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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/