張守仁，桑樹勛，吳 見，周效志，張 兵，楊瑞召，郭建春，劉旭東，張偉祺，李 勇

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；4. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

CO2是地球上主要的溫室氣體，有效實(shí)施CO2封存是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的重要途徑。CO2驅(qū)煤層氣(CO2-ECBM)將碳封存和提高煤層氣采收率相結(jié)合，具有促進(jìn)天然氣開發(fā)和降低溫室氣體排放的經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境多重效益[1]。以煤為主的能源結(jié)構(gòu)是我國基本國情，CO2-ECBM有助于解決和突破制約我國煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，科學(xué)有序推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)能源保障[2-3]。

CO2-ECBM在國內(nèi)外經(jīng)過了多年探索和實(shí)踐。1995年美國在San Juan盆地北部建立了最早也是迄今最大的CO2-ECBM試驗(yàn)項(xiàng)目，占地面積約1.295×106m2，包括有4口CO2注入井和16口煤層氣生產(chǎn)井，先后累計(jì)共注入33.6×104t的CO2[4]。加拿大阿爾伯塔地區(qū)[5]、日本北海道夕張地區(qū)[6]、波蘭上西里西亞盆地[7]、斯洛文尼亞韋萊涅煤田[8]等相繼開展CO2-ECBM嘗試。其中加拿大的阿爾伯塔地區(qū)采用N2和CO2混合注入方式，對煤層氣增產(chǎn)起到了促進(jìn)作用[5]。2004—2007年日本北海道夕張地區(qū)在900 m煤層進(jìn)行了多次超臨界CO2注采試驗(yàn)，提升了煤層氣產(chǎn)量，后期隨著CO2注入，煤骨架膨脹，注入效率下降[7]。2008—2010年 美國分別在伊利諾伊盆地、圣胡安盆地、威利斯頓盆地和黑勇士盆地開展CO2-ECBM試驗(yàn)，并評價(jià)了封存潛力和對地下環(huán)境的影響[8-12]。

2004年我國在沁水盆地南部開展了CO2-ECBM先導(dǎo)試驗(yàn)，煤層氣單井產(chǎn)量和采收率明顯提升[13]。2011—2012年中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)合作，在山西柳林地區(qū)560 m煤層開展了約8個(gè)月間歇式單井注采試驗(yàn)，并示蹤監(jiān)測了CO2運(yùn)移情況，實(shí)現(xiàn)CO2注入460 t[14]。2013—2015年再次在沁水盆地開展注入試驗(yàn)[15]，通過捕集燃煤電廠進(jìn)行CO2，在900 m深煤層實(shí)現(xiàn)CO2注入4 491 t[16]。

上述工程和技術(shù)試驗(yàn)，揭示了CO2-ECBM可行性。但是針對CO2注入、流動(dòng)、封存和產(chǎn)出的全過程監(jiān)測和控制技術(shù)尚不完善，主要體現(xiàn)在：① CO2-ECBM過程中煤層孔滲性變化規(guī)律及主控因素不清，尚未形成針對性選址評價(jià)技術(shù)；② CO2-ECBM注入和采出的關(guān)鍵工藝技術(shù)和設(shè)備有待進(jìn)一步完善；③ CO2在地下流動(dòng)特征有待揭示，如何有效監(jiān)測CO2流動(dòng)和封存效果；④ 產(chǎn)出氣CO2/CH4分離回收技術(shù)和工藝尚不完善。本文依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)“CO2驅(qū)煤層氣關(guān)鍵技術(shù)”，針對煤層中有效埋藏CO2,CO2置換CH4提高煤層氣抽采率實(shí)際需求，在已有研究成果基礎(chǔ)上，從分子-工程的不同尺度實(shí)(試)驗(yàn)手段相結(jié)合的方式，揭示CO2-ECBM過程中孔滲性變化規(guī)律及主控因素并進(jìn)行連續(xù)性建模，開展CO2-ECBM注采工藝技術(shù)優(yōu)化，集成形成具有地質(zhì)適配性差異化的深煤層井組CO2-ECBM工藝技術(shù)體系，地表、近地表以及監(jiān)測井實(shí)時(shí)采樣及溫壓監(jiān)測相結(jié)合，構(gòu)建CO2-ECBM運(yùn)移范圍及安全封存低成本、有效評價(jià)的空-天-地-井聯(lián)合立體綜合監(jiān)測技術(shù)體系，并結(jié)合現(xiàn)場示范應(yīng)用評價(jià)，集成具有地質(zhì)適配性的CO2-ECBM工藝技術(shù)體系，以期為“雙碳”目標(biāo)下的煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展和煤炭清潔高效利用提供技術(shù)支持。

1 CO2-ECBM機(jī)理及研究技術(shù)體系

構(gòu)建科學(xué)合理的CO2-ECBM技術(shù)體系是相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的前提(圖1)，離不開CO2與CH4在多尺度條件的運(yùn)移、流動(dòng)和產(chǎn)出規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)識[17-18]。CO2-ECBM涉及多個(gè)尺度物理化學(xué)作用，主要包括有：① 分子尺度上CO2和CH4的競爭吸附作用，包括煤本身的固體有機(jī)質(zhì)分子、地層水和氣體分子之間的熱力學(xué)和物理化學(xué)作用[19]；② 微納米尺度上氣體分子運(yùn)移流動(dòng)機(jī)制，CH4和CO2在煤基質(zhì)表面達(dá)到了吸附解吸平衡之后，在微納米級別的孔隙中流動(dòng)運(yùn)移；③ 氣體分子在裂縫中的運(yùn)移流動(dòng)，受井筒尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)的難度局限，巖心(常規(guī)2.5或3.8 cm直徑)和大巖心尺度(10 cm直徑×30 cm長度)的模擬是評價(jià)氣體流動(dòng)產(chǎn)出的重要手段[20]；④ 工程尺度CO2-ECBM模擬評價(jià)，建立具有地質(zhì)適用性的地質(zhì)和物理模型是驅(qū)替和增產(chǎn)效果跟蹤評價(jià)的重要手段[21]。基于此，筆者提出了“分子尺度—微納米尺度—巖心尺度—近工程尺度—工程尺度”相銜接的CO2-ECBM多尺度實(shí)(試)驗(yàn)研究方法體系(圖2)，將煤大分子建模與分子動(dòng)力學(xué)模擬、數(shù)字巖石物理+流體物理仿真、巖心尺度CO2-ECBM實(shí)驗(yàn)?zāi)M、近工程尺度煤礦井下工程試驗(yàn)、工程尺度三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模等研究方法相結(jié)合，為CO2驅(qū)煤層氣地質(zhì)機(jī)理研究、示范工程實(shí)施井組優(yōu)選和儲(chǔ)層參數(shù)預(yù)測提供了技術(shù)支撐。

圖1 CO2-ECBM工藝技術(shù)體系邏輯關(guān)系Fig.1 Logical relationship diagram of CO2-ECBM process technology system

圖2 CO2驅(qū)煤層氣多尺度實(shí)(試)驗(yàn)研究技術(shù)體系Fig.2 Multi-scale experimental research method system of CO2-ECBM

研究結(jié)果顯示，微納米尺度孔裂隙結(jié)構(gòu)控制了CO2吸附置換CH4過程和流體運(yùn)移行為，微孔(孔徑<2 nm)的強(qiáng)吸附勢作用造成微孔越發(fā)育，煤對CO2與CH4混合氣體的吸附能力越強(qiáng)，不利于CO2置換CH4。因此，微孔決定了CO2與CH4吸附能力。宏孔(>50 nm)和介孔(2～50 nm)直接影響CO2與CH4擴(kuò)散運(yùn)移行為[19]。在微納米尺度孔裂隙中，CO2和CH4微觀流動(dòng)形態(tài)可動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，流體壓差或壓力變化是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的主要原因，連續(xù)流與非連續(xù)流賦存孔徑界限為100～200 nm，并因氣體壓力改變而變化[20]。對于大致<100 nm的孔裂隙，CO2與CH4以非連續(xù)性流動(dòng)(Fick 型擴(kuò)散)為主；在較大孔徑中，氣體流動(dòng)形態(tài)受壓力影響顯著，在高壓下發(fā)生連續(xù)性流動(dòng)，但是在低壓下仍以擴(kuò)散和滑流為主[20]。煤層本身發(fā)育大量微孔和介孔，在氣體從煤分子表面解吸后進(jìn)入裂隙，發(fā)育多種類型的流動(dòng)方式。因此，在工程實(shí)驗(yàn)中，需要著重考慮CO2注入壓力、注采井間距和煤層滲透率等直接影響CO2-ECBM效率的因素，其中CO2注入壓力可以直接控制且對驅(qū)替效率影響顯著(圖3)[22-23]。

圖3 CO2-ECBM連續(xù)性過程示意[22]Fig.3 Schematic diagram of the CO2-ECBM continuity process [22]

2 CO2-ECBM工藝技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐

在上述理論認(rèn)識基礎(chǔ)上，通過依托不同尺度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了研究區(qū)高精度三維地質(zhì)模型，開展了CO2-ECBM地質(zhì)物理模型構(gòu)建，形成了CO2驅(qū)煤層氣煤儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與流體連續(xù)性過程模型及數(shù)值模擬技術(shù)，優(yōu)選出TS-634井組作為注采井組。采用CO2驅(qū)煤層氣過程數(shù)值模擬與示范工程數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，優(yōu)化了CO2高效驅(qū)煤層氣注采工藝技術(shù)，形成了示范工程CO2注入評價(jià)效果與高效注采工藝技術(shù)。通過建立多尺度、多空間一體化監(jiān)測體系，形成了空-天-地-井立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，綜合評價(jià)了CO2驅(qū)煤層氣工程實(shí)施效果。

2.1 選區(qū)評價(jià)技術(shù)

CO2-ECBM實(shí)施井組優(yōu)選需要綜合考慮CO2可注入性、CH4可增產(chǎn)性和CO2可封存性(圖4)。其中CO2可注入性需要煤層厚度、煤層穩(wěn)定性和煤儲(chǔ)層物性等參數(shù)。CH4可增產(chǎn)性需要考慮煤層的原始和剩余含氣量、井間干擾情況和地下流體場等因素。CO2可封存性需要考慮煤層頂?shù)装宓姆€(wěn)定性、斷層的封閉性等因素。綜合來看，有利井組區(qū)和有利井組選擇的原則包括但不限于：① 井組控制范圍內(nèi)構(gòu)造簡單；② 煤層穩(wěn)定性好、含氣量較高、可采性好；③ 煤儲(chǔ)層物性、原始滲透性較好；④ 地下水流動(dòng)的規(guī)律性較明顯；⑤ 井組中流體勢呈現(xiàn)注入井較高的平面特征；⑥ 有利區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)力分布情況清晰；⑦ 井組存在高產(chǎn)氣、高產(chǎn)水歷史；⑧ 井組中各井之間存在明顯井間干擾。

圖4 選區(qū)評價(jià)主要考慮因素Fig.4 Main concerning factors during area selection

基于此，在沁水盆地柿莊南區(qū)塊開展CO2-ECBM選址。研究區(qū)TS-634井組3號煤層發(fā)育穩(wěn)定，平均煤厚6.1 m；煤層頂板標(biāo)高345～380 m，展布平緩、構(gòu)造簡單；煤層含氣量大于15 m3/t，含氣性好；煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育較好且滲透率相對較高(0.35×10-15～0.45×10-15m2)。

工程特征方面，前期壓裂施工壓力較低，所形成的裂縫以復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫為主，壓裂改造效果好；排采效果方面，目前處于低產(chǎn)氣期，前期排采過程中壓降平面擴(kuò)展快且已形成明顯的井間干擾，預(yù)期示范工程實(shí)施過程中CO2注入難度將相對較低，適宜開展CO2驅(qū)煤層氣工作。因此，將TS-634井組作為注采井組，其中TS-634井為CO2注入井，鄰近井為煤層氣產(chǎn)出井(圖5)。

圖5 CO2驅(qū)煤層氣示范工程井組優(yōu)選參數(shù)Fig.5 Optimal parameters of CO2 flooding coalbed methane demonstration project well group

2.2 注入采出工藝

2.2.1 注入方式

基于TS-634井區(qū)內(nèi)各煤層氣井鉆井和測井?dāng)?shù)據(jù)，在Petrel上分別構(gòu)建了包含注采井區(qū)的構(gòu)造模型和屬性模型。根據(jù)煤層氣井分布情況，確立注采井區(qū)模擬研究范圍為1 200 m×1 200 m，并將其從地質(zhì)模型內(nèi)切割分離。將分離后包含構(gòu)造模型和屬性模型的地質(zhì)模型從Petrel平臺(tái)導(dǎo)出，經(jīng)MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬平臺(tái)(圖6)。在煤層氣生產(chǎn)模擬過程中，所有井均為生產(chǎn)井；在CO2-ECBM模擬過程中，TS-634井為注氣井，其余井為生產(chǎn)井。模型內(nèi)所有井筒直徑皆為0.1 m，共劃分8 370個(gè)域單元和864個(gè)邊界元。在歷史擬合基礎(chǔ)上開展不同CO2注入方式、注入壓力、注入速度以及生產(chǎn)井不同井底流壓對CO2-ECBM的影響研究，井區(qū)地質(zhì)參數(shù)取值見表1。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同注入方式、注入?yún)?shù)、排采管控方式的CO2驅(qū)煤層氣數(shù)值模擬方案(表2)。模擬結(jié)果表明：儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層含氣量、儲(chǔ)層溫度、儲(chǔ)層化學(xué)場受CO2注入方式、注入壓力、注入速度影響較大，而受生產(chǎn)井井底流壓影響不明顯。CH4增產(chǎn)效果受CO2注入方式、注入壓力、注入速度和井底流壓影響均較大。在模擬時(shí)間內(nèi)，連續(xù)恒壓/恒速注入、高壓注入、高速注入、低壓排采可獲得較高的CH4產(chǎn)氣速度。因此，提高注采井區(qū)煤層氣采收率，宜在注入井采用CO2連續(xù)恒壓/恒速、高壓/高速注入方式，在生產(chǎn)井采用低壓排采技術(shù)。相對于階梯增壓/增速注入，恒壓/恒速注入方式下的CO2最大有效注入量相對較低，隨CO2注入壓力/速度增加而增加，隨排采壓力的增加而減小(圖7)。在CH4增產(chǎn)方面，相較于自然生產(chǎn)，注入CO2后的煤儲(chǔ)層各生產(chǎn)井CH4產(chǎn)氣速度在CO2注入一段時(shí)間后均有所提高。相較連續(xù)恒速注入，階梯增速注入方式的CH4產(chǎn)氣速度在CO2注入初期相對較低，隨著CO2注入時(shí)間增加，兩者差距在后期則逐漸變小甚至出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)；相同注入時(shí)間內(nèi)，CO2注入壓力和速度越大，CH4產(chǎn)氣速度越快。

表2 CO2驅(qū)煤層氣數(shù)值模擬方案

2.2.2 注入效果

基于上述模擬結(jié)果，以采氣井長期增產(chǎn)、煤層CO2安全封存為目標(biāo)，提出了煤層氣生產(chǎn)井組中注CO2高效驅(qū)煤層氣注采工藝技術(shù)。其技術(shù)內(nèi)涵為：優(yōu)選已連續(xù)生產(chǎn)4～6 a的煤層氣生產(chǎn)井組，以中心井為CO2注入井，周邊井為采氣井，利用CO2對CH4的驅(qū)替、置換作用，提高采氣井的日產(chǎn)氣量，延長煤層氣生產(chǎn)井組服務(wù)年限。注CO2高效置換驅(qū)替煤層氣注采過程包括：階梯式增注提壓、限壓注入驅(qū)替、氣驅(qū)水產(chǎn)能抑制、采氣井增產(chǎn)、間歇式排采、采氣井井場復(fù)墾6個(gè)階段(圖8)。其中，階梯式增注提壓階段通過階梯式增加CO2注入速度快速提高注入井井底壓力，限壓注入驅(qū)替階段控制CO2注入井井底壓力低于煤儲(chǔ)層最小主應(yīng)力，氣驅(qū)水產(chǎn)能抑制階段通過提高排水強(qiáng)度消除氣驅(qū)水前緣對采氣井產(chǎn)能的抑制，間歇式排采階段通過不定期關(guān)井控制采出氣CO2體積分?jǐn)?shù)超限。

圖7 采氣井CH4產(chǎn)氣速度變化情況Fig.7 Variation of CH4 gas production rate in gas production wells

圖8 注CO2驅(qū)煤層氣注采工藝要點(diǎn)Fig.8 Injection-production process of high-efficiency displacement of CO2-ECBM

TS-634井組注CO2驅(qū)煤層氣示范工程注入時(shí)間為2020-06-01—2021-06-05，CO2注入歷時(shí)370 d。其中，進(jìn)行CO2注入時(shí)間為150 d，受降雨、道路維修、罐車檢修等原因等停時(shí)間為220 d，CO2注入工作時(shí)間與注入歷時(shí)時(shí)間的比值為40.5%。CO2累計(jì)注入量為2 001.04 t，注入排量55～59 L/min，日注入量集中在10～13 t。在CO2注入初期及末期(3 d)，日注入量較低，為8.0 t左右；在2021-02-03—2021-05-14中有16 d日注入量較高，最高達(dá)到24.8 t?？傮w來說，該井注入比較順利，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成了設(shè)計(jì)要求的注入量，沒有發(fā)生異常情況。注入施工之前，地層壓力較低(0.086 MPa)，隨著注入CO2數(shù)量的增加，井口及井底壓力逐步升高，注入施工結(jié)束時(shí)，井底壓力達(dá)到了12.92 MPa(表3)。

表3 TS-634井組CO2注入情況

受注入液態(tài)CO2相變的影響，CO2注入井井底溫度經(jīng)歷了前期大幅波動(dòng)，后期波動(dòng)較小的變化過程；注入井井底壓力變化經(jīng)歷了低壓期、突升期、平穩(wěn)期3個(gè)階段，井底壓力變化一方面受CO2注入過程的連續(xù)性影響；另一方面，與CO2注入過程中產(chǎn)生的儲(chǔ)層高壓及儲(chǔ)層滲透性(裂縫導(dǎo)流能力)變化有關(guān)(圖9)。

圖9 CO2注入井底壓力變化Fig.9 Variation of bottom hole pressure during CO2 injection

2.3 監(jiān)測技術(shù)體系

根據(jù)CO2封存區(qū)的特性和對CO2泄漏和運(yùn)移監(jiān)測需求，針對由CO2注入引起的地表形變和環(huán)境變化，結(jié)合遙感監(jiān)測手段的優(yōu)勢，建立了空-天-地-井一體化的遙感監(jiān)測方案(圖10)。其中，“空”應(yīng)用光學(xué)衛(wèi)星和雷達(dá)衛(wèi)星長時(shí)序、全天候監(jiān)測CO2注入引起的地表形變變化和植被等環(huán)境的變化，從大尺度觀測CO2運(yùn)移趨勢和造成的植被響應(yīng)。“天”通過無人機(jī)攜帶光學(xué)、熱紅外等鏡頭，既可以建立地表模型，清晰準(zhǔn)確地提供注入現(xiàn)場情況，也可短時(shí)間重點(diǎn)觀測，找尋泄漏點(diǎn)，對泄漏事件進(jìn)行快速響應(yīng)?！暗亍贬槍O2-ECBM注入?yún)^(qū)地面被動(dòng)地震監(jiān)測(長期及短期)信噪比低的特點(diǎn)，創(chuàng)新了被動(dòng)地震裂縫層析成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地下破裂事件可視化的直觀優(yōu)勢裂縫通道成像，實(shí)現(xiàn)了CO2羽流運(yùn)移前緣通道監(jiān)測?！熬蓖ㄟ^大斜度井套外光纖永久布設(shè)CO2監(jiān)測結(jié)合深井實(shí)時(shí)分層氣水采樣與溫壓監(jiān)測裝置，跟蹤地下壓力和流體變化。

圖10 空-天-地-井立體聯(lián)合監(jiān)測體系Fig.10 Space-air-earth-well three-dimensional joint monitoring system

研究區(qū)CO2注入前與注入后被動(dòng)地震成像結(jié)果所示，在TS-634井400 m范圍內(nèi)無較強(qiáng)能量顯示，即無明顯活動(dòng)的天然裂縫或斷層活動(dòng)。注入前成像結(jié)果表示TS-634井適合進(jìn)行CO2注入封存施工。而在TS-634井外圍區(qū)域，分布不連續(xù)較強(qiáng)能量分布，注入分布在注入井的正北方向以及東南方向。注入井東南方向極有可能是天然裂縫或小斷層的活動(dòng)響應(yīng)，北部強(qiáng)能量活動(dòng)區(qū)域則為天然裂縫的相應(yīng)結(jié)果，與注入后被動(dòng)地震監(jiān)測結(jié)果中強(qiáng)能量結(jié)果分布一致。CO2注入中被動(dòng)地震監(jiān)測結(jié)果可以看出，能量的疊加結(jié)果形成TS-634井至TS06-4D至TS06-1D的強(qiáng)能量分布。強(qiáng)能量的分布表明在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)該處地震活動(dòng)相對明顯，因此較其他地方能量較高。TS-634至TS06-4D至TS06-1D的強(qiáng)能量分布較為連續(xù)，推斷為CO2的主要運(yùn)移通道與運(yùn)移方向。CO2注入后成像結(jié)果表明CO2注入后沿TS-634，TS06-4D，TS06-1D方向有優(yōu)勢運(yùn)移趨勢，TS-634井區(qū)域活動(dòng)性降低，TS06-2D井活動(dòng)性增強(qiáng)。將InSAR獲得累計(jì)形變量結(jié)果與微地震結(jié)果分別疊加至三維模型上，可清晰觀察出各自監(jiān)測結(jié)果的運(yùn)移通道，實(shí)現(xiàn)運(yùn)移前緣的立體觀測，將2者結(jié)果進(jìn)行歸一化后疊加至無人機(jī)三維模型上，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到疊加模型，進(jìn)一步驗(yàn)證了由TS-634至TS06-1D的CO2運(yùn)移通道的準(zhǔn)確性(圖11)。

圖11 InSAR和微地震結(jié)合的CO2運(yùn)移前緣運(yùn)移監(jiān)測效果Fig.11 Monitoring technology of CO2 migration front based on InSAR and microearthquake

與此同時(shí)，在CO2注入施工過程中監(jiān)測各井的溫度和壓力變化(圖12)。2020年12月以前監(jiān)測井井底溫度穩(wěn)定在24.40 ℃，隨后井底溫度略有下降，并穩(wěn)定在24.30 ℃。至2021年4月，井底逐漸穩(wěn)定并緩慢回升至24.40 ℃?？梢奀O2注入過程中，監(jiān)測井井底溫度雖然有一定波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較小，液態(tài)CO2注入儲(chǔ)層后的氣化吸熱(2021年1月)及CO2吸附放熱作用(2021年4月)，是導(dǎo)致監(jiān)測井井底溫度變化的重要原因。從CO2注入至2020年12月，監(jiān)測井井底壓力穩(wěn)定在1.2 MPa并有小幅波動(dòng)。隨后由于監(jiān)測井采集氣水樣導(dǎo)致壓力產(chǎn)生快速大幅波動(dòng)，2021年2月監(jiān)測井井底壓力發(fā)生大幅度頻繁波動(dòng)(日波動(dòng)，陡升緩降)，推測為CO2注入影響到監(jiān)測井。

圖12 監(jiān)測井井底溫壓變化Fig.12 Variation of temperature and pressure changes in the bottom of the monitoring well

3 CO2-ECBM技術(shù)及工程實(shí)施效果

圖13展示了CO2注入過程中井底壓力變化，注入井呈現(xiàn)快速穩(wěn)定期(壓力低)、緩慢穩(wěn)定期(壓力陡升)、快速穩(wěn)定期(壓力高)三階段變化特征。隨著氣井生產(chǎn)的繼續(xù)，不同井的氣體組分出現(xiàn)變化，其中TS06-4D井存在CO2突破(圖13(a))，與圖8顯示的裂縫和形變監(jiān)測結(jié)果一致。CO2運(yùn)移至TS06-4D井控范圍內(nèi)，大量游離態(tài)CO2進(jìn)入氣水流動(dòng)通道，使煤儲(chǔ)層中含氣飽和度升高、含水飽和度下降，引起液相相對滲透率降低，氣體侵占地層水流動(dòng)通道，導(dǎo)致TS06-4D井日產(chǎn)水量快速下降(圖13(b))。從TS06-4D井井底流壓與套壓的變化來看，CO2注入過程中套壓穩(wěn)定在0.1 MPa，井底流壓在2020年10月日產(chǎn)水量下降后由0.1 MPa快速升高至0.4 MPa左右，隨后緩慢下降至0.2 MPa。TS06-4D井降低流壓的快速升高主要受CO2注入后期煤層氣井日產(chǎn)水量快速下降的影響，進(jìn)入井筒內(nèi)的地層水難以排出，導(dǎo)致管套環(huán)空液面位置升高，導(dǎo)致套壓穩(wěn)定的條件下井底流壓上升。

TS-632井不在上述主要裂隙通道上，產(chǎn)出的氣體仍然以CH4為主要成分(圖13(c))。至2020年6月CO2注入時(shí)，該井為低產(chǎn)水、低產(chǎn)氣井。CO2注入期內(nèi)產(chǎn)氣量相對穩(wěn)定，在300 m3/d左右。從日產(chǎn)水量來看，CO2注入過程中日產(chǎn)水量略有升高(圖13(d))。

井底流壓與套壓變化顯示CO2注入過程中套壓穩(wěn)定在0.1 MPa，井底流壓由0.2 MPa持續(xù)升高至0.4 MPa。CO2注入導(dǎo)致地層水產(chǎn)出量略有增加，引起井底流壓略有回升，但對煤層氣井日產(chǎn)氣量尚未產(chǎn)生顯著影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多源監(jiān)測信息提取高滲通道位置及方向數(shù)據(jù)，基于實(shí)際注入方式及注入量，調(diào)整高滲通道等效滲透率，擬合產(chǎn)出氣井CO2見氣時(shí)間和濃度變化，基于前述修正的含高滲通道的地質(zhì)-數(shù)值模型，開展長期注入增產(chǎn)模擬，注入速率為12 t/d，模擬時(shí)長為10 a，采收率可以提高10.1%。

4 結(jié) 語

CO2-ECBM涉及CH4，CO2和H2O等流體在納米尺度的相關(guān)作用以及納米—千米級的滲流變化，需要進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化多尺度實(shí)(試)驗(yàn)研究技術(shù)體系。CO2-ECBM關(guān)鍵技術(shù)序列包括地質(zhì)選區(qū)評價(jià)、CO2注入-采出工藝和CO2運(yùn)移及封存監(jiān)測等，同時(shí)產(chǎn)出氣高效分離回收一體化技術(shù)也有待進(jìn)一步發(fā)展。大力發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)，將其打造為我國增強(qiáng)天然氣資助保障能力的重要?dú)庠矗兄谕苿?dòng)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。探索和實(shí)施CO2-ECBM，具有提高煤層氣采收率和實(shí)現(xiàn)CO2封存的多重經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境效益。我國CO2-ECBM技術(shù)探索早，緊跟國際發(fā)展趨勢，初步具備了工業(yè)化能力，可以為天然氣提產(chǎn)和碳封存提供保障。我國在煤層氣稅收補(bǔ)貼和資源管理方面發(fā)布一系列激勵(lì)政策，要推動(dòng)CO2-ECBM仍然需要技術(shù)政策方面有效支持。當(dāng)前發(fā)展和應(yīng)用CO2-ECBM技術(shù)仍然存在技術(shù)應(yīng)用成本較高、市場激勵(lì)機(jī)制不足、缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、政策相對分散且關(guān)聯(lián)性差等問題，需要在后續(xù)進(jìn)一步完善發(fā)展。