提高煤层气采收率（CO₂-ECBM）选址评价研究现状

提高石油采收率（CO₂-EOR）油气藏选址评价研究现状~

沈平平和廖新维（2009）给出了CO2地质封存场地筛选的一般标准（表1-4），同时给出了各参量的评价标准综合列表（表1-5）。
表1-4 CO2地质封存一般筛选标准


续表


表1-5 CO2混相驱筛选评价标准


续表


表1-5可作为CO2驱提高石油采收率（油藏筛选）的一般准则。但并非所有成功注CO2的油藏都符合所有的筛选标准，不能机械地把不符合其中某一个指标的油藏拒之于CO2混相驱范围之外。其原因有二：一是影响CO2提高石油采收率效果的诸多因素不是独立的，而是相互影响、相互制约的；另一方面在各种具体的条件下，各参数对CO2提高石油采收率的影响程度是不一样的，具有不同的权重。要综合考虑各因素对CO2提高石油采收率的影响，可采用模糊综合评判理论的方法来对具体的油藏条件做出综合判断。与CO2地质封存筛选评价相比，CO2驱提高石油采收率的油藏筛选评价指标在取值时，由于有CO2混相驱成功和不成功的油藏数据作为借鉴和对比，指标一般都可被合理地量化，这为模糊综合评价提供了可能。
关于本节符号的定义以及CO2驱提高石油采收率油气藏选址评价研究的详细介绍参见本书第四章。

一、国外研究现状
( 一) Bachu 和 Adams ( 2003) 的盆地级选址评价
Bachu 和 Adams ( 2003) 提出了一套包括 15 个指标的盆地级别评价指标体系，并对加拿大的主要沉积盆地进行了评价。该评价方法借鉴核废料热液储存评价条件从区域构造、盆地几何形态、地质条件和油气潜力等 15 个方面提出了盆地级 CO2地质储存适宜性评价指标体系 ( 表 9 －1) 。
表9－1CO2地质储存适宜性指标分级表


(二)Oldenburg(2008)基于健康、安全和环境风险的选址评价
C.M.Oldenburg (2008)基于CO2泄漏引起的健康、安全和环境风险(HSE)，开发了一种筛选和排序框架(SRF)，以评估潜在的CO2地质储存场地。这种方法以假定CO2泄漏风险取决于地质储存场地的3种基本特征为基础:①目标层的基本圈闭能力;②目标层泄漏后的二次圈闭或截留能力;③目标层泄漏和二次圈闭失败后泄漏CO2的衰减和弥散能力。该框架通过电子制表软件实施，用户可以输入代表专家意见或已发布信息的分值，以及不确定性的相关评估结果对场地进行评价。
1.SRF方法理论与设计
由于人类、植物以及其他生物居住的近地表环境中CO2浓度的增大，CO2的健康、安全和环境风险引起了人们的关注。如果在较小区域内含有高浓度CO2的气体流速较大，大流量的CO2可引起土壤气体中CO2的浓度持续增大，将导致植物根部呼吸作用受限，相应导致植物逆境或者死亡。在含水层中，高浓度CO2在某些情况下可导致重金属发生溶解，可对水质产生不利影响。在地上环境、地下室或房屋内，空气中较高的CO2浓度可影响健康，造成人类和其他动物眩晕，甚至死亡。
从深部地质构造到近地表环境存在多种公认的潜在CO2泄漏途径，如废弃井及可渗透的断层。对于每种泄漏方式，在系统中较高层位应存在潜在的二次圈闭或二次截留。为了最小化健康、安全和环境风险，在CO2注入时:①CO2不能从储层中泄漏;②如果发生泄漏应存在二次圈闭或二次截留;③如果发生泄漏且二次圈闭或二次截留失败也不能进入大气环境，或通过地下水、地表水吸收或混合衰减以及弥散。
综上所述，开发健康、安全和环境风险排序框架以评估CO2地质储存场地的3种基本特征:①目标层长期圈闭CO2的能力;②主要目标层发生泄漏后二次圈闭的能力;③如果主要目标层发生泄漏且二次圈闭失败，储存场地发生CO2泄漏衰减和/或弥散的能力。
在电子数据表格中执行SRF方法时，用户通过输入限定属性(用于限定特性)的参数值，专门用于评估该3种基本特征，如表9－2所示。
表9－2特征、属性、特性指标表


SRF框架是在CO2地质储存经验基础上开发的，而不是通过决策分析推导得出，这种方法近似满足多属性应用理论。用于评价每个场地的3个分值为泄漏、二次圈闭和弥散的影响和概率的综合指标。该框架中的评价以四类信息为基础:①场地特征;②属性，用于限定场地特性;③特性，用于限定属性;④用户输入值，用于限定特性。
2.电子数据表格
SRF通过电子数据表格中的3个简单工作表(分别用于评价3个基本特征)和概要工作表来实现。首先，用户可以通过每个属性的特性j的加权因子规范控制给定特性的重要性。加权(wj)因子通过电子制表软件正则化为:

中国二氧化碳地质储存地质基础及场地地质评价

加权观点允许用户在较大范围内将自己的判断应用到评价中。例如，如果用户认为盖层厚度占基础封闭的主导地位，那么可以对于权重赋以较大的数值，且盖层的厚度可以在基础封闭属性中起主导作用。如图9－2内的单元格为用户赋值的权重。另外两个工作表(二次截留能力和衰减能力)与此相同，也带有不同属性(表9－2)的单元格。如图9－2所示，盖层厚度属性赋值为10，超出总数21的范围之外，因此，基于盖层厚度值获得基本封闭属性及其不确定性的近似二分之一权重。为了在筛选或排序过程中对比场地，需要认真考虑不同场地特性的不同加权因数。

图9－2SRF电子数据表格的基础储层工作表实例(据Oldenburg，2008)

SRF电子数据表格的第二步，是根据表格里的弹出注释给特性赋值αj。例如图9－2中所示RioVista情况下的特性值。数据选择范围为－2(差)到+2(好)，把0考虑为中等(既不好也不差)。用户可以在－2～+2这个较大的范围内取值，也可以使用真实的数据。
第三步是输入每个已知特性的置信度值(2代表非常确定，0、1代表高度不确定)。这种置信度信息将与该3种特征的属性评价值一起，被绘制成曲线图。
通过本次输入，电子表格中就形成了一系列平均值。数据表的基本计算是将赋予权重的特性评价相加，然后和平行的属性平均得到每一个特征的分值。每一个特性j都经过这样的处理。然后在i上平均。基本储存库有基本密封、深度和储存库3个属性;二次截留储存有二次密封和较浅层密封2个属性;衰减能力地表特征、水文地质条件、存在的井和断层有4个属性。这样，对于基础储存库i=3，二次截留储存库i=2，衰减能力i=4，对于场地n，每一个特征的分值(S)是权重因子(w)的i属性和j属性的数值(a)的平均值:

中国二氧化碳地质储存地质基础及场地地质评价

对于场地n，每一个特征确定度(C)的整体定性是i特性和j特性的平均，在i属性采用下式求平均值:

中国二氧化碳地质储存地质基础及场地地质评价

式中:cj是每个已知特性的置信度。需要着重强调的是不同场地的相对评价无需与其物理特性成线性关系。例如，某个场地的基本圈闭特征分值为1.5，这并不意味着该场地的泄漏比基本圈闭特征分值为1.0的场地少50%。事实上，这种场地可以通过其CO2储存数量级的不同来排序。这种评价分值仅仅代表这些场地的相对排序，并不代表绝对的储存性能。
3.其他问题
SRF专门设计用于具有有限数据的多重场地。用户输入到SRF数据表中的多种特性和属性值，实际上是不确定性和不确定量的指标，这些指标最终通过场地特征描述来测量或模拟。然而，由于缺少可以作为大多数场地选择过程标准的数据，因此，采用不确定性作为SRF基本的输入和输出数据，并不保持与特征分值隔离。SRF中定义的不确定性概念范围很大，包括参数的不确定性(如对给定特性的了解程度)和变异性(如给定特性是怎么变化的)。
SRF范围内的方法不同于其他方法，如FEP/场地法和概率法。FEP/场地法在场地选择阶段是很费力的，需要有效获得重要的特殊场地信息。概率风险评价方法(PRA)与FEP/场地法相似，这些方法都结合利用失效模式和影响分析(FMEA)以开发事件和事故树。评估极少事件的发生频率使得这些方法应用起来更为困难。此外，这些定量方法依赖于特性的精确分配，这在多重场地评估，尤其是场地选择初步阶段，将面临更多困难。Bowden和Rigg的方法是FEP和PRA筛选和排序的首选方法，但这种方法仍需要获得更多信息，适用程度依然停留在数量不多的几个场地的筛选上。
概括地说，SRF电子数据表专门设计用于通过其不同属性的特性评估，对每种基本特征进行定性和单独评价。在SRF方法中，既没有任何建模模拟也没有概率赋值。支持SRF的基本原理是详细的场地特征信息，尤其是典型CO2注入试验预期不能足以在场地筛选阶段开展FEP/场地分析，或对概率赋值以开展概率分析。而SRF把定性信息用作潜在FEP和综合结果的指标。通过采用这种方法，可以大大简化分析过程，并明确包括了用户作为初始输出而对评价分配的置信度水平。简而言之，SRF被专门设计回答如下问题:在多个候选场地中，基于现有信息确定何种场地具有最低的HSE风险。
二、国内研究现状
国内CO2地质储存选址评价研究主要集中在CO2－ECBM和CO2－EOR两个方面，深部咸水含水层CO2地质储存选址研究尚属空白。
1.CO2－ECBM选址评价研究现状
《中国二氧化碳注入提高煤层气采收率先导性试验技术》(中联煤层气有限责任公司等，2008)，提出CO2注入提高煤层气采收率试验地点的选择从大的盆地开始，通过对单个煤田的评价到煤田内煤储层的评价，最终依据煤储层评价的结果确定先导性试验点。
区域评价确定潜在的能够做试验的煤田及其地表、地下的范围、煤矿开采、钻井情况和基础设施。在煤田评价的基础上，根据可获得的采矿数据和煤岩特性参数评价煤田的范围和品质。在储层评价水平上，根据井下煤心的分析测试，确定煤层含气量、渗透率、等温吸附特征和含气饱和度。如果资料丰富，水文地质和煤层气的历史生产情况也会被评价。基于上述评价结果，选择储层条件好的区域作为试验地点。
他们按照IEAGHG(2000)所赞助的一个项目报告中确定的排序参数，每一个试验点使用如下五个方面的指标进行评价，这五个指标的评分标准见表9－3。
表9－3微型先导性位置选择的打分系统


指标Ⅰ———煤层气资源/CO2储存潜力:煤层气的资源潜力是一个非常重要的考虑因素。煤层气资源潜力可以表示为待选点的煤层气资源丰度。据此，确定待选点是否能够承担实施项目的风险。煤层气资源丰度以108m3/km2作为度量单位，它是煤含气量和净煤层厚度的函数。与煤层气资源潜力密切相关的是CO2储存潜力。在高挥发分烟煤中，煤颗粒表面每解吸一个甲烷分子能吸附的CO2分子数是2，而在亚烟煤中高达10。
指标Ⅱ———生产潜力:煤层气生产潜力或现有的煤层气生产数据是至关重要的。这些数据决定了煤层中有多少资源可以被开采出来用于销售。它是储层特征参数(渗透率是关键参数之一)和驱扫效率的函数。
指标Ⅲ———CO2供给潜力:要使CO2－ECBM项目可行，必须有大量廉价的CO2供给。一个可能的来源是从电厂烟道气中回收的CO2。在这种情况下，CO2捕获成本需要考虑。另一个可选择的来源是利用纯净的CO2源。例如，从氢气生产炉的尾气中进行提纯CO2，这时CO2捕获成本将大大降低，从而提高CO2－ECBM技术的经济性。CO2源与试验现场的距离是关键的参数，但在微型先导性试验阶段这个参数并不像大规模试验阶段那样重要，然而，如果微型先导性试验继续进入下一阶段，CO2的供给潜力是非常重要的经济指标。
指标Ⅳ———数据的可获得程度:为了正确地评价CO2－ECBM项目，必须获得一些数据资料。数据资料不充足将增加评价过程中的不确定性。
指标Ⅴ———市场潜力:开发煤层气资源，通过销售获取利益，是CO2－ECBM项目的主要经济驱动力。没有成熟的煤层气销售市场，就不可能有CO2－ECBM项目。煤层气作为一种天然气，需要通过管线输送到集输中心。一旦煤层气被输送到集输中心，就需要分销网络将煤层气输送到用户。如果在试验点附近事先存在这样的管线基础设施，那么项目的市场潜力就极大地被提高。CO2－ECBM项目同样产生环境效益———CO2永久地储存在煤层中，避免释放到大气中，有助于减缓全球气候变化。
为了评价任一地区的煤层气增产潜力，需要评价大量的地质和特定的煤储层参数，以及可获得的测试和生产数据、基础设施资料、CO2源和可获得性等资料。控制煤层气的生成、富集、储存和产能的地质和煤储层参数如下:
1)储层深度:根据煤层气的吸附特征、储集能力、储层压力和渗透率，考虑煤层的最小埋藏深度为300m，最大为2000m;
2)煤层厚度:为满足多煤层完井和CO2储存，考虑煤层最小单层厚度为1m，并且存在多煤层系;
3)煤质/煤阶:煤岩灰分和水分的百分比，煤质和成熟度(由镜质组反射率(R0)表示，R0>0.6%);
4)渗透率:是甲烷从煤基质骨架解吸通过裂隙系统流向钻孔，以及CO2注入煤层的关键参数(k>1×10－3μm2);
5)饱和度:在煤储层原始构造和储层压力的条件下，煤储层内保存的煤层气体积将影响煤层气产能和CO2的储存效果;
6)水的利用:是直接影响储层生产和水处理的一个经济参数。
2.CO2－EOR选址评价研究现状
沈平平等(2009)给出了CO2地质储存场地筛选的一般标准(表9－4)，同时给出了各参量的评价标准综合列表(表9－5)。
表9－4CO2地质储存一般筛选标准表


续表


表9－5CO2混相驱筛选评价标准表


表9－5可作为CO2驱提高石油采收率油藏筛选的一般准则。但并非所有成功注CO2的油藏都符合所有的筛选标准，不能机械地把不符合其中某一个指标的油藏拒之于CO2混相驱范围之外。其原因有二:一是影响CO2提高石油采收率效果的诸多因素不是独立的，而是相互影响、相互制约的;另一方面在各种具体的条件下，各参数对CO2提高石油采收率的影响程度是不一样的，具有不同的权重。要综合考虑各因素对CO2提高石油采收率的影响，可采用模糊综合评判理论的方法来对具体的油藏条件做出综合判断。与CO2地质储存筛选评价相比，CO2驱提高石油采收率的油藏筛选评价指标在取值时，由于有CO2混相驱成功和不成功的油藏数据作为借鉴和对比，指标一般都可被合理地量化，这为模糊综合评价提供了可能。
3.类似深部咸水含水层CO2地质储存选址评价研究现状
迄今，国内外专门性深部咸水含水层CO2地质储存选址评价方法研究处于研究阶段。但对深部咸水含水层天然气地质储存选址评价有一定深入。谭羽非等(2006)对利用地下含水层建造天然气储气库的选址进行了研究，并提出如下选址要求。
首先要对有关含水层区域地质－水文地质结构进行勘探，从多个地质构造中按以下原则选定一个较合适的构造。
1)储气库应尽量靠近天然气用户和输气干线;
2)含水岩层圈闭良好，完整封闭、无断层，适于天然气聚集。水平含水层也可利用，例如俄罗斯嘎青斯基天然气地下储气库;
3)含水岩层上下要有良好的盖层和底层，且盖层和底层要有一定的厚度，岩性要纯(如泥岩等)，密封性好。前苏联的经验表明，在一些情况下，粘土质盖层厚度8～10m即可保证密封性，甚至在压力达到初始构造压力的1.6～1.7倍时也不会泄漏;
4)储气层位厚度大，物性条件好，分布范围广、稳定，有足够的库容量;
5)含水层有一定深度，能承受一定的注气压力。目前含水层储气库一般不超过1000m，但前苏联的研究认为，地下储气库应在250～2000m的深度范围选择;
6)与城市生活用水、工业用水等地下水水源地含水层不相互连通，以免污染地下水水源。世界上最大的含水层地下储气库是俄罗斯的卡西莫夫地下储气库，共钻了143口井专门监测与储层临近的层位，其中95口建在饮用水含水层之上;
7)要有广为分布的贮存或排放置换水的场所。
上述条件是一些定性的、宏观性的原则，在实际中很难完全满足。因此在储气库建造过程中有必要进行针对性的监测。

《中国二氧化碳注入提高煤层气采收率先导性试验技术》（中联煤层气有限责任公司、Alberta Research Council等编著，2008）提出，CO₂注入提高煤层气采收率试验地点的选择应从大的盆地开始，通过对单个煤田的评价到煤田内煤储层的评价，最终依据煤储层评价的结果确定先导性试验点。

区域评价确定潜在的能够做试验的煤田及其地表、地下的范围、煤矿开采、钻井情况和基础设施。在煤田评价的基础上，根据可获得的采矿数据和煤岩特性参数评价煤田的范围和品质。在储层评价方面，根据井下煤心的分析测试，确定煤层含气量、渗透率、等温吸附特征和含气饱和度。如果资料丰富，水文地质和煤层气的历史生产情况也会被评价。基于上述评价结果，选择储层条件好的区域作为试验地点。

他们按照IEA GHG（2000）所赞助的一个项目报告中确定的排序参数，每一个试验点采用如下5个方面的指标进行评价，这5个指标的评分标准见表1-3。

表1-3 微型先导性位置选择的打分系统

指标Ⅰ——煤层气资源/CO₂封存潜力：煤层气的资源潜力是一个非常重要的考虑因素，可以表示为待选点的煤层气资源丰度，据此确定待选点是否能够承担实施项目的风险。煤层气资源丰度以10⁸m³/km²作为度量单位，它是煤含气量和净煤层厚度的函数。与煤层气资源潜力密切相关的是CO₂封存潜力。在高挥发分烟煤中，煤颗粒表面每解吸一个CH₄分子能吸附的CO₂分子数是2，而在亚烟煤中高达10。

指标Ⅱ——生产潜力：煤层气生产潜力或现有的煤层气生产数据是至关重要的。这些数据决定了煤层中有多少资源可以被开采出来用于销售。它是储层特征参数（渗透率是关键参数之一）和驱扫效率的函数。

指标Ⅲ——CO₂供给潜力：要使CO₂-ECBM项目可行，必须有大量廉价的CO₂供给。一个可能的来源是从电厂烟道气中回收的CO₂。在这种情况下，CO₂捕获成本需要考虑。另一个可选择的来源是利用纯净的CO₂源。如从氢气生产炉的尾气中进行提纯CO₂，这时CO₂捕获成本将大大降低，从而提高CO₂-ECBM技术的经济性。CO₂源与试验现场的距离是关键的参数，但在微型先导性试验阶段这个参数并不像大规模试验阶段那样重要。然而，如果微型先导性试验继续进入下一阶段，CO₂的供给潜力是非常重要的经济指标。

指标Ⅳ——数据的可获得程度：为了正确地评价CO₂-ECBM项目，必须获得一些数据资料。数据资料不充足将增加评价过程中的不确定性。

指标Ⅴ——市场潜力：开发煤层气资源，通过销售获取利益，是CO₂-ECBM项目的主要经济驱动力。没有成熟的煤层气销售市场，就不可能有CO₂-ECBM项目。煤层气作为一种天然气，需要通过管线输送到集输中心。一旦煤层气被输送到集输中心，就需要分销网络将煤层气输送到用户。如果在试验点附近事先存在这样的管线基础设施，那么项目的市场潜力就极大地被提高。CO₂-ECBM项目同样产生环境效益——CO₂永久地封存在煤层中，避免释放到大气中，有助于减缓全球气候变化。

为了评价任一地区的煤层气增产潜力，需要评价大量的地质和特定的煤储层参数，以及可获得的测试和生产数据、基础设施资料、CO₂气源和可获得性等资料。

控制煤层气的生成、富集、封存和产能的地质和煤储层参数如下：

（1）储层深度：根据煤层气的吸附特征、储集能力、储层压力和渗透率，考虑煤层的最小埋藏深度为300m，最大为2000m；

（2）煤层厚度：为满足多煤层完井和CO₂地质封存，考虑煤层最小单层厚度为1m，并且存在多煤层系；

（3）煤质/煤阶：煤岩灰分和水分的百分比、煤质和成熟度（由镜质组反射率表明，Ro＞0.6％）；

（4）渗透率：是CH₄从煤基质骨架解吸通过裂隙系统流向钻孔，以及CO₂注入煤层的关键参数（k＞0.987×10^-3μm²）；

（5）饱和度：在煤储层原始构造和储层压力的条件下，煤储层内保存的煤层气体积将影响煤层气产能和CO₂的封存效果；

（6）水的利用：是直接影响储层生产和水处理的一个经济参数。

关于本节中的符号以及煤层CO₂地质封存选址研究的详细介绍参见本书第五章。

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