利用延时孔隙地震测试技术监测注入的二氧化碳（CO?）的迁移情况，该技术结合了井下数字地震采集系统（DAS）接收器和电火花源

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Monitoring injected CO 2 migration using time-lapse crosshole seismic testing with downhole DAS receivers and an electric sparker source

浅层CO?注入的跨井地震监测技术研究及成果，利用高频电火花源与分布式声学传感器（DAS）成功检测到速度异常，证实CO?随时间发生迁移。

　　本研究聚焦于二氧化碳（CO?）注入监测技术，特别关注了时间推移法（time-lapse）的交叉孔地震监测（crosshole seismic monitoring）方法。该方法在地质结构监测与验证方面具有重要价值，尤其是在评估CO?在地下储层中的分布和迁移行为时。研究团队在澳大利亚维多利亚州的CO?CRC Otway国际测试中心开展了一项实验，通过将高频率的地下地震源与分布式声学传感器（DAS）结合，成功监测到注入的16吨CO?在浅层地下的动态变化。这一成果不仅为碳捕集与封存（CCS）技术提供了新的监测手段，也为未来在更广泛的地质应用中奠定了基础。

### 一、研究背景与意义

随着工业化进程的加快以及对化石燃料的持续开采和使用，大气中CO?的浓度迅速上升，成为全球气候变化的主要驱动因素之一。为应对这一问题，CCS技术被广泛认为是减少碳排放的有效手段之一。该技术的核心在于将CO?捕获并安全地存储于地下地质构造中，以防止其对环境造成影响。然而，为了确保CO?能够被有效封存，必须对储层进行持续的监测和验证。监测不仅需要确认CO?是否成功注入，还需要评估其在储层中的分布情况，以及是否存在泄漏风险。

交叉孔地震监测技术是近年来发展迅速的一种高分辨率监测手段，尤其适用于储层中CO?的动态追踪。相较于传统的地表地震和井下声波测井方法，交叉孔技术能够提供更精确的地下结构图像，其优势在于通过两个不同井之间的源和接收器配置，可以生成大量相互交叉的地震射线路径，从而实现对目标岩层的多方向覆盖。此外，使用高频率源（如电火花源）与DAS接收器相结合，可以进一步提升监测的分辨率和灵敏度，使得更细微的CO?迁移现象能够被准确捕捉。

### 二、实验设计与实施

实验地点选在CO?CRC Otway国际测试中心，该区域具有独特的地质构造，包括Brumbys断层。实验中使用了两口井：Brumbys-1和Brumbys-3。Brumbys-1是一口倾斜井，深度为122米；Brumbys-3为一口垂直井，深度为100米。实验的主要目标是通过将16吨CO?注入Brumbys-1井的77至87米深度区间，利用交叉孔技术监测其在地下环境中的变化。

为了实现高分辨率监测，研究团队在Brumbys-3井中安装了光纤传感电缆（FOC），并连接至两个DAS探测器，用于接收地震信号。同时，在Brumbys-1井中部署了一个高能量电火花源，其输出功率为1.2 kJ，能够产生高频率的地震波（可达数千赫兹）。相较于传统地表地震源（通常为5–150赫兹），这种高频率源在浅层地下的应用具有显著优势，因为它能够更精确地捕捉CO?引起的微小速度变化。

实验过程中，研究人员通过高精度GPS设备获取了所有井的表面坐标，并结合井的倾斜角度和方位角，构建了用于地震处理的几何文件。这些文件不仅包含了源和接收器的深度信息，还描述了它们在三维空间中的相对位置。通过这些数据，研究团队能够对地震信号进行准确的几何建模，并进一步进行时间推移分析。

为了提高数据的信噪比，实验中采用了重复发射的策略。每组源位置的数据被重复采集10次，然后通过叠加处理得到更清晰的地震图像。此外，研究人员还特别关注了源和接收器之间的距离以及井的排列方式，以确保能够获得足够的地震射线覆盖，从而提高图像的分辨率和可靠性。

### 三、数据处理与分析方法

在数据处理阶段，研究团队使用了RadExPro地震处理软件，对所有采集到的地震数据进行了分析。由于某些数据集在采集过程中受到技术问题的影响（如源性能不稳定），部分数据被排除在分析之外。最终，研究人员选择了两个基线数据集以及六个监测数据集进行进一步处理，以确保结果的可靠性。

在进行时间推移地震成像之前，研究人员首先对基线数据进行了处理，以获得初始的速度模型。该模型基于地表声波测井数据，通过建立一个2米×2米的网格系统，将地下速度分布可视化。随后，利用该模型对监测数据集进行了反演处理，以计算不同时间点下速度的变化情况。通过对比基线数据和监测数据，研究人员能够识别出CO?注入引起的异常速度变化。

在反演过程中，研究团队采用了直射波（direct P-wave）作为主要的分析对象。直射波的初至时间（first arrival time）是地震反演中的关键参数，能够提供关于地下结构的直接信息。为了减少初至时间拾取误差带来的影响，研究人员首先对基线数据进行了反演，然后将其作为基准，对监测数据进行修正。这种方法不仅提高了数据的准确性，还减少了由于初至时间不确定性引起的图像伪影。

此外，研究团队还分析了不同深度区间内的信号强度和信噪比（SNR）变化。结果显示，在浅层区域（<20米深度）由于信号衰减和DAS传感器的极化限制，数据的信噪比较低，导致部分区域的地震射线覆盖不足。因此，在进行成像时，研究人员特别关注了中深层区域（如60至75米深度）的变化情况，以确保图像的可靠性。

### 四、实验结果与分析

通过时间推移地震成像，研究人员成功识别出了CO?注入引起的两个显著的速度异常区域。第一个异常区域位于注入井附近，其速度降低幅度在-0.6 km/s左右，表明CO?在该区域的聚集和扩散。第二个异常区域则出现在更接近地表的位置（约25至40米深度），其速度变化幅度较小（约-0.2 km/s），但随着注入的结束，该区域的异常变得更加明显。这表明CO?可能已经向上迁移，并在地表附近形成了新的分布模式。

在实验过程中，研究人员还发现了一些地震成像中的伪影现象。这些伪影通常是由直射波成像方法的假设条件（如均匀介质和直射路径）所导致的。在非均匀介质中，地震波的传播路径会受到地层速度变化的影响，从而产生图像中的异常。为了减少这些伪影的影响，研究团队在分析中特别关注了速度变化的非线性特征，并通过对比不同时间点的数据，排除了由技术误差或地质背景变化引起的异常。

实验结果表明，使用高频率源和DAS接收器的交叉孔地震监测技术能够有效捕捉CO?在浅层地下的动态变化。特别是在注入过程中，研究人员观察到速度异常区域的面积和强度随时间逐渐增加，而在注入结束后，异常区域开始逐渐缩小。这一现象支持了CO?向上迁移的假设，为评估地下CO?封存的安全性提供了重要的依据。

### 五、讨论与未来展望

尽管本研究成功验证了交叉孔地震监测技术在浅层CO?封存中的应用，但该技术仍存在一些局限性。例如，由于实验仅涉及浅层井（<100米深度），其空间覆盖范围有限，无法全面反映整个储层的CO?分布情况。此外，交叉孔方法主要依赖于两口井之间的几何关系，因此只能提供二维的地下图像，而无法直接获取三维结构信息。对于商业规模的CO?封存项目，这些限制可能会对监测效果产生一定影响。

为了克服这些局限性，研究团队提出了几种可能的改进方向。首先，可以考虑使用更先进的地震成像方法，如基于波形的反演技术（waveform tomography），以提高图像的分辨率和减少伪影的影响。波形反演能够利用更完整的地震波信息，包括反射波和折射波，从而提供更准确的速度模型。其次，研究团队建议在未来实验中引入合成建模（synthetic modelling），以进一步优化数据处理流程，并提高对成像误差的识别能力。

此外，实验还揭示了交叉孔技术在其他地质应用中的潜力。例如，在矿产勘探领域，该技术可以用于检测地下矿体的分布情况。由于矿产资源通常具有不同的声学特性，交叉孔成像能够识别出具有特定速度特征的区域，从而帮助地质学家定位潜在的矿体。这一发现表明，交叉孔技术不仅适用于CO?监测，还可以拓展至其他地下资源的勘探和评估。

### 六、结论

本研究通过在浅层地下的交叉孔地震监测实验，成功验证了高频率地下源与DAS接收器结合的可行性。实验结果显示，CO?注入引起的P波速度异常能够被清晰地捕捉，并且随着注入的进行，异常区域的面积和强度逐渐增加。在注入结束后，异常区域开始向上迁移，最终在地表附近形成新的分布模式。这些结果为CO?封存的监测和验证提供了新的思路，并展示了交叉孔技术在浅层地下的高分辨率优势。

尽管该技术目前主要适用于浅层监测，但其在商业规模封存中的应用仍需进一步探索。未来的研究可以考虑结合更高频率的源、更精细的DAS接收器配置以及更先进的成像方法，以提高监测的精度和覆盖范围。同时，该技术的可扩展性也为其他地质应用（如氢气存储和矿产勘探）提供了新的可能性。通过不断优化实验设计和数据处理方法，交叉孔地震监测有望成为未来CO?封存和地下资源监测的重要工具。