二氧化碳封存异地定向持续监测技术研究

杨俊哲，王振荣，许 峰，王永胜

(1.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；4.神华鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

国家能源集团鄂尔多斯煤制油项目在煤液化生产过程中，每年排放将近300万t CO2，在当今全球气温因温室气体逐渐变暖的形势下，煤制油项目面临较大环境压力。为应对这一问题，国家能源集团实施了二氧化碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage，简称CCS)示范工程。CCS技术是目前较为成熟且有效遏制温室气体增多的手段之一[1-10]，目前，全球多个国家已实施或建设70余个CCS项目[11-15]，二氧化碳封存总量达到4×107t以上[16]。而国家能源CCS示范工程为我国首个二氧化碳捕集与深部地质封存全流程示范项目，该示范工程设施建设于2011年完成并实施二氧化碳灌注，至2015年4月，成功完成3.02×105t二氧化碳设计注入目标，并持续对其进行监测[17，18]。在国家能源CCS示范工程实施全过程中，针对二氧化碳地质封存的监测工作尤为重要。因为，二氧化碳需长期封存在深部咸水含水层中，一旦封存效果不佳导致泄露，将会带来较多负面影响，如地下水环境、生态环境污染，甚至影响到采矿安全[19，20]。因此，采取有效及时的手段监测封存状况，对于CO2在深部储层中的变化和发生泄露后的积极应对具有重要意义。

国家能源集团CCS示范项目CO2封存监测点位于补连塔煤矿五盘区12515和12514工作面范围内，由于补连塔煤矿采掘接续的原因，上述工作面即将开采，届时，将会对封存监测钻孔及设备造成破坏。因此，为了在不压覆煤炭资源的基础上进一步对CO2封存状况进行监测，有必要重新选址施工远距离定向监测井，与原先监测井并行监测一定时长，最终实现解放煤炭资源的同时保证CO2封存监测的完整性。目前已有CCS项目均是在封存地点进行原位监测，并没有因为特殊原因进行过异地监测。通过此次异地定向持续监测技术的应用，使得国家能源集团CCS示范工程成为全球首个异地持续监测CCS项目，丰富了CCS监测手段，对于深入研究CO2长期封存于深部储层的物性变化、安全性以及CO2封存对地质环境的影响具有重要的意义。

1 研究区概况

国家能源集团CCS示范工程封存的CO2来自国家能源集团鄂尔多斯煤直接液化项目中产生的烟气，通过对烟气中CO2捕集、低温浓缩处理后采用罐车运往位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇陈家村(110.17°E，39.33°N)的封存场地[18]，并以高压将其注入指定储层中。封存场地内主要建设有1口注入井(中神注1井)和2口监测井(中神监1井、2井)，占地面积约1.1万m2。其中，中神监1井、2井距离注入井的直线距离分别为70m和31.6m，呈三角形布置，如图1所示。

图1 CO2地质封存场地

CO2封存点的地层自上而下发育有第四系风积沙层、白垩系下统东胜-罗汉洞组、侏罗系中统直罗组与安定组、侏罗系下统延安组、三叠系上统延长组、三叠系中统纸坊组、三叠系下统和尚沟组与刘家沟组、二叠系上统石千峰组、中统石河子组、下统山西组、石炭系中统太原组与本溪组以及奥陶系中统马家沟组。CO2封存于刘家沟组至马家沟层段4个不同层位，层位埋深分别为1690m、1907m、2196m以及2424m。岩性以砂岩和灰岩为主，储盖层具有完整性高、渗透性底的特征[18]。同时中神监1井对4个不同封存层位的孔隙压力和储层温度等关键指标进行监测，中神监2井对储层上覆地层(监测深度1000m左右)压力和温度进行监测，监测数据实时传输至监测终端，如图2所示。

图2 CO2地质封存及监测示意图

2 CCS项目对煤炭资源开采影响分析

CCS项目封存场地位于补连塔煤矿五盘区12514以及12515工作面范围内，位置关系如图3所示，盘区可采煤层有4层，分别为12、22、31、52上煤，其中12514和12515工作面为12煤工作面。为了保护CCS项目监测井以及地表构筑物不受采动影响，则根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，需要留设保护煤柱。经计算，留设的四层煤柱资源量约为477.1万t，见表1。按照目前补连塔煤矿吨煤利润200元考虑，则CCS示范工程项目压覆补连塔煤炭资源价值达到9.542亿元。

图3 封存场地与补连塔煤矿工作面平面位置关系

表1 CCS项目留设煤柱资源量统计表

除留设煤柱外，12514和12515工作面回采至该保护煤柱时，需要实行跳采，增加了搬家倒面以及巷道掘进工程量，致使成本投入增加约5400万元。因此，CCS示范工程若在原址上运行和持续监测将对补连塔煤矿造成巨大的经济损失。由于压覆煤炭资源时限已过，加之补连塔12514与12515工作面回采在即，需要对CCS注入及监测井进行永久性封井作业。虽然CO2封存监测时长已达到设计要求，但鉴于该项目为我国首个CCS示范工程，有必要进一步对已注入储层的30.26万t的CO2封存状况进行持续监测。那么，补连塔煤炭资源的开采与CO2封存持续监测产生冲突。鉴于此，国家能源集团采用定向钻井持续监测技术，即从异地施工定向钻井至目前封存点附近，进行并行及接力监测工作，实现CO2封存持续监测的同时解放煤炭资源。

3 CO2封存异地定向持续监测技术

3.1 异地定向持续监测技术

通常情况下，二氧化碳封存监测工作在封存场地原址上进行，监测指标数据可靠性高且监测成本相对较低。先期封存监测场地在某种特殊原因(如煤炭资源开发)下将遭受破坏不具备监测条件，同时二氧化碳封存监测工作需要继续开展时，则需要采用异地定向持续监测技术。

异地定向持续监测技术具体实施过程为：选择原封存监测场地外(异地)不受特殊原因影响的区域，采用定向钻探技术施工监测钻孔至封存监测区域，同时在原监测钻孔报废之前与之并行监测一段时长，将二者监测数据进行比对分析，确定是否满足监测要求。若满足，则可以在原监测工作的基础上异地的进行持续监测。

相比封存场地原址监测，异地定向持续监测具有施工难度大、成本高等特点，其优点是能够满足二氧化碳封存监测的同时释放大量煤炭资源，带来巨大经济效益。

3.2 异地监测钻孔设计及施工

经反复论证，选择在补连塔五盘区保护煤柱内钻井，施工定向监测钻井(中神监3井)，该井位于CO2封存点西北方向，距注入井直线距离1810m左右，如图4所示。

图4 异地定向监测钻孔位置图

监测钻井(中神监3井)于2019年8月31日开孔，2019年10月14日完井，历时33d，完成了钻井的施工工作。为完成监测要求，该井施工过程中包括垂直段、造斜段以及水平段三个阶段的施工，最终顺利达到监测层位以及监测区域。其中钻孔垂直段孔深509m，孔径为444.5mm，穿透补连塔矿开采年限内最深的52煤层下123m；造斜段孔深548m，孔径为311.2mm；水平段孔深1508m，孔径215.9mm，垂深为970m，距52煤层584m；钻孔总深度2565m，如图5所示。

图5 异地定向监测钻孔施工

钻孔完井后，顺利将结构复杂、工艺要求高的监测管柱下到孔深2480m处，到达监测区域，完成了与中神监2井并行及持续监测要求。

3.3 异地监测钻孔施工创新技术

1)由于异地定向监测钻井井深较大，且水垂比达到1.88，在国内陆地施工的钻井中比较罕见，因此对井眼轨迹提出了很高的要求。本次施工选用1.5°单弯螺杆配合PDC钻头，使得造斜率完全满足设计要求。在造斜段，特别是在水平段方位控制取得较大成功，使得井眼轨迹平稳、光滑，完全满足监测仪器设备的下入要求。

2)在水平段长达1500m，垂深只有970m的水平井采取漂浮下套管固井技术，使得139.7mm完井套管安全、顺利下到井底并成功固井。

4 实施效果分析

自该CCS项目完成设计注入量后，中神监2井对储层上覆地层(埋深960m)压力和温度进行了持续监测，监测结果如图6(a)所示，由图6(a)监测数据表明：地层压力为15.2～15.6MPa，监测数据呈逐步衰减趋势，但衰减幅度较小，从2017年1月至2019年6月，历时30个月，压力衰减了0.4MPa，衰减幅度为0.013MPa/月；地层温度为47.5～48.3℃，监测数据呈逐步上升趋势，从2017年1月至2019年6月，历时30个月，温度上升了0.8℃，上升幅度为0.026℃/月。

图6 监测层压力与温度监测数据曲线

至2020年3月，中神监3井已持续对地层进行长达6个月的异地监测，如图6(b)所示，由图6(b)监测数据表明：地层压力为15.2～15.1MPa，监测数据呈逐步衰减趋势，历时6个月，衰减了0.1MPa，衰减幅度为0.017MPa/月；地层温度为48.3～48.5℃，监测数据呈上升趋势，历时6个月，温度上升0.2℃，上升幅度为0.033℃/月。

通过异地监测前后数据对比显示，地层压力、温度监测数据基本一致，延续性较好，变化趋势相同，且变化幅度也较接近，表明该异地定向监测项目实施效果较好，实现了设计既定目标，满足了持续监测的要求。

5 结 论

1)针对CCS项目工程压覆补连塔煤矿煤炭资源问题，提出了异地定向持续监测技术及方案，并通过现场施工，完成了监测井，实现了CO2封存异地持续监测，释放了该项目压覆的煤炭资源，增加补连塔煤矿经济效益约10亿元。

2)完成了深井(大于2000m)、高水垂比(大于1.5)的异地定向钻井施工，顺利安装监测设备，具有较高难度，对于类似监测钻井的施工具有借鉴意义。

3)国家能源集团CCS示范工程项目为国内首个且唯一一个深部咸水层CO2地质封存示范工程，通过异地定向持续监测技术的实施，进一步延长了示范项目监测数据序列，丰富了CO2地质封存监测手段，对于深入研究CO2长期封存于深部储层的物性变化、安全性以及CO2封存对地质环境的影响具有重要的意义。