將無法減排的二氧化碳等溫室氣體捕集利用和封存，是綠色低碳化發展道路上實現零碳甚至負碳排放目標必不可少的技術途徑、關鍵托底技術和最后手段，也是化石能源清潔化利用的重要配套技術，是構建兼具韌性與彈性能源系統的關鍵技術，二氧化碳地質封存具有規模化應用的巨大潛力和較好的商業化應用前景。在碳中和愿景下，地球物理行業應發揮優勢，完善體系，大力開拓地質碳封存技術服務市場。地球物理技術在二氧化碳地質封存工程中具有獨特而不可或缺的作用，主要表現在３個方面：①二氧化碳地質封存空間的選擇和評價；②封存有效性監測與評價；③封存安全性監測與評價。
相對油氣勘探來說，二氧化碳地質封存中的地球物理監測技術應用存在一些特殊要求，包括永久性（或長期重復性）、動態性和低成本，尚面臨著一系列的技術性與經濟性挑戰。二氧化碳地質封存地球物理監測技術體系尚不成熟，有待進一步完善和優化，以期在監測系統的有效性、高效性、經濟性等方面實現良好的綜合平衡和優化。多種地球物理監測技術的聯合應用，DAS與節點地震儀永久埋置部署、被動源微地震監測、自動化處理與智能化分析是重要發展方向。
一、地球物理技術在地質碳封存工程安全性監測與評價中的應用
在地質碳封存工程實施階段及后期，需要長期進行二氧化碳地質封存的安全性監測與評價，地球物理的主要任務是為下列地質任務提供技術支撐：
① 地下構造穩定性監測與評價；
② 地表變形監測與評價；
③ 蓋層穩定性監測與評價；
④ 斷層穩定性監測與評價；
⑤ 誘發地震監測；
⑥ 二氧化碳泄漏監測。
當前安全性監測預期可用的地球物理方法包括：三維地震、微 地 震、近 地 表 電 磁、衛星遙感等監測技術。目前的安全性監測主要針對地表形變、二氧化碳泄漏和誘發地震，而關于地下構造穩定性監測尚存在較大的技術挑戰。由于地質碳封存工程地球物理監測實例有限，少見有發生安全性事件的實例。
１、地表形變監測近年來，空間技術發展迅速，基于衛星的對地觀測成為一種低成本、大范圍、高頻次的地表環境觀測技術，大地測量學方法可以檢測地下儲層壓力變化所誘發的地表形變異常。全球衛星定位與導航系統（GNSS）可以實現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測?；谛l星觀測的干涉合成孔徑雷達（InSAR），利用反射微波或雷達波的相位延遲來估計地表探測點的位移量，觀測精度達毫米級，且能夠以掃描方式實現面上觀測，用較低的成本進行地表形變異常觀測與分析，從而評估二氧化碳地質封存對地下構造穩定性和地表環境的影響，作為地質碳封存地質安全性的低成本長期觀測手段。
干涉合成孔徑雷達在多個地質碳封存項目中的試驗取得了良好效果。如在阿爾及利亞Salah強化采氣示范項目的應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／裂縫帶運移所產生的地震反射旅行時窄帶條狀下拉異常。
進一步研究可以構建地表形變與地下儲層流體注入導致的體積變化之間的關系模型，可由地表形變觀測結果反演估計儲層內流體體積 變化的空間分布。
圖１Ｓａｌａｈ項目ＩｎＳＡＲ觀測獲得的地表垂直形變結果
２、二氧化碳泄漏監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；也可以用于監測工業污染排放或二氧化碳地質封存工程中的泄漏。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行層析成像反演獲得二維平面濃度分布，獲得的結果代表地表面積二氧化碳排放強度，從而據此尋找二氧化碳排放或 泄漏口位置?；谛l星和無人機 的對地多光譜觀測數據，也可以用來監測地表的二氧化碳、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性。
二、地質碳封存地球物理監測面臨的問題與挑戰
大規模的二氧化碳地質封存需要進行地質封存站點的可行性分析和評價，更需要進行長期的有效性和安全性監測和評價，這依賴于地球物理技術的長期性和重復性監測。二氧化碳地質封存的地球物理監測以時延地球物理方法為主，即通過地球物理重復觀測實現對二氧化碳封存過程的動態監測。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封存監測的最主要工具，試驗表明絕大多數二氧化碳地質封存項目和二氧化碳增強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用于二氧化碳運移擴散監測、泄漏監測和油藏模型的精細化。微地震監測是二氧化碳運移擴散羽流分布和誘發地震的有效監測工具，井中地球物理監測具有受淺層變化和淺層噪聲影響小、時延觀測重復性好的優勢。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。衛星遙感則是地表形變與二氧化碳泄漏監測的一種快速且經濟有效的手段。
地球物理技術在地質碳封存工程中能夠發揮積極而獨特的作用，尤其是在地質封存空間選擇與評價中的應用，基本可以沿用油氣勘探開發中的地球物理油藏描述技術，但地質封存有效性和安全性地球物理監測仍面臨諸多問題與挑戰。面向地質碳封存工程應用的地球物理技術尚不是成熟的商業化技術，盡管部分技術已經在地質碳封存工程中得到了一定程度的試驗性應用與良好的效果，但從大規模商業化應用視角來看，其地球物理技術體系尚有待進一步優化和完善。
地質碳封存地球物理監測技術應用面臨３大問題。
１）地質碳封存工程中應用的地球物理技術主要來自于油氣、煤炭和礦產資源勘探開發中的地球物理技術，技術的適應性和有效性尚有待進一步試驗和論證，方法技術和作業流程尚有待進一步優化，以適應地質碳封存工程特殊的場景條件和技術需求。
２）地質碳封存地球物理監測技術應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碳封存地球物理監測技術體系和標準規范。不同地質條件下地球物理監測技術的方案選擇和設計存在一定差異，目前尚未形成系統的理論與技術體系。
３）地質碳封存項目中在封存空間選擇與評價、有效性監測與評價、安全性監測與評價３個方面都需要地球物理技術支撐，但地球物理技術在這３個方面的應用條件和技術需求存在明顯的差異，因此需要根據不同應用場景、條件和目標選擇及構建不同的地球物理技術系列和創新技術方法。
地質碳封存地球物理監測技術應用面臨４個重大挑戰。
１）地質碳封存的有效性和安全性監測是長期的，因此需要構建與之相適應的地球物理數據采集、數據處理和分析流程和技術。為實現長期的重復性時延地球物理觀測，永久埋置部署數據采集系統是實現高可重復性的最佳途徑。發展滿足地質碳封存有效性和安全性監測需求，永久部署地球物理數據采集設備成本可控，適應一定周期重復觀測或連續觀測要求的地球物理監測技術，是我們面臨的第一個重大挑戰。
２）地質碳封存過程中地下儲層處于動態變化的進程中，二氧化碳泄漏或誘發地震等存在突發性或破壞性。發展具有短周期重復觀測或連續觀測、快速數據處理和風險評估與預警功能的地球物理監測技術，是我們面臨的第二個重大挑戰。
３）地質碳封存的有效性和安全性監測是長期的，需要多次重復觀測或連續觀測，因此地球物理監測的經濟性是一個重要指標。目前常用的三維地震、時延地震等技術的應用成本過高，難以滿足地質碳封存工程的經濟性要求。發展低成本的地球物理監測技術，是我們面臨的第３個重大挑戰。
４）地球物理監測應為地質碳封存工程的全生命周期提供動態信息支撐，發展面向二氧化碳地質封存場景應用的巖石物理、流體力學數值模擬、地球物理響應模擬、儲層參數地球物理反演、地下儲層模型建立與動態更新等組成的完整技術體系與軟件系統，是我們面臨的第４個重大挑戰。
三、地質碳封存地球物理監測技術發展展望
面向二氧化碳地質封存工程應用，在地質封存工602石油物探第62卷程前期論證與規劃設計階段，需要進行地質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行儲層評價和油藏描述。在地質封存工程實施階段及后期，需要進行地質碳封存有效性和安全性的動態監測與評價，該階段地球物理技術的應用與油氣勘探開發中的應用既有諸多共同點也有一些不同點，需要根據地質碳封存工程應用場景、條件和目標的特點發展具有針對性的地球物理技術，制定具有針對性的技術應用流程。
根據地質碳封存工程中應用場景、條件和目標的特點，地質碳封存地球物理監測技術的未來發展具有以下５個特點。
１）永久性。作為長期性監測技術應具有永久性部署、重復性或連續性觀測特征。
２）動態性?；谥貜托曰蜻B續性觀測數據對地下空間進行動態監測，應建立滿足此業務要求的增量式數據處理與迭代型解釋建模流程，構建具有時空變化的動態模型。
３）智能化。永久性部署、重復性或連續性監測決定了監測數據的處理和分析應是自動化和智能化的，并體現一定的實時性特征，即通過自動化智能化工作流程實現長期的實時性處理與分析。
４）環境友好。數據采集系統應適應不同應用環境，對復雜地表具有良好的適應性和HSE友好性，同時適用于主動源與被動源觀測。
５）低成本。系統的部署和運行應具有低成本經濟性，以適應工程低預算條件，常規的時延地震成本過高不適合經常性重復觀測或連續性觀測。
面向地質碳封存工程應用的地球物理監測技術尚在發展中，其地球物理技術體系有待進一步優化和完善，未來研究和發展可主要集中在以下幾個方向：
１）二氧化碳地質封存機理及巖石物理理論與技術；
２）二氧化碳地質封存空間評價地球物理技術體系及流程標準化；
３）二氧化碳地質封存運移羽流體數值模擬技術；
４）二氧化碳地質封存地下應力狀態變化數值模擬技術；
５）二氧化碳地質封存運移羽流地球物理響應正演模擬技術；
６）二氧化碳地質封存運移羽流地球物理監測成像與反演技術；
７）二氧化碳地質封存地下構造形變與應力狀態變化地球物理監測技術；
８）二氧化碳地質封存地表形變地球物理監測技術（衛星遙感技術為主）；
９）二氧化碳地質封存泄漏地球物理監測技術（微地震、衛星遙感等技術）；
１０）二氧化碳地質封存誘發地震地球物理監測技術（微地震技術為主）。
從地球物理監測的觀測方法角度來看，由地面和井中永久部署的DAS系統實施時延地震觀測和微地震觀測以監測二氧化碳注入運移擴散動態分布、儲層狀態和儲層性質動態變化、斷層活動性和二氧化碳泄漏路徑；由稀疏節點地震儀永久部署實施主動源和被動源地震觀測以監測二氧化碳注入運移羽流前緣、誘發地震，由衛星干涉合成孔徑雷達系統實施地表形變監測，由衛星或無人機對地多光譜成像觀測實施地表二氧化碳泄漏監測，是未來地質碳封存地球物理動態監測技術的重要發展方向。智能地震節點儀既適合稀疏采集節點的永久性部署，又適合超高密度觀測應用，對復雜地表具有良好的適應性和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勢。利用微地震監測長期記錄的背景噪聲進行干涉地震分析，獲取地下介質的動態變化信息具有一定的發展潛力。
從地球物理監測的數據處理與分析角度來看，地球物理監測數據的實時化采集、自動化處理流程、智能化分析、預警信息與建議方案即時發布，增量式數據處理與迭代式地球物理建模，多源數據融合應用與一體化模型建立，地學數字孿生與虛擬現實（VR）技術在運行決策支持平臺環境中的應用，是未來地質碳封存地球物理動態監測技術的另一個重要發展方向。
文章來源：趙改善．二氧化碳地質封存地球物理監測：現狀、挑戰與未來發展［Ｊ］．石油物探，2023，62（2）：194－211
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