二氧化碳地质封存地球物理监测技术（一）
原创 赵改善 地学新视野 2022-06-09 08:43 发表于江苏
《二氧化碳地质封存地球物理监测技术》一文约32000余字、100多张图件，分3次发布，这是第一部分。
摘要：全球气候变暖问题成为人类生存和全球可持续发展面临的重大挑战，碳中和目标与绿色低碳化发展成为世界各国的普遍共识与共同行动。将无法减排的二氧化碳等温室气体捕集转化和封存，是绿色低碳化发展道路上实现零碳甚至负碳目标必不可少的技术途径、关键托底技术和最后手段，也是化石能源清洁化利用的重要配套技术，是构建兼具韧性与弹性能源系统的关键技术。二氧化碳地质封存具有规模化应用的巨大潜力和较好的商业化应用前景，并已有较长时间的技术探索和示范应用基础。地球物理技术在二氧化碳地质封存工程中具有独特而不可或缺的作用，其作用主要表现在三个方面：一是二氧化碳地质封存空间的选择和评价，二是封存有效性监测与评价，三是封存安全性监测与评价。二氧化碳地质封存的地球物理监测以时延地球物理方法为主，即通过地球物理重复观测实现对二氧化碳封存过程的动态监测。地球物理方法以地震法为主，包括三维地震、井间地震、井中地震（VSP）、微地震等，其它方法还包括卫星遥感、时延电磁、时延重力和测井等方法。地震勘探是二氧化碳地质封存监测的最主要工具，试验表明绝大多数二氧化碳地质封存项目和二氧化碳增强油气开采项目都得到了清晰的时延地震异常，时延地震成果可以应用于二氧化碳运移扩散监测、泄漏监测和油藏模型的精细化。微地震监测是二氧化碳运移扩散羽流分布和诱发地震的有效监测工具，井中地球物理监测具有受浅层变化和浅层噪声影响小、时延观测重复性好与成本低的优势。时延电磁和时延重力测量的观测效率高、成本低，但分辨率和灵敏度也比地震勘探低。卫星遥感则是地表变形与二氧化碳泄漏监测的一种快速而经济有效的手段。相对油气勘探来说，二氧化碳地质封存中的地球物理监测技术应用存在一定的特殊性要求，包括永久性（或长期重复性）、动态性和低成本，尚面临着一系列的技术性与经济性挑战。二氧化碳地质封存地球物理监测技术体系尚不成熟，有待进一步的完善和优化，以期在监测系统的有效性、高效性、经济性等方面取得良好的综合平衡和优化。多种地球物理监测技术的联合应用，DAS与节点地震仪永久埋置部署是重要发展方向。
一、引言
近年来，全球气候变暖问题的治理成为全世界的焦点议题，碳中和目标和绿色低碳化发展成为世界各国应对气候变暖问题的普遍共识与共同行动。绿色低碳发展成为时代主题，这终将深刻影响未来世界经济和社会发展方向和发展路线。
实现低碳化发展和碳中和目标的途径主要有3条[1]：一是在能源需求消费侧提高能源效率、转变产业结构、优化消费方式、降低温室气体排放，即通过节能减排方式实现低碳化发展；二是在能源供给侧实现能源结构转型，发展绿色低碳可再生能源，即通过绿色能源实现低碳化发展；三是将无法减排的二氧化碳等温室气体捕集转化和封存，通过“碳转移、碳转化”实现“碳减排”，利用人工碳汇消减碳源方式实现零碳排放甚至负碳排放。
对于中国而言，能源短缺和富煤的特点决定了我们在未来很长的一段时间内还难以彻底摆脱煤炭、石油、天然气等化石能源供应，因而二氧化碳捕集利用和封存（CCUS）或二氧化碳捕集和封存（CCS）将在我国低碳化发展道路上发挥不可替代的作用。在世界范围内，CCUS或CCS也被认为是一项大规模温室气体减排技术，是实现零碳甚至负碳排放必不可少的技术路径、关键托底技术和最后手段，具备技术上的可塑性、操作环境的灵活性、碳回收空间拓展的持续性，是化石能源清洁化利用的配套技术，是构建兼具韧性和弹性能源系统的关键技术[2][3][4][14][15][16]。
据多家权威机构预测[2][3][4][55]，如果不广泛应用CCUS技术，各国的近零排放目标将无法实现，到2050-2060年以后全球需要采用CCUS进行减排的二氧化碳每年将达到（28~76）亿吨，中国将达到（10~20）亿吨。目前全球每年二氧化碳捕集量约为4000万吨，按照当前各国的减排计划估算，2030年须增至8亿吨。由此可见，CCUS或CCS将是一个巨大的市场，市场空间有望达到数千亿甚至上万亿元。
一般来说，二氧化碳的封存主要包括地质封存、海洋封存和矿石碳化等方式，目前主要以地质封存为主，短期油气井/煤层封存有望成为主流技术路线，中长期预计盐水层/海水封存将成为主流，远期二氧化碳矿石碳化具有较好的商业化前景。具有油气田等封存资源的传统油气公司在二氧化碳封存方面具有一定优势，特别是在强化采油（EOR）项目中用二氧化碳驱替采油提高采收率，提高了二氧化碳封存的经济效益，是当前世界上二氧化碳封存的主流方式。据全球碳捕集和封存研究院(GCCSI)统计[4]，全球主要油气田二氧化碳的存储能力约为3108亿吨，完全能满足净零碳排放的需求，但其地理位置分布相对有限，二氧化碳运输成本较高；咸水层是另一种可以高效地质封存二氧化碳的资源。据中国地质调查局统计，我国二氧化碳总封存潜力可达万亿吨规模，其中咸水层封存量占98%以上。《中国二氧化碳捕集利用与封存年度报告（2021）：中国CCUS路径研究》报告中给出了更为乐观的估计[3]，深部咸水层和油气藏都是适合二氧化碳封存的场所，全球二氧化碳的陆上理论封存容量为（6~42）万亿吨，海上理论封存容量为（2~13）万亿吨，而中国的地质封存潜力约为（1.21~4.13）万亿吨。
CCUS技术研究与应用已有50多年的历史了，截止2021年9月规划、在建和运行中的商业化CCUS设施数量达到135个，全部建成后每年可捕集二氧化碳约1.5亿吨[4]。相关设施的单位捕集量呈现增加趋势，数个设施超过百万吨级；CCUS产业集群化发展趋势明显，促进了成本降低。近年来，我国也在积极开展CCUS的技术探索与应用示范[2][3]，尤其在二氧化碳驱油、地下储能等方面取得了多项探索和示范应用成果[5][6][7][8][9][10][11][12]，但与国际水平相比，我国CCUS技术在大规模示范项目的整体规模、集成程度、离岸封存、工业应用等方面存在较大差距[5]。我国自2004年首个CCUS示范项目在山西投运以来，已建成38个CCUS封存项目，累计注入封存二氧化碳超过2百万吨，形成二氧化碳捕集能力2.96百万吨/年，注入能力1.21百万吨/年，中国石化于2021年底建成了首个百万吨全流程示范项目。
图1给出了CCUS的主要技术环节示意图，当前地质封存是二氧化碳的主要封存方式。全球CCUS技术研究、探索和示范应用表明，CCUS或CCS尤其是二氧化碳的地质封存既是必要的，又是可行的。
图1 CCUS技术环节示意图[3]
作为面向地球应用研究的一个学科或一类技术，地球物理理应在全球可持续发展中发挥其积极而独特的作用。作为全球主要的应用地球物理学术组织，SEG制订了地球物理可持续发展导引指南[37]，指南详细梳理了针对联合国提出的17个可持续发展目标（SDG）作为价值创造者角色所对应的地球物理应用与实践，见图2和图3。SEG还发布了应对全球气候变化的有关声明[39]，声明指出：地球物理学家应在碳封存、大型冰体（极地冰盖层、冰川、海底永冻层、雪等）监测、风能和太阳能系统需要的矿产勘探、地热能勘探、水资源勘探与管理等能源与环境相关重要挑战问题中发挥重要作用。地球物理技术可以在二氧化碳地质封存目标的有效勘探、站点选择、长期监控中发挥独特而不可或缺的作用。SEG还联合AAPG和SPE等学术团体联合成立了碳解决方案工作组（CSTF）[35]，旨在推动低碳技术的教育、研究、交流与合作，组织专题学术研讨会，设立面向地质碳封存的地球物理模型研究项目（SEAM）。
图2 联合国提出的17个可持续发展目标[37]
图3 地球物理可持续发展导引指南轮图[37]
笔者曾对碳中和愿景与绿色低碳发展形势下地球物理行业的生存与发展道路进行了系统思考，提出[1]：地球物理行业应围绕绿色能源、绿色技术、绿色服务、绿色系统几个维度优化自身的技术优势，创新技术体系、服务内容和应用场景，维护传统应用领域市场，开拓和扩大新的应用领域市场，提升绿色低碳竞争优势，以保持长期的可持续健康发展。重点以以下对策来应对碳中和挑战：通过数智化变革提升地球物理行业的低碳化服务能力；积极拓展新能源与自然灾害预测等化石能源以外领域的多元化地球物理技术服务市场；发挥优势完善体系大力开拓碳封存技术服务市场。
二、二氧化碳地质封存概述[2]-[13][14]-[25]
简单而言，二氧化碳地质封存（或简称地质碳封存）就是将捕集得到的二氧化碳注入地下空间进行永久性封存，从而减少二氧化碳向大气层的排放。二氧化碳地质封存的原理与石油、天然气和其它碳氢化合物被封存于地球地下介质中数千万年的原理相同。
适合二氧化碳地质封存的地下空间，可以是地下空穴、枯竭的油气藏和煤矿、盐水层等多种类型。只要存在不可渗透的岩层阻止二氧化碳逸出，任何足够大深度（如大于800m）且具有足够孔隙空间和渗透性的地层都是潜在的封存空间。捕集得到的二氧化碳气体，经过提纯、脱水、多级压缩、换热后制成液态二氧化碳，通过罐车、船舶、管道等工具运输至目标封存地，经注入井注入目标地层实现二氧化碳封存，如图4所示[3]。
图4 二氧化碳地质封存示意图[3]
当然，二氧化碳地质封存还可以与地下资源开采相结合，如通过二氧化碳注入实现强化采油（EOR）、强化采气、强化地热开采和强化咸水开采，减碳的同时实现良好的经济效益[11][12]。二氧化碳驱油（CO2-EOR）的首次应用是在20世纪70年代，逐步发展成为 CCUS的主流技术。而将二氧化碳注入地下深部盐水层中的工业应用和试验开始于1996年。二氧化碳驱油与封存，是通过超临界二氧化碳与原油混相，增强原油流动性，有效驱替微孔隙中的原油，大幅提高采收率，二氧化碳通过置换油气、溶解与矿化作用，实现二氧化碳的地下封存。
二氧化碳地质封存存在4种不同的基本捕获封存机制[6][7][14]，即结构（构造圈闭）捕获、残余气捕获、溶解捕获和矿化捕获，见图5。这4种二氧化碳捕获机制包括两大类，即物理捕获与化学捕获，不同捕获机制二氧化碳捕获量随二氧化碳注入地下介质的时间而变，早期以物理捕获为主，随时间增长化学捕获逐步占主导地位。研究表明[6][7][14]，随着二氧化碳的大量注入，将促进地下介质中水-岩相互作用过程演化，改变介质流体化学平衡，从而改变介质的孔隙度和渗透性。
图5 二氧化碳地质封存机制示意图[7][14]
在地质碳封存工程中，二氧化碳以超临界态流体方式被注入地下介质中，早期的二氧化碳以结构（构造圈闭）捕获方式充填在地下介质的空洞、孔隙裂缝等空间中，如构造圈闭和地层圈闭中，在百年时间尺度上结构捕获和残余气捕获占主导地位。同时，部分二氧化碳溶解到地层水中形成溶解捕获，在千年时间尺度上地层流体中的二氧化碳主要以溶解态存在，盐水地层中二氧化碳的溶解过程不是一个线性过程[60]。直至万年时间尺度，部分二氧化碳将会以次生碳酸盐矿物沉淀形式被封存，即矿化捕获封存。地下地层流体组分及岩石矿物组分的不同，也将造成二氧化碳不同捕获封存机制的差异。随着注入时间的推迟，二氧化碳捕获封存的稳定性和安全性逐渐增强。表1列出来4种不同捕获封存机制的主要特性和潜力。
图6 盐水地层中二氧化碳溶解过程[60]
二氧化碳地质封存存在有效性问题，即二氧化碳被注入地下后能否在封存地层和空间中通过运移分布在较大的预期计划范围内，形成一定规模和稳定的永久封存，这依赖于地质封存空间要符合一定的地质条件。良好的二氧化碳地质封存条件包括：一是较好的地下空间或地层具有较高的孔隙度和渗透性，以便于二氧化碳有足够的封存空间和运移能力，形成规模化的二氧化碳封存能力；二是有效的覆盖地层，封存空间上覆盖层可以防止二氧化碳向大气层和浅部地层的泄漏，避免二氧化碳对大气层的再次排放和对浅部地层地下水等环境的破坏和污染；三是合适的地层流体组分和矿物组成，以有利于形成二氧化碳的溶解捕获和矿化捕获，增强二氧化碳永久封存的安全性。
同样，二氧化碳地质封存也存在一定的安全性问题。这里的安全性问题主要包括2个方面：一是地下封存的二氧化碳是否会泄漏对浅部地层和地下水环境产生污染和破坏，或泄漏到大气层中；二是地下封存二氧化碳形成的高压是否会对盖层及地下地质构造产生破坏，形成断层或引发地震等地质灾害。因此，二氧化碳地质封存需要对其有效性和安全性进行长期监测。
总而言之，二氧化碳地质封存具有存储容量大、存储时间长、成熟技术可迁移、可与二氧化碳利用相结合的优点，但泄漏监测是难题，面临着长时间存储情况下封存泄漏的风险。因此，应使用有针对性、准确可靠、低成本的永久监控技术，提高异常检测、异常溯源、泄漏量化的能力，以有效实现对二氧化碳地质封存的风险管理。
二氧化碳地质封存的后期监测活动被统称为MVA（Monitoring, verification and accounting，即监测、验证和审计），其主要宗旨是控制二氧化碳地质封存的风险，建立基线条件，验证地质封存对人类健康和环境的保护作用，为二氧化碳地质封存提供准确的计量信息，MVA是开展大规模二氧化碳地质封存必须解决的一个关键问题。为保障二氧化碳地质封存的安全性，一些国家制定了相关的强制性法规和指导性政策，对二氧化碳地质封存MVA提出了相应的要求，以响应公众对二氧化碳地质封存安全性透明度的呼声，在这一方面欧洲和美国走在前面[78]，欧盟还制订了二氧化碳地质封存作业许可指导原则（图7）[62]。MVA监测主要有三个目的，一是确认二氧化碳的封存控制情况，看二氧化碳是否如预期的那样封存在预期深度和分布范围内；二是评价二氧化碳泄漏的风险与预警信息，看二氧化碳是否渗透到断层等高风险区域面临着产生次生地质灾害的风险，看二氧化碳是否对浅层造成污染、是否泄漏到大气层中；三是收集二氧化碳长期封存情况的证据。监测既可以用直接的方法（如地球化学方法和钻井采样方法），也可以用间接的方法（如地球物理方法），可以通过地下、地表与空中多种途径进行监测，见图8[65][58][59][86]。有些国家的政府还要求地质碳封存作业者建立数字化地下地质模型，在一个相当长的时间内（25-50年）通过持续监测和模型预测形成良好的匹配，形成一个良好的闭环，这样也便于将地质碳封存项目从原来的作业者转移给其它机构或政府[69]。文献[6]和[7]系统总结了二氧化碳咸水层封存中的封存机理和安全监测方法，包括多种地球物理与地球化学监测技术、基于数值模拟和岩石力学实验等方法的安全和风险分析评价技术。
图7 欧盟二氧化碳地质封存作业许可指导原则[62]
图8 二氧化碳地质封存的地下、地表与空中多种监测途径[65]
三、地球物理技术在二氧化碳地质封存中的作用
二氧化碳地质封存需要利用地质地球物理等综合技术进行二氧化碳地质封存表征，其中包括地质封存能力的评估、可注入性评估和封存性能的评估，地质封存能力的评估主要涉及封存空间（储层）的体积、孔隙度、分布范围等因素，可注入性评估主要涉及储层的渗透性、地层压力状态等因素，封存性能的评估主要涉及盖层的渗透性屏障、构造和地层圈闭、断层封堵性、二氧化碳封存机理、毛细压力等因素。
地球物理技术是地下地质构造与地层性质研究的重要工具，自然可以在二氧化碳地质封存工程中发挥其积极而独特的作用。其作用主要表现在以下3个方面：
（1）二氧化碳地质封存的封存空间选择与评价。前述表明，要实现有效的二氧化碳地质封存，必须要有有利的地下地质条件，包括有利的封存储层、盖层和岩性组分与地下水文条件。因此，需要地球物理技术提供可靠的地下地质构造、储层岩石性质和地层流体信息，为封存空间地质条件的评价和封存容量的评估提供可靠的信息和参数。
（2）二氧化碳地质封存的有效性监测与评价。二氧化碳被注入地下后，能否形成有效的运移和捕获，需要地球物理等技术对地质封存的效果进行动态监测和评价。结合地质、地球物理和地球化学监测信息以及数值模拟方法，可以对二氧化碳注入后二氧化碳羽流的运移形态、运移方向和空间分布进行动态预测和评估，为后续二氧化碳的注入方案提供参考和决策依据。地质封存有效性评价的几个主要目标是：验证二氧化碳是否封存于目标储层中，确保二氧化碳封存没有对地下水、矿产和油气资源造成破坏，跟踪二氧化碳运移形成的分布范围和地下流体的运动。在这些监测方法中，地质和地球化学方法都需要钻井进行有限离散点或局部点上的接触式测量，而地球物理方法可以提供远距离面向目标体和一定范围的非接触式测量。
（3）二氧化碳地质封存的安全性监测与评价。二氧化碳地质封存的安全性监测主要包括2个方面，一是二氧化碳泄漏问题，二是对地质环境的破坏可能引发地质灾害的问题，这些都需要地球物理技术提供基础资料和评价决策依据。二氧化碳地质封存空间的构造稳定性和二氧化碳泄漏是安全性监测的两项主要内容，地球物理、地球化学和数值模拟方法是二氧化碳地质封存的主要监测手段，地球物理、地球化学的长期监测可以为数值模拟建模提供模型参数。安全性监测的主要内容包括：地质封存注入二氧化碳是否显著改变地下地层压力状态，是否导致地层体积膨胀造成地表变形，是否导致盖层产生裂缝，是否产生新的断层或引发老断层改变封堵状态，是否诱发地震，是否存在二氧化碳向上覆地层的扩散和向大气的泄漏，是否存在对浅部地下环境的破坏，等等。
面向二氧化碳地质封存工程应用的地球物理技术尚不是一个成熟的商业化技术，尽管部分技术已经在地质碳封存工程中得到了一定程度的应用和试验，但从大规模的商业化应用来说，其地球物理技术体系尚有待进一步的优化和完善，特别是针对二氧化碳地质封存的后期监测。由于二氧化碳地质封存站点地质条件存在差异，因而需要不同的地球物理监测方法，目前还未形成标准化的监测方法和流程[78]。地球物理监测方法是一种间接监测方法，它是一种基于模型的监测技术，通过地球物理监测数据来评价二氧化碳地质封存后的地球物理响应是否符合预期，或通过监测数据反演二氧化碳羽流的分布情况及其对地下状态的影响，或发现和评价二氧化碳的泄漏风险和诱发地震风险。
表2详细分析了二氧化碳地质封存中地球物理技术的应用条件和目标，可以据此分析相应应用领域地球物理技术的特点和需求。二氧化碳地质封存工程的不同阶段，其应用场景、应用条件、应用目标和技术需求都存在较大差别，因此需要采用与之相适应的的地球物理方法和技术。
在地质封存工程前期论证与规划设计阶段，需要进行二氧化碳地质封存的封存空间选择与评价，地球物理的主要任务是为下列地质任务提供技术支撑：(1)地下地质构造成像与评价，主要包括对孔洞、背斜、断层、岩性圈闭、地层圈闭等能否形成有效的碳封存圈闭的评价；(2)地下目标储层孔隙空间与渗透性（可注入性能）评价；(3)地下目标储层流体识别与评价，用以评估碳封存机理；(4)地下目标储层盖层有效性评价；(5)目标储层封存容量（封存能力）评价；(6)地下应力状态及地质构造稳定性评价，用以评估二氧化碳注入产生次生灾害的风险。预期可用的地球物理方法就是在油气勘探中油藏描述所常用的地球物理方法，主要是用三维地震资料进行储层评价和油藏描述。
在地质封存工程实施阶段，需要进行二氧化碳地质封存的封存有效性监测与评价，地球物理的主要任务是为下列地质任务提供技术支撑：(1)二氧化碳羽运移形态、方向和空间分布监测；(2)二氧化碳捕获封存机制识别；(3)二氧化碳封存空间（储层）状态变化监测；(4)二氧化碳剩余封存能力评价。预期可用的地球物理方法包括：时延地震，井间地震，时延电磁，时延重力，井中电磁等。
在地质封存工程实施阶段及后期，需要进行二氧化碳地质封存的封存安全性监测与评价，地球物理的主要任务是为下列地质任务提供技术支撑：(1)地下构造稳定性监测与评价；(2)地表变形监测与评价；(3)盖层稳定性监测与评价；(4)断层稳定性监测与评价；(5)诱发地震监测；(6)二氧化碳泄漏监测。预期可用的地球物理方法包括：微地震，卫星遥感。
四、二氧化碳地质封存中的主要地球物理技术
地球物理方法可以在二氧化碳地质封存工程中发挥积极的作用，其作用主要体现在3个方面：二氧化碳地质封存的封存空间选择与评价，封存有效性监测与评价，以及封存安全性监测与评价。
二氧化碳地质封存监测的地球物理方法以地震法为主，包括三维地震、时移地震、井间地震、微地震、垂向地震剖面等，其它方法包括卫星遥感、时移电磁、时延重力和测井等方法。地球化学方法主要包括储层流体水化学组分、稳定同位素、pH值、碱度的分析方法，示踪剂方法，土壤气体及大气中二氧化碳含量的监测。地球物理监测数据可以用于地质封存过程的数值模拟建模。
二氧化碳地质封存和油气勘探两者之间存在诸多相似之处，油气勘探中的地球物理方法大多数都可以在二氧化碳地质封存工程中得到应用，但二氧化碳地质封存和油气勘探两者之间还是存在诸多不同，这些不同主要表现在应用条件、应用目标和经济性要求等方面。
在二氧化碳地质封存的封存空间选择和评价应用中，其应用条件和应用目标与油气勘探中的储层描述相类似，因此常见的地球物理储层描述技术可以几乎无差别地应用。
在二氧化碳地质封存的有效性和安全性监测与评价应用中，其应用条件和应用目标与油气勘探开发过程中的动态监测既有相似之处，又有较大的差别。动态性监测要求决定了地球物理测量必须是长期性的重复观测或连续观测，时延地震、时延电磁、时延重力等时延地球物理方法成为主要方法。为提高地球物理观测重复性，永久埋置式方法具有一定优势，而微地震观测成为封存安全性监测中地质灾害监测和评估中的重要方法。
地球物理技术在二氧化碳地质封存中的应用，面临的最大挑战是其经济性，工程预算的要求使得地球物理技术必须是低成本的。
为积极探索地球物理技术在地质碳封存中的应用，业界曾组织过一系列专题研讨会，如SEG与EAGE于2009年在加拿大、2017年在挪威联合组织的二氧化碳地质封存地球物理监测技术研讨会[50][55]，地球物理期刊也曾多次发表过系列专题文章[29] [40] [45] [57] [64] [68]。
