(Y)利用CO_2_ECBM技术在沁水盆地开采煤层气和埋藏CO_2的潜力_图文.doc

*本文为国家自然科学重点基金项目 编号 40730422 和国家重点基础研究发展计划 973计划 项目 编号 2009CB 219604 。 作者简介 王烽 , 1984年生 , 硕士研究生 ; 主要从事油气地质、 煤层气地质研究工作。地址 100083 北京市 海淀区学院路 29号中国地质大学 S06能源。电话 010 82282474。 E 利用 CO 22ECBM 技术在沁水盆地开采煤层气 和埋藏 CO 2的潜力 王 烽 1, 2 汤达祯 1 刘洪林 2 刘 玲 1 李贵中 2 王 勃 2 1. 中国地质大学 北京 能源学院 2. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院 王烽等 . 利用 CO 22ECBM 技术在沁水盆地开采煤层气和埋藏 CO 2的潜力 . 天然气工业 , 2009, 294 1172120. 摘 要 利用 CO 22ECBM 技术在深部煤 层进行 CO 2埋藏不仅 对减缓全 球气候 变暖具 有重大 意义 , 而且能 够 促进煤层气增产 , 是 CO 2减排最有效方式之一 。 沁水盆地为一 NNE 复向斜 构造 , 其 边缘地区 由于断裂发 育 、 强 水 动力条件和煤矿的开采 , 不 利于 CO 2埋 藏 。 盆地 中心区 稳定 的构 造环境 、 弱 水动 力条 件及 良好 的区 域性 盖层 为 CO 2埋藏提供了很好的保存条件 。 依据前人关于 CO 2/CH 4等温吸附特 性相关实 验参数 , 初步评 价了 CO 22ECBM 技术在沁水盆地开采煤 层气 和埋 藏 CO 2的 潜力 。 结果 表明 CO 22ECBM 技术 可使 沁 水盆 地煤 层 气可 采量 增 加 1. 041012m 3, 埋藏 CO 2量可达 47. 7108t 。 关键词 沁水盆地 CO 22ECBM 温室气体 煤层气 采收率 CO 2/CH 4置换比 DOI10. 3787/j. issn. 100020976. 2009. 04. 036 注入 CO 2开采煤层气简称 CO 22ECBM 技术 图 1 , 其核心机制是 CO 2吸附及驱替 CH 4的动力学过 程。相关学者依据煤储层吸 附 解 吸机理 , 分别进 行了 CH 4、 CO 2吸附 解 吸和 注入 CO 2置换 煤层 CH 4实验 [122]。试验结果表明 注入 CO 2气体可以 减少煤层 CH 4的分压 , 加速煤层 CH 4的解吸 , 同时 CH 4、 CO 2在煤层中存在竞争吸附机制 , CO 2组分的 吸附速率是先快后慢 , 而 CH 4组分的吸附速率先慢 后快 , 解 吸时 则 相反 , 反 映 出 CO 2的吸 附 能 高于 CH 4的吸附能 , 它可以将 CH 4从煤的微表面置换出 来 , 从而提高煤层 CH 4的采收率。 目前 , 利用 CO 22ECBM 技术埋藏 CO 2在我国还 处于可行性和示范性研究阶段 , 2002年中国和加拿 大的合作项目在沁水南部 T L 2003井 3号煤层注入 192. 8t 液态 CO 2, 提高了煤层 气产量 , 显示了很好 的埋藏潜力和增产前景 , 这也是我国首次开展注入 CO 2增产煤层气先导性试验 [3] 。 1 沁水盆地 CO 2埋藏的基本地质条件 沁水盆地主要含煤地层为上石炭统太原组和下 二叠 统山西组 , 可采煤层多达 10层以上 , 单层最大 图 1 注 CO 2开采煤层气概念模型图 厚度 6. 5m, 煤层总厚度在 1. 223. 6m 。主力煤层 为山西组 3号煤和太原组 15号煤 , 横向分布稳定 , 煤阶为贫煤 无烟煤 , 为 CO 2封存提供了有利条件。 1. 1 煤层含气性 据新一轮煤层气资源评价结果 , 沁水盆地煤层 气资源量为 3. 971012 m 3 , 平均资源丰度超过 1108m 3/km 2。 3号煤层平 均含气量为 11. 94m 3/t; 15号煤层为 12. 45m 3/t, 从两翼向核部随埋深的增 117第 29卷第 4期 天 然 气 工 业 新 能 源 加 , 含气量逐渐增高 , 最高达 23m 3/t, 丰富的煤层气 资源提高了 CO 2埋藏的经济效益。 1. 2 煤岩吸附解吸特征 煤岩吸附解吸特征是评价 CO 2埋藏和煤层气增 产潜能的重要因素。从测试统计结果来看 , 沁水盆 地主力煤层的吸附能力相对较高 , 其中 3号煤层兰 氏体积平均为 39. 03m 3/t, 兰氏压力平均为 2. 902MPa; 而 15号煤层兰氏体积平均为 40. 91m 3/t, 兰 氏压力平均为 2. 542MPa 。主煤层平均理论吸附量 较高 , 有较强的储气能力 , 这与研究区以中 高煤级 煤为主的煤级分布特征有关 ; 一般兰氏体积大的地 区兰氏压力也较高 , 有利于 CO 2埋藏和煤层气排采。 唐书恒 [4]等 通过注 CO 2驱替煤层 甲烷模拟实 验 , 探讨了沁水盆地晋城和潞安地区煤层 CO 2驱替 过程中气体的吸附解吸特征。结果表明 在 CO 2驱 替实验中 , 晋城煤样 CH 4单位压降下的解吸率提高 了 150, 潞安煤样 CH 4单位压降下的解吸率提高 了 270。由此可见 , CO 22ECBM 技术可以显著提 高沁水盆地煤层气采收率。 1. 3 构造特征 含煤盆地所处大地构造位置和现今构造形态特 征是 CO 2气体埋藏选区的关键因素。沁水盆地主体 为一轴向 NNE 的复式向斜 , 两翼不对称 , 西翼地层 倾角相对较陡 , 东翼相对平缓。在复式向斜的两翼 发育有一系列次级褶曲 , 褶曲轴走向以 NNE 向和 NE 向为主 , 局部地区受后期构造运动的改造 , 轴向 改变。断层主要分布在盆地西北部的西山 汾西 霍州一带和 盆地 东南边 缘的 襄垣 长治 高 平一 带 , 断裂规模和性质不同 , 以正断层居多 , 断层走向 长从几百米到数十公里不等 , 断距从几米到 4000余 米 , 断层延伸方向以 NE 向为主 , 局部呈近 EW 向和 NW 向延伸。在盆地中 部就有 一组 近东西 向正断 层 , 即双头 襄垣断裂构造带。从物探资料看 , 深部 似乎有断层减少、 断距变小的趋势 ; 从井下采煤揭露 的情况看 , 断层的密度较小。总体来看 , 盆地西北 部和东南边缘断层发育区不利于 CO 2埋藏 , 盆地中 心构造稳定 , 断层不发育 , 有利于 CO 2气体保存。 1. 4 水文特征 地下水动力学条件的控气特征概括为水力运移 逸散、 水力封闭、 水力封堵 3种作用。其中 , 水力运 移逸散作用导致气体散失 , 是 CO 2气体注入后潜在 的泄露通道。 沁水盆地垂向上存在 奥陶系、 石炭 二叠系和 第四系 3套主要含水层系 , 含水层主要为碳酸盐岩、 砂岩和松散沉积层。其中 , 中奥陶统为区内的主要 含水层 , 石炭系 二叠系含水层的含水性通常较弱 , 第四系松散沉积物含水层的含水性变化较大但影响 范围相对局限。煤系地层上部和下部存在上石炭统 隔水层、 太原组和山西组泥岩和砂质泥岩隔水层、 上 石盒子组中下部及下石盒子组隔水层组 , 煤系地层 含水层 与上 覆 第四 系松 散含 水层、 下 伏 石灰 岩岩 溶 裂隙含水层基本上无水力联系。平面上有多个 水力系统 图 2 [5] , 主要受控于分水岭 , 盆地南部为 汇水区 , 呈单斜向盆内延伸 , 断层不发育 , 地下水呈 汇流状。在分水岭以南地区 , 东、 南、 西、 北四面水体 向水位低等势面部位汇流 , 即形成了向深部汇流之 势。受到煤层上下低渗透性围岩在垂向上的封堵作 用 , 在潘庄、 樊庄地区形成了低洼地带 , 该地区地下 水径流条件最弱。 图 2 沁水盆地水文地质图 据 陈刚修改 1. 盆地边界 ; 2. 地质界线 ; 3. 山峰 及高程 m ; 4. 河 流与水库 ; 5. 泉水流量 m 3/s /泉口高程 m ; 6. 岩 溶地下水 主径流方 向 ; 7. 裂 隙 地下水主径流方向 ; 8. 孔隙地下水主径流方向 沁水盆地煤层直接充水含水层为煤系中砂岩裂 隙水 , 含水性微弱 , 渗透系数低 , 水流趋于停滞 , 阻止 118新 能 源 天 然 气 工 业 2009年 4月 了煤层气扩散。地下水沿煤层、 含水层露头补给 , 向 深部 运移 , 径流 强度由强变弱 , 形成盆地 深部滞留 带 , 是 CO 2气体埋藏有利区。 1. 5盖层发育特征 良好的封盖层可以有效抑制气体扩散 , 使得注 入的 CO 2气体能够稳定封存于地下。沁水盆地煤层 具有稳定的封盖条件 , 3号煤层之上直接盖层为厚达 50m 的泥岩、 炭质泥岩组合 , 厚度大、 质纯、 致密坚 硬 , 岩心未见裂缝 , 其突破压力为 815MPa, 是一 套非常好的封盖层。 15号煤层直接盖层为一套厚度 13m 以上 , 稳定分布的致密灰岩 , 裂缝不发育 , 突破 压力为 816MPa, 封盖性能好。同时 , 厚达 150m 以上泥岩、 粉砂质泥岩区域性盖层 , 为 CO 2气体保存 提供了有利的条件。 1. 6煤矿开采深度 由于煤矿开采是 CO 2埋藏潜在的泄露风险 , 因 此 CO 2埋藏区需规避现在的煤矿开采和潜在的煤矿 开采区。依据我 国煤矿井 井深分类 , 浅矿 井 小于 400m 和 中 深矿 井 400800m 占 矿井 总 数的 95. 82, 600m 以浅矿井占 80以上 [6], 国有重点 煤矿矿井平均开 采深度约 420m, 山西现有各类煤 矿开采深度多小于 500m [7]。故笔者将 600m 以深 煤层确定为深部煤层 , 划分为 CO 2埋藏潜在有利区。 以上研究表明 , 沁水盆地煤层气资源丰富 , 煤层 吸附性强 , 为 CO 2埋藏提供了巨大储存空间。盆地 边缘地区由于断裂发育、 强水动力条件和煤矿的开 采 , 注入的 CO 2存在 泄露风 险 , 不 利于 CO 2埋藏。 盆地中心区稳定的构造环境、 弱水动力条件及良好 的区域性盖层为 CO 2埋藏提供了很好的保存条件 , 是 CO 2埋藏有利区。通过计算 , 沁水盆地潜在埋藏 面积达 1. 8104km 2, 约为总含煤面积的 55。 2CO 2埋藏及煤层气增产潜力预测 沁水盆地是我国煤层气开发的热点地区 , 不同 的单位和学者先后对该地区煤层气资源量进行了预 测和评价 , 结果各不相同 [8210]。本次评价以 2006全 国煤层 气 资源 评价 结果 为基 础 , 参 考美 国能 源部 CO 2埋藏潜力 评估方法 Scott, 2003 , 对 沁水盆地 CO 2埋藏潜力和注 CO 2增产潜力进行了初步评价。 整个评价主要包括 3部 分 初 次可采资 源量、 CO 22 ECBM 技术增产资源量、 CO 2总埋藏量。 2. 1计算方法及参数选取 2. 1. 1煤层气初次可采资源量 依据目前国内煤层气勘探开发现状 , 采用常规 方法可采的资源量称作初次可采资源量。目前 , 常 规煤层气开采多在 1500m 以浅 , 因此 , 本次计算初 次可采资源量以 1500m 以浅为基础 , 将 1500m 以 深视为常规方法深部资源。煤层气初次可采资源量 计算公式如下 G C BM G -R 1 式中 G C BM 为初次可采资源量 , G -为 1500m 以浅煤 层气资源量 , 约为 3. 081012m 3。 R 为平均采收率 , 不仅与煤储层特征、 储层原始压力和临界解吸压力 有关 , 而且与钻 井、 完 井及排 采工艺 有关。叶 建平 等 [11]依据我国部分煤层气试井数据计算出我国煤层 气平均采收率为 35, 本次评价参考最新资评结果 , 沁水盆地平均采收率约为 36. 5。 2. 1. 2CO 22ECBM 技术增产资源量 笔者将 CO 22ECBM 技术提高煤层气资源量分 为两部分进行计算 , 即 1500m 以浅煤层气增产量 和 1500m 以深资源增产量。通过 CO 22ECBM 技术 煤层气增产资源量计算公式如下 G ECB M G -EC BM G EC BM G --G CB M AR -G R 2 式中 G EC BM 为通 过注 CO 2煤 层 气增 产总 资源 量 , G -ECB M 为 1500m 以浅增产资源量 , G ECB M 为 1500 m 以深增产资源量 , A 为面积平衡因子 , G 为 1500 m 以深煤层气资源量 , R -、 R 分别为 1500m 上、 下 CO 22ECBM 采收率。 前文已经讨论了关于沁水盆地潜在埋藏区域 , 计算过程中选取面积平衡因子为 55, 以调整 CO 2埋藏面积。由于现场注入时间、 原始煤储层压力等 条件限制 , CO 22ECBM 采收率不可能达到 100, 采 收率随 煤阶增 高而逐 渐降低 , 变 化范围 为 50 100Scott, 2003 。 由 于 沁 水 盆 地 煤 阶 较 高 , 1500m 以浅贫煤、 无烟 煤占 93, 1500m 以深几 乎为贫煤、 无烟煤 , 同时考虑到深部渗透率降低等不 利因素 , 1500m 上下分别选取不同的采收率进行计 算 , R -为 60, R 为 45。 2. 1. 3CO 2埋藏量 CO 2埋藏空间包括两个部分 , 一部分为常规技 术初次 开采 煤 层气 产生 的储 存空 间 , 另 一部 分为 CO 22ECBM 技术开采煤层气置换 CH 4的存储空间。 事实上 , 对于 CO 2埋藏量计算 , 初次开采煤层气产生 的储存空间与注入 CO 2替换 CH 4的效果是一致的。 CO 2埋藏潜能计算公式如下 S CO 2 Q C O 2 [G GB M A G -EC BM R -ER G ECBM R ER ] 3 119 式中 S CO 2 为总埋藏量 ; Q CO 2 为标准压力和温度条件 下的密度 ; R -ER 为 1500m 以浅 CO 2/CH 4置换比 ; R ER 为 1500m 以深 CO 2/CH 4置换比。 不同煤阶的吸附能力不同 , 因此 CO 2/CH 4置换 比也不同 , Scott 等通过实验研究表明 , 随煤阶增大 , CO 2/CH 4置换比由 10B 1逐渐减小到 1B 1, Gunter 等研究表明 CO 2/CH 4置换比约为 2B 1。参考于洪 冠等人的研究结果 [12], 综合沁水盆地 煤阶类型、 煤 层吸附能力等因素 , 本次研究中确定 R _ER为 150, R ER 为 130。 2. 2评价结果 利用上述公式 1 3 和相关计算参数 表 1 , 表 1可采资源及 CO 2埋藏量计算参数表 G 1012m 3 G - 1012m 3 G 1012m 3 R A R - R R -ER R ER Q CO 2 kg/m 3 3. 973. 080. 8936. 55560451501301. 977 分别 进 行 了 沁 水 盆 地 煤 层 气 初 次 可 采 资 源 量、 ECBM 技术增产资源量、 CO 2总埋藏量计算。 沁水盆地总资源量为 3. 971012m 3, 其中 1500 m 以浅资源为 3. 081012m 3, 通过常规技术可开采 煤层气 1. 131012m 3, 采 收率达到 36. 5。通过 ECBM 技术增产煤层气资源为 1. 041012m 3, 为总 资源量的 26. 2。其中 , 1500m 以浅煤层气增产 20. 8, 达 0. 641012m 3, 为 初次 可 采资 源 量的 56. 6, 1500m 以深煤层气可采资源达 0. 41012 m 3。通过初次排采和 CO 2注入使沁水盆地可采资 源量达 2. 171012m 3, 约为总资源量的 54. 7。 考 虑 到气 体保 存条 件和 煤矿 开 采 , 沁水 盆地 CO 2埋藏面积约为含煤面积的 55, 可埋藏 CO 2总 量为 47. 7108t 。其中 1500m 以浅为 37. 4108 t, 约占 78. 4, 1500m 以深为 10. 3108t 。依据 山西省目前 每 年 1. 5108t 的 CO 2排放 总 量计 算 [13], 沁水盆地可埋藏山西省 32a 的 CO 2排放量。 3结论 研究表明 , 沁水盆地丰富的煤层气资源和强大 的储层吸附性为 CO 2埋藏提供了巨大的储存空间 , 而盆地中心区稳定构造、 水动力条件较弱和发育的 区域性盖层为 CO 2埋藏提供了保存条件 , 排除盆地 边缘的断裂发育和强水动力区及煤矿开采区 , 约有 55的含煤面积可成为 CO 2的潜在埋藏区。 沁水盆地煤层气总资源量为 3. 971012m 3, 初 次可采资源量为 1. 131012m 3, 通过 CO 2埋藏技术 开采煤层气使可采量增加 1. 041012m 3, 煤层气总 可采量达 到 56. 6。 沁水 盆 地 CO 2埋 藏 量 可达 47. 7108t 。 参 考 文 献 [1]唐书恒 , 杨起 , 汤达 祯 . 注 气提高 煤层甲 烷采收率 机理 及 实验研究 [J]. 石油试验地质 , 2002, 246 5452549. 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Field pr actices of this index system and model wer e carr ied out on the actual customer s along a cer tain pipeline. T he for mer three cli 2ents, two fr om ur ban fuel users and one int egrat ed user , are char acterized by a lar ge amount of gas consumpt ion and high pr ice bear ing capacity. This field study shows that there is great pot entia l for developing ur ban fuel gas users; the industr ial user s should be those who have higher price bearing capacity; and t he nat ur al gas user s should be under control in a better way. St udy r esults a re well in agreement with the Chinese National P olicy on Natural Gas Utilization. KEY WORDSnat ur al gas, customer, uation index syst em, mathematical model, Analytic H ierar chy Pr ocessAH P DOI10. 3787/j. issn. 100020976. 2009. 04. 034 CHEN Jin 2dia n engineer , born in 1980, gr aduated from Southwest Petroleum Univer sity in 2006. He holds an M. Sc. de 2gree, being mainly engaged in natur al gas development str ategy and market r esear ch. AddRoom 1009, No. 3, West Zhi 2xin Rd. , Haidian Dist rict, Beijing 100083, P. R. China Tel86210282383428 E An optimization model of gas consumption amount allocation for natural gas users YA NG Yi 1, ZH OU Zhi 2bin 2, LI Chang 2jun 3 1. Beij ing Centr e f or Oil 2. P etr oChina Southwest Oil 3. Southwest P etr oleum Univer sity, Chengdu 610500, China NATUR. GAS IND. VOLUME 29, ISSUE 4, pp. 1152116, 4/25/2009. I SSN 100020976; In Chinese ABSTRACTIn or der to develop the advantage of nat ur al gas to highest degr ee and make out a most profitable pr oject on natu 2r al gas trade, this study analyzed the characterist ics of nat ur al gas users, and t hen built up an optimization model of gas con 2sumpt ion amount allocation for natural gas users with best social effects and biggest economic returns as objective functions. This optimization model was obtained by the simplex after being divided into two stages of optimization. The numerical examples show that t his model and its mathemat ical algor ithm ar e feasible enough f or natur al gas sales departments to make out best marketing programs. KEY WORDSnat ur al gas, customer, gas consumption amount, a llocation, optimization model DOI10. 3787/j. issn. 100020976. 2009. 04. 035 YANG Yi associate researcher , bor n in 1977, holds a Ph. D degree. H e is mainly engaged in oil and gas r egulat ion, manage 2ment and r esear ch. AddZhongguo Shiyou Mall, No. 9, North Dongzhimen Avenue, Dongcheng Dist rict, Beijing 100007, P. R. China Mobile86213882202733 E 2mailyangyi. xnpetrochina. com. cn Analysis on the potential of the carbon dioxide 2enhanced coalbed methane CO 22ECBM recover y in the Qin 2shui basin WANG Feng 1, 2 , T ANG Da 2zhen 1 , LIU H ong 2lin 2 , LIU Ling 1 , LI Gui 2hong 2 , WANG Bo 2 1. E ner gy Resour ces School, China Univer sity of Geosciences, Beij ing 100083, China ; 2. La ngf ang Br anch, Petr oChina Resear ch I nstitute of P etr oleum E xplora tion and Develop ment , Langf a ng 065007, China 146 NA TU RA L GAS I NDU STRY , VOLU ME 29, ISSUE 4, 2009 APRI L 25, 2009 NATURAL GAS INDUSTRY , VOLU ME 29, ISSUE 4, 2009 APRI L 25, 2009 NATUR. GAS IND. VOLUME 29, ISSUE 4, pp. 1172120, 4/ 25/ 2009. I SSN 100020976; In Chinese ABSTRACT The geologica l stor age of CO 2 in deep coal seams by use of the CO2 sequestr ation and enhanced coalbed methane CO 22 ECBM technology, which is an effective means to reduce the release of CO 2 into the at mospher e, will not only help slow down global war ming but also stimulate the increase of the recovery r atio of coalbed methane. The Qinshui basin pr esents NEE synclinor ia structure, t he mar ginal area of which has disadvantages for CO2 storage because of well developed faults and frac2 2 tur es, coal mining and a strong hydr odynamic condition; while the centr e of which provides good advantages for CO2 storage due to its stable str ucture, favorable r egional capr ocks and weak hydr odynamic condition. According to t he related laboratory par ameters of CO 2 / CH 4 adsor ption isotherm collected by the pr edecessors, this paper preliminarily analyzed on the potential of CO 22ECBM in the Qinshui basin. T he r esult fr om this analysis shows that this CO22ECBM recovery will possibly help increase the r ecover y r atio of coalbed methane up to 1. 04 t cm and the quantit y of CO2 storage up to 4. 77 billion tons. KEY WORDS Qinshui basin, CO2 sequest ration and enhanced coalbed methane CO22ECBM technology, greenhouse gases, coalbed methane, r atio of recovery, CO2 / CH 4 substitution r ate DOI 10. 3787/ j. issn. 1000 20976. 2009. 04. 036 WANG Feng professor , born in 1961, is studying for an M. Sc. degree, being mainly engaged in hydr ocarbons and coalbed met hane resour ces ener gy. Add No. 29, Xueyuan Rd. , H aidian Distr ict, Beijing 100083, P . R. China Tel 86 28228 2474 210 E2mail wfess 126. com Proposals on sett ing a gas quality standard for coalbed met hane in China ZH ENG Gui2qiang lin3 1. E ner gy Resour ces School , Chi na Uni ver sit y of Geosci ences, Beij i ng 100083, Chi na ; 2. La ngf ang Br anch, P etr oChi na Resear ch I nst i tute of P et rol eum Ex pl or at ion 3. Wuha n Shal l ow F ormati on Eng ineer ing In Chinese A