近年來，全球?qū)厥覛怏w排放的擔(dān)憂激發(fā)了對(duì)碳捕獲和儲(chǔ)存（CCS）作為一種氣候變化緩解方案的極大興趣，該方案可用于減少人為凈二氧化碳排放。然而，CCS需要在數(shù)千年內(nèi)將CO2安全地保留在地質(zhì)地層中。
幾種地球化學(xué)和地球物理（如延時(shí)地震）技術(shù)允許監(jiān)測(cè)CO2的區(qū)域分布、密封完整性和注入響應(yīng)的壓力變化，因此可用于驗(yàn)證儲(chǔ)存一致性，是完整性監(jiān)測(cè)的寶貴工具。
2021年9月，在挪威Svelvik的SINTEF CO2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一項(xiàng)地震跨孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了高精度跨孔層析成像技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)CO2在碳封層的遷移，向含水層或儲(chǔ)層注入CO2會(huì)降低儲(chǔ)層或含水層的地震速度，本次測(cè)試觀測(cè)到了2-7%左右的速度降低。
跨孔層析成像原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
地震波跨孔層析成像（C T ) 是一種地下物探方法。測(cè)試前在測(cè)試目標(biāo)區(qū)兩側(cè)鉆孔成井，在井下進(jìn)行地震波的激發(fā)和接收，通過對(duì)觀測(cè)到的彈性波各種震相的運(yùn)動(dòng)學(xué)(走時(shí)、射線路徑）和動(dòng)力學(xué)（波形、振幅、相位、頻率）資料的分析，進(jìn)而反演地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、速度分布及其彈性參數(shù)等重要信息，該方法通?？捎糜谔綔y(cè)規(guī)模小，要求精度高的地下介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)。
在實(shí)際操作中，一般采取一發(fā)多收扇形穿透的形式，一個(gè)孔內(nèi)放置高頻聲源（例如電火花震源）。另一個(gè)孔內(nèi)固定住一串檢波器（水聽器），通過震源向井下移動(dòng)并在每一處理想的深度位置逐點(diǎn)激發(fā)，釋放地震波。
項(xiàng)目場(chǎng)地與測(cè)試流程
Svelvik CO2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室由一口中央注入井（B2）、四口監(jiān)測(cè)井（M1-M4）和進(jìn)行CO2注入實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施組成。注入井設(shè)計(jì)用于在小超壓條件下注入CO2，并在34至65 m深度之間進(jìn)行篩選。四口監(jiān)測(cè)井用PVC套管套管至約100米深，并位于注入井周圍菱形的角落。監(jiān)測(cè)井位于距注入井9.9 m（M3和M4）和16.5 m（M1和M2）處。
對(duì)于所有實(shí)驗(yàn)，地震源放置在鉆孔M4中，水聽器/檢波器地震接收器放置在鉆孔M3中。
注入前進(jìn)行了一次P波、SH波和SV波測(cè)量，作為基線測(cè)量（震源位置的地震場(chǎng)測(cè)量設(shè)置如下圖所示）。
注射期間共采集了八組P波層析成像數(shù)據(jù)。在第0天和第1天進(jìn)行了兩次P波調(diào)查，即上午和下午各一次。在第0–2天，對(duì)下部區(qū)域進(jìn)行了SH波和SV波測(cè)量。從第1天到第5天，對(duì)上部區(qū)域進(jìn)行SH波測(cè)量。在數(shù)據(jù)處理過程中測(cè)量并考慮了鉆孔偏差。
測(cè)試成果及分析
只考慮具有相同深度的源-接收器對(duì)，為每個(gè)井間組選擇所有波類型（P、SH和SV）的到達(dá)時(shí)間，并根據(jù)真實(shí)震源和接收器距離計(jì)算地震速度。上圖顯示了所有深度測(cè)量的計(jì)算P波、SH波和SV波速度，以及根據(jù)基線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算行程時(shí)間變化。
上圖為井間數(shù)據(jù)分析：（a）P波、（b）SH波和（c）SV波的歸一化波速相對(duì)于基線的時(shí)間變化（百分比），該時(shí)間變化顯示了CO2氣體的影響。即使在第0天不同深度的注射開始后不久，也可以看到變化。在約64m處，注入?yún)^(qū)沒有或只有輕微變化。顯著變化從第2天和第3天開始，深度約為38至40m。這對(duì)應(yīng)于地震速度從約2180m/s下降至2140m/s。b和圖c顯示了注入點(diǎn)附近下部區(qū)域SH和SV波速計(jì)算得出的速度下降。
P波層析成像測(cè)試數(shù)據(jù)更為明顯。
a）基線P波和（b）第4天數(shù)據(jù)的層析成像反演結(jié)果以及（c）差異層析圖（（基線-第4天）/基線）
P波層析成像結(jié)果表明，水平分層沉積具有交替的高速和低速區(qū)，即低滲透性或高滲透性沉積物（如上圖a,b）。
基線數(shù)據(jù)和注入第4天采集的數(shù)據(jù)之間的兩個(gè)P波層析圖像的比較表明，CO2沿著上層賦存層內(nèi)的高滲透帶遷移（如上圖c）。
差異層析圖中可以看到高達(dá)7%的速度變化。該區(qū)域與最可能充當(dāng)CO2賦存層的厚粘土層有關(guān)。在40米深度以下，可以看到小于2%的極小變化（如上圖c）。
分布式溫度傳感（DTS）的同步變化的驗(yàn)證
分布式溫度傳感DTS測(cè)量的數(shù)據(jù)分析顯示，鉆孔M1、M2和M4中沒有明顯的局部溫度變化。然而，在M3中，在40 m深度附近有一個(gè)明顯的峰值，這意味著CO2從注入點(diǎn)相對(duì)快速地?cái)U(kuò)散到40 m深度處的觀察孔M3。這些結(jié)果與P波測(cè)量的層析反演結(jié)果一致。
（a）注入前第0天（虛線）、第2天（灰色線）和第4天（黑色線），鉆孔M3的DTS測(cè)量值隨深度變化。（b） 相對(duì)于注入前水平，溫度峰值最大范圍的時(shí)間變化~40 m深度
結(jié)論
1. 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了高精度跨孔層析成像技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)CO2在碳封層的遷移，向含水層或儲(chǔ)層注入CO2會(huì)降低儲(chǔ)層或含水層的地震速度，本次測(cè)試觀測(cè)到了2-7%左右的速度降低。
2. 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了使用P、SH和SV地震源產(chǎn)生高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)的可行性，以通過跨孔測(cè)量監(jiān)測(cè)CO2注入的影響。使用這三種來源，可以導(dǎo)出巖土參數(shù)，如超固結(jié)比。使用關(guān)于土壤密度的附加信息，可以計(jì)算動(dòng)態(tài)剪切剛度、動(dòng)態(tài)體積模量和泊松比。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備
本次測(cè)試所使用的設(shè)備主要有兩個(gè)系統(tǒng)，均由德國(guó)Geotomographie公司生產(chǎn)。
其一是大深度P波跨孔層析成像設(shè)備，包括SBS1000 MAGNUM深層P波震源，BHC1000水聽器鏈，以及絞車和電腦等配件，其特點(diǎn)是探測(cè)深度可達(dá)1000m，激發(fā)能量高，探測(cè)精度高，不需要地震儀，直接通過電腦軟件接收地震波信號(hào)。
SBS1000 MAGNUM BHC1000
其二是S波跨孔層析成像系統(tǒng)，由IPG5000脈沖發(fā)生器，BIS-SH型S波震源及MBAS多站可擴(kuò)展智能孔中采集系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)可同時(shí)采集P波及S波信息，在獲取P波/S波層析成像數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可計(jì)算動(dòng)態(tài)剪切剛度、動(dòng)態(tài)體積模量和泊松比，并獲得土壤應(yīng)力狀態(tài)的描述。
IPG5000脈沖發(fā)生器 BIS-SH型S波震源
MBAS多站可擴(kuò)展智能孔中采集系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備詳情詳見官網(wǎng)http://www.chunliangjiu.cn/
