CO2驱油封存区域土壤气监测技术及应用＊

张媛媛张煜张建陆胤君

（1．中石化石油工程设计有限公司；2．中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司）

CO2驱油封存区域土壤气监测技术及应用＊

张媛媛1张煜2张建1陆胤君1

（1．中石化石油工程设计有限公司；2．中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司）

针对二氧化碳驱油封存技术（CO2-EOR）国内尚无通用的环境监测方法的情况下，文章提出了土壤气CO2的通量以及δ13C监测的重要性，并结合胜利油田CO2-EOR项目开展的环境监测工作，提出了几点监测过程值得注意的问题：为识别CO2泄漏风险，注气前的环境监测数据至关重要；监测区域除了涵盖注气井和采油井，必须考虑注气过程中CO2地下运移的范围，但目前尚无明确的方法计算延伸的距离；在数据分析和挖掘过程中，由于参数的表征方式不同，借助统计学分析软件的类比功能实现监测方法之间的相互印证。

二氧化碳驱油封存；泄漏风险；土壤气监测；CO2通量；数据处理

0 引 言

在减排温室气体呼声日益高涨的国际大形势下，二氧化碳驱油封存技术（CO2-EOR）能够同时实现经济效益和环境效益双赢而备受关注［1-5］。推动该技术大规模发展的关键因素在于CO2-EOR的安全性、环保上是否具有持久性、可监控性和可操作性。目前，CO2-EOR技术在国内处于研发和示范阶段，相关的环境监管制度和法律规定还处于空白，尤其是与长期安全性和可靠性相关的环境影响评价、环境监测等领域的环境监管能力建设亟待加强。为了评估CO2驱油封存的泄漏风险，环境监测工作按照空间结构主要分为地下的地震监测［6］和水质模拟［7］、地表的土壤气监测［8］、植被［9］、地面变形［10］以及近地面的大气监测［11］等。土壤气中的部分CO2属于深层CO2的汇，又属于大气CO2的来源之一，同时影响地表植被的生长［12］。因此，土壤气CO2排放特性包含的信息最丰富也最复杂。如果分析CO2驱油封存项目向大气泄漏的风险，土壤气CO2排放特性是关键的参数之一。此外，对比其他的监测手段（如地震法、植被遥感法、GPS、干涉雷达测量等），土壤气监测的成本低、不会产生额外的噪声、微地震，可实施性强；土壤气CO2排放特性识别泄漏风险更加直观，公众可接受的程度强，具有明显的优势［13］。

1 监测目的

CO2驱油封存过程可能存在两种泄漏：一是突发泄漏，如注入井破裂导致的泄漏或通过废油井的泄漏。突发泄漏可以通过控制油井井喷技术快速检测，因此出现的几率很低。二是缓慢泄漏，通过断层、断裂或泄漏的油井发生的泄漏。缓慢泄漏存在的风险通常是被关注的安全性问题。土壤气监测的目的是识别CO2-EOR过程中注入油层的CO2（深层地质CO2）是否泄漏到地表，以至于影响植被、微生物、大气等生态系统；另一个目的是定量分析CO2泄漏量。

由于土壤气中的CO2来源很广，除了可能来自于深层地质，土壤中有机质的降解以及地表植被的呼吸作用均可产生CO2。因此，通过土壤气的监测定性或定量分析来自深层地质的CO2是一个复杂的过程。为了从土壤气CO2中对来自深层地质的那部分气体进行解析，或者说从土壤气中排除其他来源的CO2，需要进行CO2注气之前的土壤气本底值监测、CO2注气过程的监测、停止注气（封场后）的监测。当外界环境不变的前提下，注气前后土壤气CO2的差值为CO2-EOR对环境的影响。土壤温度和湿度是影响土壤气CO2通量最重要的因素［14-16］，其随着季节的变化给土壤气监测工作带来了挑战。

2 监测对象与评价方法

为了判断CO2-EOR是否发生泄漏，需要对土壤气的某些参数进行监测。按照气体的来源属性可以分为两类：源于生物的气体，如CO2、CH4、小分子烃类（C2～C6）等［17-18］和非源于生物的气体，如氡和钍［19］。深层地质的气体组分复杂，CO2一旦泄漏到地表，其他气体也会到达地表。CH4等轻质碳氢化合物比CO2轻，因此，如果发生泄漏，轻的气体首先进入土壤层。从这一角度出发，通过考察CH4等轻质气体的排放特性以判断泄漏风险更具有时效性。由于这些轻质气体会在土壤层中被好氧微生物降解，如被甲烷氧化菌氧化成CO2，给CO2源解析增加了难度。自然界中碳以12C，13C，14C等多种同位素的形式存在［2，20-21］，通过考察CO2和CH4的浓度及δ13C随注气时间的变化规律，不仅可以识别CO2的泄漏风险［13，22］，还可以计算泄漏部分的比例［20］。借助碳同位素技术识别CO2泄漏风险有一个前提：注入CO2的δ13C与油藏本身含有的CO2的δ13C存在差异。

氡、钍等非源于生物的气体监测不会干扰CO2源解析。如果随着时间的推移，季节的交替，发现上述气体的含量没有变化，证明该地区深层地质的CO2未发生泄漏，但氡、钍的监测比CO2、CH4成本高，监测方法复杂。

3 监测过程存在的问题及对策

3．1监测方案

由于土壤气中CO2的来源复杂，在CO2-EOR项目中土壤气的监测目的特殊，因此监测点的地貌、以及监测区域的范围与森林、农田、草原土壤气CO2排放特性的研究有所不同。

胜利油田CO2-EOR先导试验区G89区块11口CO2注气井和采油井均位于庄稼地中，周围农田和村庄相间分布［23］。为避免监测扰民，同时排除植被呼吸作用对土壤气CO2通量和浓度的贡献，监测点选在注气井、采油井周围26m内，以及乡间土道与庄稼地之间的空地，土壤呼吸室覆盖的地表无植被。

监测区域首先保证涵盖注气井和见效的采油井，在此基础上，监测区域要适度放大。由于国际上对监测区域向外扩展的范围没有距离要求，结合项目自身的两个特点（油、气井分布较密，最近两口井的距离约350 m；石油开采过程中定期分析油层的气体组分），在监测过程中，通过监测油层的气体组分判断是否发生气窜，可能会有助于估算监测区域向外扩展的方向和距离。当打开气体监测阀门后阀口会变凉，出现白色干冰粒，即发生CO2气窜。油气比也是判断气窜的一个重要指标。对于管道运输，参数油气比容易获得。但G89区块采用罐车运输，单井油气比无法获得，只能通过油井伴生气中CO2的比例作为判断气窜的依据。

3．2数据处理方法

土壤气监测数据的处理及分析过程核心问题是源解析，通过与本底值的比较、气体组分的变化规律定性或定量分析土壤气中注入的CO2。胜利油田G89区块CO2-EOR先导试验的工艺示意见图1。

图1 CO2-EOR工艺示意

注入油层的CO2来自胜利发电厂燃煤烟气，气体注入约3 000 m深的油层。土壤气监测的对象包括：油层气、包气带土壤气及表层土壤气。油层气和包气带土壤气受季节变化的影响不大，因此注气前对这两种气体进行组分分析可以作为本底值，直接与注气后的监测数据进行对比。表层土壤气CO2排放特性受季节变化的影响较大，首先考察土壤温度和湿度对土壤气CO2通量的相关性，再将注气前后的监测数据进行归一化处理，转化为相同温度、相同湿度条件，然后进行对比。

从操作的难易程度上比较，表层土壤气最容易；油层气体的组分分析作为CO2-EOR工程运行的例行工作，监测数据可以从采油厂提供，但监测周期通常为单井1～3个月／次；包气带土壤气的监测最难，需要钻井，井深由潜水面的深度决定，通常为几米至十几米。井的直径由放置在井内的设备尺寸决定，设备的外径与井径需匹配。设备安装、固井、完井后还应保证监测井的完好，不被破坏。因此，表层土壤气的监测点个数远多于包气带土壤气监测点个数。在三类监测对象的数据无法保证一一对应的情况下，借助统计分析软件SPSS（Statistical Program for Social Sciences），对每类数据进行聚类分析，实现不同监测方法获取的数据之间的相互印证。

4 结束语

为评估CO2-EOR项目的安全性和在环保上是否具有持久性，环境监测尤为重要。土壤是深层地质CO2释放至大气中的最后一道防线，通过土壤气CO2通量的监测，定性、定量评估CO2微渗漏是环境影响评价研究的热点。本文对土壤气监测的目的、监测方法进行了综述，并结合胜利油田G89区块CO2-EOR项目开展的土壤气监测工作面临的问题，对监测方案及数据处理方法提出了一些想法：监测区域除了涵盖注气井和周边见效的采油井之外，还需要考虑向外延伸。借助气窜的方向和距离初步计算研究区域向外延伸的长度，但目前国内外尚无一种明确的计算方法；监测数据的处理，可以借助SPSS软件对数据进行聚类分析，进而实现不同监测方法的相互印证。

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1005-3158（2014）04-0049-03

2013-05-30）

（编辑 王薇）

10．3969／j．issn．1005-3158．2014．04．016

＊国家“十二五”科技支撑计划（2012BAC24B05），胜利石油管理局博士后基金。

张媛媛，2012年毕业于清华大学环境学院，博士，现在中石化石油工程设计有限公司工作，主要研究方向：二氧化碳捕集、驱油与封存的环境影响评价；固体废物资源化处理处置。通信地址：山东省东营市济南路49号，257026