張成龍, 郝文杰, 胡麗莎, 劉廷, 張徽, 刁玉杰

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

我國(guó)于2020年提出在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。碳捕集、利用和封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技術(shù)作為可以實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模減排和化石能源凈零排放的重要技術(shù)途徑成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[1-2]。CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)作為CCUS體系的重要組成部分，貫穿整個(gè)封存過(guò)程，決定著CCUS工程的成敗，對(duì)CCUS工程的有效性、持續(xù)性、安全性及碳減排效果的評(píng)估發(fā)揮著舉足輕重的作用。

受自然或人為的地質(zhì)活動(dòng)的影響，CO2不可避免地存在著滲漏和逃逸的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。一旦CO2從地層泄漏，便可能會(huì)產(chǎn)生一系列的安全與環(huán)境問(wèn)題[5]。為了確保CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程具備可靠性和安全性，需要做好相應(yīng)的監(jiān)控、測(cè)量工作[6]。CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程的有效性、持續(xù)性、安全性、對(duì)周?chē)h(huán)境的影響程度，及其全球尺度溫室氣體減排效果的評(píng)估均需要一系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)論證[3，7-9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)挪威北海Sleipner項(xiàng)目、阿爾及利亞In Salah項(xiàng)目、加拿大Weyburn油田CO2強(qiáng)化石油開(kāi)采(CO2-Enhanced Oil Recovery ，CO2-EOR)項(xiàng)目、澳大利亞Otway示范項(xiàng)目以及中國(guó)神華集團(tuán)鄂爾多斯碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，CCS)示范工程、中國(guó)石油新疆彩南油田CO2驅(qū)水與地質(zhì)封存先導(dǎo)性試驗(yàn)工程和中國(guó)石油吉林油田CO2-EOR試點(diǎn)項(xiàng)目等國(guó)內(nèi)外CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的研究，已基本架構(gòu)出較為完整的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法[10-12]。

CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)復(fù)雜多樣，常見(jiàn)的有常規(guī)測(cè)井、示蹤監(jiān)測(cè)、井間地震、微震監(jiān)測(cè)、3D時(shí)移地震、地面形變監(jiān)測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、井網(wǎng)監(jiān)測(cè)、土壤氣監(jiān)測(cè)、大面積CO2泄漏監(jiān)測(cè)(紅外、UMA、衛(wèi)星)等技術(shù)，但從技術(shù)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)角度而言，這些監(jiān)測(cè)體系仍需不斷優(yōu)化和完善[13-15]。不同監(jiān)測(cè)階段、不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)下環(huán)境影響監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)會(huì)有所不同，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)組合也略有差別。本文圍繞地質(zhì)封存中CO2泄漏監(jiān)測(cè)及泄漏源監(jiān)測(cè)識(shí)別問(wèn)題，通過(guò)文獻(xiàn)的查閱和綜合分析，并結(jié)合前期項(xiàng)目研究基礎(chǔ)，系統(tǒng)剖析了CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，以期通過(guò)泄漏情景下碳封存項(xiàng)目的環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究，為未來(lái)開(kāi)展百萬(wàn)噸級(jí)碳封存工程的環(huán)境影響監(jiān)測(cè)提供參考和借鑒。

1 泄漏情景下CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)概述

1.1 泄漏風(fēng)險(xiǎn)與監(jiān)測(cè)的目的和意義

在CCUS工程CO2注入過(guò)程中，隨著CO2的注入，儲(chǔ)蓋層壓力會(huì)同步增大[16]。如果持續(xù)注入CO2，儲(chǔ)蓋層壓力異常增高，可能會(huì)超過(guò)蓋層的突破壓力，進(jìn)而破壞原有的力學(xué)平衡，使得蓋層發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞，生成蓋層裂縫或小斷層，導(dǎo)致原有未被發(fā)現(xiàn)的先存斷層復(fù)活，誘發(fā)地震，尤其是在注入點(diǎn)附近的垂向剖面上，可能出現(xiàn)地層、地面隆起等變形現(xiàn)象。同時(shí)，由于地質(zhì)體的不連續(xù)性和非均質(zhì)性，因斷層、導(dǎo)水通道、開(kāi)采井等的存在，受到壓力影響，地層中CO2可能突破水力圈閉，泄漏到淺層含水層中，導(dǎo)致含水層水質(zhì)受到極大影響，甚至影響整個(gè)生態(tài)環(huán)境。

CCUS工程中CO2泄漏情況包括： ①通過(guò)廢棄井或因?yàn)榫屏训仍蚨l(fā)的瞬時(shí)性泄漏，這種泄漏擴(kuò)散速度快、濃度大且易被發(fā)現(xiàn)； ②因?yàn)閿鄬?、泄漏?油、氣)井等原因而引發(fā)的連續(xù)性泄漏[17-18](圖1)。

圖1 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)

碳封存項(xiàng)目環(huán)境影響監(jiān)測(cè)的目的和意義在于在CCUS工程標(biāo)準(zhǔn)和程序規(guī)范的控制下，為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生提供盡早、有效的泄漏監(jiān)測(cè)[19]，使其處于可控與可容忍的范圍內(nèi)。①通過(guò)制定行之有效的監(jiān)測(cè)方案和監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)CO2的運(yùn)移和分布狀態(tài)，評(píng)估CCUS工程對(duì)環(huán)境、安全和人類(lèi)健康產(chǎn)生的影響，最大限度降低危害和風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，確保工程的安全性、有效性和持久性； ②全面掌握擬建CO2封存場(chǎng)地的環(huán)境狀況并確定各環(huán)境要素背景值，不僅可用于CO2注入階段的對(duì)比分析，也可成為今后法律糾紛重要的依托數(shù)據(jù)； ③及時(shí)向決策者、監(jiān)管者、公眾反饋環(huán)境影響信息，堅(jiān)定信心、消除質(zhì)疑； ④對(duì)CO2進(jìn)行監(jiān)測(cè)核準(zhǔn)，為碳封存工程進(jìn)入碳交易市場(chǎng)提供有效信息。

1.2 監(jiān)測(cè)階段和監(jiān)測(cè)指標(biāo)的劃分

CO2地質(zhì)封存環(huán)境監(jiān)測(cè)的核心是地下(地下水)、近地表(土壤和植被)和地上(大氣)，其完整監(jiān)測(cè)周期涉及4個(gè)階段[20-21](圖2)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為環(huán)境影響、地層響應(yīng)和CO2地下運(yùn)移3部分。其中，環(huán)境影響監(jiān)測(cè)包括大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)。地層響應(yīng)監(jiān)測(cè)即地質(zhì)環(huán)境擾動(dòng)監(jiān)測(cè)，包括斷層活化(蠕變)監(jiān)測(cè)和地面變形(隆起或沉陷)監(jiān)測(cè)。

圖2 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程各階段環(huán)境監(jiān)測(cè)特征

總之，不同監(jiān)測(cè)階段、不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)關(guān)注的問(wèn)題不同，其監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)有所不同，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)組合也各有不同[22]。

2 泄漏情景下CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)方法和研究進(jìn)展

當(dāng)前CCUS技術(shù)還在不斷發(fā)展之中，各類(lèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段層出不窮。本文圍繞地質(zhì)封存中CO2泄漏監(jiān)測(cè)以及泄漏源監(jiān)測(cè)識(shí)別問(wèn)題，剖析了CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)闡述了不同監(jiān)測(cè)階段、監(jiān)測(cè)指標(biāo)下監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的選擇，總結(jié)及預(yù)測(cè)了CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)(圖3)。

圖3 立體化環(huán)境影響與地質(zhì)安全監(jiān)測(cè)保障技術(shù)體系示意圖[23]

2.1 環(huán)境影響監(jiān)測(cè)

環(huán)境影響監(jiān)測(cè)包括大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)3個(gè)部分。

2.1.1 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

大氣環(huán)境CO2濃度監(jiān)測(cè)最常用的技術(shù)有紅外線氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)、大氣CO2示蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)和大氣CO2通量監(jiān)測(cè)技術(shù)3種。

大部分CO2濃度(紅外線氣體)監(jiān)測(cè)技術(shù)都是根據(jù)二氧化碳近紅外吸收光譜的相關(guān)特點(diǎn)開(kāi)展的[24-25]。目前，已被使用的是紅外氣體分析儀檢測(cè)技術(shù)，屬于便攜式現(xiàn)場(chǎng)直接點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，精度高、響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是區(qū)域面積測(cè)量不便且成本高[26]。長(zhǎng)程開(kāi)放路徑紅外探測(cè)和調(diào)制激光檢測(cè)技術(shù)，可由激光發(fā)射器發(fā)射脈沖到反射器上，將信號(hào)反饋到初端探測(cè)器測(cè)得路徑中CO2的累積濃度，優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面積廣，缺點(diǎn)是性能不穩(wěn)定、不成熟[27]。

大氣CO2示蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)即通過(guò)利用大氣中的天然示蹤劑監(jiān)測(cè)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程是否出現(xiàn)CO2泄漏的技術(shù)方法。該方法是在封存氣體內(nèi)添加一些示蹤物質(zhì)，如六氟化硫(SF6)、全氟化碳同位素示蹤劑(PFT)等，在封存二氧化碳以后，就可以對(duì)大氣中一些示蹤劑比如SF6等的具體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)其變化顯著，就說(shuō)明有二氧化碳泄漏且能計(jì)算出具體的泄漏量[28-29]。當(dāng)然，此類(lèi)手段也存在一些不足，比如其氣相色譜儀等監(jiān)測(cè)裝置價(jià)格昂貴，無(wú)法適應(yīng)野外環(huán)境下的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，且有些示蹤劑也屬于溫室氣體，存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，便攜、快速且具備在線功能的監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)需求十分迫切。

大氣CO2通量監(jiān)測(cè)技術(shù)則多采用渦度相關(guān)法(Eddy Covariance,EC)來(lái)達(dá)到目的。在微氣象監(jiān)測(cè)中，EC方法較為完善，已然成為CO2地質(zhì)儲(chǔ)存重要的監(jiān)測(cè)手段之一，并被廣泛采用[30]，其優(yōu)勢(shì)在于監(jiān)測(cè)范圍廣、可自動(dòng)監(jiān)測(cè)、不干擾周?chē)h(huán)境等，不足之處在于研究地點(diǎn)過(guò)分依賴(lài)于氣象和地形條件，不但需要對(duì)諸多復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，而且很難快速對(duì)其泄漏量進(jìn)行判斷，只有綜合分析長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息，才能夠明確其泄漏量[31]。

2.1.2 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)

通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤中某些參數(shù)，來(lái)判斷二氧化碳泄漏情況[32-33]。以CO2-EOR示范工程為例，CO2一旦泄漏到地表，其他輕的烴類(lèi)氣體也會(huì)到達(dá)淺層土壤。通過(guò)監(jiān)測(cè)δ13C含量、輕的烴類(lèi)氣體如甲烷濃度，以及土壤二氧化碳濃度隨注氣時(shí)間的變化情況，不僅可以判斷二氧化碳是否泄漏，還能計(jì)算其泄漏量[34]。氡、釷等惰性氣體性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)干擾CO2源解析，是良好的監(jiān)測(cè)指示指標(biāo)，不過(guò)與CO2、CH4等相比，其價(jià)格更為昂貴且方法更為復(fù)雜[17]。

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)方法通常有封閉式動(dòng)態(tài)累積室測(cè)量法、開(kāi)放式動(dòng)態(tài)累積室測(cè)量法和封閉式靜態(tài)累積室測(cè)量法3種。其中，開(kāi)放式動(dòng)態(tài)累積室測(cè)量法是測(cè)量土壤CO2通量的方法中最為可靠的一種。

此外，還可以通過(guò)基于熱導(dǎo)性能的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即通過(guò)基于分布式熱式傳感器對(duì)水平測(cè)井溫度分布進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而判斷是否出現(xiàn)二氧化碳泄漏現(xiàn)象[35]。學(xué)者Hurter對(duì)比了光纖DTS系統(tǒng)和溫度記錄儀監(jiān)測(cè)效果的優(yōu)劣，通過(guò)收集和分析其熱異常信號(hào)，可在井間(注入井與監(jiān)測(cè)井)距離大于50 m的監(jiān)測(cè)井中監(jiān)測(cè)到二氧化碳的泄漏情況[36]。

2.1.3 地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)

如果CO2從深部地下儲(chǔ)層發(fā)生泄漏，向上運(yùn)移進(jìn)入淺層地下水含水層,就會(huì)導(dǎo)致含水層化學(xué)成分、離子含量、pH、溫度、壓力、導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性能等發(fā)生變化[37]?；诖?，可以通過(guò)開(kāi)展地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)，來(lái)鑒別和評(píng)價(jià)CO2泄漏情況。地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試2種。對(duì)于pH、水溫、電導(dǎo)率及游離CO2、亞硝酸根、氧化還原電位(Eh)等極易發(fā)生變化的監(jiān)測(cè)指標(biāo)可通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定； 其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室ICP-MS開(kāi)展水質(zhì)全分析、水質(zhì)簡(jiǎn)分析來(lái)測(cè)定[38]。

目前地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)方法已較為成熟，美國(guó)Lawrence Berkeley實(shí)驗(yàn)室和Los Alamos實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞CO2-CRC中心[19]以及中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心等國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)在此方面已經(jīng)做了大量的工作，針對(duì)不同的泄漏方式和泄漏地點(diǎn)，提出了很多CO2泄漏監(jiān)測(cè)方法。

比較常見(jiàn)的有基于壓力變化的監(jiān)測(cè)方法、熱導(dǎo)性能監(jiān)測(cè)方法、pH測(cè)量傳感器監(jiān)測(cè)方法和地球化學(xué)效應(yīng)監(jiān)測(cè)方法等。基于壓力變化的監(jiān)測(cè)方法幾乎已應(yīng)用到目前所有的CCS/CCUS項(xiàng)目中，即對(duì)封存蓄積層或含水層壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)保證CO2封存的安全性[39]，比如油氣田用井下PDG系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)井底的壓力和溫度等。pH測(cè)量傳感器監(jiān)測(cè)方法即通過(guò)測(cè)量對(duì)CO2在儲(chǔ)層中擴(kuò)散運(yùn)移行蹤具有明顯指示作用的指標(biāo)的pH值變化來(lái)監(jiān)測(cè)其泄漏情況，但傳統(tǒng)深層地下水pH值監(jiān)測(cè)技術(shù)方法會(huì)有電路整機(jī)超低功耗、高精度補(bǔ)償算法電極漂移等一系列問(wèn)題[40]。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心研制出了pH值深層原位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了類(lèi)似問(wèn)題，可在1 500 m深度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在鄂爾多斯神華CCS示范工程中得到了實(shí)例驗(yàn)證。地球化學(xué)效應(yīng)監(jiān)測(cè)方法主要監(jiān)測(cè)由CO2的加入引起的礦物質(zhì)溶解、遷移和沉降變化，常用氧化-還原電位計(jì)、離子選擇性電極等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[41]。

其他還有基于電阻率的監(jiān)測(cè)方法、航空電磁測(cè)量技術(shù)、電動(dòng)力勢(shì)能監(jiān)測(cè)方法以及CO2-EOR烴類(lèi)和有機(jī)物監(jiān)測(cè)方法等[32，42]。

2.2 地層響應(yīng)(地質(zhì)環(huán)境擾動(dòng))監(jiān)測(cè)

CCUS工程對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)包括地面變形、斷層活化(蠕變)、誘發(fā)地震等。其中，所誘發(fā)的地震的監(jiān)測(cè)可以納入國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。

2.2.1 斷層活化(蠕變)監(jiān)測(cè)

利用光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷層蠕變。分布式光纖傳感技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾等技術(shù)特點(diǎn)，在周?chē)鷶鄬尤鋭?dòng)及背景擾動(dòng)作用下，傳感光纜中的敏感光纖在長(zhǎng)度、直徑、折射率等參數(shù)上會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)檢測(cè)光纖的相位變化，可以獲取光纖周?chē)h(huán)境的震動(dòng)信息(圖4)。

圖4 外界振動(dòng)引起的光纖傳感參數(shù)變化與相位解調(diào)

通過(guò)光纜埋深測(cè)試和長(zhǎng)周期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取場(chǎng)地背景噪聲頻率的高頻分量，通過(guò)低通濾波算法分離斷層蠕動(dòng)的低頻分量，結(jié)合光纖空間部署形態(tài)，通過(guò)多點(diǎn)定位，確定震源的空間和頻率信息，由此判斷斷層的蠕動(dòng)特點(diǎn)及位置分布情況。

2.2.2 InSAR地面形變監(jiān)測(cè)

InSAR技術(shù)是根據(jù)重復(fù)雷達(dá)圖像的相位數(shù)據(jù)來(lái)提取地面目標(biāo)三維空間信息的技術(shù)[43]。以Sentinel-1和ALOS-2PALSAR為數(shù)據(jù)源，采用D-InSAR、SBAS-InSAR和PS-InSAR技術(shù)開(kāi)展CO2注入后地表形變幅度的遙感監(jiān)測(cè)。

還可以通過(guò)高精度GPS測(cè)量技術(shù)和傾斜儀測(cè)量技術(shù)，來(lái)監(jiān)測(cè)CO2注入和運(yùn)移引起的地面形變。

2.3 CO2地下運(yùn)移監(jiān)測(cè)

CO2地下運(yùn)移監(jiān)測(cè)會(huì)跟蹤注入目標(biāo)儲(chǔ)層CO2羽狀體的運(yùn)移過(guò)程，定義羽流的橫向范圍和運(yùn)移邊界，從而確保CO2羽狀體長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性[44]。

目前已有諸多CO2地下運(yùn)移監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括地球物理監(jiān)測(cè)技術(shù)、地球化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。其中，地球物理監(jiān)測(cè)技術(shù)分為地震監(jiān)測(cè)技術(shù)、電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)、測(cè)井監(jiān)測(cè)技術(shù)、重力監(jiān)測(cè)技術(shù)等，地球化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)又稱(chēng)化學(xué)示蹤劑監(jiān)測(cè)技術(shù)。單就監(jiān)測(cè)手段而言，三維地震、垂直地震剖面(Vertical Seismic Profiling,VSP)、井間地震、測(cè)井分析及化學(xué)示蹤劑是對(duì)CO2運(yùn)移進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)的4類(lèi)方法[45]。而綜合各類(lèi)監(jiān)測(cè)方法來(lái)看，地震監(jiān)測(cè)方法是最有效的CO2封存監(jiān)測(cè)工具[46]，其中四維地震和時(shí)移VSP技術(shù)被廣泛用于監(jiān)測(cè)CO2地質(zhì)封存[47-48]，在一些規(guī)模化商業(yè)封存項(xiàng)目中已有成功應(yīng)用，四維地震被認(rèn)為是實(shí)施長(zhǎng)時(shí)期監(jiān)測(cè)封存CO2運(yùn)移的最好方法[49]，已然成為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)流體變化的有力工具[46]。下面簡(jiǎn)要介紹四維地震監(jiān)測(cè)和時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2.3.1 四維地震監(jiān)測(cè)

該技術(shù)主要借助地表震源波的反射情況來(lái)獲取全容積成像，不但能夠明確二氧化碳的分布情況，還能明確其運(yùn)移泄漏情況。四維地震技術(shù)具有覆蓋面積廣、檢測(cè)通量下限低等優(yōu)點(diǎn)。在高孔隙度、流體飽和度和屬性變化大且埋藏位置不太深的儲(chǔ)層，四維地震監(jiān)測(cè)效果更好，能較好地監(jiān)測(cè)到流體前緣和流體動(dòng)態(tài)特征效果。因此，為保證應(yīng)用四維地震監(jiān)測(cè)流體前緣和流體動(dòng)態(tài)特征的效果，儲(chǔ)層應(yīng)具備孔隙度高、流體飽和度和屬性變化大、埋藏位置不要過(guò)深等特征[49]，而在CO2飽和度低、儲(chǔ)層較薄時(shí)效果不太理想[22]。

該技術(shù)在Sleipner、Weyburn項(xiàng)目中已得到運(yùn)用。在Sleipner封存項(xiàng)目中，從運(yùn)行開(kāi)始就對(duì)該構(gòu)造進(jìn)行了四維地震監(jiān)測(cè)，1999年后每?jī)赡赀M(jìn)行一次地震監(jiān)測(cè)，獲得了不同時(shí)期該構(gòu)造的地震剖面圖[50]，同時(shí)獲得了咸水層內(nèi)超臨界CO2層狀羽狀體的變化情況[51]； 而在Weyburn封存項(xiàng)目中，由于目的層厚度較薄，地震反射不夠明顯，四維地震對(duì)CO2羽狀體成像比在Sleipner項(xiàng)目中更困難，最終效果不太好[33]。

2.3.2 時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)

該技術(shù)指的是通過(guò)多次進(jìn)行VSP測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)時(shí)間偏移情況。其具體理論基礎(chǔ)為： 在儲(chǔ)層完成二氧化碳注入操作后，利用水氣交代過(guò)程來(lái)對(duì)地層水分布空間進(jìn)行占據(jù)，如此一來(lái)其吸收系數(shù)便容易出現(xiàn)波動(dòng)，即灌注前后儲(chǔ)層的地震波速度或吸收系數(shù)等參數(shù)存在差異。

時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)在Frio、Otway、神華CCS示范工程等項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著效果： 在美國(guó)德克薩斯州Frio構(gòu)造中進(jìn)行的小規(guī)模試驗(yàn)性CO2封存項(xiàng)目采用了時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)CO2運(yùn)移效果比四維地震更加精確，但也更加昂貴[52]； 在澳大利亞Otway構(gòu)造中進(jìn)行的CO2封存試驗(yàn)使用了時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)技術(shù)，也取得了很好的效果[53]； 神華CCS示范工程是我國(guó)首個(gè)全流程煤基CO2捕獲和低孔低滲深部咸水層多層注入的CO2封存項(xiàng)目，目前國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者就神華CCS示范工程采用的時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了論述[45，54-55]，筆者不再贅述，神華CCS示范工程自2011年開(kāi)始，累計(jì)注入CO2超過(guò)30萬(wàn)t，期間進(jìn)行了3期時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)CO2泄漏，證明了神華CCS示范工程的安全性。

2.4 主要監(jiān)測(cè)技術(shù)匯總分析

在國(guó)內(nèi)外，雖然有很多政府、企業(yè)、科研院所等對(duì)CCUS/CCS中涉及的CO2泄漏問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究，但研究主要還是集中于封存的CO2在蓄積層中泄漏遷移的模型或CO2泄漏對(duì)生態(tài)的影響上。綜合所述，本文列出了不同泄漏情景下涉及到的各類(lèi)主要CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)或方法的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景及已有的工程應(yīng)用分析(表1)。

表1 CO2地下埋存工程中各種監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)

3 結(jié)論及展望

(1)CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)是對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)開(kāi)展全流程測(cè)量和監(jiān)控。其不同監(jiān)測(cè)階段(背景期、運(yùn)營(yíng)期、閉場(chǎng)及閉場(chǎng)后)、不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)(環(huán)境影響、地層響應(yīng)和CO2地下運(yùn)移等)下CO2泄漏環(huán)境影響監(jiān)測(cè)重點(diǎn)會(huì)有所不同，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)組合也略有差別。

(2)CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)手段繁多、種類(lèi)復(fù)雜，要針對(duì)不同的環(huán)境問(wèn)題和需求，充分考慮CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化不同泄漏情境下CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的選擇，從實(shí)際出發(fā)，發(fā)揮每項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)和多技術(shù)協(xié)同優(yōu)勢(shì)，降低監(jiān)測(cè)成本，提高監(jiān)測(cè)效率。

(3)大部分監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜且自成體系。隨著碳封存研究的深入和規(guī)模化百萬(wàn)噸級(jí)CO2封存項(xiàng)目的鋪開(kāi)，“物美價(jià)廉”的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)、“大氣-地表-地下”立體化快速監(jiān)測(cè)技術(shù)體系(標(biāo)準(zhǔn))及監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的構(gòu)建將會(huì)是CO2環(huán)境影響監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。