朗伊尔城CO2实验室项目：从碳中和愿景到地球科学数据宝库的探索之旅

《Arctic Science》：Longyearbyen CO2 lab project—from a vision of a CO2-neutral Svalbard to a geoscience data eldorado

本综述系统总结了朗伊尔城CO2实验室项目（Longyearbyen CO2 Lab）长达十余年的研究成果，该项目虽未实际实施CO2封存（CCS），但通过钻探、岩心分析和流体测试获得了大量珍贵数据，不仅证明了当地具备CO2封存的地质条件（包括300米厚砂岩储层和泥岩盖层），还衍生出地热能、古气候、构造演化等多学科研究成果，所有数据已开放共享，为全球CCS研究和北极地球科学研究提供了重要基础。

　　

朗伊尔城CO₂实验室项目——从碳中和愿景到地球科学数据宝库

朗伊尔城CO₂实验室项目始于2006年，由斯瓦尔巴大学中心（UNIS）发起，旨在评估当地发电厂产生的CO₂在地下封存的可行性。经过十余年的钻探操作和地球科学研究，项目证实了下伏地层具备封存CO₂的地质条件，包括约300米厚、以砂岩为主的储层岩石，以及被不透水泥岩为主的序列所覆盖。尽管出于经济和政治原因，未实际在斯瓦尔巴进行CO₂注入封存，但项目产生了大量新数据，这些数据不仅对CO₂封存研究具有重要意义，还为流体流动和地热潜力表征、古气候变化解读、过去构造事件解析以及全球地质时间尺度的更新提供了关键支持。

朗伊尔城CO₂实验室项目——简要综述

朗伊尔城CO₂实验室项目于2006年由挪威司法部长Knut Storberget正式启动，仅在他阅读了地质学教授Alvar Braathen和UNIS主任Gunnar Sand在《斯瓦尔巴邮报》上发表的文章五天后。文章讨论了朗伊尔城如何通过处理自身CO₂排放成为CO₂中性社会。项目背景显而易见——挪威唯一的燃煤发电厂位于可能拥有适合CO₂封存的储层和盖层的沉积序列之上。首批钻孔于2007年至2009年完成（DH1–DH4），第二阶段钻孔（DH5–DH8）于2010年至2013年进行。项目由私人和公共资金共同资助，进行了广泛的研究钻探、注水测试和补充野外研究。集体努力表明，朗伊尔城地下具备足够的注入性和封存能力以满足当地适度需求。

不幸的是，由于在燃煤发电厂安装CO₂捕获装置的高成本以及与斯瓦尔巴煤碳开采未来相关的政治考虑，未在朗伊尔城下伏潜在储层单元中注入或封存任何CO₂。目前，情况发生了巨大变化，几乎所有煤矿关闭并永久废弃，自2023年起，当地发电厂使用进口柴油而非本地生产的煤运行。2023年提前退役发电厂的政治决策，同时消除了朗伊尔城CO₂实验室项目针对的明显本地点源。这一决策早在2013年就已做出，主要基于朗伊尔城人均CO₂排放量全球最高。希望通过放弃使用煤碳并转向其他能源来改善这些数字。过去十年中讨论了多种为朗伊尔城提供电力和热能的解决方案以减少CO₂排放，包括地热能，但最终于2023年决定临时使用柴油。本地生产的煤碳结合碳捕获与封存（CCS）本能够将这些排放减少一半以上，而当前使用从大陆进口柴油的模式大大增加了成本，仅减少了现场排放。然而，当考虑柴油生产和运输距离的全周期时，CO₂排放量仍然过高，考虑到朗伊尔城有限的人口。无论朗伊尔城及斯瓦尔巴其余地区未来的能源结构如何，CO₂实验室项目的重要启示是朗伊尔城地区的地下仍然适合封存适度量的CO₂。

十年来的地下表征不仅为当局提供了数据驱动的建议，还为其他利用地下的地球科学项目奠定了基础。例子包括朗伊尔城地热潜力表征、永久冻土层下气体聚集的特征描述，或使用钻芯更新全球地质时间尺度，以及解析过去（深时）气候变化。最重要的是，朗伊尔城CO₂实验室项目已将其科学数据对地球科学界开放共享，仅要求衍生的发现同样公开可用。

私营公司参与朗伊尔城项目的一个重要动机是，在斯瓦尔巴进行此类研究的成本远低于在北海或巴伦支海进行，后者正在进行工业规模的CO₂项目，注入速率达百万吨级。从2006年到2015年的运营阶段，项目总预算约为1亿挪威克朗（约1000万欧元）。其中，约50%由公共资金（挪威研究理事会和国有资助机构Gassnova）覆盖，50%由私人资金覆盖（参见资助部分参与公司列表）。预算的很大一部分用于钻探、取芯和注水测试。最深的钻孔DH4钻至近千米深度，成本约为500万挪威克朗。

项目时间线——操作概念、亮点和挑战

项目分为三个主要阶段。2007年至2010年的初始场地勘探阶段涉及前四口井的钻探以及项目在国内和国际的建立。2010年至2015年的场地表征阶段侧重于通过系统注水测试在盖层（量化破裂压力）和储层（量化流体注入性）中降低风险，以及深井的封堵和废弃。从2015年停止主动运营到现在的最后阶段，主要以直接关于CCS主题的科学工作和通过收集的数据实现的衍生研究项目为主。

第二阶段最终报告概述了动机和项目历史，此处仅在与本贡献共享的多学科数据集的背景下简要涵盖。重要的是，项目始终由大学管理并推动，本例中为UNIS。低预算研发活动的策略和工作流程相当独特——以知识需求为动机，以两年为步骤，新知识产生新问题，随后产生新项目阶段。合作伙伴的积极参与，包括本地公司SNSK（煤炭开采）和LNS（钻探和物流）以及能源行业（从一开始的ConocoPhillips，最终还包括Statoil、Lundin、Baker Hughes和Statkraft），对于克服技术挑战至关重要。简而言之，基本动机是“只要钻探和测试，就能学习”。

第一步涉及勘探地下砂岩储存单元，2007年和2008年钻了三口井（DH1、DH2和DH3），目标是盖层和储层上部。与钻探并行，获取了陆上2D地震数据，以确认预测的地下几何形态并将井位地震数据与区域预先存在的2D地震网格联系起来。最深的钻孔DH4于2009年秋季钻探，覆盖了整个约300米厚的储层单元（DH4中672–972米深度）。在此阶段，确认了盖层-储层单元，并通过注水测试确认了注入性和一些储存能力，为下一阶段奠定了基础。在储层和盖层单元中发现欠压以及多个地层级别的天然气存在令人惊讶，并导致健康、安全和环境（HSE）计划的修订和补充。

第二阶段侧重于储层储存潜力，并评估CO₂迁移到较浅层段并最终到地表的风险。在此背景下，2011年专门钻探并测试了两口新井（DH5R和DH6），以表征约180米深度的砂岩储层中的流体迁移，这是未来注入情景中可能的CO₂监测层。在DH5R中进行了系统盖层完整性测试，表征了多个层段的破裂压力。2012年钻了最后两口井（DH7A和DH8）。DH7A设计用于在主储存单元的上部和最有希望的部分进行注水测试。DH8设计用于从最上部70米的永久冻土层中取芯。

项目依赖于UNIS、挪威大陆大学、研究机构和行业之间的长期积极合作。具体而言，研究所进行了钻孔测井（NGU）、微地震监测（NORSAR）、钻芯气体分析（IFE）、地质力学测试（NGI）和储层建模（Uni CIPR/现NORCE），而行业合作伙伴贡献了井设计、北极钻探以及封堵和废弃方面的专业知识。

自2015年以来，未在现场进行钻孔操作。然而，科学活动仍在进行中，既涉及CCS，也涉及各种衍生项目，并 evidenced by 至今的高科学产出。

数据集描述

项目在Adventdalen和Adventfjorden南岸（DH1和DH2）钻探并完全取芯了八口研究井。其中四口井通过电缆测井工具进行了测井（DH1、DH2、DH4和DH5）。针对选定的井和地层间隔，对钻芯进行了特定性质的分析。使用一系列地球物理方法（2D地震、垂直地震剖面、时间域电磁、大地电磁等）对地下进行了系统表征。针对Deltaneset的直接露头类比进行了研究，以初步约束储层性质（如沉积学、裂缝、断层），近年来更侧重于盖层序列。Deltaneset还被证明是学生教育的重要地点， several thesis projects 调查了山坡和海岸露头部分，从而为项目贡献了额外数据。数字露头地质学的出现进一步促进了通过数字露头和钻芯模型整合的定量研究。显示了关键数据集的空间覆盖范围。

钻孔数据

地层学和钻芯

钻探使用煤炭勘探钻机进行，全程取芯。累计4.5公里的钻芯是项目的核心，允许对储层、盖层和上覆岩层序列进行定量表征。地质上，钻芯覆盖了该地区出现的大部分中生代序列。在不同厚度的第四纪冰川沉积物之下，所有钻孔都穿透了受永久冻土影响的 Lower Cretaceous Carolinefjellet Formation。最深的钻孔DH4到达了 Upper Triassic Tschermakfjellet Formation。在中侏罗世至下白垩世的 Agardhfjellet Formation 的页岩主导的盖层序列，在四口井中（DH2、DH4、DH5和DH7）完全取芯，特别令人感兴趣，因为它代表了挪威大陆架上的区域源岩和盖层，很少且从未完全取芯。由于望远镜钻探技术，芯直径随深度变小，范围从35.2毫米到101.6毫米。所有钻孔都存在沉积学日志，尺度不同，并在许多相关出版物中发布。随着获得额外的地层约束或更高分辨率的分段测井，日志不断更新。

岩心照片

没有一块钻芯被剖开和安装，这是标准工业程序。然而，通常在取芯后直接对钻芯箱进行拍照，此外还有后期各种成像会话。可用的岩心照片作为按井排序的数据包提供，辅以捕捉半箱至单一样本尺寸的高分辨率图像。列出了当前没有整理图像存在的层段。最高分辨率的图像可用于浅层永久冻土井DH8，其中单个碎片在厘米尺度上成像。其他地方图像质量各异，拍摄角度从 nadir 到 oblique，大多数图像在可变光照条件下拍摄。

钻芯分析

对钻芯进行了各种物理性质分析，包括基质孔隙度和渗透率以确定储存能力，气体分析以指示地下流体连通性，以及热导率。裂缝对储存能力和注入性的贡献已通过钻芯中裂缝的细致测量和记录得到充分证明。钻芯在实验室和非破坏性技术（如手持XRF）下进行了研究。钻芯分析正在持续整理中并列出。

物理岩心材料的获取

岩心材料目前存储在朗伊尔城的UNIS。DH6（60–435.5米深度）的岩心存储在特罗姆瑟的UiT The Arctic University of Norway的地球科学系， regularly used in teaching。将来， depending on funding，可能会被剖开，一半存储在朗伊尔城或附近的专用岩心库，斯瓦尔巴岩石库。基于书面申请向项目经理授予出于研究目的访问任何岩心物理材料的权限。通常授予数据访问权限，但包括条件：开放共享所有分析，永久存储非破坏样品（如化石和薄片应存储在奥斯陆自然历史博物馆），并致谢项目。样本请求表格可在附录F中找到。

井下测井

钻孔操作使用望远镜钻探，导致不同的井和钻芯直径。挪威地质调查局（NGU）在四口井（DH1、DH2、DH4、DH5）中进行了电缆测井，参数包括：温度、流体电导率、自然伽马、岩石电阻率、地震速度、井径、相对密度和井斜。每口井都有详细的测井报告。READ Well Services记录了DH4的零偏移VSP。只有最薄的探头（温度、伽马、电导率和井径）可在直径最小的最深段操作。SNSK提供了适用于基于相对密度变化进行岩性识别、层厚度和边界定位的井径和三重密度（相对）探头。

流体注入测试

虽然从未在朗伊尔城下注入CO₂，但在四口井（DH4、DH5R、DH6和DH7A）中进行了广泛的注水测试。测试计划旨在：1. 确认储存单元（非常规储层）的现场尺度注入性；2. 表征加压注入水的流速；3. 量化盖层不同层段的破裂压力；4. 表征储层-盖层序列对 stimulations 的长期响应；5. 量化和表征页岩气的发现。

测试的主要结果总结在专注于盖层完整性、流体注入性、储层级别的井间流体注入测试、页岩气表征和欠压的出版物中。尽管从未将CO₂注入Adventdalen地下储层，但在实验室环境中对来自斯瓦尔巴的钻芯进行了注入。

直接露头类比和野外研究

由于区域倾斜，下伏于 lower Adventdalen 的储层-盖层-上覆岩层序列方便地从Deltaneset到Botneheia和Upper Adventdalen的露头出露。这些露头的积极使用在初始井规划和预测中 already instrumental。许多出版物记录了在这些露头获取的定性和定量数据。

在项目的第一阶段，露头主要用于约束紧緻且非常规的异粒储层的沉积学和结构非均质性。这涉及详细的沉积测井和裂缝测绘。鉴于裂缝在储存能力和注入性/渗透性中的重要性，在储层段的不同岩性中系统测绘了裂缝。露头数据与来自Adventdalen的钻孔相关联，以构建近井地质模型。

2008年，在Botneheia进行了一次直升机基础的激光雷达扫描活动，提供了部分山腰的数字露头模型（DOM），用于区域沉积学测绘。DOM还用于量化早白垩世火成岩侵入体的一级几何形态，这些侵入体也在群岛其他地方的较老石油勘探井中遇到。后来，运动结构摄影测量术的出现促进了具有成本效益的DOM获取， especially when combined with drone-based photographs。

主题上，研究重点从调查储层转移到盖层和上覆岩层，其中 amongst others 一个中尺度断层系统和一个砂岩注入复合体已被记录和测绘。

地球物理学

在项目运营阶段，通过UNIS和卑尔根大学的合作努力，收集了2D陆上地震数据以表征Adventdalen的地下。这些新数据与 late 1980s/early 1990s 由石油行业在斯瓦尔巴陆上和近岸获取的遗留2D地震数据以及2000年代作为Svalex活动一部分在斯瓦尔巴峡湾系统获取的学术地震线整合，Svalex是Equinor资助的年度学生课程。高沉积物速度和异质永久冻土使地震成像复杂化，但数据仍然有用以约束整体几何形态并间接将朗伊尔城CO₂实验室井与露头联系起来。露头本身是浅层地球物理调查的绝佳机会，并获取了地面穿透雷达和电阻率层析成像以分别约束储层和盖层中的断层几何形态。

在注水测试之前，安装了微地震网络 around the injection well。这包括5个浅埋（15米）地震仪与部署在DH3监测井上覆岩层中的检波器串并行操作。检波器串也部署在DH4中。

由于其可访问性和相对简单的物流，Adventdalen是许多极地地球物理活动的天然野外实验室，也包括非地震方法。其中许多使用CO₂实验室钻孔进行地球物理测量的校准并提供地面控制。例子包括使用核磁共振和可控源音频大地电磁数据的山谷范围调查，以及用于解读CO₂实验室储层-盖层序列内部几何形态的 combined TEM and magnetotelluric data profile。

报告、出版物和论文

多年来，项目产生了大量的技术和科学成果。这些出版物都在 supplementary material 中提供，并 continuously updated as an online reference library on Zotero and archived on the Zenodo data repository。

出版物按主题和技术关键词分类，包括指定相关钻孔（DH1-8）和数据类型（如电缆、物理性质、地球化学、钻芯、地震）的标签。此外，它们分为两个主要类别：1. 直接有助于表征CO₂封存地下原始项目目标的出版物；2. 将获取的数据用于其他研究目的的出版物。

此外，UNIS领导的项目从一开始就通过短期项目工作和论文让学生参与，其中一些构成了项目报告的基础。与项目合作进行的硕士和博士论文的完整列表可在附录A和B中找到，并在Zotero和Zenodo托管的在线参考图书馆中有最新数字列表。

数据整合和地质模型

为了充分利用多学科数据集，至关重要的是它们在被相关时已知并使用。这对于构建地质模型尤其如此，这些模型最终用作与流体注入测试数据历史匹配的流动模拟储层模型的输入。

各种数据集的直接整合，包括地震、地形模型、卫星图像、钻孔数据和数字化地图，允许数据可视化、联合解释，并减少了广泛数据收集的需要。通过Svalbox地球科学门户，数据整合还允许地球科学家在更广泛的斯瓦尔巴地球科学背景下使用CO₂实验室的 learnings。

潜在数据集的使用和重用

获取的数据已经产生了几个衍生研究项目，这些项目没有钻芯材料是不可能的。这些包括基础（如区域沉积学理解、 refine the global geological time scale、深时古气候）和应用科学（如朗伊尔城的地热能开发、本地能源气体表征、地下流体流动）。目前正在努力开放共享更多来自斯瓦尔巴的地球科学数据，以加强国际和跨学科合作。在此背景下，来自朗伊尔城CO2实验室项目的记录良好的数据集和受保护的岩心材料是重要的基础。

数据集一直是后续大规模研究项目的基础， notably the Research Centre for Arctic Petroleum Research (ARCEx; 2013–2021), the Norwegian CCS Centre (FME-NCCS; 2016–2024), the Trias North project (2014–2018), all funded by the Research Council of Norway, and the industry-funded Lower Cretaceous basin studies in the Arctic project (LoCrA; 2013–2018)。所有这些都资助了UNIS的博士生，他们的项目与朗伊尔城CO₂实验室数据集密切相关。此外，数据集，特别是钻芯，经常被用于改进取芯地层