泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法

张成龙, 郝文杰, 胡丽莎, 刘廷, 张徽, 刁玉杰

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

0 引言

我国于2020年提出在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的战略目标。碳捕集、利用和封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技术作为可以实现CO2大规模减排和化石能源净零排放的重要技术途径成为当下研究的热点[1-2]。CO2环境影响监测技术作为CCUS体系的重要组成部分，贯穿整个封存过程，决定着CCUS工程的成败，对CCUS工程的有效性、持续性、安全性及碳减排效果的评估发挥着举足轻重的作用。

受自然或人为的地质活动的影响，CO2不可避免地存在着渗漏和逃逸的风险[3-4]。一旦CO2从地层泄漏，便可能会产生一系列的安全与环境问题[5]。为了确保CO2地质储存工程具备可靠性和安全性，需要做好相应的监控、测量工作[6]。CO2地质储存工程的有效性、持续性、安全性、对周围环境的影响程度，及其全球尺度温室气体减排效果的评估均需要一系列监测数据来论证[3，7-9]。国内外学者和机构通过对挪威北海Sleipner项目、阿尔及利亚In Salah项目、加拿大Weyburn油田CO2强化石油开采(CO2-Enhanced Oil Recovery ，CO2-EOR)项目、澳大利亚Otway示范项目以及中国神华集团鄂尔多斯碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage，CCS)示范工程、中国石油新疆彩南油田CO2驱水与地质封存先导性试验工程和中国石油吉林油田CO2-EOR试点项目等国内外CO2地质封存项目的研究，已基本架构出较为完整的监测技术方法[10-12]。

CO2环境影响监测技术复杂多样，常见的有常规测井、示踪监测、井间地震、微震监测、3D时移地震、地面形变监测、大气监测、井网监测、土壤气监测、大面积CO2泄漏监测(红外、UMA、卫星)等技术，但从技术发展及经济角度而言，这些监测体系仍需不断优化和完善[13-15]。不同监测阶段、不同监测指标下环境影响监测的重点会有所不同，相应的监测技术组合也略有差别。本文围绕地质封存中CO2泄漏监测及泄漏源监测识别问题，通过文献的查阅和综合分析，并结合前期项目研究基础，系统剖析了CO2环境影响监测技术的特点和应用场景，以期通过泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法研究，为未来开展百万吨级碳封存工程的环境影响监测提供参考和借鉴。

1 泄漏情景下CO2环境影响监测概述

1.1 泄漏风险与监测的目的和意义

在CCUS工程CO2注入过程中，随着CO2的注入，储盖层压力会同步增大[16]。如果持续注入CO2，储盖层压力异常增高，可能会超过盖层的突破压力，进而破坏原有的力学平衡，使得盖层发生剪切破坏和拉伸破坏，生成盖层裂缝或小断层，导致原有未被发现的先存断层复活，诱发地震，尤其是在注入点附近的垂向剖面上，可能出现地层、地面隆起等变形现象。同时，由于地质体的不连续性和非均质性，因断层、导水通道、开采井等的存在，受到压力影响，地层中CO2可能突破水力圈闭，泄漏到浅层含水层中，导致含水层水质受到极大影响，甚至影响整个生态环境。

CCUS工程中CO2泄漏情况包括： ①通过废弃井或因为井破裂等原因而引发的瞬时性泄漏，这种泄漏扩散速度快、浓度大且易被发现； ②因为断层、泄漏的(油、气)井等原因而引发的连续性泄漏[17-18](图1)。

图1 CO2地质储存工程潜在的泄漏风险

碳封存项目环境影响监测的目的和意义在于在CCUS工程标准和程序规范的控制下，为风险发生提供尽早、有效的泄漏监测[19]，使其处于可控与可容忍的范围内。①通过制定行之有效的监测方案和监测技术，监测CO2的运移和分布状态，评估CCUS工程对环境、安全和人类健康产生的影响，最大限度降低危害和风险的发生，确保工程的安全性、有效性和持久性； ②全面掌握拟建CO2封存场地的环境状况并确定各环境要素背景值，不仅可用于CO2注入阶段的对比分析，也可成为今后法律纠纷重要的依托数据； ③及时向决策者、监管者、公众反馈环境影响信息，坚定信心、消除质疑； ④对CO2进行监测核准，为碳封存工程进入碳交易市场提供有效信息。

1.2 监测阶段和监测指标的划分

CO2地质封存环境监测的核心是地下(地下水)、近地表(土壤和植被)和地上(大气)，其完整监测周期涉及4个阶段[20-21](图2)。监测指标主要为环境影响、地层响应和CO2地下运移3部分。其中，环境影响监测包括大气环境监测、土壤环境监测和地下水环境监测。地层响应监测即地质环境扰动监测，包括断层活化(蠕变)监测和地面变形(隆起或沉陷)监测。

图2 CO2地质储存工程各阶段环境监测特征

总之，不同监测阶段、不同监测指标关注的问题不同，其监测的重点有所不同，相应的监测技术组合也各有不同[22]。

2 泄漏情景下CO2环境影响监测技术方法和研究进展

当前CCUS技术还在不断发展之中，各类监测技术手段层出不穷。本文围绕地质封存中CO2泄漏监测以及泄漏源监测识别问题，剖析了CO2环境影响监测的技术特点和应用场景，系统阐述了不同监测阶段、监测指标下监测技术方法的选择，总结及预测了CO2环境影响监测技术的研究现状和发展趋势(图3)。

图3 立体化环境影响与地质安全监测保障技术体系示意图[23]

2.1 环境影响监测

环境影响监测包括大气环境监测、土壤环境监测和地下水环境监测3个部分。

2.1.1 大气环境监测

大气环境CO2浓度监测最常用的技术有红外线气体监测技术、大气CO2示踪监测技术和大气CO2通量监测技术3种。

大部分CO2浓度(红外线气体)监测技术都是根据二氧化碳近红外吸收光谱的相关特点开展的[24-25]。目前，已被使用的是红外气体分析仪检测技术，属于便携式现场直接点式监测，精度高、响应速度快，缺点是区域面积测量不便且成本高[26]。长程开放路径红外探测和调制激光检测技术，可由激光发射器发射脉冲到反射器上，将信号反馈到初端探测器测得路径中CO2的累积浓度，优点是覆盖面积广，缺点是性能不稳定、不成熟[27]。

大气CO2示踪监测技术即通过利用大气中的天然示踪剂监测CO2地质储存工程是否出现CO2泄漏的技术方法。该方法是在封存气体内添加一些示踪物质，如六氟化硫(SF6)、全氟化碳同位素示踪剂(PFT)等，在封存二氧化碳以后，就可以对大气中一些示踪剂比如SF6等的具体浓度进行监测，若监测发现其变化显著，就说明有二氧化碳泄漏且能计算出具体的泄漏量[28-29]。当然，此类手段也存在一些不足，比如其气相色谱仪等监测装置价格昂贵，无法适应野外环境下的长期监测，且有些示踪剂也属于温室气体，存在潜在的环境风险。因此，便携、快速且具备在线功能的监测装置研发需求十分迫切。

大气CO2通量监测技术则多采用涡度相关法(Eddy Covariance,EC)来达到目的。在微气象监测中，EC方法较为完善，已然成为CO2地质储存重要的监测手段之一，并被广泛采用[30]，其优势在于监测范围广、可自动监测、不干扰周围环境等，不足之处在于研究地点过分依赖于气象和地形条件，不但需要对诸多复杂的数据信息进行处理，而且很难快速对其泄漏量进行判断，只有综合分析长期监测的数据信息，才能够明确其泄漏量[31]。

2.1.2 土壤环境监测

通过监测土壤中某些参数，来判断二氧化碳泄漏情况[32-33]。以CO2-EOR示范工程为例，CO2一旦泄漏到地表，其他轻的烃类气体也会到达浅层土壤。通过监测δ13C含量、轻的烃类气体如甲烷浓度，以及土壤二氧化碳浓度随注气时间的变化情况，不仅可以判断二氧化碳是否泄漏，还能计算其泄漏量[34]。氡、钍等惰性气体性质稳定，不会干扰CO2源解析，是良好的监测指示指标，不过与CO2、CH4等相比，其价格更为昂贵且方法更为复杂[17]。

土壤环境监测方法通常有封闭式动态累积室测量法、开放式动态累积室测量法和封闭式静态累积室测量法3种。其中，开放式动态累积室测量法是测量土壤CO2通量的方法中最为可靠的一种。

此外，还可以通过基于热导性能的监测方法进行监测，即通过基于分布式热式传感器对水平测井温度分布进行监测,从而判断是否出现二氧化碳泄漏现象[35]。学者Hurter对比了光纤DTS系统和温度记录仪监测效果的优劣，通过收集和分析其热异常信号，可在井间(注入井与监测井)距离大于50 m的监测井中监测到二氧化碳的泄漏情况[36]。

2.1.3 地下水环境监测

如果CO2从深部地下储层发生泄漏，向上运移进入浅层地下水含水层,就会导致含水层化学成分、离子含量、pH、温度、压力、导电性、热传导性能等发生变化[37]。基于此，可以通过开展地下水环境监测，来鉴别和评价CO2泄漏情况。地下水环境监测有现场测定和实验室测试2种。对于pH、水温、电导率及游离CO2、亚硝酸根、氧化还原电位(Eh)等极易发生变化的监测指标可通过传感器实时或现场测定； 其他监测指标可通过实验室ICP-MS开展水质全分析、水质简分析来测定[38]。

目前地下水环境监测技术方法已较为成熟，美国Lawrence Berkeley实验室和Los Alamos实验室、澳大利亚CO2-CRC中心[19]以及中国地质调查局水文地质环境地质调查中心等国内外研究团队在此方面已经做了大量的工作，针对不同的泄漏方式和泄漏地点，提出了很多CO2泄漏监测方法。

比较常见的有基于压力变化的监测方法、热导性能监测方法、pH测量传感器监测方法和地球化学效应监测方法等。基于压力变化的监测方法几乎已应用到目前所有的CCS/CCUS项目中，即对封存蓄积层或含水层压力进行监测来保证CO2封存的安全性[39]，比如油气田用井下PDG系统连续监测井底的压力和温度等。pH测量传感器监测方法即通过测量对CO2在储层中扩散运移行踪具有明显指示作用的指标的pH值变化来监测其泄漏情况，但传统深层地下水pH值监测技术方法会有电路整机超低功耗、高精度补偿算法电极漂移等一系列问题[40]。中国地质调查局水文地质环境地质调查中心研制出了pH值深层原位自动监测系统，解决了类似问题，可在1 500 m深度实现实时监测，并在鄂尔多斯神华CCS示范工程中得到了实例验证。地球化学效应监测方法主要监测由CO2的加入引起的矿物质溶解、迁移和沉降变化，常用氧化-还原电位计、离子选择性电极等进行监测[41]。

其他还有基于电阻率的监测方法、航空电磁测量技术、电动力势能监测方法以及CO2-EOR烃类和有机物监测方法等[32，42]。

2.2 地层响应(地质环境扰动)监测

CCUS工程对地质环境的扰动包括地面变形、断层活化(蠕变)、诱发地震等。其中，所诱发的地震的监测可以纳入国家地震台网监测。

2.2.1 断层活化(蠕变)监测

利用光纤实时监测技术实时监测断层蠕变。分布式光纤传感技术具有传输距离远、抗电磁干扰等技术特点，在周围断层蠕动及背景扰动作用下，传感光缆中的敏感光纤在长度、直径、折射率等参数上会发生相应的变化。通过检测光纤的相位变化，可以获取光纤周围环境的震动信息(图4)。

图4 外界振动引起的光纤传感参数变化与相位解调

通过光缆埋深测试和长周期的实时监测，获取场地背景噪声频率的高频分量，通过低通滤波算法分离断层蠕动的低频分量，结合光纤空间部署形态，通过多点定位，确定震源的空间和频率信息，由此判断断层的蠕动特点及位置分布情况。

2.2.2 InSAR地面形变监测

InSAR技术是根据重复雷达图像的相位数据来提取地面目标三维空间信息的技术[43]。以Sentinel-1和ALOS-2PALSAR为数据源，采用D-InSAR、SBAS-InSAR和PS-InSAR技术开展CO2注入后地表形变幅度的遥感监测。

还可以通过高精度GPS测量技术和倾斜仪测量技术，来监测CO2注入和运移引起的地面形变。

2.3 CO2地下运移监测

CO2地下运移监测会跟踪注入目标储层CO2羽状体的运移过程，定义羽流的横向范围和运移边界，从而确保CO2羽状体长期稳定性和安全性[44]。

目前已有诸多CO2地下运移监测技术，包括地球物理监测技术、地球化学监测技术等。其中，地球物理监测技术分为地震监测技术、电磁监测技术、测井监测技术、重力监测技术等，地球化学监测技术又称化学示踪剂监测技术。单就监测手段而言，三维地震、垂直地震剖面(Vertical Seismic Profiling,VSP)、井间地震、测井分析及化学示踪剂是对CO2运移进行有效监测的4类方法[45]。而综合各类监测方法来看，地震监测方法是最有效的CO2封存监测工具[46]，其中四维地震和时移VSP技术被广泛用于监测CO2地质封存[47-48]，在一些规模化商业封存项目中已有成功应用，四维地震被认为是实施长时期监测封存CO2运移的最好方法[49]，已然成为动态监测流体变化的有力工具[46]。下面简要介绍四维地震监测和时移VSP监测技术。

2.3.1 四维地震监测

该技术主要借助地表震源波的反射情况来获取全容积成像，不但能够明确二氧化碳的分布情况，还能明确其运移泄漏情况。四维地震技术具有覆盖面积广、检测通量下限低等优点。在高孔隙度、流体饱和度和属性变化大且埋藏位置不太深的储层，四维地震监测效果更好，能较好地监测到流体前缘和流体动态特征效果。因此，为保证应用四维地震监测流体前缘和流体动态特征的效果，储层应具备孔隙度高、流体饱和度和属性变化大、埋藏位置不要过深等特征[49]，而在CO2饱和度低、储层较薄时效果不太理想[22]。

该技术在Sleipner、Weyburn项目中已得到运用。在Sleipner封存项目中，从运行开始就对该构造进行了四维地震监测，1999年后每两年进行一次地震监测，获得了不同时期该构造的地震剖面图[50]，同时获得了咸水层内超临界CO2层状羽状体的变化情况[51]； 而在Weyburn封存项目中，由于目的层厚度较薄，地震反射不够明显，四维地震对CO2羽状体成像比在Sleipner项目中更困难，最终效果不太好[33]。

2.3.2 时移VSP监测

该技术指的是通过多次进行VSP测量来监测时间偏移情况。其具体理论基础为： 在储层完成二氧化碳注入操作后，利用水气交代过程来对地层水分布空间进行占据，如此一来其吸收系数便容易出现波动，即灌注前后储层的地震波速度或吸收系数等参数存在差异。

时移VSP监测在Frio、Otway、神华CCS示范工程等项目中得到广泛应用，取得了显著效果： 在美国德克萨斯州Frio构造中进行的小规模试验性CO2封存项目采用了时移VSP监测技术，监测CO2运移效果比四维地震更加精确，但也更加昂贵[52]； 在澳大利亚Otway构造中进行的CO2封存试验使用了时移VSP监测技术，也取得了很好的效果[53]； 神华CCS示范工程是我国首个全流程煤基CO2捕获和低孔低渗深部咸水层多层注入的CO2封存项目，目前国内已有很多学者就神华CCS示范工程采用的时移VSP监测技术进行了论述[45，54-55]，笔者不再赘述，神华CCS示范工程自2011年开始，累计注入CO2超过30万t，期间进行了3期时移VSP监测，均未发现CO2泄漏，证明了神华CCS示范工程的安全性。

2.4 主要监测技术汇总分析

在国内外，虽然有很多政府、企业、科研院所等对CCUS/CCS中涉及的CO2泄漏问题开展了相关技术研究，但研究主要还是集中于封存的CO2在蓄积层中泄漏迁移的模型或CO2泄漏对生态的影响上。综合所述，本文列出了不同泄漏情景下涉及到的各类主要CO2环境影响监测技术或方法的优缺点、应用场景及已有的工程应用分析(表1)。

表1 CO2地下埋存工程中各种监测应用技术

3 结论及展望

(1)CO2环境影响监测技术是对多个监测指标开展全流程测量和监控。其不同监测阶段(背景期、运营期、闭场及闭场后)、不同监测指标(环境影响、地层响应和CO2地下运移等)下CO2泄漏环境影响监测重点会有所不同，相应的监测技术组合也略有差别。

(2)CO2环境影响监测技术手段繁多、种类复杂，要针对不同的环境问题和需求，充分考虑CO2环境影响监测技术的特点和应用场景，优化不同泄漏情境下CO2环境影响监测技术方法的选择，从实际出发，发挥每项技术的特点和多技术协同优势，降低监测成本，提高监测效率。

(3)大部分监测仪器设备昂贵、操作复杂且自成体系。随着碳封存研究的深入和规模化百万吨级CO2封存项目的铺开，“物美价廉”的连续实时监测设备的研发、“大气-地表-地下”立体化快速监测技术体系(标准)及监测管理系统的构建将会是CO2环境影响监测技术的发展方向。