煤层中CO2注入运移瞬变电磁法监测技术探索

doi:10.11720/wtyht.2020.1429

煤层中CO₂注入运移瞬变电磁法监测技术探索

崔方智¹^,², 周韬¹^,², 张兵³

1. 河南省煤田地质局物探测量队, 河南郑州 450009

2. 河南省地下工程探测信息工程技术研究中心,河南郑州 450009

3. 中联煤层气有限责任公司,北京 100015

TEM monitoring technology of CO₂ injection and transport in coal seam

CUI Fang-Zhi¹^,², ZHOU Tao¹^,², ZHANG Bing³

1. Geophysical Survey Party of Henan Coal Geology Bureau,Zhengzhou 450009,China

2. Henan Underground Engineering Exploration Information Engineering Technology Research Center,Zhengzhou 450009,China

3. China United Coalbed Methane Company, Beijing 100015,China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2019-09-1 修回日期: 2019-12-18 网络出版日期: 2020-06-20

Received: 2019-09-1 Revised: 2019-12-18 Online: 2020-06-20

作者简介 About authors

崔方智(1983-),男,安徽芜湖人,地质工程师,2006年本科毕业于山东科技大学,从事电法勘探工作。。

摘要

煤层中注入CO₂,使煤层的CO₂饱和度发生变化。根据阿尔奇经验关系公式,煤层电阻率在CO₂ 注入前后有明显的差异,为瞬变电磁法监测提供了条件。在柿庄北煤层气开发中,利用瞬变电磁法监测煤层中CO₂注入前后电阻率变化进行了实验探索,结果显示煤层中CO₂的注入能引起煤层电阻率的增加,并且可以通过瞬变电磁方法监测;同时感应电压能直观地反应CO₂注入所产生的地层电性特征的变化,利用地层等效电阻率的计算公式,计算地表至煤层的等效电阻率值,求解煤层附近地层的瞬变电磁采样延时及其对应的感应电压值。感应电压值相对于背景值的变化,反映了地层电性特性的变化,分析计算CO₂注入引起的地层感应电压的变化量和变化率,结合误差范围,可以推断出CO₂运移富集区范围。

关键词： CO₂注入 ; 监测 ; 瞬变电磁法 ; 感应电压 ; 煤层

Abstract

The injection of CO₂ into the coal seam changes the CO₂ saturation of the coal seam.According to Archie's empirical formula,there are obvious differences in coal seam resistivity before and after CO₂ injection,which provides conditions for TEM monitoring.In the development of coalbed methane in Shizhuang North Block,the electrical resistivity changes of coalbed methane before and after CO₂ injection were monitored by TEM. The results show that the increase of electrical resistivity of coal seam can be caused by CO₂ injection in coal seam, and can be monitored by TEM. At the same time,the induced voltage can directly reflect the change of formation electrical characteristics caused by CO₂ injection.The equivalent resistivity from the surface to the coal seam is calculated by using the calculation formula of formation equivalent resistivity,and the transient electromagnetic sampling delay and the corresponding induced voltage of the formation near the coal seam are solved.The variation of induced voltage relative to background value reflects the change of formation electrical properties.The variation and rate of formation induced voltage caused by CO₂ injection are analyzed and calculated.Combined with the error range,the range of CO₂ migration enrichment zone can be inferred.

Keywords： CO₂ injection ; monitoring ; transient electromagnetic method ; induction voltage ; coal seam

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本文引用格式

崔方智, 周韬, 张兵. 煤层中CO₂注入运移瞬变电磁法监测技术探索. 物探与化探[J], 2020, 44(3): 573-581 doi:10.11720/wtyht.2020.1429

CUI Fang-Zhi, ZHOU Tao, ZHANG Bing. TEM monitoring technology of CO₂ injection and transport in coal seam. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(3): 573-581 doi:10.11720/wtyht.2020.1429

基金项目: 国家科技重大专项“深煤层CO₂注入置换甲烷技术研究及装备研制”(2011ZX05042-003)

0 引言

瞬变电磁法是利用脉冲电流产生一次磁场,在一次脉冲场间隙观测地下介质感应的瞬变二次电磁场的一种时域电磁法。其观测为纯二次场信息,受地形影响小,异常响应强,形态简单,分辨能力强等优点^[1,2,3,4,5];可用于含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等探测。

近几年,中联煤层气有限责任公司在沁水盆地开展煤层中CO₂注入以提高煤层气的采收率^[6]试验,取得了一定的效果。文章主要介绍瞬变电磁法对CO₂注入煤层后的运移观测,以及其处理分析和解释方法,实践证明了瞬变电磁法监测技术的可行性。

1 瞬变电磁监测的理论分析

理论上讲,干燥的岩石、石油和空气的电阻率相对较大,但实际上岩石孔隙、裂隙总是含水的,并随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加,电阻率急剧下降。相同水分、不同矿化度的岩石电阻率也存在一定的差别。

煤层气开发中,煤层受CO₂注入的压裂作用,会使煤层的结构和构造发生变化;煤层的泊松比等弹性力学参数发生变化,煤层与围岩之间的波阻抗差异更加明显;同时,CO₂注入煤层后,煤层中CO₂的饱和度发生变化,其电阻率在CO₂注入前后有明显的差异^[7,8,9,10]。

阿尔奇1942创建了经验关系式,并且在一些场地和实验室的研究中得到了成功地测试,它描述了按孔隙率部分饱和一种传导液体的多孔岩石、流体饱和度以及该导电流体电阻率之间的关系, Archie公式可以写成^[11,12]:

(1)

ρ = a ρ_{w} ϕ^{- m} S_{w}^{- n} 。

式中:ρ是流体饱和岩石的电阻率,a是一个经验常数,通常为1;ρ_w是导电流体的电阻率;S_w为导电流体的饱和度;ϕ为岩石的有效孔隙度;m为胶结指数,大多砂岩的m大致为2;n为饱和度指数,大多数砂岩的n约为2。

Dana Kiesslinga等做了实验室的CO₂流体穿透实验(原位压力p=7.5 MP,温度条件40°),结果表明CO₂的饱和砂岩的电阻率大约是原来的3陪,并利用地面—井下电阻率层析成像方法,在Ketzin(德国)附近的CO₂SINK实验场地监测深度约650 m咸水含水层中CO₂注入迁移情况,观测到CO₂的注入引起大约2倍的电阻率增加。

利用瞬变电磁法研究煤层中CO₂注入前后电阻率等物性参数的变化,识别煤层中CO₂注入后运移范围。根据阿尔奇经验关系式进行模拟计算,可获得CO₂流体注入煤层后的电阻率变化。研究区CO₂注入井由SX006、SX006-1和SX006-2井构成,根据电阻率测井资料计算其某一深度范围地层等效电阻率。表1给出了SX006、SX006-1和SX006-2井煤层底板向上20 m范围地层的等效电阻率,其中煤层底板向上20 m范围地层的等效电阻率分别为220、196、175 Ω·m,其3^#煤层的等效电阻率分别为843、441.7、726.7 Ω·m。若CO₂的注入使得煤层电阻率值增加2倍,则其煤层底板向上20 m范围地层的等效电阻率值增加5.23%~13.88%,这为利用瞬变电磁法观测其电阻率的变化提供了可靠的依据。

表1 注入井3^#煤层附近测井电阻率计算统计

Table 1 Statistical table for calculating logging resistivity near coal seam of injection well

钻井编号	测井深度/m (间隔0.05 m)	煤层视厚度/m	未进行CO₂注入				CO₂注入使煤层电阻率增加2倍		底板上20 m 范围内地层等效电阻率变化率/%
钻井编号	测井深度/m (间隔0.05 m)	煤层视厚度/m	煤层等效电阻率 /(Ω·m)	煤层底板上20 m 范围内地层等效电阻率/(Ω·m)			煤层等效电阻率 /(Ω·m)	煤层底板上20 m 范围内地层等效电阻率/(Ω·m)	底板上20 m 范围内地层等效电阻率变化率/%
SX006	1102	6.04	843.0		220.0	2528.8		231.5	5.23
SX006-1	962	6.20	441.7		196.7	1325.2		224.0	13.88
SX006-2	993	6.15	726.0		175.5	2178		184.9	5.36

注:测井数据来自中联煤层气有限责任公司

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根据研究区的地层特点以及CO₂注入施工工艺,地层电阻率的变化影响包括:①受CO₂注入压裂影响,由于注入井在完钻前已完成压裂改造,背景值观测在地层改造之后,后期注入压力只维持CO₂扩散运移的所需压力,避免新的构造裂隙产生,该影响相对较小。②周围监测井的生产排采影响,将引起煤层中CH₄、含水量的等因素变化,对监测井周围产生较大影响,并对注入井产生间接影响。③注入井在注入前进行相应的生产改造和关井,并进行相应的瞬变电磁观测,液态CO₂注入对地层电阻率产生直接的影响,是本次主要的研究对象。

2 CO₂注入井场地质概况

2.1 地质概况

研究区地层由上而下主要为第四系、三叠系下统刘家沟组、二叠系上统石千峰组和上石盒子组、二叠系下统下石盒子组和山西组,石炭系太原组和本溪组。以研究区SX006-1井钻遇地层为例。图1为SX006-1井地层柱状简图,其中二叠系下统山西组(P₁s)厚63.0 m,由深灰色、灰色粉砂岩、细砂岩、泥岩和煤层组成,是主要的含煤地层,其3^#煤层埋深976.40~982.20 m,厚 5.80 m,底部厚7.00 m的灰色细砂岩为K₇标志层。石炭系上统太原组(C₂t)在深度 1 006.0~1 008.0 m具有厚2.0 m的灰色灰岩,为K₅标志层。

图1

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图1 SX006-1井地层柱状简图

Fig.1 Formation column diagram of well SX006-1

研究本区煤层走向主要为NE,地层倾角一般为小于6°,断层总体不发育。

2.2 注入井CO₂注入情况及瞬变电磁观测时段

SX006-1井CO₂注入分两期三个阶段,第一阶段从2013年3月25日~7月1日,CO₂注入量为490.38 t,第二阶段从2013年11月6日~12月13日,CO₂注入量为 286.49 t,第三阶段从2014年4月29~12月2日, CO₂注入量为842.88 ,之后停止了CO₂注入作业,两期累计注入CO₂约为 1 619.75 t。SX006井从2014年8月1日~2015年11月25日进行注入CO₂施工,累计注入量1 888.19 t。SX006-2从2015年3月26日~2015年11月26日进行施工,CO₂累计注入量为825.29 t。

根据CO₂注入情况,分4次进行瞬变电磁法数据采集,各次观测参数保持一致。

依据CO₂注入情况和瞬变电磁法观测时段,2011年10月因进行测区背景值数据采集,未实施CO₂注入作业。2013年11月数据采集时,SX006-1井CO₂累计注入量约700 t,2014年11月数据采集时,SX006-1井CO₂累计注入量约1 460 t,第二期CO₂注入量约840 t,第二期和第一期时间间隔约5个月,即闷井时间为5个月,2015年10月数据采集时,SX006-1井已停止了CO₂的注入作业,并经过10个月闷井,其CO₂累计注入量为1 619 t。SX006井CO₂累计注入量约1 750 t,SX006-2井CO₂累计注入量约800 t。

3 应用效果分析

3.1 数据采集

瞬变电磁数据采集,采用大定源回线装置^[13,14,15],仪器采用加拿大Geonics公司研发的PROTEM-67D瞬变电磁仪,研究区测线北东向布设,线距20 m,点距20 m,详见图2。采集参数:线框大小为920 m×920 m,工作频率2.5 Hz,电流约13 A,积分时间120 s,采用4倍增益,并保持各次观测参数一致。

图2

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图2 研究区工作布置示意

Fig.2 Schematic diagram of work layout in the study area

3.2 观测参数统一性主要保证措施

煤层中CO₂注入的运移监测瞬变电磁勘探施工主要依据《煤炭电法勘探规范》(MT/T 898—2000)、《地面瞬变电磁法技术规程》(DZ/T 0187—1997)、《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18341—2001)和《工程测量规范》(GB50026—1993)等相关规范要求。除按照相关规范要求之外,针对CO₂注入的运移瞬变电磁法监测,提出如下生产技术保障措施:

1)铺设线框时,要保持各次观测时线框位置的一致,并采用统一规格的电缆,确保线框电阻的大致相等,以保证各次观测发射电流的一致性。

2)严格按试验中选取的频率、积分时间和增益等参数进行数据采集,确保记录到较晚延时范围内的有用信号,并在后期的数据采集中确保参数一致,接收机采集时的关断时间保持统一。

3)野外数据较好时自动采集2次,数据的信噪比一般应不小于5,如不符合要求的测道超过1/10,应进行多次重复观测。

4)观测点地面位置,均采用GPS定位,保证其误差小于0.2 m。

5) 每次观测,均需对场地噪声进行观测,以分析其影响范围,进行严格的质量检查和误差统计,以分析多次观测的误差范围。

3.3 瞬变电磁采集数据资料分析

野外数据采集之后由于关断时间的不同,首先进行关断时间校正,并截取每一个测点相同采样延时时间段内的感应电压,采用IX1d软件进行反演成图。

3.3.1 CO₂注入后视电阻率断面图的变化

图3和图4分别为1240线和1260线电阻率断面,图中示意了主要的地层界线,注入井SX006-1和SX006分别位于1260线的320点和620点附近。整体来看,电阻率断面图中电阻率的分布和钻井揭露的地层层位基本一致,且基本稳定,说明4次勘探数据真实可靠,反演电阻率值具有可对比性。对比可知,2013年SX006-1孔注入CO₂约700 t以后,

图3

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图3 1240线反演电阻率断面

a—2011年10月背景值观测;b—2013年11月SX006-1井注入700 t CO₂后的观测; c—2015年10月SX006-1井注入1 619 t CO₂后闷井10个月,随后SX006井注入1 750 t CO₂后的观测。椭圆区域为异常区,下同

Fig.3 Line 1240 apparent resistivity section

a—observation of background values in October 2011; b—observations after 700 tons of CO₂ was injected into well SX006-1 in November 2013; c—in October 2015, after 1 619 tons of CO₂ was injected into well SX006-1, the well was closed for 10 months,subsequent observation after 1 750 tons of CO₂ was injected into well SX006.Ellipse area is abnormal area,same as below

图4

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图4 1260线反演电阻率断面

2014年11月SX006-1井注入1 460 t CO₂后的观测

Fig.4 Line 1260 apparent resistivity section

observation after 1 460 tons of CO₂ was injected into well sx006-1 in November 2014

1240线注入井煤层附近的电阻率值明显增大(图3b);至2014年底,在SX006-1井CO₂纯注入量约1 460 t以后,注入井煤层附近的电阻率值增大异常明显,范围有所扩大(图4);2015年SX006-1井停止了CO₂注入作业,在断面图中显示煤层附近的电阻率值明显减小(图3c中黑色椭圆区域),推测异常发生的原因与2015年停止CO₂注入作业,经过10个月的闷井以及后期试采气工作存在一定的关联,CO₂的注入扩散以及其与CH₄的置换^[16,17,18]、试采气工作改变了煤层中CO₂饱和度,致使瞬变电磁观测到的感应电压值增大,电阻率减小。

注入井SX006在2014年8月1日~2015年11月25日,累计注入CO₂约1 750 t,2015年勘探结果表明注入井煤层附近的电阻率值增大(图3c)。

通过上述分析,CO₂注入能引起煤层附近电阻率增大,通过瞬变电磁法勘探可以进行识别和判断。由于瞬变电磁法所测电阻率是由感应电压计算得到,存在人为的影响因素,由此本文从感应电压出发,寻求目的层位的感应电压的处理和解释方法。

3.3.2 煤层附近地层所对应感应电压的变化

根据场的传播,典型的正常场就是均匀非磁性导电半空间表面的瞬变响应,层状大地可视为某一电阻率的半空间,在单匝圆形回线中部,场近于均匀分布,其垂直分量的响应^[1,2,3]为:

(2)

\begin{array}{l} V_{I} = \frac{3 Iq}{σ r^{3}} f_{I} (τ_{0}), \end{array}

(3)

\begin{array}{l} f_{I} (τ_{0}) = φ (\frac{1}{2 \sqrt[]{τ_{0}}}) - e^{- 1 / (4 τ_{0})} \frac{1 + 6 π}{6 τ_{0} \sqrt[]{π τ_{0}}} 。 \end{array}

在瞬变电磁勘探早期时,τ₀≤0.01,f_I(τ₀)→1,则

(4)

V_{I} = \frac{3 \sqrt[]{π} Iqρ}{a} (边长为 a 的方形回线) 。

在瞬变电磁勘探晚期τ₀≥1时,f_I(τ₀)≈1/(60 $\sqrt[]{π} τ_{0}^{5 / 2}$ ),则

(5)

V_{I} = \frac{I μ_{0}^{5 / 2} q a^{2}}{20 π \sqrt[]{π} ρ^{3 / 2} t^{5 / 2}} (边长为 a 的方形回线),

式中:V_I为发射电流为I时的感应电压;q为接收线圈的有效面积;r为发射线圈半径;ρ为地层平均电阻率;t为瞬变电磁采样延时;τ₀=t/(σμ₀r²),为综合参数(无量刚);μ₀=4π×10^-7 H/m。

上式表明,早期的瞬变电磁响应与采样延时无关,而与平均电阻率有关;在瞬变电磁勘探晚期,感应电压和采样延时存在一定的关系,若固定其采样延时,其感应电压的变化就反映了平均电阻率的变化,从而可以说明地层电性特性的变化。

研究区煤层附近地层所对应感应电压的计算步骤如下^[19,20]。

1)计算背景值观测数据反演视电阻率,求解其地表到达煤层底板的等效电阻率值,并和测井电阻率进行比较,分析反演数据的准确性。

2)依据地表到达煤层底板的等效电阻率,计算背景值煤层的瞬变电磁采样延时,并提取其对应的感应电压值。

3)以背景值瞬变电磁采样延时为基准,提取CO₂注入后各次瞬变电磁采样煤层所对应的感应电压值。

4)进行差值处理,求其变化量和相对变化率,划分各次采集感应电压相对于背景值感应电压的变化情况,并和瞬变电磁法勘探视电阻率断面图结合分析,用以识别CO₂注入后地层电性特征的变化及其运移范围。

图5为各次勘探煤层附近地层所对应的感应电压平面。图中清晰反映出了CO₂注入以及钻井生产排采所引起的煤层附近地层感应电压的变化。整体来看,各次勘探的感应电压分布整体一致,但在注入井周围煤层附近地层感应电压出现明显变化。

图5

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图5 煤层附近地层感应电压平面对比

a—2011年10月背景值观测; b—2013年11月SX006-1井注入700 t CO₂后的观测; c—2015年10月SX006-1井注入1 619 t CO₂后闷井10个月,随后SX006井注入1 750 t CO₂、SX006-2井注入800 t CO₂后的观测

Fig.5 Planar contrast map of induced voltage in strata near coal seam

a—observation of background values in October 2011; b—observations after 700 tons of CO₂ was injected into well SX006-1 in November 2013; c—in October 2015, after injecting 1 619 tons of CO₂ into well SX006-1, the well was closed for 10 months,subsequent observation after injecting 1 750 tons of CO₂ into well SX006-2 and injecting 800 tons of CO₂ into well SX006-2

对比可知,在SX006-1井未注CO₂之前,注入井周围感应电压处于高值区,在其注入700 tCO₂之后,注入井周围感应电压值降低(图5a、b);在其CO₂注入量达1 619 t之后转入闷井,闷井10个月后试采,感应电压值明显增大,如图5c中红色椭圆圈定的区域。图5c中还显示:对于SX006井,注入CO₂约1 750 t以后,其注入井周围感应电压值显著减小,而SX006-2井在注入800 tCO₂之后,注入井周围的感应电压值减小较为明显。

通过煤层附近地层所对应的感应电压分析中可知:感应电压对CO₂注入以及各钻井生产排采所引起的地层电性特征的变化反应更为直观、清晰,后期划分CO₂注入运移范围,主要用煤层附近地层所对应的感应电压变化,结合数理统计和误差分析来综合判断。

对煤层中CO₂注入后运移范围进行分析。通过计算各次观测煤层附近地层感应电压,并求解感应电压的变化量和相对变化率,将其绘制成图。

考虑到CO₂注入煤层之后,引起地层电阻率增大,感应电压降低,所以只考虑感应电压减小的情况。图6为各次勘探感应电压相对于背景感应电压变化量和变化率平面。根据误差统计分析,其感应电压减小量大于0.012 nV/(A·m²)和其变化率大于13%均超出各次勘探误差^[21]的影响范围,说明异常可靠。

图6

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图6 煤层附近地层感应电压相对于背景值的变化量平面(上图)和变化率平面(下图)

a—2013年11月SX006-1井注入700 t CO₂; b—2015年10月SX006-1井注入1 619 t CO₂后闷井10个月,随后SX006井注入1 750 t CO₂、SX006-2井注入800 t CO₂

Fig.6 Plane diagram of relative variation of induced voltage of formation near coal seam to background value

a—700 tons of CO₂ was injected into well SX006-1 in November 2013; b—In October 2015, after injecting 1 619 tons of CO₂ into SX006-1 well, the well was closed for 10 months,subsequent 1 750 tons of CO₂ was injected into SX006 well and 800 tons of CO₂ was injected into SX006-2 well

SX006-1井在注入CO₂约700 t之后,井周围感应电压值降低,感应电压变化量和变化率均超过误差范围,异常可靠(图6a),在其累计CO₂注入量达1 619 t之后转为闷井,闷井时间约10个月。之后多次试采,2015年10月勘探时未出现异常,说明闷井、试采之后,感应电压的改变量小于设定的异常阈值或处于误差之内而不易识别和区分。

4 监测效果及因素分析

经资料收集,后期在SX006-3井已经检测到少量CO₂的存在,说明有部分的CO₂已经运移至SX006-3井附近,但在成果图中没有明显异常线路显示,说明少量的CO₂运移对煤层附近地层电阻率改变量较小,没有超过异常划分设定的阈值,不易区分。综合分析,目前所判定的运移范围可作为CO₂运移富集区范围。

项目监测过程中存在的各种影响因素分析如下。

1) 闷井时间的长短和试采气工作均对煤层附近地层的电阻率产生较大的改变,闷井时间的长短、闷井过程中压力变化以及CO₂的扩散运移都将对煤层附近地层的电阻率产生直接的影响,需进一步分析研究;

2) 注入井套管的影响也一直存在,注入井套管的影响主要使其周围地层观测的视电阻率减小,不改变CO₂注入使煤层电阻率增大规律,套管的影响有其固定的规律,通过数值模拟计算可消除其影响,便于对CO₂运移富集区范围更准确的判断。

3) SX006-1井曾两次注入浓度为10%的食盐水溶液示踪剂1 000 Kg,监测显示煤层附近的电阻率发生明显变化。

为进一步通过瞬变电磁法精确的判断CO₂的注入运移范围,还需要开展以下方面的研究:

1) 数据采集的控制是关键因素,直接影响采集质量和对CO₂注入视电阻率变化的判断,系统误差和采集的干扰因素影响CO₂注入运移富集区范围的识别;本项目的研究所确定的异常阈值,其感应电压变化率在13%左右,可通过系统控制,降低异常阈值,更精确识别CO₂注入运移富集区范围。

2) 在闷井阶段,随着CO₂的扩散运移,煤层CO₂饱和浓度降低,煤层电阻率减小,感应电压的增大,瞬变电磁反应异常幅值见效,需进一步研究,用以识别CO₂的运移范围。

5 结论

在沁水盆地南部,柿庄北区块利用瞬变电磁法监测煤层中CO₂注入运移探索,研究表明该方法是可行的。

1) 煤层中CO₂的注入能引起煤层电阻率的增加,可根据阿尔奇公式进行模拟计算,不同饱和度CO₂浓度,其电阻率增加量不同。

2) 利用瞬变电磁法观测的纯二次场,感应电压能直观反应出CO₂注入所产生的地层电性特征的变化。

3) 通过等效电阻率的计算,获得煤层附近地层的瞬变电磁采样延时以及其对应的感应电压,而各次采集煤层附近地层感应电压的变化,反映了地层电性特性的变化,分析计算CO₂注入引起的地层感应电压的变化量和变化率,结合误差范围,大致推断CO₂运移富集区范围。

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