海底碳封存监测技术体系研究及未来发展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2023.071

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (11): 1121 -1144. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.071

海底碳封存监测技术体系研究及未来发展

李姜辉 ¹(

), 余凤玲 ¹, 牛雄伟 ², 周天 ³, 张运修 ⁴, 李雯菱 ¹

^1.厦门大学海洋与地球学院，福建厦门 361005
^2.自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室，浙江杭州 310012
^3.哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨 150001
^4.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳 110016

收稿日期:2023-07-09 修回日期:2023-09-25 出版日期:2023-11-10
基金资助:
生态环境部咨询项目(20233160A0073)

Advances and Future Development of Monitoring Technologies for Marine Carbon Storage

Jianghui LI ¹( ), Fengling YU ¹, Xiongwei NIU ², Tian ZHOU ³, Yunxiu ZHANG ⁴, Wenling LI ¹

^1.College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361005, China
^2.Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China
^3.College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
^4.State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

Received:2023-07-09 Revised:2023-09-25 Online:2023-11-10 Published:2023-11-24
About author:LI Jianghui, Professor, research areas include offshore carbon capture, utilization, and storage, as well as underwater acoustics. E-mail: jli@xmu.edu.cn
Supported by:
the Consultation Project of the Ministry of Ecology and Environment(20233160A0073)

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海底碳封存是减少全球温室气体排放的重要途径之一。为确保高效安全地封存CO₂，需要在封存前、封存期间和封存后对CO₂的潜在运移空间进行勘探、评估和监测。当前可用于海底碳封存监测的方式主要有聚焦海底井筒的内置传感监测、聚焦储层和盖层的地球物理监测以及聚焦海床和海水层的海底环境监测。这3种方式在海底碳封存监测中分别可获得注入、监测井筒附近的温度、压力和声学等数据，深部储层和盖层地震、电磁、重力等数据，以及浅部沉积层和海水层声学、化学和海洋学等数据，对这些数据进行分析有助于识别注入地层CO₂的运移特征。但欲获取海底碳封存监测的相关数据，必须首先实现针对相关监测技术和研究方法的集成应用和优质方案的设计，这也成为当前学术界和工程界亟待解决的难题。本着尽可能降本增效的原则，为实现科学有序地进行海底碳封存监测，整理了不同监测方式和相关支撑技术的工作原理、应用现状以及面临的挑战，并展望了海底碳封存监测技术的未来发展。研究结果将为我国海底碳封存作业的实施和发展提供基础指引。

关键词: 海底碳封存, CO₂监测, 内置传感, 地球物理, 海洋环境

Marine carbon storage plays a crucial role in reducing global greenhouse gas emissions. To ensure the efficient and safe storage of CO₂, it is imperative to monitor the potential migration of CO₂ before, during, and after injection. Current methods for monitoring marine carbon storage encompass built-in sensor monitoring focusing on the seabed wellbore, geophysical monitoring targeting reservoirs and caprocks, and marine environmental monitoring focusing on the seafloor and water column. These three methods can be used to obtain temperature/pressure/acoustic data near the injection/monitoring wellbore, seismic/electromagnetic/gravity data of deep reservoirs and caprocks, and acoustic/chemical/oceanographic data of near-bottom sedimentary layers and seawater, respectively. Analyzing these datasets is expected to reveal the migration characteristics of CO₂ injected into the formation. However, the integrated use of relevant monitoring methods and technologies and the design of high-quality monitoring strategies currently pose significant challenges for both academic and engineering communities. To enable scientific and systematic monitoring of the safety of marine carbon storage, offering essential guidance for offshore storage operations, and concurrently enhancing monitoring efficiency while reducing monitoring costs, we have compiled the fundamental principles, application status, and challenges encountered by different monitoring methods and technologies. We also anticipate future development of monitoring technologies for marine carbon storage.

Key words: Marine Carbon Storage, CO₂ monitoring, Inner-sensing, Geophysics, Marine environment

中图分类号:

P754

图1 海底碳封存相关的部分潜在风险

Fig. 1 Part of potential risks related to marine carbon storage

表1 海底碳封存监测关键技术及辅助研究方法归纳

Table 1 Summary of key monitoring technologies for marine carbon storage

关键技术	监测方式/辅助方法	监测方法或设备		主要监测目标	主要优点	主要缺点
聚焦海底井筒的内置传感监测技术	分布式光纤压力/ 温度传感	压力和温度传感器		注入井或监测井中压力和温度	可直接获取井筒及附近区域完整性信息	监测区域有限、钻井成本高
	分布式光纤声学传感	主动源地震声回波		井附近CO₂羽流轮廓
	分布式光纤声学传感	被动源地震声回波		井附近地下介质速度
	井中地震	单井观测		CO₂注入后井附近地质目标的动态变化
		井间观测
		井地观测
聚焦储层和盖层的地球物理监测技术	海底地震	二维/三维地震层析成像		流体运移通道特征	可揭示地层结构和流体运移	难以区分流体、信息获取间隔长
		时延地震		海底储层内部结构
		地震各向异性及横波分裂		储层内部裂隙分布方向及密度特征
		微地震		地层局部应力和应变
	海底电磁	地层电性差异		储层CO₂饱和度	成本低	分辨率低
	海底重力	地层密度变化		储层质量变化	成本低	分辨率低
	卫星遥感	地表抬升/下沉		岩层应变异常	范围大	成本高
	辅助方法：数值模拟	热—流—固—化复杂耦合响应		对CO₂注入地层的有效性和安全性进行评价	可获封存预期	准确性验证难
聚焦海床和海水层的海底环境监测技术	声学监测	主动声学	单波束扫描声呐	探测海底气体渗漏相关的形态特征，如海水层气泡羽流、海床麻坑、微生物群落等	探测距离远、精度高	能耗高、可持续性差
			多波束声呐
			探鱼声呐
			侧扫声呐
			合成孔径声呐
			海底剖面仪	海底浅地层风险结构	可探测浅地层
		被动声学	水听器	海底气泡振动声学特征	能耗低长续航	监测区域有限
	化学监测	二氧化碳分压（pCO₂）传感		局部海水中CO₂浓度	可归因CO₂源	可能存在时滞
		pH传感		局部海水酸碱度
		地层流体传感		孔隙水等相关离子/元素
	传感器搭载平台	水面船只		搭载声学、化学、海洋学等传感设备对海底地层及近底环境参数采样	范围大	成本高
		自主水下航行器			灵活	短续航
		水下滑翔机			长续航	载荷小
		海底着陆器			长期性	范围小
	调查方式：海洋环境背景基线	记录注入CO₂前封存区域上部海洋环境的自然状况		提供判断环境异常的基准	降低误判风险	—
	辅助方法：集成及自动数据处理	数据交叉融合		提升归因及量化准确率	提升数据处理及预测效率	—
		大数据与人工智能		提升数据处理效率		—
		数值模拟		自动风险识别、预判未来发展		验证难

表1 海底碳封存监测关键技术及辅助研究方法归纳

Table 1 Summary of key monitoring technologies for marine carbon storage

关键技术	监测方式/辅助方法	监测方法或设备		主要监测目标	主要优点	主要缺点
聚焦海底井筒的内置传感监测技术	分布式光纤压力/ 温度传感	压力和温度传感器		注入井或监测井中压力和温度	可直接获取井筒及附近区域完整性信息	监测区域有限、钻井成本高
	分布式光纤声学传感	主动源地震声回波		井附近CO₂羽流轮廓
	分布式光纤声学传感	被动源地震声回波		井附近地下介质速度
	井中地震	单井观测		CO₂注入后井附近地质目标的动态变化
		井间观测
		井地观测
聚焦储层和盖层的地球物理监测技术	海底地震	二维/三维地震层析成像		流体运移通道特征	可揭示地层结构和流体运移	难以区分流体、信息获取间隔长
		时延地震		海底储层内部结构
		地震各向异性及横波分裂		储层内部裂隙分布方向及密度特征
		微地震		地层局部应力和应变
	海底电磁	地层电性差异		储层CO₂饱和度	成本低	分辨率低
	海底重力	地层密度变化		储层质量变化	成本低	分辨率低
	卫星遥感	地表抬升/下沉		岩层应变异常	范围大	成本高
	辅助方法：数值模拟	热—流—固—化复杂耦合响应		对CO₂注入地层的有效性和安全性进行评价	可获封存预期	准确性验证难
聚焦海床和海水层的海底环境监测技术	声学监测	主动声学	单波束扫描声呐	探测海底气体渗漏相关的形态特征，如海水层气泡羽流、海床麻坑、微生物群落等	探测距离远、精度高	能耗高、可持续性差
			多波束声呐
			探鱼声呐
			侧扫声呐
			合成孔径声呐
			海底剖面仪	海底浅地层风险结构	可探测浅地层
		被动声学	水听器	海底气泡振动声学特征	能耗低长续航	监测区域有限
	化学监测	二氧化碳分压（pCO₂）传感		局部海水中CO₂浓度	可归因CO₂源	可能存在时滞
		pH传感		局部海水酸碱度
		地层流体传感		孔隙水等相关离子/元素
	传感器搭载平台	水面船只		搭载声学、化学、海洋学等传感设备对海底地层及近底环境参数采样	范围大	成本高
		自主水下航行器			灵活	短续航
		水下滑翔机			长续航	载荷小
		海底着陆器			长期性	范围小
	调查方式：海洋环境背景基线	记录注入CO₂前封存区域上部海洋环境的自然状况		提供判断环境异常的基准	降低误判风险	—
	辅助方法：集成及自动数据处理	数据交叉融合		提升归因及量化准确率	提升数据处理及预测效率	—
		大数据与人工智能		提升数据处理效率		—
		数值模拟		自动风险识别、预判未来发展		验证难

图2 海底碳封存井筒内置传感监测示意图

Fig. 2 Schematic diagram showing the built-in sensor monitoring in the wellbore of marine carbon storage

图3 海底碳封存地球物理监测示意图

Fig. 3 Schematic diagram illustrating the geophysical monitoring of marine carbon storage

图4 海底碳封存部分潜在CO₂ 泄漏路径和海底环境监测示意图
潜在泄漏路径：1.穿过盖层裂缝；2.毛细管过压；3.断层泄漏；4.储层过压扩散；5.废弃钻井泄漏；6.自然流体溶解CO ₂；7.地层内运移

Fig. 4 Schematic diagram showing potential CO₂ leakage paths and environmental monitoring in marine carbon storage
Potential leakage path： 1. through cracks in the caprock； 2. capillary overpressure； 3. fault leakage； 4. reservoir overpressure diffusion； 5. abandoned drilling leaks； 6. dissolving CO ₂ in natural fluids； 7. migration within the formation

图5 海底碳封存潜在监测方案流程图
包括海底井筒内置传感监测、海底地球物理监测和海底环境监测

Fig. 5 Flow chart of a potential monitoring scheme for marine carbon storage
Including built-in sensor monitoring in subsea wellbore， subsea geophysical monitoring， and marine environmental monitoring

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