二氧化碳地质封存地球物理监测技术（二）

原创赵改善地学新视野 2022-06-10 09:00 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，这是第二部分。

五、二氧化碳地质封存地球物理技术研究与应用进展

至今为止，二氧化碳地质封存地球物理技术的研究领域主要包括以下几个方面：

（1）地质封存站点选择与评价，即地质碳封存可行性研究，其中一个重要内容就是地质碳封存数值模拟研究，包括二氧化碳注入流体与地质力学数值模拟、地球物理响应正演模拟；

（2）面向地质碳封存的岩石物理研究，为地质封存可行性分析和地球物理监测技术的应用提供物理基础；

（3）地质碳封存有效性动态监测，最主要的方法是时延地震，以及时延电磁、时延重力等方法，时延地震包括地面观测、井间观测和井中观测；

（4）地质碳封存安全性监测，常用的方法有微地震、卫星干涉合成孔径雷达等方法。

（一）地质封存站点选择与评价

在二氧化碳地质封存工程实施前，需要进行可行性论证，需要通过模拟和仿真平台预测地质封存长期过程中的有效性和安全性，设定一定的预期指标，规划设计有效性和安全性监测系统。这一工作既是项目获得管理者审批通过的需要，也是对公众透明化获得公众理解的需要。

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。合适的储层与盖层地层岩性以及构造稳定性，是选择二氧化碳地质封存空间的关键条件，因而岩性测试成为地质封存工程前期论证的一项重要工作[48]。

当二氧化碳被注入到地下储层中后，地层孔隙流体压力将产生时空变化，这一变化将导致储层裂缝产生力学响应，从而引起围岩地层应力变化和地层变形（膨胀）、地表变形（抬升），可能产生断层滑动诱发地震，引发裂缝和孔隙变化或产生新裂缝，从而可能导致盖层封堵失效、储层流体逃逸、二氧化碳泄漏到浅层或大气中，这些都给二氧化碳地质封存的有效性和安全性产生严重威胁。

模拟是二氧化碳地质封存可行性论证的重要工具[29][30][31][44][60][63][71][72][76][77][94][95] [96][114]。因此，地质碳封存可行性研究应建立一套三维模拟系统工具，一是二氧化碳注入地下后运移封存过程的流体动态数值模拟，二是二氧化碳注入后运移封存后的地球物理响应（包括地震、电磁、重力等）正演模拟，三是二氧化碳注入后地下状态变化数值模拟。基于岩石物理基础的从储层地质力学数值模拟到地震响应正演模拟，构成了二氧化碳地质封存可行性分析和动态监测分析评价的一体化工作流程（见图9和图10）[44][114]。

图9 从储层地质力学数值模拟到地震响应正演模拟[44]

图10 数值模拟得到的生产相带交汇图和厚度图[44]

严格来说，二氧化碳地质封存是一个孔缝介质中的热学-水力-力学-化学（THMC）耦合响应过程，这是一个时间与空间多尺度以及叠加多物理系统耦合作用的复杂模拟问题（见图11）[16]，但建立这样一个综合耦合响应模拟器是一个复杂又有具有巨大挑战性的任务，目前的模拟进行了一定的简化。当前的数值模拟任务主要集中在盖层力学稳定性和诱发地震两个方面，因而忽略了二氧化碳地质封存过程中的化学效应和热学效应，从而将二氧化碳地质封存过程的数值模拟简化成流体-地质力学模型，主要包含了两个部分，一是流体驱动的孔隙粘弹性变形（准稳态），二是诱发断层滑动和盖层失效（动态）。Meng等[30]开发了一个这样的开源模拟器Defmod，这是一个有限元模拟程序。通过流体注入后地下岩石力学和流体耦合响应的数值模拟，可以帮助我们提高对储层稳定性的认识、预测流体注入的可能响应、指导地球物理监测数据采集系统设计、更好地解释地球物理监测数据。反之亦然，地球物理监测也有利于建立更加精确的地质力学模型，使得地质力学-流体数值模拟结果更加有效。

图11 二氧化碳地质封存数值模拟的多尺度与多物理耦合作用[16]

近年来，诸多研究集中在地球物理技术在二氧化碳地质封存有效性和安全性监测中的应用，通过一系列模拟数据和实际数据的分析评价技术的可行性。SEG的SEAM研究组也建立了二氧化碳地质封存研究项目[29]，期望建立一个标准化模型及其相应的地球物理响应模拟数据集，形成一个公共平台，为全球业界提供统一、开放、透明、共享的模型参考，服务于二氧化碳地质碳封存的地球物理技术应用研究。SEAM二氧化碳模型的研究将有助于二氧化碳地质封存项目可行性研究与风险评估，有助于地质封存地球物理监测的技术发展和有效性评价，有助于地质封存地球物理监测系统的技术性和经济性优化规划设计，从而推动二氧化碳地质封存地球物理监测技术体系和工作流程的规范化和标准化[33]-[38]。

（二）岩石物理

岩石物理研究在绿色低碳发展中具有举足轻重的作用[41]，无论是低碳天然气开发应用、强化地热开采系统，还是二氧化碳地质封存、新材料的勘探开发，岩石物理研究都具有重要的支撑作用，见图12。

图12 岩石物理在脱碳中的作用[41]

二氧化碳的注入将改变地下介质的流体、固体及其之间的相互作用。二氧化碳地质封存地球物理监测数据的分析与解释，必须以其岩石物理模型为基础，技术的可行性也必须以岩石物理基础为前提条件。二氧化碳超临界压缩流体被注入储层中后，二氧化碳将对储层孔隙中的流体进行替换，使得矿物产生溶蚀与沉淀从而改变孔隙的容积，这一流体替换就构成了地球物理监测的岩石物理基础和基本模型。但是，二氧化碳注入封存将形成一个复杂的二氧化碳-水-岩石系统，其岩石物理绝不仅仅是一个流体替换的问题，还存在溶解、化学反应及矿化作用，而且是一个不同温压条件下的岩石物理问题。二氧化碳强化采油的目的是提高油气采收率，但二氧化碳注入也可能导致原来高渗透地层的渗透率下降[46]。二氧化碳超临界转换的临界点是压力7.38MPa和温度31.1°C，一般地层埋深超过800-1000米就可以满足超临界条件，超临界状态下的二氧化碳一般难以溶解在盐水中，因而在地层中形成两相孔隙流体。二氧化碳以超临界流体态注入是为了提高地层的二氧化碳封存容量，但二氧化碳泄漏到上覆地层中有可能改变温压条件，使得二氧化碳重新转换为气态，气态二氧化碳通过上覆地层逸散到地表则可以被遥感探测到。超临界二氧化碳流体替换的岩石物理效应基本模型符合Gassmann类型[97]，但该模型对大多数地质条件和流体注入情况并不完全适用。例如，碳酸盐胶结物的溶蚀可能弱化岩石框架强度，同样饱和度情况下二氧化碳片块之间的波致流体流动可能使得地震响应的强度变化显著，流体本身也可能产生变化，封盖可能成为一种二氧化碳汇埋空间，二氧化碳还可能扩散至盖层中改变地层的封盖性能。因此，很有必要建立一个符合二氧化碳地质封存过程的岩石物理模型，以期望能在微观与宏观、短期和长期的时空尺度上有效描述二氧化碳注入到储层中与岩石骨架和孔隙流体发生的物理化学反应，从而导致储层物性和岩石物理性质产生的相应变化，用于地球物理监测数据的分析与解释，目前这是一个尚未完成的任务[106]。

超临界状态下的纯二氧化碳，其物理和化学性质变化很大、很复杂，而加入少量杂质（如甲烷）后二氧化碳的性质更加复杂，见图13。深部温压环境下地下岩石含二氧化碳后的物理性质变化规律尚有待进一步的研究。

图13 二氧化碳37度不同压力下的密度和体积模量变化曲线[55]

截止目前的研究表明[32][97]：二氧化碳被注入到地下储层（如盐水层）中后，可能导致储层的一系列变化（见表3），岩石物理性质变化主要包括以下几个方面：饱和度和孔隙度变化，改变岩石的密度、弹性模量、电阻率等岩石物理参数；孔隙流体与岩石骨架发生化学反应，导致岩石骨架组分溶蚀和沉淀，从而产生岩石刚度和电阻率变化。表3详细地列出了二氧化碳注入后产生的主要现象以及相应的地球物理效应、影响的参数、对应的模型和需要的关键参数。图14是二氧化碳地质封存的概念模型及一般岩石物理参数计算流程，岩石物理模型的目标就是计算实际二氧化碳注入后储层岩石的模量参数，如体积模量（K）、剪切模量（μ）、纵横波速度（Vp和Vs）、密度（ρ）。利用岩石物理模型，可以根据地球物理监测数据反演结果估计二氧化碳饱和度分布和总的二氧化碳封存量。

表3 二氧化碳注入地层后的岩石物理性质变化一览表[32]

图14 二氧化碳地质封存概念模型及岩石物理参数计算流程[32]

一阶近似下，超临界二氧化碳和盐水是不相溶的，可以单独计算盐水和二氧化碳流体的力学性质。Span和Wagner（1996）给出了一个经验状态方程，可以计算较宽压力和温度范围内的二氧化碳密度与体积模量。GERN2004模型（Kinz等，2006）则提供了一个计算不同二氧化碳混合流体的密度与体积模量计算工具。Gassmann方程可以用于由干岩石体积模量、岩石骨架体积模量和混合流体体积模量计算不同孔隙度条件下二氧化碳流体充填情况下的岩石体积模量。

新的研究正在探索二氧化碳注入产生的二阶等高阶效应，期望以此为基础由时延地震观测数据估计流体、储层岩石和封盖地层性质的变化。表4列出了更详细和更复杂的二氧化碳注入产生的岩石物理变化，二氧化碳注入伴随着流体替换、溶解混相、溶蚀和沉淀等多种效应，不但将改变流体的组成以及岩石物理参数、流动性；也将改变岩石骨架，矿物溶蚀沉淀将改变岩石裂缝的开闭；还将改变地层的孔隙度、渗透率、孔隙压力等状态，改变流体的流动性，或产生新的裂缝；二氧化碳渗漏扩散到封盖层还将改变封盖层的岩石物理性质和状态。岩石骨架和流体状态和物性的改变，将产生相应的地球物理响应，尤其是地震检测响应。这些响应包括：注入井周围的溶蚀沉淀作用形成高波阻抗异常和高衰减异常，二氧化碳运移羽流形成地震属性变化异常，裂缝开启或产生形成的诱发地震等多种类型。

表4 二氧化碳注入地层后的岩石物理性质变化一览表（详表）[32]

一些研究表明[46] [55] [63] [69] [70] [73] [97] [106][109]，二氧化碳注入封存形成一个复杂的二氧化碳-水-岩石系统，其岩石物理绝不仅仅是一个流体替换的问题，还存在溶解、化学反应及矿化作用，而且是一个不同温压条件下的岩石物理问题。二氧化碳流体在不同的温压条件下其物理性质将产生显著的变化，特别是在超临界点（温度31.1℃，压力73.8Bar）附近。在地质封存温压条件变化范围内，二氧化碳流体的密度和体积模量变化范围可达一个数量级，随着二氧化碳饱和度的增加将导致地震速度也产生一定的下降，岩石速度-二氧化碳饱和度变化规律严重受二氧化碳流体“斑块”相对地球物理观测波长的大小影响。对于盐水层、固结性差的砂岩、裂缝发育地层、浊积岩等，二氧化碳注入可以产生显著（高达60%）的纵波速度下降，有利于时延地震监测。而固结性好的致密砂岩、碳酸盐岩地层则二氧化碳注入产生的纵波速度下降很小，不利于时延地震监测。尽管二氧化碳溶于盐水中使岩石密度和体积模量都产生变化，但对速度的影响较小。

图15 二氧化碳流体密度随温压条件的变化[63]

图16 二氧化碳流体体积模量随温压条件的变化[63]

图17 二氧化碳流体密度与体积模量随温压条件的变化[69]

图18 纵波速度随二氧化碳饱和度变化[69]

图19 二氧化碳注入地震速度变化模型[70]

图20 纵波速度与吸收系数与二氧化碳饱和度关系的非唯一性[109]

对裂缝性致密砂岩的实验表明[118]：轴向纵波速度和轴向电阻率对二氧化碳饱和度的敏感度，高于轴向横波速度、径向纵波速度和径向电阻率；声波速度下降的幅度明显小于电阻率下降的速度。近地表土壤和岩石电阻率测量也可用于二氧化碳泄漏监测的一种手段，建立相应的岩石物理模型很有必要[102]。岩石物理测试表明，玄武岩中的二氧化碳流体替换和矿化作用也将导致纵波速度下降而横波速度变化不大[80]，见图？。

对于二氧化碳在碳酸盐岩中封存的岩石物理研究，文献[90]提出了一种修正的差分等效介质（DEM）理论模型，它能较好地描述了岩石微观结构的非均匀性和喷射流，由此可以较好地估计碳酸盐岩地层含二氧化碳流体对地震速度产生的影响，预测到在地震频带内二氧化碳饱和度增加将改进地层的孔隙度和渗透率，从而降低地震纵横波速度，还将产生速度频散和衰减效应，这为基于时延地震观测数据估计地层等效弹性参数变化提供了基础。

基于岩石物理分析及地面、井中地球物理观测响应分析，可以在二氧化碳地质封存论证阶段对二氧化碳地质封存地球物理监测（地震、重力、电阻率等）的可探测性进行评估，以便选择合适的地球物理监测方法[77] [79]，见图21-图23。

图21 玄武岩二氧化碳流体替换和矿化作用地震速度影响示意图[80]

图22 地震纵波波速度与衰减系数随二氧化碳饱和度与频率的变化[79]

图23 电阻率对数随孔隙度与二氧化碳饱和度的变化[79]

（三）时延地震

时延地震是一种油气开发动态监控的有效方法，同样也可以有效地应用于二氧化碳地质封存的动态监控。在二氧化碳地质封存的不同时期开展时延地震观测，可以有效地监控二氧化碳注入地下后其运移羽流的扩展分布范围，包括纵向运移和横向运移分布，从而验证二氧化碳是否有效地封存于目标空间中，也可以监测是否存在二氧化碳泄漏风险，多个示范试验区的研究结果验证了时延地震监控的有效性[78] [53][56][63][66][69][70][76][105][106][108][110][111][117][120]。

图24是Sleipner试验点时延地震剖面，包括1994年、2008年两次观测结果及其差值剖面，其差值剖面清晰地呈现了二氧化碳的分布范围。图25是Sleipner试验点2008年时延地震剖面与油藏模拟二氧化碳饱和度剖面。图26、图27是Sleipner试验点时延地震时间切片，包括2001年、2004年、2008和2010年四次观测结果，多个地震切片清晰地显示二氧化碳羽流的运移分布范围动态变化情况。图28是Sleipner试验点一个时间切片上的地震振幅和二氧化碳分布厚度图，这里存在薄层效应。在Sleipner二氧化碳地质封存试验点，二氧化碳被注入含盐水的非固结砂岩中，纵波速度下降率达60%，因此形成了良好的时延地震异常。而在一些岩石物理条件较差的试验场，时延地震异常淹没在地震噪声中难以呈现。

图24 Sleipner试验点时延地震剖面[78]

图25 Sleipner试验点2008年时延地震剖面与油藏模拟二氧化碳饱和度剖面[78]

图26 二氧化碳地质封存时延地震检测水平切片[15]

图27 Sleipner工区时延地震剖面与切片[91]

图28 Sleipner工区二氧化碳顶层厚度与地震振幅时间切片[91]

图29是北海一处天然气泄漏形成的烟囱在地震剖面上的反映。

图29 北海天然气泄漏烟囱响应[78]

加拿大Weyburn油田用二氧化碳和水注入强化油气开采，累计注入1400多万吨二氧化碳到碳酸盐岩储层中，提高了油气产量。采用化学示踪、水文与地球化学采样、多分量时延地震（地面、VSP与井间）、生产流体量和成分分析等方法进行监测，时延地震可以较好地对二氧化碳在储层中的分布进行了成图，图30是根据时延地震数据预测得到的二氧化碳饱和度分布，图31是时延地震振幅异常与二氧化碳分布模拟对比图。

图30 Weyburn油田时延地震二氧化碳饱和度定性预测平面分布[67]

图31 Weyburn油田二氧化碳EOR时延地震振幅异常与二氧化碳分布模拟对比图[56]

基于储层流体数值模拟与岩石物理建模、地震波场数值模拟是二氧化碳地质封存可行性分析的重要流程，据此可以对地震监测能否有效监测到二氧化碳注入形成的羽流分布进行评价。基于澳大利亚Otway项目的岩石物理建模分布表明[110][111]，地震速度与二氧化碳饱和度的关系与储层的具体性质有关，分析岩石物性对流体变化的敏感性时应充分考虑岩石物性差异的影响，时延地震监测可行性分析中不但要考虑储层物性变化所产生的地震异常强弱，还要考虑地震观测的噪声水平（如时延地震观测的可重复性）。图32给出了Otway工区不同注入量不同时间的二氧化碳羽厚度分布模拟结果，图33给出了不同注入量一年后的地震振幅异常模拟结果与实测结果对比图，可见理论上预测可得到明显的地质异常，但由于观测噪声的存在导致实际野外监测异常却不明显。

图32 Otway工区不同注入量不同时间的二氧化碳羽厚度分布模拟结果[111]

图33 Otway工区不同注入量一年后的地震振幅异常模拟结果与实测结果[111]

时延地震是地质碳封存最重要的一种方法，它可以用了监测二氧化碳注入后的深度位置、二氧化碳运移扩散空间分布范围以及断层和盖层处可能的泄漏。影响时延地震应用效果好坏的一个重要因素是多次地震观测的可重复性，高精度永久埋置地震数据采集和与之相适应的数据处理流程是提高时延地震可重复性、获得高性噪比时延地震异常的关键[101][105] [108] [117]。在Aquistore工区开始注入二氧化碳前，开展了两次稀疏永久性部署地震阵列观测，以研究时延地震监测的可行性及其性能，图34给出了Aquistore工区永久埋置地震观测数据通过不同处理步骤获得的可重复性提升。

图34 Aquistore工区地震数据通过不同处理步骤获得的可重复性提升[117]

当前，由时延地震监测地质碳封存效果主要还是通过重复地震观测的地震振幅异常（相对基线测量的差异）来展现的，另外的途径包括由三维或四维地震数据反演二氧化碳饱和度分布变化[13] [42] [43]，或通过AVO等属性进行异常识别[61] [71]，或通过地震振幅方位各向异性分析预测裂缝的发育方位[89]。二氧化碳注入储层后，将导致储层的多种物性参数发生变化，这种变化通常都会在地震属性上有所反映，而地震反演可以从地震属性的变化估计储层物性参数的变化。研究表明，在二氧化碳注入形成的储层多相流储层中，孔隙度和二氧化碳饱和度对岩石的地震波频散影响强烈，而温度和压力对地震波速产生较大影响，基于多相流Biot理论可以由地震监测数据反演得到二氧化碳饱和度分布结果[13]。北海Smeaheia地区由地震数据反演得到的储层参数，包括泥质含量、孔隙度、静态杨氏模量、静态泊松比等参数，这些储层参数可以用于建立储层岩石力学-流体模型的建立与数值模拟，实现二氧化碳注入过程中储层、盖层和上覆地层的表征与评价，见图35[42]。

图35 北海Smeaheia地区由地震数据反演得到的储层参数[42]

Sleipner工区的试验表明[63]，基于时延地震（1994-2002年）可以观测到不同层位反射旅行时异常和反射振幅异常，基于模型的反演由反射振幅异常得到二氧化碳等效厚度，并据此估算二氧化碳封存量，基于模型的反演中考虑了薄层调谐效应，见图36和图37。

图38、图39是Weyburn油田时延地震的旅行时时移异常和声波阻抗反演结果。图40是Weyburn油田地震振幅方位各向异性分析获得的裂缝发育方位图。

图36 Sleipner工区不同层位反射旅行时异常[63]

图37 Sleipner工区储层反射振幅异常与二氧化碳等效厚度反演结果[63]

图38 Weyburn油田时延地震旅行时时移异常[120]

图39 Weyburn油田时延地震声波阻抗反演结果（两种计算方法）[120]

图40 Weyburn油田地震振幅方位各向异性分析裂缝预测结果[89]

但是，由地震监测数据反演封存的二氧化碳分布仍面临着诸多挑战[69]：（1）二氧化碳饱和度变化与储层压力变化、多相流体的混合等产生的地球物理响应难以区分和分离，（2）二氧化碳与岩石骨架之间的流-固反应使得压力-饱和度效应问题更加复杂，（3）只有当二氧化碳饱和度超过一定水平后（作为超临界流体饱和度超过30%；作为超临界气体饱和度超过10%），二氧化碳饱和度对地层的地震可压缩性才有明显的影响，（4）二氧化碳注入产生的密度效应难以从地震响应中得到有效估计，（5）二氧化碳产生的地震响应具有较强的非线性和多解性，这些因素的存在使得我们难以从地震数据中获得可靠的二氧化碳封存参数估计，解决这一问题的可能途径是多种地球物理方法的综合应用。

（四）微地震监测

地下水、地热资源、地下矿产和油气开采等人类活动可能诱发地震，已经引起了社会各界的关切，也给地学科技界提出了新的任务[54]。如何弄清人类活动诱发地震的机理、如何开展人类活动诱发地震的风险评估、如何开展有效的诱发地震监测和预警，成为地学科技界和企业家面临的一项重要任务，一些发达国家政府对地下水、地热资源、地下矿产和油气开采等活动的安全评估和监测提出了强制性要求。

在二氧化碳地质封存监测应用中，广泛应用于页岩油气开发水力压裂监测的微地震是当前可以实时提供三维地下信息的一种独特方法，被动源微地震观测可以检测到二氧化碳注入运移羽流前缘所产生的微地震事件，微地震也可以用于监测二氧化碳注入诱发的断层活动形成的地震。文献[36]基于岩心实验、测井数据从地质力学的角度详细分析了美国伊利诺伊斯盆地以二氧化碳地质封存点储层对诱发地震形成影响的多种因素。微地震观测可以在地面、井中观测或以井-地联合方式观测，观测网络必须满足一定的要求，既要满足二氧化碳注入期间的（数天或数周）短期监控需求，又要满足二氧化碳地质封存整个生命周期内对储层和盖层完整性的（数月和永久性）长期监测需求。微地震观测系统优化设计涉及一系列重要参数和选择[31]，包括：检波器（传感器）数量，观测系统，位置，密度，检波器类型（除了传统的检波器，分布式光纤传感DAS系统也成为新的选择），井中传感器固定方式，记录系统是否自动化，野外数据管理，数据到处理中心的传输等，以满足特定的地质条件和目标。通过微地震观测可以定位微地震活动的位置，从而估计流体注入地下在地层中流动形成的压力波前面。一般而言，井中微地震观测相对地面微地震观测具有更高的信噪比和灵敏度，但用于二氧化碳注入的井噪声大不能用于微地震观测，而且钻井数量也是微地震观测点数量的一个限制条件。微地震监测中，数据被长时间以永久性和被动性方式记录，数据处理可以在野外以实时的方式进行，也可以将记录的数据传输到数据中心进行进一步的处理与分析。作为二氧化碳地质封存工程日常运作的一部分，微地震监测应向管理者或公众提供日常的日报、周报、月报、年报及重要事件报告，显然通过自动化处理与智能化分析自动生成相关报告和安全风险预警是一种理想的发展模式。微地震检测报告应包括微地震监测的总体状况，主要事件列表及其位置、强度、机理特征等内容，并通过预设的标准提供交通灯式的地震活动风险评价，给监管部门和公众提供透明的信息以获得他们的信任。

图41 二氧化碳注入可能激活断层[36]

除了大规模部署的经济性以外，二氧化碳地质封存微地震监测上面临着一系列技术挑战：

（1）二氧化碳地质封存工程实施前，需要进行可行性论证和微地震观测网络设计。微地震观测系统需要根据地质封存目标的类型（废弃油田、气田、煤层还是盐水层等）、地质条件（构造圈闭、地层圈闭、断层网络、水力条件）以及井位分布等具体实际设计。

（2）我们需要将通过地面进行的区域性监测和井中进行的局部性监测评价作为二氧化碳注入前基线监测流程的一部分，对有关不确定性进行评价和控制，从未向监管部门提供可信的结果。但目前井中资料和地面资料的融合尚存在诸多挑战。

（3）微地震监测数据采集系统的选择和设计尚存在诸多的不确定因素。微地震监测网络的分布范围、密度、形状，是否在注入井中部署，是否采用DAS，诸多因素决定了这些问题的选择，目前还缺乏系统的研究与分析。能否有效检测到微地震信号（图42），能否正确地进行数据处理与解释获得微地震事件的准确位置和性质，仍存在诸多的挑战。

图42 微地震信号检测的影响因素[31]

加拿大Weyburn工区的被动源微地震监测显示，微地震事件与二氧化碳注入的速率有明显相关性，微地震事件的分布也与时延地震监测的二氧化碳扩散运移羽流分布有较好的相关性，但整体来说地震事件并不强烈，说明二氧化碳注入没有引起储层发生明显的地质力学变形[74]。微地震监测中还发现了横波分裂现象，可用于估计裂缝的走向。图43给出了Weyburn工区2003年8月至2006年1月间微地震事件的平面分布图，图44给出了2003年8月至2008年1月间微地震事件数与二氧化碳注入量的相关性图件。

图43 Weyburn工区微地震事件分布图[74]

图44 Weyburn工区微地震事件数与二氧化碳注入量的相关性[74]

水力压裂和超临界二氧化碳压裂对比试验表明[85]，尽管两种流体的物理性质差异较大，但两种导致的压裂效果和产生的微地震事件强度差异不大，微地震事件的强度与压裂压力关系更密切。但在细节上仍存在一定的差异，水力压裂产生的微地震事件主要分布在压裂深度附近上，而二氧化碳压裂产生的微地震事件还有可能分布在压裂位置的上方。图45和图46是两种流体压裂所产生的微地震事件情况。

图45 水力压裂微地震事件分布[85]

图46 超临界二氧化碳压裂微地震事件分布[85]

环境噪声地震反射干涉技术是一种有效的被动源地震数据分析方法，基于不同时期的微地震监测数据有可能得到二氧化碳封存过程的储层时延地震响应，基于德国Ketzin工区的数值模拟试验和实际观测结果验证了这一点，但要求环境噪声的震源位置分布具有良好的照明性质[103]，见图47。另外，为有效评估二氧化碳封存诱发地震的风险大小，需要基于微地震监测信号估算地震强度大小，一般需要基于标准地震仪利用已知天然地震的强度对微地震监测实测振幅进行标定[112]，见图48。环境噪声地震反射干涉技术被应用于加拿大Aquistore二氧化碳地质封存的地震监测试验中，但未取得满意的效果，被动源干涉成像结果难以在该工区用于时延监测成像，可能的原因是体波能量不足、信号照明方向性有限所致，见图49[116]。

图47 Ketzin工区主动源与被动源微地震对比[103]

（从左到右分布为实测主动源叠加剖面、实测被动源自相关剖面、模拟被动源自相关剖面、模拟主动源响应）

图48 微地震事件地震强度的标定[112]

图49 Aquistore工区被动源地震成像与主动源地震成像结果对比（L1和L2线）[116]

（五）井中地震监测[33]

由于地面观测离地下地质封存空间距离远、信号弱，加上地表干扰多，井中观测在地球物理信噪比方面相对地面观测具有明显的优势，但由于钻井成本高使得井中观测受钻井数量、密度和位置的限制较多，难以部署分布范围和规模大的地球物理监测系统。

井中地球物理方法十分丰富，包括：地球物理测井（如偶极声波测井、电阻率测井、脉冲中子测井），单井地球物理观测（地震、微地震、重力、分布式温度传感DTS、应力、倾斜），井间地球物理观测（井间地震、井间电磁层析成像），井-地地球物理观测（VSP、电阻率层析成像、电磁）。最常见的井中地球物理方法是井中地震，井中地震的观测包括单井观测、井间观测、井-地观测等多种方式，可以应用于站点表征、地面地震标定、时延地震成像、微地震等多个方面。二氧化碳地质封存井中地球物理监测技术的应用已有20多年的历史了，已经应用于多个二氧化碳地质封存项目中，用来监测二氧化碳注入后的地下岩石、流体、应力、裂缝、断层等地质目标的动态变化。

井间地震被应用于多个二氧化碳地质封存先导性项目中，如Frio、Ketzin、Nagaoka、Cranfield、Aquistore等，井间地震可以得到高分辨率的反射成像、速度成像和衰减性成像资料，监测二氧化碳羽的扩散情况，绘制井间二氧化碳饱和度分布剖面图。饱和度测井可以得到井中二氧化碳饱和度时延剖面。图50给出了Frio二氧化碳地质封存站点井间地震检测结果，根据井间地震观测结果反演得到注入井与监测井纵波速度变化连井剖面，并由流体替换模型估算得到二氧化碳饱和度连井剖面。Frio站点的井间地震层析成像显示出较强的纵波速度异常，但横波速度变化不明显。

图50 Frio二氧化碳地质封存站点井间地震检测结果[33]

（a）注入井与监测井井间地震层析成像纵波速度变化连井剖面及RST测井曲线

（b）由流体替换模型估算的二氧化碳饱和度连井剖面

垂直地震剖面（VSP）一直充当着地面地震与测井之间的桥梁，它可以提供比地面地震更高分辨率的地震资料。分布式声波传感（DAS）技术的发展，可以在多个井中同时观测获得高分辨率地震资料，对二氧化碳注入过程的不同阶段进行时延监测成像，而且DAS更适合永久埋置在井中进行长期监测。图51给出了Monell Andarko CO2-EOR项目的VSP监测实例，左图是地面地震剖面叠加了VSP剖面显示，右图是1400米深处的时延地震振幅差平面图，黑线范围给出了二氧化碳注入扩散羽边界的解释结果。

图52给出了Salah项目井中微地震监测实例，微地震发生频繁的日期对应着注入速率高和井口压力高的日期。微地震监测的主要目标是获取微地震事件的定位、强度和震源机制解，从而识别断层和裂缝分布及应力状态信息。

图51 Monell Andarko CO2-EOR项目VSP监测实例[33]

图52 Salah项目井中微地震监测实例[33]

位于美国伊利诺斯州的Decatur二氧化碳地质封存项目，在二氧化碳封存过程中进行了时延3D VSP监测（图53）和测井监测（图54），结果都在二氧化碳注入层段可以见到清晰的时延异常[53]。

图53 美国伊利诺斯州的Decatur项目时延3D VSP监测结果[53]

图54 美国伊利诺斯州的Decatur项目时延测井监测结果[53]

美国SACROC工区二氧化碳驱油项目上开展的时延VSP监测表明，二氧化碳注入改变了储层的地震速度，在地震全波形反演（FWI）和成像域波场反演（IDVI）得到的速度成像中有明显的反应，而后者效果更加明显，见图55-图57[100]。

图55 SACROC工区时延VSP两次观测共检波点道集[100]

图56 SACROC时延VSP两次观测（2008-2009）FWI速度变化[100]

图57 SACROC时延VSP两次观测（2008-2009）IDVI速度变化[100]

也有人探索利用时延井间地震层析成像与时延压力层析成像联合应用来进行二氧化碳扩散运移羽流的监测[115]，地震层析成像获得二氧化碳注入后的地震速度变化，而压力层析成像获得二氧化碳注入后的扩散性变化，后者对二氧化碳饱和度变化更加敏感。

（六）分布式声波传感（DAS）

分布式声波传感（DAS）是一种利用光纤传感检测振动的新技术，近年来DAS技术得到了快速发展，广泛应用于军事和经济建设领域，是一种特别适合永久埋置、长期监测的经济有效技术，适合于主动源地震和被动源地震的观测。在二氧化碳地质封存工程中，DAS可用于对二氧化碳注入过程不同阶段进行时延监测成像，既可应用于二氧化碳注入运移羽流范围的监测，也可应用于二氧化碳注入诱发的断层滑动地震监测，被动源地震监测数据还可以用来反演地下介质速度模型，而且DAS更适合永久埋置在井中或地表下进行长期监测[28] [33] [43][119][123]。在井中永久部署光纤传感，可以提高时延地震测量的可重复性，还可以同时获得分布式声波传感（DAS）和分布式温度传感信息（DTS）。图58是Quest站点的二维时延DAS VSP观测结果，振幅异常清晰反映了注入100万吨二氧化碳6个月后二氧化碳羽的轮廓[33]。Aquistore工区的DAS VSP观测也展现了良好的可重复性和二氧化碳注入产生的地震异常，见图59和图60 [119]。该工区还开展了井中与地面DAS观测试验，见图61-图63 [123]。有试验表明，利用井间部署的DAS系统观测得到环境地震噪声，开展三维贝叶斯层析成像反演，可以检测到压裂形成的裂缝所产生的地震速度下降异常，见图64[51]。

图58 Quest项目二维时延DAS VSP监测实例[33]

（a）时延VSP剖面（b）均方根振幅差异平面等值线图

图59 Aquistore工区时延DAS VSP与地面观测异常横剖面[119]

图60 Aquistore工区时延VSP与地面观测异常平面成像[119]

图61 Aquistore工区多种DAS部署方式试验[123]

图62 Aquistore工区多种DAS部署方式试验地震信号[123]

图63 Aquistore工区多种DAS部署方式共检波点地震道集[123]

图64 井间地震与DAS环境噪声层析成像相对速度变化结果对比[51]

（七）时延电磁与重力监测

在二氧化碳地质封存工程中，地震方法是一种有效的监测方法，也是一种昂贵的监测方法。因此，寻求一种满足长期监测需求的低成本地球物理监测技术是我们面临的一个重要挑战，电磁和重力探测技术是一种可能的选择。

二氧化碳流体的注入，将直接改变储层的孔隙度、孔隙流体性质和流体饱和度，从而改变地层的密度、电阻率等物理参数，从而为电法、电磁法、重力法等地球物理方法的应用提供了物理基础，每种方法从一个侧面提供了对地层信息的了解，而多种方法的综合则有可能提供对地层更加灵敏和更加全面的认识。如图65所示，地震纵波速度在低饱和段对二氧化碳饱和度变化敏感，而电阻率在高饱和度段对二氧化碳饱和度变化敏感，高电阻率二氧化碳对低电阻率盐水的替换将显著提高地层的电阻率，从而为电磁法的应用提供了良好的物理基础[27][34][52][92][93][98][99][107]。文献[92]基于三维正演模拟计算对可控源电磁法（CSEM）对二氧化碳注入响应的灵敏度进行了分析，文献[93]在德国Ketzin工区用地面-井中电阻率层析成像（SD-ERT）监测二氧化碳封存（图66和图67），文献[98]在德国Ketzin工区开展了联合应用时延地震和时延电阻率层析成像进行监测的试验（图68和图69），文献[99]在德国Ketzin工区开展了陆上CSEM三维反演和分辨率分析试验，文献[107]探索了一种实现目标最佳成像的井间电阻率层析成像法的电极位置优化设计方法，文献[52]基于模拟数据验证了单井电阻率层析成像法可以检测二氧化碳中井筒邻近区域的运移分布。而密度直接反映了二氧化碳充填替换，因而重力法可以直接估计二氧化碳注入后的质量变化和分布[34][82][83][104][122]。

图65 纵波速度与电阻率随二氧化碳饱和度的变化[34]

图66 Ketzin工区由SD-ERT观测数据反演得到的电阻率模型[93]

图67 Ketzin工区根据电阻率指数计算得到的二氧化碳饱和度[93]

图68 Ketzin工区时延地震-时延电阻率层析成像联合应用剖面图[98]

图69 Ketzin工区时延地震-时延电阻率层析成像联合应用平面图[98]

二氧化碳地质封存的时延电磁与重力监测一般包括二氧化碳注入前的基线监测测量和注入过程中及注入终止后的多次重复监测测量。常用的电磁方法包括可控源电磁法（CSEM）、电阻率层析成像（ERT）。图70给出了Sleipner二氧化碳地质封存点上的垂直电阻率和电阻率各向异性反演剖面。图71给出了某二氧化碳地质封存点的时延井间电阻率反演结果（BERT和EMGeo两种反演算法）。

图70 Sleipner工区（a）垂直电阻率（b）电阻率各向异性反演剖面[34]

图71 某工区时延井间电阻率反演结果（BERT和EMGeo两种反演算法）[34]

利用钻井套管作为电极向地下输电，观测地表电场和磁场变化可以对深部储层进行探测[27]。图72是West Hastings工区电磁监测结果，左侧图表示沿层电阻率分布，右侧为反演得到的垂向剖面，从上到下分别代表初始模型、2016年测量结果、2018年测量结果和两次测量结果的差异。

图72 West Hastings工区电磁监测结果[27]

地表土壤电阻率测量和近地表电阻率层析成像结果，也可以作为地表二氧化碳泄漏口检测的一种工具，见图73和图74。

图73 地表多种地球物理参数和地球化学参数测量值[86]

图74 某工区地表二氧化碳浓度和通量与电阻率层析成像结果[86]

图75是时延井中重力测量原理示意图，图76-图78分布给出了Dover 33工区礁滩储层的物性分布、井中重力测量及地层密度计算结果以及由此反演得到的储层内部密度变化，反映了二氧化碳注入后形成的储层参数变化。

图75 井中重力测量原理示意图[122]

图76 Dover33礁滩储层的孔隙度与渗透率分布[122]

图77 Dover33井中重力和密度监测结果及储层内部密度差异计算结果[122]

图78 Dover33时延井中重力观测储层内部密度差异三维模型[122]

图79 给出了一个二氧化碳地质封存设计模型的地面和井中时延重力响应数据。时延重力法在Sleipner二氧化碳地质封存点上取得了成功的应用，长达近二十年的海底重力观测对二氧化碳羽形成了良好的时延重力响应，证明了在现有仪器精度上可以得到重复性良好的观测结果。

图79 二氧化碳地质封存设计模型的地面和井中时延重力响应数据[34][104]：

（a）真模型，（b）10次二进制反演平均（c）10次二进制反演方差（d）真的二氧化碳羽一次反演结果（e）单次反演结果恢复的二氧化碳分布误差

地面重力观测也能观测到时延异常，图80是美国Leyden地区利用废弃煤矿进行人工地下水储存与回采进行时延重力观测的结果。

（a）2004年4月-10月重力变化平面图

（a）2004年4月-2005年2月重力变化平面图

图80 Leyden工区时延地面重力异常图[82]

（八）卫星干涉合成孔径雷达与激光遥感[38] [47] [49]

近年来，空间技术发展迅速，基于卫星的对地观测成为一种低成本、大范围、频次高的地表环境观测技术，遥感技术广泛应用于国防和经济建设中。近年来基于卫星的对地观测发展迅猛，主要体现在几个方面[38]：多国政府机构和商业组织发射了对地观测卫星，新的传感器如超广谱传感器、小卫星或纳卫星星座、云计算、开源软件和开放获取数据等新技术、新工具促进了对地观测技术在地质填图、油气勘探开发、陆地覆盖调查、自然灾害监测、环境影响监测、气候变化、工业设施安全监测等领域的广泛应用。

大地测量学方法可以检测地下储层压力变化所诱发的地表形变异常。相对常规的试验地球物理测量（如时延地震）来说，大地测量的重复观测周期更短，从秒级到天、周、月，而通常的时延地震的重复观测周期为数月到数年。全球卫星定位与导航系统（GNSS）可以实现地球表面任意点上毫米级的三维空间定位和位移量估计，可以用于地表控制点上的位移量监测。干涉合成孔径雷达利用反射微波或雷达波的相位延迟来估计地表探测点的位移量，其原理示意见图81。基于卫星观测的干涉合成孔径雷达的观测精度可达毫米级，且可以以扫描的方式实现面上观测。基于卫星观测的干涉合成孔径雷达（InSAR），可以用较低的成本进行地表变形异常观测与分析，从而评估二氧化碳地质封存对地下构造稳定性和地表环境的影响，作为地质碳封存地质安全性的低成本长期观测手段。

图81 InSAR原理示意图[47]

干涉合成孔径雷达在阿尔及利亚Salah二氧化碳强化采气示范项目的应用揭示了二氧化碳注入后沿断层/裂缝带的运移并在注入井上方产生了观测的地表变形（图82），三口二氧化碳注入井上方都显示了地表抬升，平均每年地表上升3mm，而KB-52注入井上方还观测到二氧化碳注入沿断层/裂缝带运移所产生的地质旅行时窄带条状下拉，见图83。

图82 Salah项目InSAR地表形变观测结果[75]

图83 Salah项目储层顶面地震反射双程旅行时平面图[47]

进一步的研究可以构建地表形变与地下储层流体注入或采出导致的体积变化之间的关系模型，从而进行三维模型的正反演计算。正演计算可以采用有限差分或有限元方法，反演可由地表形变观测结果得到储层内流体体积变化的空间分布[47] [113]。图84给出了Salah油田由InSAR地表变形观测结果反演得到的不同注入时间沿断层面裂缝孔径变化结果。图85给出了阿塞拜疆里海北部海岸地区2004-2007年平均地表形变InSAR监测结果（视线方向与东西向），图86则为对应的东西向形变位移观测值与全局最优化反演模型的正演计算值比较。

图84 Salah项目InSAR地表形变裂缝孔径变化反演结果[47]

图85 阿塞拜疆里海北部某区地表形变InSAR监测结果（视线方向与东西向）[113]

图86 阿塞拜疆里海北部某区东西向形变位移观测值与反演模型正演计算值比较[113]

美国德克萨斯Kelly-Snyder油田储层平均埋深2000米，20世纪50年代开始生产，60年代产量下降并开始用水驱采油，70年代初开始用二氧化碳驱采油，21世纪初开始加大二氧化碳注入量，1972-2011年间二氧化碳注入量累计达到1亿吨。InSAR在美国Kelly-Snyder二氧化碳强化采油示范项目的应用揭示了二氧化碳强化采油导致了可观测的地表变形，用2007-2011年间获得的13张SAR图像生成了53张干涉图，形成了一组地形变化系列图，2007年一月至2011年三月间地表上升约10mm，见图87，其中左图为InSAR位移量分布图，红框为工区范围；右图在InSAR图上叠加显示了注水井（蓝色圈）和注二氧化碳井（绿色圈）的位置。图88是流体注入储层后产生的压力变化计算结果。

图87 Kelly-Snyder油田InSAR观测结果[47]

图88 Kelly-Snyder油田流体注入后压力变化计算结果[47]

地表二氧化碳排放测量可以用于评估不同地貌情况下的自然排放，也可以用于监测工业污染排放或二氧化碳地质封存工程中的泄漏情况。一种基于便携式激光遥感的方法可以通过角度扫描的方式获取一维二氧化碳浓度剖面，然后利用多点扫描结果得到的一维剖面进行层析成像反演获得二维浓度分布，获得的结果代表地表面积二氧化碳排放强度，从而确定二氧化碳排放口的定量成像，寻找二氧化碳排放或泄漏口位置[49]。基于卫星的对地多光谱观测数据，也可以用来监测地表的二氧化碳、甲烷等温室气体泄漏[38]。

图89是扫描式激光遥感测量仪野外工作方式示意图，图90是意大利Solfatara火山口三个测量点用扫描式激光遥感测量仪获得的一维二氧化碳浓度剖面，图91是通过层析成像反演得到的二氧化碳排放浓度平面分布图。