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近年来，对温室气体排放的担忧激发了对碳捕获和储存（CCS）作为一种气候变化方案的兴趣，该方案可用于减少人为净二氧化碳排放。然而，CCS需要在数年内将CO2安全地保留在地质地层中。

几种地球化学和地球物理（如延时地震）技术允许监测CO2的区域分布、密封完整性和注入响应的压力变化，因此可用于验证储存一致性，是完整性监测的宝贵工具。

2021年9月，在挪威Svelvik的SINTEF CO2现场实验室进行了一项地震跨孔现场实验，验证了高精度跨孔层析成像技术能够监测CO2在碳封层的迁移，向含水层或储层注入CO2会降低储层或含水层的地震速度，本次测试观测到了2-7%左右的速度降低。

跨孔层析成像原理与实验设备

地震波跨孔层析成像（C T ) 是一种地下物探方法。测试前在测试目标区两侧钻孔成井，在井下进行地震波的激发和接收，通过对观测到的弹性波各种震相的运动学(走时、射线路径）和动力学（波形、振幅、相位、频率）资料的分析，进而反演地下介质的结构、速度分布及其弹性参数等重要信息，该方法通常可用于探测规模小，要求精度高的地下介质细结构。

在实际操作中，一般采取一发多收扇形穿透的形式，一个孔内放置高频声源（例如电火花震源）。另一个孔内固定住一串检波器（水听器），通过震源向井下移动并在每一处理想的深度位置逐点激发，释放地震波。

项目场地与测试流程

Svelvik CO2现场实验室由一口中央注入井（B2）、四口监测井（M1-M4）和进行CO2注入实验所需的基础设施组成。注入井设计用于在小超压条件下注入CO2，并在34至65 m深度之间进行筛选。四口监测井用PVC套管套管至约100米深，并位于注入井周围菱形的角落。监测井位于距注入井9.9 m（M3和M4）和16.5 m（M1和M2）处。

对于所有实验，地震源放置在钻孔M4中，水听器/检波器地震接收器放置在钻孔M3中。

注入前进行了一次P波、SH波和SV波测量，作为基线测量（震源位置的地震场测量设置如下图所示）。

注射期间共采集了八组P波层析成像数据。在第0天和第1天进行了两次P波调查，即上午和下午各一次。在第0–2天，对下部区域进行了SH波和SV波测量。从第1天到第5天，对上部区域进行SH波测量。在数据处理过程中测量并考虑了钻孔偏差。

测试成果及分析

只考虑具有相同深度的源-接收器对，为每个井间组选择所有波类型（P、SH和SV）的到达时间，并根据真实震源和接收器距离计算地震速度。上图显示了所有深度测量的计算P波、SH波和SV波速度，以及根据基线测量标准化的计算行程时间变化。

上图为井间数据分析：（a）P波、（b）SH波和（c）SV波的归一化波速相对于基线的时间变化（百分比），该时间变化显示了CO2气体的影响。即使在第0天不同深度的注射开始后不久，也可以看到变化。在约64m处，注入区没有或只有轻微变化。显著变化从第2天和第3天开始，深度约为38至40m。这对应于地震速度从约2180m/s下降至2140m/s。b和图c显示了注入点附近下部区域SH和SV波速计算得出的速度下降。

P波层析成像测试数据更为明显。

a）基线P波和（b）第4天数据的层析成像反演结果以及（c）差异层析图（（基线-第4天）/基线）

P波层析成像结果表明，水平分层沉积具有交替的高速和低速区，即低渗透性或高渗透性沉积物（如上图a,b）。

基线数据和注入第4天采集的数据之间的两个P波层析图像的比较表明，CO2沿着上层赋存层内的高渗透带迁移（如上图c）。

差异层析图中可以看到高达7%的速度变化。该区域与最可能充当CO2赋存层的厚粘土层有关。在40米深度以下，可以看到小于2%的极小变化（如上图c）。

分布式温度传感（DTS）的同步变化的验证

分布式温度传感DTS测量的数据分析显示，钻孔M1、M2和M4中没有明显的局部温度变化。然而，在M3中，在40 m深度附近有一个明显的峰值，这意味着CO2从注入点相对快速地扩散到40 m深度处的观察孔M3。这些结果与P波测量的层析反演结果一致。

（a）注入前第0天（虚线）、第2天（灰色线）和第4天（黑色线），钻孔M3的DTS测量值随深度变化。（b） 相对于注入前水平，温度峰值最大范围的时间变化~40 m深度

结论

1. 实验证实了高精度跨孔层析成像技术能够监测CO2在碳封层的迁移，向含水层或储层注入CO2会降低储层或含水层的地震速度，本次测试观测到了2-7%左右的速度降低。

2. 实验证实了使用P、SH和SV地震源产生高质量地震数据的可行性，以通过跨孔测量监测CO2注入的影响。使用这三种来源，可以导出岩土参数，如超固结比。使用关于土壤密度的附加信息，可以计算动态剪切刚度、动态体积模量和泊松比。

实验设备

本次测试所使用的设备主要有两个系统，均由德国Geotomographie公司生产。

其一是大深度P波跨孔层析成像设备，包括SBS1000 MAGNUM深层P波震源，BHC1000水听器链，以及绞车和电脑等配件，其特点是探测深度可达1000m，激发能量高，探测精度高，不需要地震仪，直接通过电脑软件接收地震波信号。

SBS1000 MAGNUM                  BHC1000

其二是S波跨孔层析成像系统，由IPG5000脉冲发生器，BIS-SH型S波震源及MBAS多站可扩展智能孔中采集系统组成，该系统可同时采集P波及S波信息，在获取P波/S波层析成像数据的同时，还可计算动态剪切刚度、动态体积模量和泊松比，并获得土壤应力状态的描述。

IPG5000脉冲发生器              BIS-SH型S波震源

MBAS多站可扩展智能孔中采集系统

实验方法及设备详情详见官网https://www.xthmy.com/