二氧化碳注入引起的直达波DAS走时与振幅时序变化模拟

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Modelling temporal variations of direct-wave DAS traveltimes and amplitudes caused by CO 2 injection

本文推荐研究人员针对CO2地质封存中储层动态监测难题，利用分布式光纤声波传感(DAS)技术，开展了注入引起的直达波走时与振幅变化模拟研究。通过1.5D和2D数值模拟，揭示了CO2羽流厚度(11±1 m)和空间展布特征，证实近井地带CO2饱和度接近均匀分布(≥10%)。该研究为利用DAS实现碳封存过程精细监测提供了新方法。

　　

随着全球碳减排压力的日益增大，二氧化碳地质封存技术成为实现碳中和目标的重要途径。然而，如何有效监测注入地下的CO₂在储层中的运移分布和封存状态，一直是困扰工程实践的难题。传统地震监测方法成本高昂、分辨率有限，难以满足长期连续监测的需求。在这一背景下，分布式光纤声波传感技术应运而生，其具有成本低、空间采样密、可长期连续观测等优势，为CO₂封存过程监测带来了新的希望。

澳大利亚Otway国际测试中心开展的Stage 3项目为研究CO₂注入监测提供了理想场地。该项目向1500米深的Paaratte组砂岩层注入了15千吨超临界CO₂-CH₄混合流体，并建立了包括井下DAS电缆和永久地表震源在内的综合监测系统。Wanting Hou等人利用这一独特数据集，深入研究了CO₂注入引起的直达波走时和振幅变化特征，相关成果发表在《International Journal of Greenhouse Gas Control》上。

研究人员主要采用了三种关键技术方法：一是基于全球矩阵法的1.5D模拟，用于分析水平层状介质中波的传播；二是有限差分法的2D模拟，用于研究CO₂羽流有限横向展布的影响；三是基于Gassmann方程的流体替换理论，用于计算CO₂饱和引起的弹性参数变化。数据来源于CRC-3井的测井资料和DAS连续监测记录。

4.1. 全井段基线走时和振幅

通过对比场数据与1.5D模拟结果，发现在600米偏移距范围内，模拟的垂直应变率振幅与观测数据趋势一致。这种一致性验证了基于CRC-3井测井资料建立的基线模型的可靠性，为后续时移分析奠定了基础。

4.2. CO₂饱和区间厚度估算

通过系统改变羽流厚度参数进行正演模拟，发现当厚度为11±1米时，模拟的走时延迟和振幅变化与场数据误差最小。这一结果与前期研究估计相符，证实了DAS数据反演羽流厚度的可行性。

4.3. 均匀饱和与斑块饱和对比

研究比较了均匀饱和和斑块饱和两种模型的表现。结果显示，均匀饱和模型在饱和度≥10%时与观测数据吻合良好，而斑块饱和模型即使在高饱和度下也无法重现观测现象。这表明井筒附近CO₂分布更接近均匀饱和模式。

4.4. 横向羽流尺寸效应

2D模拟揭示了有限横向展布对波场特征的显著影响。当羽流直径小于40米时，走时延迟和振幅变化随深度减小，这一现象在1.5D模拟中无法重现。通过拟合场数据，反演得到的羽流横向尺寸与4D VSP解释的羽流边缘距离具有相关性。

4.5. 注入期间走时和振幅变化的时序演化

分析不同注入阶段的监测数据发现，最佳拟合的羽流直径随注入时间逐渐增大，100天后趋于稳定。这一时序变化规律反映了CO₂羽流在储层中的扩展过程，证明了DAS监测动态捕捉羽流演化过程的能力。

研究结论表明，数值模拟能够较好地重现DAS观测的直达波走时和振幅变化特征。1.5D模拟在描述储层区间时移效应方面表现良好，而2D模拟成功解释了羽流下方走时延迟的深度变化现象，证实这种变化是由CO₂羽流有限横向展布引起的衍射效应导致的。

该研究的重要意义在于首次系统论证了DAS直达波信息用于CO₂羽流特征描述的可行性。通过结合1.5D和2D数值模拟，不仅实现了对羽流厚度(11±1米)的准确估计，还揭示了近井地带CO₂饱和度分布特征(均匀分布，≥10%)。这些认识为利用DAS技术进行碳封存监测提供了理论依据和方法支持。

需要注意的是，当前模型在解释振幅变化方面仍存在一定局限性，这可能与复杂的羽流三维形态有关。未来工作需要开展3D模拟并结合流动模拟，以进一步提高反演的准确性。尽管如此，本研究无疑为碳封存监测技术发展迈出了重要一步，展示了DAS在碳中和领域的应用前景。