综述：地质CO2封存混合监测框架：核磁共振（NMR）与常规技术的比较见解

《Carbon Capture Science & Technology》：Hybrid Monitoring Framework for Geological CO 2 Storage: Comparative Insights from Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Conventional Techniques

本综述深入探讨了地质CO2封存（CCS）监测技术，重点比较了常规地球物理方法（如4D地震、电磁法EM、重力测量）与新兴的核磁共振（NMR）技术。文章指出，常规方法擅长场尺度CO2羽流追踪，但难以捕捉孔隙尺度的关键过程（如残余捕集、润湿性变化）；而NMR能定量描述孔隙流体相互作用，提供CO2饱和度和捕集机制信息。作者提出将NMR与常规技术结合的混合监测框架，借助机器学习整合多源数据，可显著提升监测精度、降低不确定性，并为未来CO2封存项目的安全性与可靠性提供重要保障。

　　

引言

全球气候变化的主要驱动因素之一是二氧化碳（CO₂）排放。碳捕获、利用与封存（CCUS）技术被认为是实现净零CO₂排放的关键策略，尤其适用于难以脱碳的工业部门。地质碳封存（GCS）涉及将CO₂注入深层地质构造中，如深部咸水层、不可采煤层及枯竭的油气藏。为确保封存的安全性和有效性，对CO₂封存地点进行持续监测至关重要，其主要目标是验证封存完整性、追踪CO₂羽流迁移并及时识别潜在泄漏风险。

地球物理监测技术

目前，用于CO₂封存监测的常规地球物理技术主要包括时移（4D）地震、电磁（EM）法和重力测量。

4D地震监测技术是应用最广泛的技术，能够三维追踪储层内流体注入和迁移过程中的属性变化。挪威北海的Sleipner油田是4D地震监测的典范案例，通过多次地震勘测成功追踪了注入Utsira地层的CO₂羽流的迁移和演化。

电磁监测技术则利用超临界CO₂替代导电卤水后导致岩石电阻率显著升高这一特性，通过测量地表电磁场扰动来监测CO₂饱和度的变化。尽管其分辨率低于地震，但对流体饱和度变化更为敏感，可作为地震监测的有效补充。

重力测量监测技术通过重复测量重力场随时间的变化，来探测由CO₂注入引起的储层密度变化。在Sleipner项目中，海底重力测量成功监测了羽流的质量分布和迁移，验证了该技术在CO₂质量平衡估算和长期完整性验证方面的价值。

NMR作为CO₂封存监测工具

与传统地球物理技术不同，核磁共振（NMR）是一种非破坏性技术，能够直接在孔隙尺度上探测流体与岩石的相互作用。其核心优势在于能够提供与孔隙尺寸、润湿性和流体饱和度假定相关的弛豫时间信息。

NMR的横向弛豫时间（T₂）是体相弛豫、表面弛豫和扩散弛豫共同作用的结果。CO₂-卤水-岩石反应可能通过动员顺磁性离子增加表面弛豫率，从而改变T₂分布。时移T₂谱和T₁/T₂图能够灵敏地检测润湿性变化、孔隙结构改变和捕集行为，这些是其他监测工具难以解析的。

多项研究展示了低场（LF）-NMR在储层条件下追踪CO₂运移、计算捕集体积和评估注入模式方面的应用。例如，研究通过集成LF-NMR的高压CO₂驱替装置，实现了在35 MPa和80°C条件下孔隙尺度驱替的实时监测。T₂谱序列捕获了大孔隙中信号的逐渐丧失，而一维剖面和二维NMR图像则直观地证实了CO₂的迁移和孔隙尺度饱和度的变化。

另一项研究利用NMR岩心驱替实验，在储层条件下量化了印第安纳石灰岩中CO₂、N₂及其混合物的残余捕集。T₁-T₂图谱显示，CO₂暴露后岩石的亲水性显著降低，而N₂注入则未改变润湿性。重要的是，CO₂-N₂混合物的捕集效率与纯CO₂相近，表明某些杂质不会显著降低残余捕集能力。

NMR与常规监测技术的整合：迈向混合监测框架

常规地球物理技术与NMR孔隙尺度观测之间存在尺度鸿沟。混合监测框架旨在将地球物理方法的场尺度覆盖范围与NMR的孔隙尺度信息相结合，从而更准确地解释CO₂行为。

该框架通过将NMR数据与地震或EM反演模型结合，可以校准地震速度或电阻率变化，减少反演的非唯一性，并使储层模型更加真实。例如，将地震和电阻率层析成像（ERT）数据联合反演，可以获得更清晰的CO₂羽流图像。

混合监测系统的实施通常遵循一个工作流程：首先获取基线地球物理数据和岩心；然后在实验室进行NMR测量，建立岩石物理关系；接着将这些关系作为先验信息用于地球物理反演；最后，通过历史拟合更新动态储层模型。现场部署案例，如德国的Ketzin CO₂先导试验场，验证了这种多物理场数据集在追踪真实储层中CO₂行为方面的有效性。

NMR实验室结果到场尺度CO₂封存监测的尺度升级

将NMR实验室研究成果应用于场尺度监测面临诸多挑战，包括储层非均质性、矿物学和表面弛豫率效应、润湿性变化以及NMR工具部署和分辨率限制。

为弥合实验室与现场的差距，可采取多种策略。通过在与储层条件相近的情况下分析现场岩心，建立可靠的校准协议至关重要。升级算法和模型，如孔隙网络模型和机器学习，可以将孔隙尺度的NMR发现转化为储场尺度流动参数。现场NMR测井工具的进步，以及将NMR与其他场尺度数据（如地震、压力、电阻率）整合的的工作流程，对于获得对CO₂羽流演化的连贯解释至关重要。

挑战与未来展望

NMR监测技术的未来发展着眼于解决空间覆盖范围、分辨率、自动化和数据整合方面的持续挑战。技术进步包括改进的磁体和天线设计、快速采集策略、便携式现场部署设备以及实时监测能力。机器学习和人工智能的进步正在通过实现复杂模式识别和多数据集集成来改变数据解释。此外，建立标准化、开放访问的数据管理系统对于促进协作、提高监测实践的可重复性和透明度至关重要。

结论

本综述强调，有效监测地质CO₂封存需要利用常规地球物理技术和NMR的互补优势。虽然4D地震、EM和重力测量提供了场尺度的羽流成像和质量分布评估，但它们缺乏捕捉控制长期封存安全的关键孔隙尺度过程所需的灵敏度。NMR独特地解决了这一诊断空白，能够解析饱和度演化、润湿性变化和残余捕集效率。将NMR与常规方法相结合的混合监测框架，通过减少解释不确定性、提高饱和度估计精度和增强一致性评估，显著推进了监测能力。随着NMR测井、校准协议、升级方法和数据融合技术的进步，NMR正从一种实验室工具转变为场尺度CO₂封存监测中不可或缺的组成部分。这种多分辨率监测方法为下一代监测系统奠定了基础，使地质碳封存更加安全、可靠和透明。