將無法減排的二氧化碳等溫室氣體捕集利用和封存，是綠色低碳化發(fā)展道路上實現(xiàn)零碳甚至負(fù)碳排放目標(biāo)必不可少的技術(shù)途徑、關(guān)鍵托底技術(shù)和最后手段，也是化石能源清潔化利用的重要配套技術(shù)，是構(gòu)建兼具韌性與彈性能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，二氧化碳地質(zhì)封存具有規(guī)?；瘧?yīng)用的巨大潛力和較好的商業(yè)化應(yīng)用前景。在碳中和愿景下，地球物理行業(yè)應(yīng)發(fā)揮優(yōu)勢，完善體系，大力開拓地質(zhì)碳封存技術(shù)服務(wù)市場。地球物理技術(shù)在二氧化碳地質(zhì)封存工程中具有獨特而不可或缺的作用，主要表現(xiàn)在３個方面：①二氧化碳地質(zhì)封存空間的選擇和評價；②封存有效性監(jiān)測與評價；③封存安全性監(jiān)測與評價。
相對油氣勘探來說，二氧化碳地質(zhì)封存中的地球物理監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用存在一些特殊要求，包括永久性（或長期重復(fù)性）、動態(tài)性和低成本，尚面臨著一系列的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)。二氧化碳地質(zhì)封存地球物理監(jiān)測技術(shù)體系尚不成熟，有待進(jìn)一步完善和優(yōu)化，以期在監(jiān)測系統(tǒng)的有效性、高效性、經(jīng)濟(jì)性等方面實現(xiàn)良好的綜合平衡和優(yōu)化。多種地球物理監(jiān)測技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，DAS與節(jié)點地震儀永久埋置部署、被動源微地震監(jiān)測、自動化處理與智能化分析是重要發(fā)展方向。
一、地球物理技術(shù)在地質(zhì)碳封存工程安全性監(jiān)測與評價中的應(yīng)用
在地質(zhì)碳封存工程實施階段及后期，需要長期進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)封存的安全性監(jiān)測與評價，地球物理的主要任務(wù)是為下列地質(zhì)任務(wù)提供技術(shù)支撐：
① 地下構(gòu)造穩(wěn)定性監(jiān)測與評價；
② 地表變形監(jiān)測與評價；
③ 蓋層穩(wěn)定性監(jiān)測與評價；
④ 斷層穩(wěn)定性監(jiān)測與評價；
⑤ 誘發(fā)地震監(jiān)測；
⑥ 二氧化碳泄漏監(jiān)測。
當(dāng)前安全性監(jiān)測預(yù)期可用的地球物理方法包括：三維地震、微 地 震、近 地 表 電 磁、衛(wèi)星遙感等監(jiān)測技術(shù)。目前的安全性監(jiān)測主要針對地表形變、二氧化碳泄漏和誘發(fā)地震，而關(guān)于地下構(gòu)造穩(wěn)定性監(jiān)測尚存在較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于地質(zhì)碳封存工程地球物理監(jiān)測實例有限，少見有發(fā)生安全性事件的實例。
１、地表形變監(jiān)測近年來，空間技術(shù)發(fā)展迅速，基于衛(wèi)星的對地觀測成為一種低成本、大范圍、高頻次的地表環(huán)境觀測技術(shù)，大地測量學(xué)方法可以檢測地下儲層壓力變化所誘發(fā)的地表形變異常。全球衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）可以實現(xiàn)地球表面毫米級的三 維空間定 位和位移量估 計，可以用于地表控制點上的位移量監(jiān)測?；谛l(wèi)星觀測的干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR），利用反射微波或雷達(dá)波的相位延遲來估計地表探測點的位移量，觀測精度達(dá)毫米級，且能夠以掃描方式實現(xiàn)面上觀測，用較低的成本進(jìn)行地表形變異常觀測與分析，從而評估二氧化碳地質(zhì)封存對地下構(gòu)造穩(wěn)定性和地表環(huán)境的影響，作為地質(zhì)碳封存地質(zhì)安全性的低成本長期觀測手段。
干涉合成孔徑雷達(dá)在多個地質(zhì)碳封存項目中的試驗取得了良好效果。如在阿爾及利亞Salah強(qiáng)化采氣示范項目的應(yīng)用中揭示了二氧化碳注入后沿斷層／裂縫帶的運移，在注入井上方產(chǎn)生了可觀測的地表形變（圖１）。３口注入井上方都顯示了地表抬升，平均每年上升３ｍｍ，而KB－502注入井上方還觀測到二氧化碳注入沿斷層／裂縫帶運移所產(chǎn)生的地震反射旅行時窄帶條狀下拉異常。
進(jìn)一步研究可以構(gòu)建地表形變與地下儲層流體注入導(dǎo)致的體積變化之間的關(guān)系模型，可由地表形變觀測結(jié)果反演估計儲層內(nèi)流體體積 變化的空間分布。
圖１Ｓａｌａｈ項目ＩｎＳＡＲ觀測獲得的地表垂直形變結(jié)果
２、二氧化碳泄漏監(jiān)測地表二氧化碳排放測 量可以用于評估不同地貌情況下的自然排 放；也可以用于監(jiān)測工業(yè)污染排放或二氧化碳地質(zhì)封存工程中的泄漏。一種基于便攜式激光遙感的方法可以通過角度掃描的方式獲取一維二氧化碳濃度剖面，然后利用多點掃描得到的多條一維剖面進(jìn)行層析成像反演獲得二維平面濃度分布，獲得的結(jié)果代表地表面積二氧化碳排放強(qiáng)度，從而據(jù)此尋找二氧化碳排放或 泄漏口位置?；谛l(wèi)星和無人機(jī) 的對地多光譜觀測數(shù)據(jù)，也可以用來監(jiān)測地表的二氧化碳、甲烷等溫室氣體泄漏。圖 2 為在意大利Solfatara火山口基于３個測量點用掃描式激光遙感測量儀獲得一維二氧化碳濃度剖面并通過層析成像反演得到的二氧化碳排放濃度（ＸCO?）平面分布圖。
圖 2 遙感測量層析成像反演得到的二氧化碳排放濃度平面分布
地表土壤電阻率測量和近地表電阻率層析成像結(jié)果可以作為地表二氧化碳泄漏口檢測的一種工具。近地表土壤電阻率分布與二氧化碳濃度和通量存在明顯的相關(guān)性。
二、地質(zhì)碳封存地球物理監(jiān)測面臨的問題與挑戰(zhàn)
大規(guī)模的二氧化碳地質(zhì)封存需要進(jìn)行地質(zhì)封存站點的可行性分析和評價，更需要進(jìn)行長期的有效性和安全性監(jiān)測和評價，這依賴于地球物理技術(shù)的長期性和重復(fù)性監(jiān)測。二氧化碳地質(zhì)封存的地球物理監(jiān)測以時延地球物理方法為主，即通過地球物理重復(fù)觀測實現(xiàn)對二氧化碳封存過程的動態(tài)監(jiān)測。地球物理方法以地震方法為主，包括三維地震、井間地震、井中地震（VSP）、微地震等，其它方法還包括衛(wèi)星遙感、時延電磁、時延重力和測井等方法。地震勘探是二氧化碳地質(zhì)封存監(jiān)測的最主要工具，試驗表明絕大多數(shù)二氧化碳地質(zhì)封存項目和二氧化碳增強(qiáng)油氣開采項目都得到了清晰的時延地震異常，時延地震成果可以應(yīng)用于二氧化碳運移擴(kuò)散監(jiān)測、泄漏監(jiān)測和油藏模型的精細(xì)化。微地震監(jiān)測是二氧化碳運移擴(kuò)散羽流分布和誘發(fā)地震的有效監(jiān)測工具，井中地球物理監(jiān)測具有受淺層變化和淺層噪聲影響小、時延觀測重復(fù)性好的優(yōu)勢。時延電磁和時延重力測量的觀測效率高、成本低，但分辨率和靈敏度比較低。衛(wèi)星遙感則是地表形變與二氧化碳泄漏監(jiān)測的一種快速且經(jīng)濟(jì)有效的手段。
地球物理技術(shù)在地質(zhì)碳封存工程中能夠發(fā)揮積極而獨特的作用，尤其是在地質(zhì)封存空間選擇與評價中的應(yīng)用，基本可以沿用油氣勘探開發(fā)中的地球物理油藏描述技術(shù)，但地質(zhì)封存有效性和安全性地球物理監(jiān)測仍面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。面向地質(zhì)碳封存工程應(yīng)用的地球物理技術(shù)尚不是成熟的商業(yè)化技術(shù)，盡管部分技術(shù)已經(jīng)在地質(zhì)碳封存工程中得到了一定程度的試驗性應(yīng)用與良好的效果，但從大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用視角來看，其地球物理技術(shù)體系尚有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善。
地質(zhì)碳封存地球物理監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用面臨３大問題。
１）地質(zhì)碳封存工程中應(yīng)用的地球物理技術(shù)主要來自于油氣、煤炭和礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中的地球物理技術(shù)，技術(shù)的適應(yīng)性和有效性尚有待進(jìn)一步試驗和論證，方法技術(shù)和作業(yè)流程尚有待進(jìn)一步優(yōu)化，以適應(yīng)地質(zhì)碳封存工程特殊的場景條件和技術(shù)需求。
２）地質(zhì)碳封存地球物理監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用整體上尚處于試驗和評估階段，至今尚未建立完整和成熟的地質(zhì)碳封存地球物理監(jiān)測技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。不同地質(zhì)條件下地球物理監(jiān)測技術(shù)的方案選擇和設(shè)計存在一定差異，目前尚未形成系統(tǒng)的理論與技術(shù)體系。
３）地質(zhì)碳封存項目中在封存空間選擇與評價、有效性監(jiān)測與評價、安全性監(jiān)測與評價３個方面都需要地球物理技術(shù)支撐，但地球物理技術(shù)在這３個方面的應(yīng)用條件和技術(shù)需求存在明顯的差異，因此需要根據(jù)不同應(yīng)用場景、條件和目標(biāo)選擇及構(gòu)建不同的地球物理技術(shù)系列和創(chuàng)新技術(shù)方法。
地質(zhì)碳封存地球物理監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用面臨４個重大挑戰(zhàn)。
１）地質(zhì)碳封存的有效性和安全性監(jiān)測是長期的，因此需要構(gòu)建與之相適應(yīng)的地球物理數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析流程和技術(shù)。為實現(xiàn)長期的重復(fù)性時延地球物理觀測，永久埋置部署數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實現(xiàn)高可重復(fù)性的最佳途徑。發(fā)展?jié)M足地質(zhì)碳封存有效性和安全性監(jiān)測需求，永久部署地球物理數(shù)據(jù)采集設(shè)備成本可控，適應(yīng)一定周期重復(fù)觀測或連續(xù)觀測要求的地球物理監(jiān)測技術(shù)，是我們面臨的第一個重大挑戰(zhàn)。
２）地質(zhì)碳封存過程中地下儲層處于動態(tài)變化的進(jìn)程中，二氧化碳泄漏或誘發(fā)地震等存在突發(fā)性或破壞性。發(fā)展具有短周期重復(fù)觀測或連續(xù)觀測、快速數(shù)據(jù)處理和風(fēng)險評估與預(yù)警功能的地球物理監(jiān)測技術(shù)，是我們面臨的第二個重大挑戰(zhàn)。
３）地質(zhì)碳封存的有效性和安全性監(jiān)測是長期的，需要多次重復(fù)觀測或連續(xù)觀測，因此地球物理監(jiān)測的經(jīng)濟(jì)性是一個重要指標(biāo)。目前常用的三維地震、時延地震等技術(shù)的應(yīng)用成本過高，難以滿足地質(zhì)碳封存工程的經(jīng)濟(jì)性要求。發(fā)展低成本的地球物理監(jiān)測技術(shù)，是我們面臨的第３個重大挑戰(zhàn)。
４）地球物理監(jiān)測應(yīng)為地質(zhì)碳封存工程的全生命周期提供動態(tài)信息支撐，發(fā)展面向二氧化碳地質(zhì)封存場景應(yīng)用的巖石物理、流體力學(xué)數(shù)值模擬、地球物理響應(yīng)模擬、儲層參數(shù)地球物理反演、地下儲層模型建立與動態(tài)更新等組成的完整技術(shù)體系與軟件系統(tǒng)，是我們面臨的第４個重大挑戰(zhàn)。
三、地質(zhì)碳封存地球物理監(jiān)測技術(shù)發(fā)展展望
面向二氧化碳地質(zhì)封存工程應(yīng)用，在地質(zhì)封存工602石油物探第62卷程前期論證與規(guī)劃設(shè)計階段，需要進(jìn)行地質(zhì)碳封存的空間選擇與評價。該階段所采用的地球物理方法基本可以沿用油氣勘探中油藏描述所常用的地球物理方法，主要是用三維地震資料進(jìn)行儲層評價和油藏描述。在地質(zhì)封存工程實施階段及后期，需要進(jìn)行地質(zhì)碳封存有效性和安全性的動態(tài)監(jiān)測與評價，該階段地球物理技術(shù)的應(yīng)用與油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用既有諸多共同點也有一些不同點，需要根據(jù)地質(zhì)碳封存工程應(yīng)用場景、條件和目標(biāo)的特點發(fā)展具有針對性的地球物理技術(shù)，制定具有針對性的技術(shù)應(yīng)用流程。
根據(jù)地質(zhì)碳封存工程中應(yīng)用場景、條件和目標(biāo)的特點，地質(zhì)碳封存地球物理監(jiān)測技術(shù)的未來發(fā)展具有以下５個特點。
１）永久性。作為長期性監(jiān)測技術(shù)應(yīng)具有永久性部署、重復(fù)性或連續(xù)性觀測特征。
２）動態(tài)性。基于重復(fù)性或連續(xù)性觀測數(shù)據(jù)對地下空間進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，應(yīng)建立滿足此業(yè)務(wù)要求的增量式數(shù)據(jù)處理與迭代型解釋建模流程，構(gòu)建具有時空變化的動態(tài)模型。
３）智能化。永久性部署、重復(fù)性或連續(xù)性監(jiān)測決定了監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析應(yīng)是自動化和智能化的，并體現(xiàn)一定的實時性特征，即通過自動化智能化工作流程實現(xiàn)長期的實時性處理與分析。
４）環(huán)境友好。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境，對復(fù)雜地表具有良好的適應(yīng)性和HSE友好性，同時適用于主動源與被動源觀測。
５）低成本。系統(tǒng)的部署和運行應(yīng)具有低成本經(jīng)濟(jì)性，以適應(yīng)工程低預(yù)算條件，常規(guī)的時延地震成本過高不適合經(jīng)常性重復(fù)觀測或連續(xù)性觀測。
面向地質(zhì)碳封存工程應(yīng)用的地球物理監(jiān)測技術(shù)尚在發(fā)展中，其地球物理技術(shù)體系有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善，未來研究和發(fā)展可主要集中在以下幾個方向：
１）二氧化碳地質(zhì)封存機(jī)理及巖石物理理論與技術(shù)；
２）二氧化碳地質(zhì)封存空間評價地球物理技術(shù)體系及流程標(biāo)準(zhǔn)化；
３）二氧化碳地質(zhì)封存運移羽流體數(shù)值模擬技術(shù)；
４）二氧化碳地質(zhì)封存地下應(yīng)力狀態(tài)變化數(shù)值模擬技術(shù)；
５）二氧化碳地質(zhì)封存運移羽流地球物理響應(yīng)正演模擬技術(shù)；
６）二氧化碳地質(zhì)封存運移羽流地球物理監(jiān)測成像與反演技術(shù)；
７）二氧化碳地質(zhì)封存地下構(gòu)造形變與應(yīng)力狀態(tài)變化地球物理監(jiān)測技術(shù)；
８）二氧化碳地質(zhì)封存地表形變地球物理監(jiān)測技術(shù)（衛(wèi)星遙感技術(shù)為主）；
９）二氧化碳地質(zhì)封存泄漏地球物理監(jiān)測技術(shù)（微地震、衛(wèi)星遙感等技術(shù)）；
１０）二氧化碳地質(zhì)封存誘發(fā)地震地球物理監(jiān)測技術(shù)（微地震技術(shù)為主）。
從地球物理監(jiān)測的觀測方法角度來看，由地面和井中永久部署的DAS系統(tǒng)實施時延地震觀測和微地震觀測以監(jiān)測二氧化碳注入運移擴(kuò)散動態(tài)分布、儲層狀態(tài)和儲層性質(zhì)動態(tài)變化、斷層活動性和二氧化碳泄漏路徑；由稀疏節(jié)點地震儀永久部署實施主動源和被動源地震觀測以監(jiān)測二氧化碳注入運移羽流前緣、誘發(fā)地震，由衛(wèi)星干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)實施地表形變監(jiān)測，由衛(wèi)星或無人機(jī)對地多光譜成像觀測實施地表二氧化碳泄漏監(jiān)測，是未來地質(zhì)碳封存地球物理動態(tài)監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展方向。智能地震節(jié)點儀既適合稀疏采集節(jié)點的永久性部署，又適合超高密度觀測應(yīng)用，對復(fù)雜地表具有良好的適應(yīng)性和HSE友好性，同時適用于主動源與被動源觀測，具有低成本和高效率的優(yōu)勢。利用微地震監(jiān)測長期記錄的背景噪聲進(jìn)行干涉地震分析，獲取地下介質(zhì)的動態(tài)變化信息具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
從地球物理監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理與分析角度來看，地球物理監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時化采集、自動化處理流程、智能化分析、預(yù)警信息與建議方案即時發(fā)布，增量式數(shù)據(jù)處理與迭代式地球物理建模，多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用與一體化模型建立，地學(xué)數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)在運行決策支持平臺環(huán)境中的應(yīng)用，是未來地質(zhì)碳封存地球物理動態(tài)監(jiān)測技術(shù)的另一個重要發(fā)展方向。
文章來源：趙改善．二氧化碳地質(zhì)封存地球物理監(jiān)測：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與未來發(fā)展［Ｊ］．石油物探，2023，62（2）：194－211
電話：18191851990
