将无法减排的二氧化碳等温室气体捕集利用和封存，是绿色低碳化发展道路上实现零碳甚至负碳排放目标必不可少的技术途径、关键托底技术和最后手段，也是化石能源清洁化利用的重要配套技术，是构建兼具韧性与弹性能源系统的关键技术，二氧化碳地质封存具有规模化应用的巨大潜力和较好的商业化应用前景。在碳中和愿景下，地球物理行业应发挥优势，完善体系，大力开拓地质碳封存技术服务市场。地球物理技术在二氧化碳地质封存工程中具有独特而不可或缺的作用，主要表现在３个方面：①二氧化碳地质封存空间的选择和评价；②封存有效性监测与评价；③封存安全性监测与评价。

相对油气勘探来说，二氧化碳地质封存中的地球物理监测技术应用存在一些特殊要求，包括永久性（或长期重复性）、动态性和低成本，尚面临着一系列的技术性与经济性挑战。二氧化碳地质封存地球物理监测技术体系尚不成熟，有待进一步完善和优化，以期在监测系统的有效性、高效性、经济性等方面实现良好的综合平衡和优化。多种地球物理监测技术的联合应用，DAS与节点地震仪永久埋置部署、被动源微地震监测、自动化处理与智能化分析是重要发展方向。

一、地球物理技术在地质碳封存工程安全性监测与评价中的应用

在地质碳封存工程实施阶段及后期，需要长期进行二氧化碳地质封存的安全性监测与评价，地球物理的主要任务是为下列地质任务提供技术支撑：

① 地下构造稳定性监测与评价；

② 地表变形监测与评价；

③ 盖层稳定性监测与评价；

④ 断层稳定性监测与评价；

⑤ 诱发地震监测；

⑥ 二氧化碳泄漏监测。

当前安全性监测预期可用的地球物理方法包括：三维地震、微 地 震、近 地 表 电 磁、卫星遥感等监测技术。目前的安全性监测主要针对地表形变、二氧化碳泄漏和诱发地震，而关于地下构造稳定性监测尚存在较大的技术挑战。由于地质碳封存工程地球物理监测实例有限，少见有发生安全性事件的实例。

１、地表形变监测近年来，空间技术发展迅速，基于卫星的对地观测成为一种低成本、大范围、高频次的地表环境观测技术，大地测量学方法可以检测地下储层压力变化所诱发的地表形变异常。全球卫星定位与导航系统（GNSS）可以实现地球表面毫米级的三 维空间定 位和位移量估 计，可以用于地表控制点上的位移量监测。基于卫星观测的干涉合成孔径雷达（InSAR），利用反射微波或雷达波的相位延迟来估计地表探测点的位移量，观测精度达毫米级，且能够以扫描方式实现面上观测，用较低的成本进行地表形变异常观测与分析，从而评估二氧化碳地质封存对地下构造稳定性和地表环境的影响，作为地质碳封存地质安全性的低成本长期观测手段。

干涉合成孔径雷达在多个地质碳封存项目中的试验取得了良好效果。如在阿尔及利亚Salah强化采气示范项目的应用中揭示了二氧化碳注入后沿断层／裂缝带的运移，在注入井上方产生了可观测的地表形变（图１）。３口注入井上方都显示了地表抬升，平均每年上升３ｍｍ，而KB－502注入井上方还观测到二氧化碳注入沿断层／裂缝带运移所产生的地震反射旅行时窄带条状下拉异常。

进一步研究可以构建地表形变与地下储层流体注入导致的体积变化之间的关系模型，可由地表形变观测结果反演估计储层内流体体积 变化的空间分布。

图１Ｓａｌａｈ项目ＩｎＳＡＲ观测获得的地表垂直形变结果

２、二氧化碳泄漏监测地表二氧化碳排放测 量可以用于评估不同地貌情况下的自然排 放；也可以用于监测工业污染排放或二氧化碳地质封存工程中的泄漏。一种基于便携式激光遥感的方法可以通过角度扫描的方式获取一维二氧化碳浓度剖面，然后利用多点扫描得到的多条一维剖面进行层析成像反演获得二维平面浓度分布，获得的结果代表地表面积二氧化碳排放强度，从而据此寻找二氧化碳排放或 泄漏口位置。基于卫星和无人机 的对地多光谱观测数据，也可以用来监测地表的二氧化碳、甲烷等温室气体泄漏。图 2 为在意大利Solfatara火山口基于３个测量点用扫描式激光遥感测量仪获得一维二氧化碳浓度剖面并通过层析成像反演得到的二氧化碳排放浓度（ＸCO₂）平面分布图。

图 2  遥感测量层析成像反演得到的二氧化碳排放浓度平面分布

地表土壤电阻率测量和近地表电阻率层析成像结果可以作为地表二氧化碳泄漏口检测的一种工具。近地表土壤电阻率分布与二氧化碳浓度和通量存在明显的相关性。

二、地质碳封存地球物理监测面临的问题与挑战

大规模的二氧化碳地质封存需要进行地质封存站点的可行性分析和评价，更需要进行长期的有效性和安全性监测和评价，这依赖于地球物理技术的长期性和重复性监测。二氧化碳地质封存的地球物理监测以时延地球物理方法为主，即通过地球物理重复观测实现对二氧化碳封存过程的动态监测。地球物理方法以地震方法为主，包括三维地震、井间地震、井中地震（VSP）、微地震等，其它方法还包括卫星遥感、时延电磁、时延重力和测井等方法。地震勘探是二氧化碳地质封存监测的最主要工具，试验表明绝大多数二氧化碳地质封存项目和二氧化碳增强油气开采项目都得到了清晰的时延地震异常，时延地震成果可以应用于二氧化碳运移扩散监测、泄漏监测和油藏模型的精细化。微地震监测是二氧化碳运移扩散羽流分布和诱发地震的有效监测工具，井中地球物理监测具有受浅层变化和浅层噪声影响小、时延观测重复性好的优势。时延电磁和时延重力测量的观测效率高、成本低，但分辨率和灵敏度比较低。卫星遥感则是地表形变与二氧化碳泄漏监测的一种快速且经济有效的手段。

地球物理技术在地质碳封存工程中能够发挥积极而独特的作用，尤其是在地质封存空间选择与评价中的应用，基本可以沿用油气勘探开发中的地球物理油藏描述技术，但地质封存有效性和安全性地球物理监测仍面临诸多问题与挑战。面向地质碳封存工程应用的地球物理技术尚不是成熟的商业化技术，尽管部分技术已经在地质碳封存工程中得到了一定程度的试验性应用与良好的效果，但从大规模商业化应用视角来看，其地球物理技术体系尚有待进一步优化和完善。

地质碳封存地球物理监测技术应用面临３大问题。

１）地质碳封存工程中应用的地球物理技术主要来自于油气、煤炭和矿产资源勘探开发中的地球物理技术，技术的适应性和有效性尚有待进一步试验和论证，方法技术和作业流程尚有待进一步优化，以适应地质碳封存工程特殊的场景条件和技术需求。

２）地质碳封存地球物理监测技术应用整体上尚处于试验和评估阶段，至今尚未建立完整和成熟的地质碳封存地球物理监测技术体系和标准规范。不同地质条件下地球物理监测技术的方案选择和设计存在一定差异，目前尚未形成系统的理论与技术体系。

３）地质碳封存项目中在封存空间选择与评价、有效性监测与评价、安全性监测与评价３个方面都需要地球物理技术支撑，但地球物理技术在这３个方面的应用条件和技术需求存在明显的差异，因此需要根据不同应用场景、条件和目标选择及构建不同的地球物理技术系列和创新技术方法。

地质碳封存地球物理监测技术应用面临４个重大挑战。

１）地质碳封存的有效性和安全性监测是长期的，因此需要构建与之相适应的地球物理数据采集、数据处理和分析流程和技术。为实现长期的重复性时延地球物理观测，永久埋置部署数据采集系统是实现高可重复性的最佳途径。发展满足地质碳封存有效性和安全性监测需求，永久部署地球物理数据采集设备成本可控，适应一定周期重复观测或连续观测要求的地球物理监测技术，是我们面临的第一个重大挑战。

２）地质碳封存过程中地下储层处于动态变化的进程中，二氧化碳泄漏或诱发地震等存在突发性或破坏性。发展具有短周期重复观测或连续观测、快速数据处理和风险评估与预警功能的地球物理监测技术，是我们面临的第二个重大挑战。

３）地质碳封存的有效性和安全性监测是长期的，需要多次重复观测或连续观测，因此地球物理监测的经济性是一个重要指标。目前常用的三维地震、时延地震等技术的应用成本过高，难以满足地质碳封存工程的经济性要求。发展低成本的地球物理监测技术，是我们面临的第３个重大挑战。

４）地球物理监测应为地质碳封存工程的全生命周期提供动态信息支撑，发展面向二氧化碳地质封存场景应用的岩石物理、流体力学数值模拟、地球物理响应模拟、储层参数地球物理反演、地下储层模型建立与动态更新等组成的完整技术体系与软件系统，是我们面临的第４个重大挑战。

三、地质碳封存地球物理监测技术发展展望

面向二氧化碳地质封存工程应用，在地质封存工602石油物探第62卷程前期论证与规划设计阶段，需要进行地质碳封存的空间选择与评价。该阶段所采用的地球物理方法基本可以沿用油气勘探中油藏描述所常用的地球物理方法，主要是用三维地震资料进行储层评价和油藏描述。在地质封存工程实施阶段及后期，需要进行地质碳封存有效性和安全性的动态监测与评价，该阶段地球物理技术的应用与油气勘探开发中的应用既有诸多共同点也有一些不同点，需要根据地质碳封存工程应用场景、条件和目标的特点发展具有针对性的地球物理技术，制定具有针对性的技术应用流程。

根据地质碳封存工程中应用场景、条件和目标的特点，地质碳封存地球物理监测技术的未来发展具有以下５个特点。

１）永久性。作为长期性监测技术应具有永久性部署、重复性或连续性观测特征。

２）动态性。基于重复性或连续性观测数据对地下空间进行动态监测，应建立满足此业务要求的增量式数据处理与迭代型解释建模流程，构建具有时空变化的动态模型。

３）智能化。永久性部署、重复性或连续性监测决定了监测数据的处理和分析应是自动化和智能化的，并体现一定的实时性特征，即通过自动化智能化工作流程实现长期的实时性处理与分析。

４）环境友好。数据采集系统应适应不同应用环境，对复杂地表具有良好的适应性和HSE友好性，同时适用于主动源与被动源观测。

５）低成本。系统的部署和运行应具有低成本经济性，以适应工程低预算条件，常规的时延地震成本过高不适合经常性重复观测或连续性观测。

面向地质碳封存工程应用的地球物理监测技术尚在发展中，其地球物理技术体系有待进一步优化和完善，未来研究和发展可主要集中在以下几个方向：

１）二氧化碳地质封存机理及岩石物理理论与技术；

２）二氧化碳地质封存空间评价地球物理技术体系及流程标准化；

３）二氧化碳地质封存运移羽流体数值模拟技术；

４）二氧化碳地质封存地下应力状态变化数值模拟技术；

５）二氧化碳地质封存运移羽流地球物理响应正演模拟技术；

６）二氧化碳地质封存运移羽流地球物理监测成像与反演技术；

７）二氧化碳地质封存地下构造形变与应力状态变化地球物理监测技术；

８）二氧化碳地质封存地表形变地球物理监测技术（卫星遥感技术为主）；

９）二氧化碳地质封存泄漏地球物理监测技术（微地震、卫星遥感等技术）；

１０）二氧化碳地质封存诱发地震地球物理监测技术（微地震技术为主）。

从地球物理监测的观测方法角度来看，由地面和井中永久部署的DAS系统实施时延地震观测和微地震观测以监测二氧化碳注入运移扩散动态分布、储层状态和储层性质动态变化、断层活动性和二氧化碳泄漏路径；由稀疏节点地震仪永久部署实施主动源和被动源地震观测以监测二氧化碳注入运移羽流前缘、诱发地震，由卫星干涉合成孔径雷达系统实施地表形变监测，由卫星或无人机对地多光谱成像观测实施地表二氧化碳泄漏监测，是未来地质碳封存地球物理动态监测技术的重要发展方向。智能地震节点仪既适合稀疏采集节点的永久性部署，又适合超高密度观测应用，对复杂地表具有良好的适应性和HSE友好性，同时适用于主动源与被动源观测，具有低成本和高效率的优势。利用微地震监测长期记录的背景噪声进行干涉地震分析，获取地下介质的动态变化信息具有一定的发展潜力。

从地球物理监测的数据处理与分析角度来看，地球物理监测数据的实时化采集、自动化处理流程、智能化分析、预警信息与建议方案即时发布，增量式数据处理与迭代式地球物理建模，多源数据融合应用与一体化模型建立，地学数字孪生与虚拟现实（VR）技术在运行决策支持平台环境中的应用，是未来地质碳封存地球物理动态监测技术的另一个重要发展方向。

文章来源：赵改善．二氧化碳地质封存地球物理监测：现状、挑战与未来发展［Ｊ］．石油物探，2023，62（2）：194－211