CO-sub-2-_sub-–ECBM技术在河东煤田的潜力评估_段鹏飞.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-04-6 基金项目 山西省国际科技合作计划项目（2010DFB90690-3） Foundation itemInternational Technology Cooperation Plan Projects of Shanxi Province，China（2010DFB90690-3） 作者简介 段鹏飞（1981），男，山西长子人，硕士研究生，工程师，从事基础地质、环境地质研究. E-mail511539920 引用格式 段鹏飞. CO2-ECBM 技术在河东煤田的潜力评估［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）21-24. DUAN Pengfei. Potential assessment of CO2-ECBM technigque in Hedong coalfield［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（3）21-24. 文章编号 1001-1986（2016）03-0021-04 CO2-ECBM 技术在河东煤田的潜力评估 段鹏飞 （山西省煤炭地质资源环境调查院，山西 太原 030006） 摘要 根据河东煤田地质构造、煤储层特性、含气性等煤层气地质条件的综合研究，对利用 CO2提高煤 层气采收率技术（简称 CO2- ECBM 技术）在河东煤田深部煤层（埋深 1 000～1 500 m）开采煤层气以及埋 藏 CO2的潜力进行了初步评估。结果表明，利用 CO2-ECBM 技术增产煤层气资源量为 0.261012 m3，占 煤层气总资源量的 32.1％；CO2埋藏量为 12.18108 t，相当于山西省 2013 年 CO2排放量的 3.2 倍。 关 键 词CO2-ECBM；煤层气；地质封存；潜力评估；河东煤田 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.004 Potential assessment of CO2-ECBM technique in Hedong coalfield DUAN Pengfei （Resources and Environment Survey Institute of Shanxi Coal Geology Bureau， Taiyuan 030006， China） Abstract On the basis of the integrated study of the geological conditions such as geological structures， properties of coal reservoir and gas-bearing properties in Hedong coalfield， the preliminary assessment of the potential for CBM extraction and concealing CO2 was carried out by using CO2-ECBM technique（ for coal seams at depth from 1 000 m to 1500 m）in Hedong coalfield. The results show that CO2-ECBM technique will increase 0.261012 m3 of CBM resources， accounting for 32.1％ of the total CBM resources， and the quantity of CO2 storage will be up to 12.18108 t， equivalent to 3.2 times of CO2 emission in 2013 in Shanxi Province. Key words CO2-ECBM； CBM； geological sequestration； potential assessment； Hedong coalfield CO2提高煤层气采收率技术（简称 CO2-ECBM 技术）的核心机制是 CO2吸附并驱替 CH4的动力学 过程。该技术的优势是有利于 CO2地质封存，可提 高煤层气采收率，具有一定的经济附加值。CO2减 排和 CH4清洁能源开采的双重效益，引起国内外学 者开展了大量的研究［1-13］。E Arril 等［1］和于洪观［2］ 对 CH4-CO2二元气体吸附特性和吸附量进行了研 究，结果表明 CO2在煤的微表面可以有效地驱替 CH4；张洪涛等［3］、刘延锋等［4］和姚素平等［5］对煤封 存 CO2地质条件以及煤封存 CO2的潜力进行了研 究； 刘占勇等［6］和高莎莎等［7］对煤储层渗透性及 CO2 注入煤层中渗透率变化规律进行了研究；王烽等［8］ 对利用 CO2-ECBM 技术在沁水盆地开采煤层气和 埋藏 CO2的潜力进行了初步评价。目前，美国、加 拿大、 日本和中国都进行了 CO2-ECBM 技术微型先 导性试验［9-13］。多次试验的结论都认为，向深部煤 层中注入 CO2提高煤层气的采收率同时实现 CO2地 质封存在技术上是可行的。 河东煤田煤层气资源条件良好，对河东煤田深 部煤层利用 CO2-ECBM 技术开采煤层气进行专门 研究具有较强的示范意义和实用价值，在分析研究 河 东 煤 田 煤 层 气 地 质 条 件 的 基 础 上 ， 对 利 用 CO2-ECBM 技术在河东煤田深部煤层开采煤层气 以及埋藏 CO2的潜力进行了初步评价。 1 河东煤田煤层气地质条件 从煤炭资源来说， 河东煤田主要含煤地层为上石 炭统太原组和下二叠统山西组，含煤 6～15 层，可采 6～8 层，煤层平均总厚度 7～28 m，煤阶为长焰煤-无 烟煤（图 1）。从煤层气资源来说，河东煤田煤层气资 源条件良好， 从北向南依次划分为保兴含气区、 三交 北含气区、三交-柳林含气区、石楼含气区、大宁- 吉县含气区，煤层气资源量达 2.7941012m3［14］。埋藏 CO2的煤层应具有不可开采性， 我国现阶段煤层开采 ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第 44 卷 深度甚至已经达到 800 m，考虑到能源消费、开采成 本以及开采技术的发展，结合前人研究成果［15-17］，确 定以埋深 1 000～1 500 m 煤层气资源为研究对象，进 行 CO2-ECBM 技术增采煤层气潜力评价。 1无烟煤；2贫煤；3瘦煤；4焦煤；5肥煤；6气煤；7弱粘煤；8长焰煤；9埋深 600 m 线 10埋深 1 000 m 线；11埋深 1 500 m 线；12埋深 2 000 m 线；13煤类分界线；14含气区界线 图 1 河东煤田煤炭资源分布图 Fig.1 Coal resources distribution in Hedong coalfield 1.1 地质构造 河东煤田地质构造以褶曲为主，总体为走向 SN、 向西倾斜的单斜，北部（临县以北）为走向近 SN、向西 倾斜的单斜，中部为近 EW 向的“鼻状隆起”，其背斜 轴部发育有 EW 向张性断裂，南部为走向 NE 向 NW 倾斜的单斜，并伴有次级褶曲。总的特征表现为南北 分区，东西分带。河东煤田各含气区的构造样式、性 质、 组合及复杂程度等未造成煤层中气体的大量逸散， 即构造环境有利于气体大面积、长期有效保存，煤层 气含量普遍较高，为典型的封闭型构造环境。 1.2 煤层特征 河东煤田煤层从上至下可分为山西组的1、2、3、4 号煤层和太原组的5、8、9、10 号煤层。其中山西组1、 2、3 号煤层平均厚度为0.56～1.36 m，为不稳定煤层，4 号煤层平均厚度为4.50 m，为稳定煤层。太原组5、8、 9 号煤层平均厚度为0.8～1.6 m，为不稳定-较稳定煤层， 10 号煤层平均厚度为 3.5 m，为稳定煤层。山西组的 4 号煤层和太原组的 10 号煤层为埋藏 CO2的优选煤层， 这是因为厚煤层一方面可以提供更大的 CO2储集空间， 另一方面，厚煤层相对于不连续的薄煤层而言，具有较 好的煤层连通性和稳定的渗透率，能够有效实现 CO2对 CH4的驱替，保障煤层气的采收率。 1.3 煤储层特征 1.3.1 煤储层的渗透性 煤储层渗透性主要取决于煤层的裂隙系统，包 括内生裂隙（割理）和外生裂隙（构造）。此外，煤体结 构、地层压力和原地应力也与煤层渗透性有关。孙 亮等［18］提出为保证 CO2地质封存，煤层渗透率至少 需要 110-3 μm2。目前，根据收集到的矿区煤层资 料（埋深＜800 m）评价分析可知，三交-柳林含气区山 西组 4 号煤层渗透率为（1.2～4.2）10-3μm2， 太原组 8 号煤层平均渗透率为 3.6810-3 μm 2，10 号煤层平均 渗透率为 2.3710-3 μm2。同等条件下，煤层渗透率 随煤层埋深增大而降低。另外，研究成果表明向煤 层注入 CO2后，煤体中矿物质与 CO2及水反应后会 提升煤体的渗透率，弱酸溶液对中等渗透率煤体改 善效果较好［7］。 1.3.2 煤储层围岩的封盖条件 煤储层围岩是指煤层的顶板和底板，它们构成 煤层气的盖层。在长期地史演化中，河东聚气盆地 地壳稳定下沉，接受沉积埋藏较深，盖层较厚，且 盖层普遍发育透气性较差的致密岩层， 如泥质岩类， 整个煤储层气体处于原始保存状态，后期构造变形 微弱，煤层气体得以长期保存。如石楼、大宁-吉县 含气区石炭二叠系主采煤层不仅厚度大，分布广， 在 1 000 m 以深区段构造变形微弱，且盖层以透气 性差的泥质岩占优势，气体埋藏保存条件好。 1.4 煤层含气性特征 河东煤田煤层变质程度较高， 煤田北部以肥煤为 主，中南部为焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤，煤层气含 量较大， 煤层气丰度也相应较高， 为 2.48108 m3/km2。 河东煤田（聚气盆地）煤层含气量主要受埋深控制， 埋深与煤层含气量的关系总体上表现为煤层含气量 随埋深的加大而增大，表现为自盆地周边煤层露头向 盆地腹地煤层含气量逐渐增大，最高达 24 m3/t［19］。丰 富的煤层气资源提高了 CO2埋藏的经济效益。 ChaoXing 第 3 期 段鹏飞 CO2-ECBM 技术在河东煤田的潜力评估 23 以上研究表明，河东煤田煤层变质程度较高， 煤层气含量较大，煤层气丰度也相应较高，煤储层 渗透率较好，具有良好的盖层条件，其中山西组的 4 号煤层和太原组的 10 号煤层为埋藏 CO2的优选煤 层，埋藏环境为典型的封闭型构造环境，这些条件 的具备为在河东煤田深部煤层利用 CO2-ECBM 技 术增采煤层气奠定了基础。 2 CO2-ECBM 技术潜力预测 以 2007 年山西省煤层气地质研究及资源评价 结果［11］为基础，对河东煤田深部煤层（埋深 1 000～ 1 500 m）CO2-ECBM 技术潜力进行了初步评价。评 价内容包括 3 部分初次可采资源量、CO2-ECBM 技术增产资源量和 CO2埋藏量。 2.1 计算方法及参数选取 2.1.1 煤层气初次可采资源量 依据目前国内外煤层气勘探开发现状，采用常 规方法可开采的资源量称为初次可采资源量。目前 常规煤层气开采多在 1 500 m 以浅，煤层气初次可 采资源量计算公式如下 GCBMGR0 （1） 式中 GCBM为初次可采资源量， m3； G 为埋深 1 000～1 500 m 煤层气资源量，约为 0.811012 m3；R0为平均 采收率，％，其取值与煤储层特征、储层原始压力、 临界解吸压力、钻井、完井及排采工艺密切相关。叶 建平等［20］根据我国部分煤层气试井数据，计算得出 我国煤层气的采收率变化区间为 8.9％～74.5％，平均 值为35％。 本次评价参考最新资评数据， R0取值37％。 2.1.2 CO2-ECBM 技术增产资源量 利用 CO2-ECBM 技术煤层气增产资源量计算 公式如下 GECBM（G-GCBM）AR （2） 式中 GECBM为注 CO2煤层气增产资源量，m3；A 为面积平衡因子， 本次取值 100％； R 为 CO2-ECBM 采收率，％。由于原始煤储层压力、现场注入时间 等条件限制， CO2-ECBM 采收率不可能达到 100％。 煤层气采收率随煤阶增高而降低，变化范围为 50％～100％［4］。 用 COMET2 对不同煤阶 CO2-ECBM 产量进行模拟，得出各煤阶中煤层气的采收率，其 中气煤、肥煤为 55％～61％，肥煤以上煤阶均为 50％［10］。河东煤田煤阶较高，埋深 1 000～1 500 m 贫煤、瘦煤、焦煤占 80％，肥煤占 19％，气煤占 1％，同时考虑到深部煤层渗透率降低等因素，R 取值为 51％。 2.1.3 CO2埋藏量 CO2埋藏空间包括两部分，一部分为采用常规 技术初次开采煤层气产生的储存空间，另一部分为 利用 CO2-ECBM 技术置换 CH4的存储空间。事实 上，计算 CO2埋藏量，初次开采煤层气产生的储存 空间与注入 CO2驱替 CH4的效果是一致的。CO2埋 藏潜力计算公式如下 S ρ（GCBMA＋GECBM）RER （3） 式中 S 为 CO2的可埋藏量，kg；ρ 为标准压力和温 度条件下的 CO2密度， 取 1.977 kg/m3； RER为 CO2/CH4 置换比，不同煤阶的吸附能力不同，CO2/CH4置换 比也不同。研究表明随着煤阶增大，CO2/CH4置换 比由 101∶逐渐降到 11∶ ［4］，参考于洪观等［2］的研 究成果，综合河东煤田煤阶、煤层吸附能力等因素， 本次确定 RER为 110％。 2.2 评价结果 将相关计算参数（表 1）代入式（1）式（3）对初次 开采煤层气资源量、CO2-ECBM 技术增产资源量、 CO2埋藏量进行计算。 表 1 计算参数表 Table 1 Calculation parameters G /1012 m3 R0/％ R /％ A /％ RER /％ ρ /（kgm-3） 0.81 37 51 100 110 1.977 河东煤田深部煤层（埋深 1 000～1 500 m）煤层 气总资源量为 0.811012 m3，通过常规技术可开采 煤层气 0.301012 m3，采收率达到 37％。利用 CO2-ECBM 技术增产煤层气资源量为 0.261012 m3， 为煤层气总资源量的 32.1％。通过初次抽采和利用 CO2-ECBM 技术开采可使煤层气可采资源量达 0.561012 m3，约为总资源量的 69％。CO2埋藏量为 12.18108 t，相当于山西省 2013 年 CO2排放量［21］ 的 3.2 倍。 3 结 论 a. 河东煤田煤变质程度较高，煤层气含量较 大，煤储层渗透率较好，具有良好的盖层条件，埋 藏环境为典型的封闭型环境，这些条件的具备为在 河东煤田深部煤层利用 CO2-ECBM 技术增采煤层 气奠定了基础。 b. 河东煤田深部煤层（埋深 1 000～1 500 m）煤 层气总资源量为 0.811012 m3， 通过常规技术可开采 煤层气 0.301012 m3，利用 CO2-ECBM 技术增产煤 层气资源量为 0.261012 m3，为煤层气总资源量的 32.1％，CO2埋藏量为 12.18108 t。 c. 建议在河东煤田中、北部选择合理区块开展 CO2-ECBM 技术微型先导性试验研究。 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 44 卷 参考文献 ［1］ ARRIL E，YEE D，MORGAN W D，et al. 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