识别CO2驱油泄漏风险的环境监测方法学研究＊

张媛媛刘海丽李旭峰刁玉杰张建张森琦陆诗建尚明华陆胤君

（1.中石化石油工程设计有限公司；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心）

识别CO2驱油泄漏风险的环境监测方法学研究＊

张媛媛1刘海丽1李旭峰2刁玉杰2张建1张森琦2陆诗建1尚明华1陆胤君1

（1.中石化石油工程设计有限公司；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心）

针对CO2驱油封存技术，我国在环境监测、环境影响评价等领域的环境监管能力建设还处于空白，亟待加强。文章从CO2泄漏路径分析、环境监测方法的筛选以及环境背景值缺失情况下的监测数据分析方法等三个方面阐述了各环节的主要研究思路。其中重点介绍了“过程分析法”在CO2泄漏识别中的应用，强调环境背景值不仅是注气前的环境状况，在注气过程中，每个时间点之前的监测数据均可以看作是背景值。为我国制定相关的法律法规提供重要信息和参考依据。

环境监测；CO2-EOR；方法学；过程分析

0 引 言

二氧化碳驱油封存（CO2EnhancedOilRecovery，简称CO2-EOR）能够提高石油采收率，降低温室气体的排放，可以实现经济效益和环境效益的双赢，备受各国石油公司的推崇和政府的大力支持。世界各国CO2-EOR项目中，美国开展的最多，其次是加拿大［1］。

国外CO2封存项目的监管经验表明环境监测和环境影响评价的重要性和必要性［2］。我国还没有针对CO2地质封存项目制定较为完善的环境监管规范，国家的相关部门已在部署这项工作。环保部于2013年10月28日印发的《关于加强碳捕集、利用和封存试验示范项目环境保护工作的通知》（环办［2013］101号）中明确指出加强碳捕集、利用和封存试验示范项目环境保护工作的任务包括。对于任何一个项目的环境影响评价，环境背景值的采集是识别项目环境风险的基准线。对于我国目前已有的CO2-EOR项目的先导试验和区块扩大试验，CO2-EOR项目更多的关注石油采收率和CO2腐蚀、防气窜等工程问题，对项目产生的环境影响几乎没有考虑，导致项目的环境背景值缺失。即便新建项目采集了环境背景值，网格布点的监测方法也会使局部区域因遗漏面临背景值缺失的局面。可见，我国的CO2-EOR项目的环境监测工作的共性问题：已建项目和新建项目局部区域的环境背景值缺失。

鉴于我国目前尚无针对CO2-EOR项目的环境监测和环境影响评价方法体系，建立一套识别CO2泄漏风险的方法迫在眉睫。本文通过调研国外CO2-EOR项目的环境监测和数据分析方法，提炼出一套方法学，为我国CO2-EOR项目开展环境监测和环境影响评价工作提供重要信息和参考依据。

1 CO2泄漏路径分析

准确预测CO2的泄漏路径是保证环境监测工作高效开展的先决条件，张森琦等［3］对IPCC特别报告［4］和2006年IPCC国家温室气体清单指南［5］进行了调研，总结出CO2可能从盖层的孔隙系统、断层和裂缝通道、废弃井和储层与周围岩层的水文动力系统进行逃逸。国内其他学者也在研究中纷纷指出了CO2地质封存的泄漏途径［6-8］，将地下构造的完整性、储层的物性和分布、盖层的密闭性列入安全选址的评估因素［8］，却几乎没有把地质安全性评估与环境监测方案加以融合。对于拟注CO2区块的某个区域，如果安全评价等级属于中等或者低等，就意味着CO2沿此处泄漏的风险更高，环境监测时，应该对该区域增加监测点和监测频率。环境监测与环境影响评价方法中没有盖层和储层的安全性评价，其主要原因是CO2驱油封存，这个涉及多学科的高度复杂的工程［9］，不同专业背景的研究人员之间的交流不够。目前我国尚无CO2-EOR项目的环境监测标准和规范，在制定的过程中，可以从多学科的角度分析泄漏风险；建议将CO2驱油及封存过程中的地质安全性评价纳入制定环境监测方案的首要环节。

2 环境监测方法

通过封存场地的地质安全性评价确定了CO2泄漏风险的敏感地带后，就要选择低成本、高效率的环境监测方法。介绍CO2地质封存监测方法的综述性文章较多［3，10-11］，文中列出了环境监测方法的清单，也介绍了世界上某些CO2地质封存和CO2-EOR项目具体采用的监测方法。此外，我国的研究学者在CO2地质封存环境监测方法中，均提到了动态监测法［3，7，9，12］。动态监测主要表现在两个方面：其一是注气前、注气中和封场后的监测；其二是监测方法的多样化。从已有的研究进展和工程经验到提炼出通用性的监测规范，还有一定的距离。每个CO2-EOR项目有着特殊性和不可复制性，表现在周围人口的稠密程度、封存场地的地质构造、项目的规模和运行时间、利益相关者等存在差异。项目的特殊性决定了环境监测方法存在或多或少的区别。

如何选择最佳的监测方法，使其快速识别CO2的泄漏风险、又保证低廉的监测费用是学者们在下一步的研究中需要考虑的问题，进而为我国环境监测法律法规制定提供参考依据。这项工作的开展，需要考虑以下几点内容：

首先要对监测方法进行“指纹识别”，分析各种监测方法的适用范围和优缺点［7］，该部分需要考虑监测设备的灵敏度、量程、抗噪能力、监测成本、可操作性、数据输出模式、数据处理的难度等。

其次要建立“关联纽带”，将监测方法的特性与CO2-EOR项目的特殊性建立映射关系，明确某监测方法是否可以应用在项目中。举例说明，地震法能够有效的评价CO2羽流，Sleipner［13］，CO2SINK［14］，Weyburn［15］等CO2地质封存项目都采用了四维地震。在选择四维地震时，需要注意储层厚度对地震发射信号有较大的影响，储层厚度越小，地震反射信号越弱。Sleipner，Weyburn，PembinaCardium的储层厚度依次为200～300m［15］，20～30m［16］，20m［17］，导致四维地震对CO2羽流成像越来越困难。

最后以“案例分析”的方式展现环境监测方法的筛选过程。将“指纹识别”和“关联纽带”两个阶段在某个案例中详细的体现出来，提高方法筛选阶段的可操作性。

3 监测数据分析方法

在识别CO2泄漏路径和选择环境监测方法这两个阶段后，进入监测数据分析和CO2泄漏风险识别阶段。引言中已经提到，我国CO2-EOR已开展的项目，都没有监测环境背景值，这给风险识别带来了一定的困难。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Romanak［18］教授在研究中指出环境背景值1a的监测时间是不够的，因为生态环境的长期平均值至少需要10～100a的时间，她提出了一种基于“过程分析”的监测数据分析方法以识别CO2的泄漏风险，这种分析方法也适用于环境背景值缺失的情景，值得借鉴。

“过程分析法”主要有两大特征，第一，确定与CO2有关的主要化学反应；第二，考察化学反应物之间的相关性。根据化学方程式中的系数判断储层的CO2是否发生了泄漏。简而言之，就是首先假定某个环境介质处于自然界中的稳定状态；其次识别CO2在该介质中的主要行为；最后通过考察某些参数比值的趋势判断稳定状态是否受到了外界（CO2泄漏）的干扰。“过程分析法”的原理如图1所示。在渗流区中与CO2相关的主要行为有生物呼吸、甲烷氧化和CO2的溶解三类。生物呼吸的反应为每消耗1分子的O2将生成1分子的CO2，两者的比值O2／CO2为1；甲烷氧化的反应为每消耗2分子的O2将生成1分子的CO2，O2／CO2为2。图1中的蓝色区域表示CO2在渗漏区发生了溶解；绿色区域表示生物呼吸和甲烷氧化反应同时存在；黄色区域表示有外源性的CO2进入渗流区。

图1 “过程分析法”的基本原理示意

图2 δ13C与ln（1／CO2）的相关性

美国科罗拉多矿业大学的Klusman教授在研究中也是采用“过程分析法”识别CO2的泄漏［19］。他选取的参数为CO2浓度和CO2的δ13C，如图2所示。首先通过多次取样获取封存场地地下10m和大气中CO2的浓度和CO2的δ13C，图2中蓝色直线代表当地自然环境的稳定状态。当监测点在蓝线以上时表示碳氢化合物氧化产生了CO2。当CO2从储层泄漏到地表时，比它密度小的轻质烃类会先于CO2到达地表。因此，该监测点发生了异常，有CO2泄漏的可能。当监测点在蓝线以下时表示土壤有机质降解产生了CO2。以上研究表明，需要对环境背景值和环境影响评价重新认识：环境背景值分为广义和狭义两种，只有正确认识这个定义，才能更好的对监测数据进行分析。从“狭义”上讲，CO2注气之前的监测数据属于环境背景值；注气之后就属于环境影响值；从“广义”上讲，上一次监测的数据是下一次监测的背景值。“狭义”的定义更倾向于状态描述，而“广义”的定义强调的是过程。评价CO2-EOR项目对环境的影响，并不是简单的考察环境影响值与环境背景值的差。主要原因是：注气之前和注气之后的外界环境因素不同。所以，需要获取环境监测数据的长期平均状态。因此，环境影响评价是一个基于“过程分析”的评估，而不是注气前和注气后两个状态的对比。基于“过程分析法”识别CO2的泄漏，需要搜集大量的数据描述该地区的自然稳定状态，如Romanak和Klusman教授在研究中建立的“直线”，再分析监测点与自然稳定状态的相对位置，进而识别CO2的泄漏。

4 结束语

CO2-EOR项目环境监测和泄漏风险识别过程应尽量做到最佳（BestPractice）。每个项目在具体实施中存在一定差异，但从CO2泄漏路径的识别、环境监测方法的筛选以及监测数据的分析阶段都需要有统一的方法学进行指导。本文在调研国内外研究的基础上，针对每个阶段提出了几点研究思路：

CO2驱油封存过程的地质安全性评价可以指导环境监测方案的制定，尤其是甄别风险较大的特殊敏感区，在此区域应该加密监测点的布设。

环境监测方法的选择，应该首先了解监测方法的适用范围和优缺点，进而为项目选择量身定做监测方法。

［1］ Koottungal L．2012 Worldwide EOR Survey［J］．Oil＆Gas Journal，2012，110（4）：57-69．

［2］ 张媛媛，张建，张煜．二氧化碳驱油封存环境监测应注意的问题［J］．油气田环境保护，2014，24（1）：45-47．

［3］ 张森琦，刁玉杰，程旭学，等．二氧化碳地质储存逃逸通道及环境监测研究［J］．冰川冻土，2010，32（6）：1251-1261．

［4］ Bert M，Ogunlade D，Manuela L．IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage［M］．New York：Cambridge University Press，2005．

［5］ IPCC．2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories［R］．Tokyo：IGES，2006．

［6］ 许志刚，陈代钊，曾荣树．CO2地质埋存渗漏风险及补救对策［J］．地质评论，2008，54（3）：373-386．

［7］ 任韶然，任博，李永钊，等．CO2地质埋存监测技术及其应用分析［J］．中国石油大学学报（自然科学版），2012，36（1）：106-111．

［8］ 耿晓洁，王红亮，张丽，等．关于利用废弃油藏埋存CO2气体选址问题的探讨［J］．资源与产业，2009，11（6）：69-73．

［9］ 赵学亮，郭建强，史云，等．二氧化碳地质储存动态监测研究［J］．环境监控与预警，2011，3（6）：3-7．

［10］Michael K，Golab A，Shulakova V，et al．Geological Storage of CO2in Saline Aquifers-A Review of the Experience from Existing Storage Operations［J］．International Journal of Greenhouse Gas Control，2010，4（4）：659-667．

［11］Klusman R．Comparison of Surface and Near-Surface Geochemical Methods for Detection of Gas Microseepage from Carbon Dioxide Sequestration［J］．International Journal of Greenhouse Gas Control，2011，5（6）：1369-1392．

［12］蔡博峰．二氧化碳地质封存及其环境监测［J］．环境经济，2012（8）：44-49．

［13］Monea M，Knudsen R，Worth K，et al．Considerations for Monitoring，Verification，and Accounting for Geologic Storage of CO2，in Carbon Sequestration and Its Role in the Global Carbon Cycle（eds B．J．Mcpherson and E．T．Sundquist）［C］．American Geophysical Union，Washington，D．C．，2009．

［14］Yordkayhun S，Tryggvason A，Norden B，et al．3D Seismic Traveltime Tomography Imaging of the ShallowSubsurface at the CO2SINK Project Site，Ketzin，Germany［J］．Geophysics，2009，74（1）：1-15．

［15］郑晓鹏．海上天然气田伴生CO2的海上捕集及回注技术［J］．中国造船，2007，48（增刊）：297-302．

［16］White D．Seismic Characterization and Time-Lapse Imaging during Seven Years of CO2Flood in the Weyburn Field，Saskatchewan，Canada［J］．International Journal of Greenhouse Gas Control，2013，16（S1）：78-94．

［17］Lawton D，Alshuhail A，Coueslan M，et al．Pembina Cardium CO2Monitoring Project，Alberta，Canada：Timelapse Seismic Analysis-lessons Learned［J］．Energy Procedia，2009（1）：2235-2242．

［18］Romanak K，Bennett PC，Yang C，et al．Process-based Approach to CO2Leakage Detection by Vadose Zone Gas Monitoring at Geologic CO2Storage Sites［J］．Geophysical Research Letters，2012，39（15）：L15405．

［19］Klusman R．Detailed Compositional Analysis of Gas Seepage at the National Carbon Storage Test Site，Teapot Dome，Wyoming，USA［J］．Applied Geochemistry，2006，21（9）：1498-1521．

（编辑 王蕊）

j.issn.1005-3158.2015.02.011

1005-3158（2015）02-0035-04

2014-06-05）

＊“十二五”国家科技支撑项目（2012BAC24B05）；国家自然科学基金面上项目（41378088）；中国地质调查项目（12120113006600）；中国博士后基金第55批面上项目（2014M550371）。

张媛媛，2012年毕业于清华大学环境学院，博士，高级工程师，现在中石化石油工程设计有限公司从事二氧化碳捕集、驱油与封存的环境影响评价工作。通信地址：山东省东营市济南路49号中石化石油工程设计有限公司，257026