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歐美大地 工程案例
跨孔層析成像技術在CCS(碳捕存)中的應用
發布時間:2023-01-12 瀏覽次數:2651 來源:歐美大地

近年來,對溫室氣體排放的擔憂激發了對碳捕獲和儲存(CCS)作為一種氣候變化方案的興趣,該方案可用于減少人為凈二氧化碳排放。然而,CCS需要在數年內將CO2安全地保留在地質地層中。

幾種地球化學和地球物理(如延時地震)技術允許監測CO2的區域分布、密封完整性和注入響應的壓力變化,因此可用于驗證儲存一致性,是完整性監測的寶貴工具。

2021年9月,在挪威Svelvik的SINTEF CO2現場實驗室進行了一項地震跨孔現場實驗,驗證了高精度跨孔層析成像技術能夠監測CO2在碳封層的遷移,向含水層或儲層注入CO2會降低儲層或含水層的地震速度,本次測試觀測到了2-7%左右的速度降低。


跨孔層析成像原理與實驗設備

 


地震波跨孔層析成像(C T ) 是一種地下物探方法。測試前在測試目標區兩側鉆孔成井,在井下進行地震波的激發和接收,通過對觀測到的彈性波各種震相的運動學(走時、射線路徑)和動力學(波形、振幅、相位、頻率)資料的分析,進而反演地下介質的結構、速度分布及其彈性參數等重要信息,該方法通常可用于探測規模小,要求精度高的地下介質細結構。

在實際操作中,一般采取一發多收扇形穿透的形式,一個孔內放置高頻聲源(例如電火花震源)。另一個孔內固定住一串檢波器(水聽器),通過震源向井下移動并在每一處理想的深度位置逐點激發,釋放地震波。

 


項目場地與測試流程

Svelvik CO2現場實驗室由一口中央注入井(B2)、四口監測井(M1-M4)和進行CO2注入實驗所需的基礎設施組成。注入井設計用于在小超壓條件下注入CO2,并在34至65 m深度之間進行篩選。四口監測井用PVC套管套管至約100米深,并位于注入井周圍菱形的角落。監測井位于距注入井9.9 m(M3和M4)和16.5 m(M1和M2)處。

對于所有實驗,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。

注入前進行了一次P波、SH波和SV波測量,作為基線測量(震源位置的地震場測量設置如下圖所示)。


注射期間共采集了八組P波層析成像數據。在第0天和第1天進行了兩次P波調查,即上午和下午各一次。在第0–2天,對下部區域進行了SH波和SV波測量。從第1天到第5天,對上部區域進行SH波測量。在數據處理過程中測量并考慮了鉆孔偏差。

測試成果及分析

只考慮具有相同深度的源-接收器對,為每個井間組選擇所有波類型(P、SH和SV)的到達時間,并根據真實震源和接收器距離計算地震速度。上圖顯示了所有深度測量的計算P波、SH波和SV波速度,以及根據基線測量標準化的計算行程時間變化。


上圖為井間數據分析:(a)P波、(b)SH波和(c)SV波的歸一化波速相對于基線的時間變化(百分比),該時間變化顯示了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,注入區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。這對應于地震速度從約2180m/s下降至2140m/s。b和圖c顯示了注入點附近下部區域SH和SV波速計算得出的速度下降。

P波層析成像測試數據更為明顯。

a)基線P波和(b)第4天數據的層析成像反演結果以及(c)差異層析圖((基線-第4天)/基線)

P波層析成像結果表明,水平分層沉積具有交替的高速和低速區,即低滲透性或高滲透性沉積物(如上圖a,b)。

基線數據和注入第4天采集的數據之間的兩個P波層析圖像的比較表明,CO2沿著上層賦存層內的高滲透帶遷移(如上圖c)。

差異層析圖中可以看到高達7%的速度變化。該區域與最可能充當CO2賦存層的厚粘土層有關。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)的同步變化的驗證

分布式溫度傳感DTS測量的數據分析顯示,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深度附近有一個明顯的峰值,這意味著CO2從注入點相對快速地擴散到40 m深度處的觀察孔M3。這些結果與P波測量的層析反演結果一致。


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測量值隨深度變化。(b) 相對于注入前水平,溫度峰值最大范圍的時間變化~40 m深度

 

結論

1. 實驗證實了高精度跨孔層析成像技術能夠監測CO2在碳封層的遷移,向含水層或儲層注入CO2會降低儲層或含水層的地震速度,本次測試觀測到了2-7%左右的速度降低。

2. 實驗證實了使用P、SH和SV地震源產生高質量地震數據的可行性,以通過跨孔測量監測CO2注入的影響。使用這三種來源,可以導出巖土參數,如超固結比。使用關于土壤密度的附加信息,可以計算動態剪切剛度、動態體積模量和泊松比。

實驗設備

本次測試所使用的設備主要有兩個系統,均由德國Geotomographie公司生產。

其一是大深度P波跨孔層析成像設備,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,其特點是探測深度可達1000m,激發能量高,探測精度高,不需要地震儀,直接通過電腦軟件接收地震波信號。


    

SBS1000 MAGNUM                  BHC1000

其二是S波跨孔層析成像系統,由IPG5000脈沖發生器,BIS-SH型S波震源及MBAS多站可擴展智能孔中采集系統組成,該系統可同時采集P波及S波信息,在獲取P波/S波層析成像數據的同時,還可計算動態剪切剛度、動態體積模量和泊松比,并獲得土壤應力狀態的描述。


IPG5000脈沖發生器              BIS-SH型S波震源


MBAS多站可擴展智能孔中采集系統


實驗方法及設備詳情詳見官網http://www.riyueboaijia.com/

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