沁水盆地CO2地质封存及驱替煤层气选区数值模拟研究

侯　丽，田晶晶，张彦欣

（山西省煤炭地质资源环境调查院，太原030006）



沁水盆地CO2地质封存及驱替煤层气选区数值模拟研究

侯丽，田晶晶，张彦欣

（山西省煤炭地质资源环境调查院，太原030006）

摘要：以山西省沁南盆地深部煤层为研究对象，结合研究区周边地质资料、深部钻井数据，利用Eclipse软件对该区域CO2地质封存及驱替煤层气(CO2- ECBM)过程进行数值模拟及相关研究。结果表明，该研究区适合开展CO2- ECBM相关工作的优选区为Q- 2，其模拟所得煤层气的产气量、CO2封存量数据均优于区内其他区域。同时研究结果也揭示了深部煤储层渗透率的改善，是将来CO2封存和ECBM取得理想效果的关键。

关键词：沁水盆地；CO2封存及驱替煤层气；数值模拟

随着温室气体CO2减排压力逐年增加，二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）技术引发广泛关注，该技术利用废弃油气田、深部含水层、海洋深部、不可开采煤层等地下空间封存CO2，地质减排被认为是当前解决全球变暖的重要措施[1-3]。国内外在CCUS方面开展了大量研究工作[4-6]。

山西省沁水煤田拥有丰富的煤炭及煤层气资源，但煤炭开发利用技术相对落后，煤层气资源采收率低，工业CO2等温室气体排放量巨大。CO2封存及驱替煤层气（CO2-ECBM）技术是山西省大规模CO2减排的重要技术途径。山西省沁水煤田深部煤层处置CO2的潜力巨大，是CO2-ECBM技术开发应用的主要地区，本工作利用资料收集、野外实地踏勘、数值模拟等研究方法，以沁水煤田中南部深部煤层为研究对象，为山西省开展CO2-ECBM工作地质封存区提供科学依据。

1　基础地质

沁水煤田整体呈NNE向展布的大型复式向斜，煤田构造简单，煤层厚度大，主层3号、15号煤层煤田发育，煤层埋深适中、煤层含气量高（19 m3/t ～26 m3/t），地层产状平缓，断层少，煤层割理发育，具备良好的煤炭资源及煤层气资源开发地质条件。

目前，沁水煤田是山西省煤炭及煤层气勘探热点区域，也是开展CO2-ECBM工作的适宜区。全省埋深2 000 m以浅的含煤面积约5.67万km2，煤炭资源总量6 557.57亿t，其中沁水煤田煤炭资源量为1 954.43亿t，约占全省煤炭资源量的30%。全省煤层气资源2 000 m以浅预测资源量约8.3万亿m3，其中沁水煤田煤层气资源量5.39万亿m3，占全省煤层气资源量65%，且埋深1 500 m～2 000 m煤层气资源量最为丰富[7]。

研究区域位于沁水盆地中南部，沁水复式向斜构造轴部南端。其南北长52 km，东西宽16 km，面积832 km2。研究区东部、南部和西部分布了一系列煤田地质勘探区和煤层气地面开发区块。

结合项目区周边勘查区的资料，区域内的含煤地层包括二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，含煤地层总厚度154.7 m，共含煤15层，煤层总厚平均14.36 m，含煤系数为9.28%。山西组平均厚度51.9 m，共含煤4层，煤层平均总厚度6.19 m。太原组平均厚度102.8 m。共含煤11层，煤层平均总厚度8.17 m。本研究主要针对区内主要可采煤层3号和15号煤层进行探讨。

3号煤层的埋深在1 053.46 m～1 562.53 m之间，平均1 420.33 m，其空间形态为两个宽缓的向斜，一个在中北部，走向近EW向，一个在南部，走向SE。15号煤层埋深在1 153.46 m～1 662.53 m之间，平均1 520.33 m；上距3号煤层约100 m，其形态与15号煤层相似。15号煤层厚度在1.28 m～3.17 m之间，平均值为2.73 m，总体呈向南厚度逐渐增加的趋势。3号煤层厚度在1.78 m～5.19 m之间，平均值为3.67 m，在中南部存在一个高区，向南、西、北方向厚度逐渐减小。

3号煤层原煤灰分（Ad）在13.41%～31.12%之间，一般为19.91%。浮煤灰分为5.07%～19.17%，一般为8.43%。原煤挥发分（Vdaf）变化于8.58%～19.63%之间，一般为13.60%。浮煤挥发分为7.77%～19.92%，一般为11.62%。15号煤层原煤灰分（Ad）在8.04%～42.13%之间，一般为21.75%。浮煤灰分为3.51%～13.67%，一般为7.67%。原煤挥发分（Vdaf）在6.29%～20.65%之间，一般为12.45%。浮煤挥发分为7.24%～15.55%，一般为10.26%。

3号煤层含气量在15.24 m3/t～21.11 m3/t之间，平均18.29m3/t。15号煤层含气量在17.85 m3/t～23.13 m3/t之间，平均19.67 m3/t。在平面上与埋深或构造形态具有一定的相关性，总体向北略有下降。相关研究表明，研究区煤层含气量的空间展布具有南部高、北部低，盆地轴部高、两翼低，两翼又呈东部高、西部低的总体特征。下主煤层含气量略高于上主煤层[8]。

CO2的埋藏潜力与煤层气资源潜力有密切的关系，资源丰度相对较大，CO2的置换系数较高，可置换出更多的CH4气体[9]。经估算，本区域3号煤层煤层气资源丰度为0.85亿m3/km2，15号煤层为0.75亿m3/km2。

研究区内煤层反射率R0max值3号为2.39%，15号为2.45%，区内煤层变质程度高。煤变质作用直接影响煤层的孔隙-裂隙系统的形成与发育、煤层含气性和渗透性、煤层气吸附量。这也是高变质煤含气量较高的原因之一[10]。

2　数值模拟方案

基于上述图件绘制和储层参数值整理，运用Eclipse储层数值模拟软件，首先对研究区3号、15号煤层进行地质模型的建立，地质模型反映研究区煤层埋深，煤厚等基础地质特征，反映储层物性特征和空间变化规律，是进行CO2注入数值模拟研究的基础。

在地质模型建立的基础上，根据关键控制因素煤层埋深，并综合考虑区域内煤层气矿权设置、行政区划、交通干线、自然及水源保护区、居民聚集区及构造形态等因素，将研究区划分6个区块。在各个区块中部设计1个400 m×400 m的正方形井组，并在井组中间加1口CO2注入井，4个煤层气生产井。利用Eclipse软件进行CO2注入及驱替煤层气过程的模拟。本次工作考虑到煤层气开发过程的储层改造增强渗透率，设计了一个渗透率系列（0.01 mD, 0.1 mD, 1 mD），分别模拟在不同的渗透率下3号煤层和15号煤层CO2的注入驱替及封存效果。

3　模拟成果及讨论

3.1地质模型结果

图1　3号煤层空间特征模型

图2　15号煤层空间特征模型

地质建模是进行CO2-ECBM研究工作的重要基础。首先从全盆地的角度把握和控制好区块整体特征，然后利用煤田地质勘探和煤层气地质勘探开发数据进行修正。各种储层参数，如孔渗特征、吸附参数、相渗参数等根据煤层气井试井和以往的室内测试等成果进行预测。通过建立埋深、煤厚、含气量和储层压力等地质参数与埋深等因素的关系，进行深部区的预测。

3.2驱替过程结果及讨论

1）由模拟结果可得，渗透率是煤层气的产气量首要影响因素，无论是上主煤层（3号煤层）还是下主煤层（15号煤层），无论是否注入CO2增产。煤层气的日均产气量，0.01 mD条件下＜0.1 mD条件下＜1 mD条件下。其他条件相同情况下，高渗透率煤层气产气量是低渗透率下的20～1 000倍。这说明渗透率是煤层气开采过程中的重要因素。

2）不同渗透率条件下（0.01 mD, 0.1 mD, 1 mD），无论是否注入CO2增产，下主煤层（15号煤层）的煤层气产量都高于上主煤（3号煤层），说明埋深对煤层气产气有一定的影响。

3）不同渗透率条件下（0.01 mD, 0.1 mD, 1 mD），注入CO2驱替煤层气过程的煤层气产量都高于未注入CO2的过程的煤层气产量。低渗透条件下（0.01 mD），CO2注入增产煤层气最高达1倍；渗透率0.1 mD, 1 mD下，CO2注入增产煤层气增量明显，平均增产达9倍，最高可达近50倍。说明注入CO2驱替煤层气的方法可以用于增产煤层气，而煤层渗透率影响煤层气产气量增幅。

图3　注入及未注入CO2下3号、15号煤层各区块煤层气产气情况图（0.01 mD）

图4　注入及未注入CO2下3号、15号煤层各区块煤层气产气情况图（0.1 mD）

图5　注入及未注入CO2下3号、15号煤层各区块煤层气产气情况图（1 mD）

4）由图可知，CO2驱替条件下，3号、15号煤层区块Q-2产气能力最好，高于其他区块的煤层气日平均产量。1 mD渗透率下分别能达到13.35×105m3/d，13.24×105m3/d，0.1 mD渗透率下分别为3.31× 105m3/d，2.78×105m3/d，0.01 mD下分别为13.7×103m3/d，14.06×103m3/d。其余区块的产气能力相近。

3.3CO2封存过程结果及讨论

图6　CO2封存情况图（0.01 mD, 0.1mD, 1mD）

上图表示的是封存区内各区块不同煤层累计二氧化碳封存量情况，煤层渗透率直接影响到区块的二氧化碳封存能力。整体而言，3号煤层的封存能力略大于15号煤层。同时，各个区块的封存能力也有差别。

3号、15号煤层最适合CO2封存的区块为区块Q-2。该区块3号煤层在0.01 mD时封存量为1.87×109m3，0.1 mD时封存量为5.89×109m3，1 mD时封存量为10.76×109m3。该区块15号煤层在0.01 mD时封存量为1.32×109m3，0.1 mD时封存量为4.24×109m3，1 mD时封存量达到9.21×109m3。由模拟数据结果可得该区块的CO2封存量明显高于其余区块，封存能力强。

4　结论

通过对山西省沁水盆地南部深部煤层3号、15号煤层的数值模拟研究，模拟了CO2在上述煤层中注入及驱替煤层气的过程，初步探讨该过程的影响因素渗透率、埋深对此过程的影响程度，在此基础上选出区域内CO2封存优选区，得出以下结果：

1）沁水煤田深部煤层CO2注入及驱替煤层气主要影响因素是煤层的渗透率，要开展CO2-ECBM工作需考虑煤层的渗透率改造问题。

2）本次工作所选区域最适合CO2封存及驱替煤层气的区块为Q-2。应进一步开展工作，为推广CO2-ECBM技术奠定基础。

参考文献：

[1] Holloway S. Underground sequestration ofcarbon dioxide- a viable greenhouse gas mitigation options [J]. Energy，2005，30（11- 12）:

2318- 2333.

[2]曾荣树，孙枢，陈代钊，等.减少二氧化碳向大气层的排放－二氧化碳地下储存研究[J].中国科学基金，2004（4）:196- 200.

[3]张炜，李义连.二氧化碳储存技术的研究现状和展望[J].环境污染与防治，2006，28（12）:950- 953.

[4] Scott Reeves，Reinaldo Gonzalez，Satya Harpalani. Results, status and future activities ofthe coal- seq consortium[J]. Energy Procedia，

2009，1（1）:1719- 1726.

[5] W.F.C. Van Wageningen，H.M. Wentinck C. Otto. Report and modelingofthe MOVECBMfield tests in Poland and Slovenia[J]. Energy

Procedia，2009，1（1）: 2071- 2078.

[6] Masaji Fujioka，Shinji Yamaguchi，Masao Nako. CO2- ECBMfield tests in the Ishikari Coal Basin of Japan[J]. International Journal

of Coal Geology，2010，82（3- 4）: 287- 298.

[7]刘正.山西省煤层气资源量及可采潜力[J].中国煤炭地质2014，26（9）:17- 23.

[8]韦重韬，秦勇，傅雪海，等.沁水盆地中南部煤层气聚散史模拟研究[J].中国矿业大学学报，2002，31（2）:146- 150.

[9]刘飞，山西省沁水盆地煤岩储层特征及高产富集区评价[D].成都:成都理工大学，2007.

[10]方爱民，侯泉林，雷家锌，等.煤变质作用对煤层气赋存和富集的控制-以沁水盆地为例[J].高校地质学报，2003，9（3）: 378- 384.

（编辑：杨鹏）

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

作者简介：侯丽（1983-），女，山西忻州人，硕士，工程师，从事煤碳减排、节能环保方向的研究。

收稿日期：2015- 11- 02

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

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0075- 04

中图分类号：TE122

文献标识码：A