碳酸盐循环技术在废物焚烧中实现经济高效二氧化碳捕获的技术经济评估

下井分布式光纤传感（DAS）数据与1.5D/2D数值模拟对比显示，CO2注入引起的地层属性变化可有效监测。1.5D模型在600米内偏移量与观测数据吻合，但无法解释深层旅行时间衰减和振幅低谷，而2D模型通过模拟有限横向尺寸的CO2羽流，成功复现了这些现象。研究估算CO2饱和度均匀且超过10%，验证了DAS在近井监测中的有效性，并指出三维建模的必要性。

　　
本文针对地下二氧化碳封存过程中永久性井下地震接收器（如分布式光纤传感技术DAS）的应用展开研究，通过数值模拟与现场数据的对比分析，揭示了CO?注入对储层物性参数的影响机制及其监测方法。研究团队在澳大利亚Otway国际测试中心（OITC）的CO?CRC项目基础上，利用CRC-3注入井的DAS数据，结合1.5D和2D数值模拟技术，系统评估了CO?储层厚度、饱和度及空间展布特征。

### 一、研究背景与技术路线
在碳捕集与封存（CCS）工程中，实时监测地下CO?运移行为是确保封存安全性的关键。传统监测手段如地震反射波法存在分辨率不足、成本高等缺陷。DAS技术通过永久植入井内的光纤传感器阵列，可连续记录地下地震波传播特征，为储层动态监测提供了新途径。研究团队重点考察了CO?注入引起的储层物性参数（弹性模量、波速、密度）变化对DAS信号（振幅、旅行时）的影响机制。

数值模拟采用双方法体系：1.5D全球矩阵法（OASES软件）适用于大范围均匀介质建模，而2D有限差分法（SOFI软件）可刻画有限横向尺寸储层效应。研究首先建立基准地质模型，通过测井数据获取储层各层位的初始物性参数，再根据CO?饱和度变化计算等效弹性参数。创新性地将Gassmann方程与Hill方程结合，分别处理均匀饱和和斑块状饱和模型，并通过误差分析优化参数。

### 二、关键发现与机制解析
1. **储层厚度与空间展布估计**
通过1.5D模拟与DAS实测数据的匹配分析，确定CO?储层有效厚度为11±1米。2D模拟进一步揭示储层横向展布特征：当CO?气团直径超过40米时，其地震响应与无限介质模型趋近，表明实际封存储层存在有限空间展布。该结果与4D地震反射数据解析的储层轮廓（图1）基本吻合，验证了DAS技术在储层边界探测中的有效性。

2. **饱和度分布特征**
对比均匀饱和与斑块状饱和模型，发现：
- 当CO?饱和度≥10%时，两种模型的振幅响应差异显著降低（图5），表明高饱和度下储层介质呈现宏观均质性。
- 斑块状饱和模型在预测深部振幅变化时存在系统性偏差，尤其当储层横向尺寸受限时（<40米），均匀模型更贴合实际观测数据（图6）。该结论与储层压力传导特性分析一致：Paaratte Formation多孔介质中，CO?扩散速率与孔隙压力响应具有时间滞后性，导致弹性参数在空间上快速均衡化。

3. **时空演化规律**
时间序列分析显示（图13-14）：
- 早期（8天）振幅变化主要反映储层表面效应，此时CO?以点源形式影响近场接收器。
- 中期（32天）随着气团扩散，旅行时延迟呈现非对称衰减特征，东南向（SOV7）衰减幅度达0.048秒，西北向（SOV4）仅0.028秒，与地下运移路径差异相关。
- 长期（>100天）气团达到稳定分布，旅行时变化率降低30%-50%，振幅响应呈现双峰特征，对应气团前锋与后锋的地震响应差异。

### 三、技术方法与误差控制
研究建立了一套完整的模型验证体系：
1. **基准模型构建**：基于CRC-3井的测井数据（图2），提取垂直方向P波速度（2300-2500m/s）、S波速度（1300-1500m/s）及密度（2700-2800kg/m3）参数，形成初始1.5D地质模型。
2. **CO?物理参数标定**：采用Pevzner团队建立的超临界流体物性模型，在1500m储层深度下，CO?混合气体密度330kg/m3，体积模量0.025GPa，该参数体系已通过前期实验验证。
3. **误差量化分析**：引入RMS误差综合评估模型匹配度（表1-2），设定误差阈值0.05秒/0.1相对幅度变化，有效排除模型过度拟合风险。

### 四、工程应用价值
1. **储层监测精度提升**：通过2D建模修正了1.5D模型在深部（>1500m）的预测偏差，将旅行时误差从8%降至3%，为深部储层监测提供可靠工具。
2. **注入过程优化**：储层横向展布特征揭示，当气团直径>40米时，其地震响应趋于稳定，这为制定分阶段注入方案提供了理论依据。
3. **长期监测可行性验证**：连续两年（2020-2021）的DAS数据证实，该技术可实现每年15kt级注入量的持续监测，信噪比稳定在10:1以上。

### 五、局限性与改进方向
当前研究存在三方面局限：
1. **模型简化影响**：1.5D模型未考虑储层横向非均质性，对浅层（<1000m）数据解释存在偏差，需补充横向速度梯度数据。
2. **饱和度定量挑战**：虽然可确定饱和度≥10%，但无法精确区分孔隙填充与毛细管束缚CO?的比例，建议结合核磁共振测井进行交叉验证。
3. **三维效应待解**：储层实际为三维非对称分布，现有2D模型在解释SOV8（西北向400m）数据时存在15%误差，未来需开展3D全波形反演研究。

### 六、结论与展望
本研究证实DAS技术具备：
- 垂直分辨率达1米，时间分辨率优于小时级，可精准捕捉储层动态变化
- 对CO?饱和度10%以上储层具有显著敏感性（振幅变化率>15%）
- 2D建模能有效解释深部（>1500m）储层效应，建议建立"1.5D+2D"联合解释模型

后续研究将重点突破：
1. 开发基于机器学习的DAS数据自动解释系统，实现储层参数的实时反演
2. 构建多尺度数值模型（1.5D-2D-3D），完善不同空间尺度下的预测能力
3. 探索DAS与光纤压力传感器的联合应用，建立多物理场耦合监测体系

该成果为地下储气库工程评估提供了重要技术支撑，特别在确定有效封存区边界（储层厚度）、识别CO?运移前沿（气团直径）和评估长期封存稳定性（>100天监测）方面具有显著应用价值。研究建立的"数值模拟-误差分析-参数优化"技术框架，可推广至其他地下储层（如咸水层、油藏）的实时监测领域。