前后,煤层、上覆岩层及地表土壤和地下水的物理、化学特征进行分析,为CO2注入后的运移监测提供了条件。选择适应深层煤层气CO2注入后的运移监测的地球物理、地球化学方法,可实现对CO2注入后运移进行监测。方法如下：

4.1 井间地震测定法

CO2注入煤层后,煤层的结构和构造发生了变化,煤层的泊松比等弹性力学参数发生变化,煤层与围岩之间的波阻抗差异更加明显,可采用井间地震成像、3-D和4-D(时移地震)地震方法进行监测。

4.2 瞬变电磁测定法

CO2注入煤层后,煤层的电性参数发生变化,根据注入CO2前后煤层及顶板的电阻率变化,采用井-井或地-井瞬变电磁法可测定电阻率的变化。井-井瞬变电磁技术综合了电磁感应和层析成像的优势,生成井间电阻率分布剖面图,瞬变电磁法属于时间域电磁感应法,它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场,在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场,该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场,良性导电地质体产生的感应二次场与地质体的电阻率密切相关,电阻率越低、低电阻地质体规模越大,感应二次场越高、二次场衰减越慢。

4.3 氡气测定法

CO2注入煤层后,煤层及煤层受压,在煤层及顶板形成氡气上移通道,在地表形成氡异常,拟通过测氡进行监测。氡是一种无色、无味的放射性气体,也是一种惰性气体,一般不参加化学反映,能溶于水,但溶解度随温度升高而下降。ρ=9.73×10-3g/cm3,沸点-65℃,溶点为-71℃,具有强烈的扩散性和扩散能力,由于氡是非极性单原子分子,氡容易被固体物质所吸附,其中以活性炭、煤、橡胶、石蜡最为突出。在自然界中,氡及其子体凭借自身很强的向上运移的能力和母体与子体的地球化学特征不同,在自然界不同地质体中的分布也各有差异,并有一定的规律,所以通过地表测氡,分析其异常规律,可以探测出地下地质体的赋存特征。

4.4 化学分析测定法

由于CO2注入前后地表土壤及地下水的化学成分变化,通过监测地下水及土壤的微量元素,分析地下水的水化学特征,可以测得CO2注入后的运移。同时,对于CO2在空气中是否逸散,可通过采集CO2注入煤层前后的空气中的CO2含量,来监测CO2注入后的运移,并评价对空气及其对环境的影响。

5 CO2煤层埋存后运移监测状况与新进展

随着全球气候的变化,以控制CO2排放为主要手段的控制全球气候变暖研究工作,即CO2捕获与埋存已经在全球范围内展开。CO2埋存后的运移监测也随之成为新的研究热点。目前,主要采用的监测CO2运移的手段有：

(1)CO2注入压力和地层压力监测

CO2注入井口和地层压力的实时监测和控制技术己臻于成熟。监测数据还可用于反演现场尺度的水文地质参数和多相流参数、探测储层堵塞或渗透性增高等。

(2)井孔完整性监测

井的注入部分和止水带的完整性,可以通过连续监测环空中压力和气体组成来监测。压力和成份的变化可用压力传感器或红外分析仪测得。通过水泥胶结测井的周期测量,确定套管与岩石之间的粘结状态。通过套管的泄漏或者井孔的直接泄漏可应用被动声波等手段进行监测。

(3)储层地球化学监测

地球化学方法可用于地下CO2运移的直接监测和认识CO2与储层流体和矿物间的反应。对流体样品的主要离子 (如 Na、K、Ca、Mg、Mn、Cl、Si、HCO-3、SO2-4等)、pH、碱度、稳定同位素、气体(如烃类、CO2及其同位素)进行分析;对酚类及其它有毒有机化合物进行分析,开展研究。利用天然示踪剂 (与注入的CO2相关的C、O、H同位素及稀有气体)或投放人工示踪剂 (稀有气体、SF6、全氟化碳等),绘制示踪剂响应曲线,分析CO2运移方向、速率,研究多相流的渗透力学属性 (饱和度、渗透率等)及其变化。此外,CO2的取样和分析本身指示其为注入或天然来源。示踪剂注入可更精确地确定CO2自注入并到监测井的迁移路径和速率。

示踪剂可为人工投放的气体,如全氟化碳或稀有气体,二者都具有很低的检出限。尤其是稀有气体,在岩石介质中可较CO2运动更快,提供了CO2迁移的近似路径。某些情况下,可由注入井和监测井实现CO2垂向迁移的直接测量,在套管不同深度上采集流体样品,可以实现目的部位的周期测试,取得的流体样品可进行CO2和CO2浓度升高所致流体化学组成变化的分析。

(4)深部CO2运移的监测

地震方法是监测深部CO2运移的常用工具。通过4-D地震,可考察CO2晕的时空演化;或在CO2注入前后,于注入井应用垂向地震剖面 (VSP)方法,监测CO2的运移和空间分布;于注入井和监测井应用井间地震方法,监测井间CO2晕的空间分布,并根据监测结果获取CO2饱和度的空间分布。地下深部CO2的运移也可以通过测量监测井中孔隙流体变化的方法直接确定。通过分析流体化学组成变化 (如PH、Alk、HCO-3或 EC等),判断CO2是否到达监测井。

(5)匀浅部含水层监测

因毛细突破、机械突破和富含CO2的流体与盖层、水泥反应导致的盖层、废井突破,咸水和CO2将向浅部含水层泄漏,可应用地球化学指标、示踪气体浅部含水层。

(6)包气带和地表监测

确定CO2自储层进入包气带,进而到达地表或仅地表环境的技术有很多。CO2在近地表环境中可以自由气体或溶解态存在。探测CO2浓度增高的技术主要包括土壤气体监测和地表CO2通量监测。

分析土壤水中主要离子 (Na、K、HCO-3等),碱度、PH,烃类气体、碳稳定同位素比,可以确定CO2变化量和来源。此外,因PH变化可造成铅、砷微量元素等的活化,这些微量元素的污染或可作为CO2浓度升高的指示。土壤气体或集气箱中气体的分析和CO2同位素分析有助于确定其来源,尤其是浅部生物来源的CO2与化石来源的不同。与CO2一并注入的人工示踪剂,如全氟化碳或稀有气体,检出限低,或可提供泄漏可能性的信息。

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