地质封存CO2的安全与监测技术

可靠、经济的监测手段是保证CO2安全、有效封存的重要部分。

监测的目的有：追踪CO2的位置、确保注入井和废弃井未发生泄漏、确定所注入的CO2的封存量。另外，根据具体场地情况，还要通过监测来确保地下水和生态系统安全及民众健康。关于C02地质封存监测方法的研究和比较已开展很多，涉及工程设计、施工和环境安全评价的全过程。

目前陆地地质封存场地的地下和地表监测内容主要有:

(1)CO2注入速率、注入压力和地层压力监测

CO2注入速率监测、井口和地层压力的实时监测和控制技术己臻于成熟。监测数据还可用于反演现场尺度的水文地质参数和多相流参数、探测储层堵塞或渗透性增高等。

(2)井孔完整性监测

井的注入部分和止水带的完整性，可以通过连续监测环空中压力和气体组成来监测。压力和成份的变化可为压力传感器或红外分析仪迅速测得。通过水泥胶结测井的周期测量，确定套管与岩石之间的粘结状态。通过套管的泄漏或井孔的直接泄漏可应用被动声波等手段进行监测。

(3)储层地球化学监测

地球化学方法可用于地下CO2运移的直接监测和认识CO2与储层流体和矿物间的反应。对流体样品的主要离子(如Na、K、Ca、Mg、Mn、Cl、Si、HCO3-、S042-等)、pH、碱度、稳定同位素、气体(如烃类、CO2及其同位素)进行分析;

对酚类及其它有毒有机化合物进行分析;

开展示踪研究，利用天然示踪剂(与注入的CO2相关的C、O、H同位素及稀有气体)或投放人工示踪剂(稀有气体、SF6、全氟化碳等)，绘制示踪剂响应曲线，分析CO2运移方向、速率，研究多相流的渗透力学属性(饱和度、渗透率等)及其变化。

(4)深部C02运移的监测

地震方法是监测深部COZ运移的常用工具。通过4-D地震，可考察CO2晕的时空演化；

或在CO2注入前和注入后，于注入井应用垂向地震剖面(VSP)方法，监测CO2晕的运移和空间展布;

于注入井和监测井应用井间地展方法，监测井间CO2晕的空间分布。并根据监测结果获取CO2饱和度的空间分布，地下深部CO2的运移也可以通过测量监测井中孔隙流体变化的方法直接确定。

通过分析流体化学组成变化(如PH、Alk、HCO3-或EC等)，判断CO2是否到达监测井。

此外，COZ的取样和分析本身指示其为注入或天然来源。示踪剂注入可更精确地确定CO2自注入并到监测井的迁移路径和速率。

如上所述，示踪剂可为人工投放的气体，如全氟化碳或稀有气体，二者都具有很低的检出限。尤其是稀有气体，在岩石介质中可较CO2运动更快，提供了CO2迁移的近似路径。某些情况下，可由注入井和监测井实现C02垂向迁移的直接测量，在套管后不同深度上采集流体样品，可以实现目的部位的周期测试，取得的流体样品可进行CO2和CO2浓度升高所致流体化学组成变化的分析。

(5)匀浅部含水层监测

因毛细突破、机械突破和富含CO2的流体与盖层、水泥反应导致的盖层、废井突破，咸水和CO2将向浅部含水层泄漏.可应用地球化学指标、示踪气体浅部含水层。

(6)包气带和地表监监测

确定CO2自储层进入包气带，进而到达地表或仅地表环境的技术有很多。CO2在近地表环境中可以自由气体或溶解态存在。探测CO2浓度增高的技术主要包括土壤气体监测和地表CO2通量监测。

分析土壤水中主要离子(Na、K、HCO3-等)，碱度、PH，烃类气体、碳稳定同位素比，可以确定CO2变化量和来源。此外，因PH变化可造成铅、砷微量元素等的活化，这些微量元素的污染或可作为CO2浓度升高的指示。土壤气体或集气箱中气体的分析和CO2同位素分析有助于确定其来源，尤其是浅部生物来源的CO2与化石来源的不同.与C02一并注入的人工示踪剂，如全氟化碳或稀有气体，检出限低，或可提供泄漏可能性的信息。地表CO2通量监测主要应用地表集气箱和涡动相关通量仪。主要问题是天然(或部分人为)CO2背景通量较大。另一问题是需要合理设计取样节点网格以实现综合援盖。