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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

构造裂隙对CO2驱煤层气地质封存的影响

2023-08-31


创新点
(1)初步建立了构造裂隙发育煤储层CO2驱煤层气运移剖面模型,为采气井复杂工程响应分析提供了理论支撑。
(2)采用数值方法得到了煤储层构造裂隙对CH4增产和CO2封存的影响规律。
(3)评估了试验井组注CO2驱煤层气地质封存效果,揭示了现场试验中CO2快速突破机制。
(4)剖析了CO2快速突破对注采工艺设计与优化的启示内涵,提出了以注压调控为主、排采管控为辅的构造裂隙发育煤储层全阶段注采工艺建议。

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构造裂隙对CO2驱煤层气地质封存的影响

作者:王梓良1, 2, 4 ,桑树勋1, 3, 4 ,周效志1, 2 ,刘旭东1, 2, 4 ,张守仁5
单位:1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院;2. 中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室;3. 中国矿业大学 碳中和研究院;4. 中国矿业大学 江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室;5. 中联煤层气有限责任公司
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
煤储层CO2驱煤层气地质封存技术 (COSe-questration and Enhanced Coalbed Methane Recovery) 融温室气体减排与低碳能源开发为一体,是实现双 碳目标重要举措之一,发展潜力巨大。其微观机 理为注入CO2CH4竞争吸附位,CH4从微孔表面解吸产出,CO2取代CH4吸附在煤基质中,进而实现CO2煤基封存。宏观过程描述为注入CO2有效置换 CH并驱动解吸CH4和裂隙水向采气井运移的过程。前人采用岩心驱替实验和数值模拟论证了理论可行性,并探讨了渗透率、地应力、 注入压力、注入速率、排采程度等对CH增产和CO2封存的影响。
为验证技术可行性,自1995 年以来,美国、加拿 大、欧盟、日本及我国开展了不同煤阶煤层、不同地质条件下注CO2驱煤层气地质封存试验,取得了 一系列新成果与新认识。由于CO2注入量限制及注 入周期短,大多数示范项目在项目期内均未发现监测 井或采气井CO2突破,亦未见产气量明显变化。然而,在2021 年沁水盆地柿庄南区块实施的TS−634井组注CO2驱煤层气地质封存现场试验中有了新发现, 取样测试发现TS−634井组中部分采气井产出气中CO2浓度异常,地面监测发现研究区内存在明显CO2运移路径。由于柿庄南区块广泛发育构造裂隙,且 后期注入井底压力较高 (可达12.92 MPa),故推测此CO2快速运移突破与构造裂隙及注压诱导开启密切 相关。因此,深入探讨构造裂隙对煤层气增产和CO2封存的影响,全面揭示CO2快速突破机制对于构造裂隙发育区CO2高效驱煤层气地质封存具有重要意义。
笔者基于理论分析建立了煤储层CO2驱替运移剖面,构建了CO2驱煤层气地质封存数值模型,以TS−634井组储层关键参数为输入,首先探讨了煤储层构造裂隙优势渗流通道对CH4增产和CO2封存的影响 规律,然后评价了TS−634井组注CO2驱煤层气地质封存效果,揭示了现场试验中CO2快速突破机制,最后剖析了CO2快速突破对注采工艺优化的启示内涵, 并提出了构造裂隙发育煤储层注采工艺建议。以期为复杂构造裂隙发育煤储层CH4增产和CO2封存潜力评价及注采工艺优化提供有益参考。
摘要
 ABSTRACT
CO2驱煤层气地质封存 (CO2−ECBM) 过程中,煤储层中发育的构造裂隙在注入压力诱导作 用下可能成为气水渗流的优势通道,进而影响煤层气增产与CO2封存效果。基于理论分析建立了煤储层CO2驱替运移剖面,构建了CO2驱煤层气地质封存数值模型,探讨了构造裂隙优势渗流通道对CH4增产和CO封存的影响规律,评价了试验井组注CO2驱煤层气地质封存效果,揭示了 注入试验中CO2快速突破机制,剖析了CO2快速突破对注采工艺优化的启示内涵,并提出了构造 裂隙发育煤储层注采工艺建议。
研究结果表明,注采井间可依次形成CO2富集区、CH4−CO2混合区、CH4富集区和裂隙水富集区。随注入进行,各富集区形成、演化并接续影响采气井,其中 裂隙水运移难易决定了产能抑制强度,进而控制了采气井增产效果和储层封存效果。沿构造裂隙 采气井能实现CH4高效增产,但裂隙渗透率偏大往往导致CO2窜流进而引起CH4累计产气量与CO2累计封存量降低。项目期内CO2注入对强突破井具有显著的增产效果,实际累计产气量提高10.4%,流压等效累计产气量提高92.3%。构造裂隙为CO2快速突破提供了潜在优势通道,注压是 诱导其成为优势渗流通道的主要原因,储层压裂改造区的存在和液态 CO2相变膨胀增能可能加速CO2运移突破,而煤基质膨胀降渗效应有望延缓突破。为达到更好的驱替封存效果,需要在前期快速提升井底压力,在产能抑制阶段微调注压或增加采气井排采强度,全阶段维持注入井井底压力低于储层最小主应力。突破后,通过不定期关启采气井或降低注压可增加CO2与煤基质接触时间,有望进一步提高CH4采收率。

部分图片


 1    构造裂隙发育煤储层 CO驱替运移剖面


 2    柿庄南区块构造纲要图及试验井组位置


 3    采井平面布置与模拟区域网格剖分


 4    不同裂隙优势渗流条件下基质 CH含气量时空演化


 5    不同裂隙优势渗流条件下基质 CO含气量时空演化


 6    不同裂隙优势渗流条件下气体产出变化


 7    累计地表形变和被动地震监测结果


 8    TS06−3DTS06−4DTS−674 和 TS−636 气体成分变化


 9    试验区水平最小主应力平面分布






作者简介


王梓良,1995—)安徽潜山人中国矿业大学资源与地球科学学院博士研究生参与国家重点研发计划项目CO2驱煤层气关键技术”、国家重大科研仪器研制项目“构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟试验系统”和国家自然科学基金碳中和专项资助项目研究。发表学术论文7篇,其中以第一作者在《煤炭学报》、《Journal of Petroleum Science and Engineering》和《Gas Science and Engineering》等国内外高水平期刊上发表论文4篇,获授权国家发明专利2项(排名第二)。


研究方向

CO2驱煤层气地质封存、构造煤原位煤层气开发


主要成果

围绕煤层(系)气高效勘探开发理论与技术,致力于CO2驱煤层气地质封存和碎软构造煤地面井造洞穴应力释放开发的研究,取得了多项创新性成果。探究了工程尺度气驱水运移行为及潜在影响,阐明了低渗煤储层阶段性抑产机理,量化分析了储层各向异性、局部构造裂隙及注-采工艺因素对增产封存的影响规律,揭示了现场试验CO2多因素耦合诱导快速突破机制,提出了地质-储层适配性注采工艺方法。在构造煤煤层气应力释放开发方面,提出了水平井造洞穴应力释放等效模拟方法,分析了碎软储层应力释放响应特征及地质-力学参数-工程因素约束机制,揭示了复杂构造应力环境下应力释放激励储层渗透性演化机理与模式,有益地补充了应力释放解吸采气理论,进一步论证了构造煤原位煤层气水平井造洞穴应力释放开发的理论可行性。


来源:

王梓良,桑树勋,周效志,等构造裂隙对 CO驱煤层气地质封存的影响[J]. 煤炭学报202348(8):3151−3161.


责编:韩晋平
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


  责任编辑:宫在芹
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