随着加拿大Weyburn油田CO₂-EOR驱油及封存项目、挪威Sleipner气田CO₂咸水层封存项目、英国BP 石油公司在阿尔及利亚的In Salah 咸水层碳封存项目、国际上首个商业化运营的最大规模的燃煤电厂CO₂捕集与盐水层封存项目— — Saskpower Boundary Dam项目获得成功, 全球越来越多的国家和地区在开展CCS项目。根据澳大利亚全球碳捕集与封存研究院（Global Carbon Capture and Storage Institute）2014年的统计^[11], 目前全球共有18个国家总共55个处于不同阶段的大规模的CO₂捕集和封存项目。其中正在商业运行的共有13个。我国目前处于CCS 技术的初期, 国内正在开展的全流程CCS项目包括鄂尔多斯神华煤制油CO₂咸水层封存项目、陕西延长石油集团靖边油田CO₂-EOR 项目、中石化胜利油田CO₂-EOR 项目、吉林油田CO₂-EOR 项目。CCS技术已被列为中美气候变化联合声明中重点支持的技术领域, 也是国家重点支持的战略性新兴技术产业。

CCS项目主要包含3个环节, 即CO₂的捕集、运输和地质封存。CO₂地质封存是CCS项目的核心, 需要确保CO₂安全地封存于地下200~1000年以上, 特别是针对不同地区圈闭的特点及井场特点, 如何观测、监测与证实地质封存的安全、可靠性与CO₂泄漏的风险, 成为CCS技术的最大挑战。环境监测是CO₂地质封存区合理性评估的重要手段^[12], 以四维地震为代表的地球物理监测则是监测注入CO₂在地下深部储层内部变化的最有效方法^{[13, 14]}。

在进行CO₂的封存过程中和封存完毕之后, 科学家需要证实CO₂的注入量与封存量是否一致^{[13, 15]}。需要进一步预测储层内的压力变化, 包括可能二次封闭CO₂的其他地层内的压力是否趋于稳定, 而不至存在可能导致触发原有断裂张开、产生新裂缝、突破盖层封堵压力、触发封井的水泥开裂等导致CO₂泄漏的高压^[16], 以及因CO₂注入导致储层压力的变化在注入区诱发地震^[17]。而储层内CO₂的饱和度与压力的定量预测, 则是证实与预测CO₂注入量与封存量相等的关键, 也是所有监测技术, 包括地震监测技术的难点^[18]。

挪威科技大学的Landro等^[25]最早开展了四维地震的PP与PS波AVO联合反演砂岩储层流体压力与饱和度研究。科罗拉多矿院的Davis等^[26]在美国新墨西哥州Vacuum Field开展了第一个四维3D9C研究, 随后Davis^[27]在Weyburn碳封存项目中开展四维3D9C监测CO₂地质封存过程中的裂缝分布, 及CO₂泄漏点识别研究。Davis课题组^[28~31]还开展了科罗拉多非常规气田Rulison Field盖层的时移多分量监测, 和Rulison Field时移多分量谱分解研究。并在Louisiana的Delhi Field运用时移多分量技术开展残余油饱和度预测, 并利用转换横波分裂进行盖层完整性及储层注入CO₂后盖层压力变化情况研究, Martí nez等^[32]在Weyburn碳封存项目中, 通过岩心岩石物理实验, 研究了CO₂注入过程中盖层纵、横波速度随储层孔隙压力的变化关系。Bale等^{[33, 34]}在EOR监测重油过程中采用时延多分量中横波分裂研究应力状态, Grossman^[35]研究了加拿大Alberta省西北Pouce CoupeField油田, 非常规油气藏多分量时移地震中横波分裂与油气产量之间的关系。Sayers等^[36]的研究表明岩石（包括储层）所受水平最大应力方向对应产生的裂缝方向。一般顺裂缝方向速度快而垂直裂缝方向速度慢, 横波遇到裂缝可以发生分裂。Dillen^[37]发现应力各向异性也可以导致横波分裂。而我国虽然在油气与煤田勘探行业开展过三维多分量地震勘探^{[22, 38, 39]}, 但是国内尚未开展四维多分量地震采集。目前国内开展的CO₂地质封存项目地震监测中, 吉林油田开展了井间地震与微地震监测^[40]。胜利油田高89区块在2007年底开始注入CO₂, 在1992采集了本底（Baseline）三维地震数据, 和2011年采集了第二次三维地震, 这是也国内目前唯一的时延地震监测CO₂-EOR的数据, 即非严格的四维地震采集。神华煤制油CO₂咸水层封存项目开展了本底（Baseline）三维地震数据监测和多个方向的注入CO₂前后两次的时移VSP监测^[41]。陕西延长石油集团在其第二个CO₂-EOR工区吴起油田油沟油区, 采集了10.68平方公里本底（Baseline）三维地震监测数据^[42]。但是这些项目都没有开展四维多分量监测。

图1

Fig. 1

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	图1 多分量地震勘探示意图[24]Fig. 1 Map of converted-wave exploration[24]

3.2.1 成本优势

相比传统四维地震勘探, 四维多分量地震勘探成本稍高。四维多分量地震勘探与常规纵波勘探采用同样的震源, 但采用多分量检波器接收数据。油价增长乏力的今天, 如果在CO₂地质封存中使用四维多分量地震勘探技术, 那么在增加勘探成本不多的同时, 可以采集到更多、更有价值的地震信息。

比如, 在加拿大Weyburn碳封存项目中, 到目前为止采集了5次三维三分量（3D3C）地震资料（图2中Phase 1A）, 其中Baseline地震数据采集于1999年12月, 2000年10月开始注CO₂, 随后在2001年12月（注入量100万吨）、2002年12月（注入量280万吨）、2004年12月（注入量370万吨）、2007年7月（注入量740万吨）采集了4次监测数据^[43]。与此同时, 科罗拉多矿院Davis课题组^[27]在Weyburn主要封存区域边缘的很小区域（图2中Phase 1B）, 分别在注入CO₂前的2000年10月、注入一年后的2001年10月和2002年10月, 采集了3次三维九分量（3D9C）地震资料。

国外的四维地震采集成本相对中国来说要低得多, 主要是四维地震采集的设备和劳力直接来自大学, 这就比地球物理公司采集成本低得多。而在这些大型科学实验的项目中, 地球物理公司往往也是以赞助者身份赞助震源等设备与资金。即便如此, 每次地震采集中, 炸药震源和检波器埋置都难以与上一次一致, 这种重复性的打井激发与埋置检波器, 还造成了采集成本的上升。因此, 国外的研究人员开始进行永久型检波器埋置和可控震源激发的CO₂四维地震监测研究。加拿大Saskpower Boundary Dam CCS项目的四维地震采集即采用这种方式进行^[14]。

图2

Fig.2

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	图2 Weyburn油田CO2地质封存项目地震工区Fig.2 Map of the 4D seismic monitoring area in Weyburn CCS project

3.2.2 更为丰富的流体、岩性信息

四维多分量地震勘探采用纵波激发, 多分量检波器接收, 接收到传统纵波信息的同时, 也采集到P-SV波和P-SH波的信息, 兼具纵波、横波的勘探优势。

多分量地震勘探的最主要的目的是获取精确的横波信息, 与已知的纵波信息相结合, 利用岩石物理参数之间的联系^[44]：

式中：v_p, v_s, ρ 分别是纵波速度、横波速度和密度; E, μ 分别是杨氏模量和剪切模量; _K是体变模量; λ 是拉梅常数; σ 是泊松比; θ 是体变系数; P是压力。

由公式（1）~（6）可知, 只需要知道其中2个参数, 就可以提取出剩下的岩石物理参数。

在四维多分量地震勘探中, 可以从单次多分量地震剖面上提取到精确的纵、横波信息, 结合岩石物理理论, 从与岩性密切相关的纵横波速度比和泊松比出发, 结合密度、杨氏模量等岩石物理参数, 通过对比多次多分量地震勘探的结果, 在CO₂地质封存中, 研究地下封存区储层物性特征随着CO₂注入发生的变化。

横波速度小, 波长短, 在剖面上有利于提高地震资料的纵向分辨率, 图3是Weyburn地区2001年转换波剖面与纵波剖面的对比。

图3a左侧为转换波剖面, 图3b为纵波剖面。由于横波速度比纵波慢, 理论上转换波剖面的纵向分辨率要高于纵波剖面。从图中可以看出, 转换波剖面上的地层信息非常丰富, 特别是对于薄层的描述更为精细, 相比纵波剖面, 左侧的转换波剖面上Marly, Bakken等层位信息更加丰富。

图3

Fig. 3

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	图3 Weyburn地区1999年采集的（a）转换波剖面与（b）纵波剖面对比Fig. 3 Comparisonbetween (a) PS-wave section and (b) PP-wave section acquired in 1999 at Weyburnfield

在CO₂地质封存中, 确定CO₂在储层中的分布范围、储层压力变化是评估CO₂封存安全性的重要指标。横波速度对于流体变化不敏感而对压力敏感, 而纵波速度受压力和流体包括CO₂饱和度的双重影响, 单独利用纵波速度是无法区别压力与CO₂饱和度的影响^[45]。因此, 通过多分量地震资料中纵波、转换横波结合的特征, 在转换波剖面中分离出纵、横波分别对地震信息的影响, 进而从横波信息中确定压力对地震资料的影响, 反演出储层内部孔隙压力随CO₂注入的变化情况^[46]。再结合纵波资料, 分别反演出储层压力、储层中流体包括CO₂饱和度。在此基础上, 绘制出基于单次多分量地震勘探的储层压力分布图、注入CO₂前储层的流体饱和度或注入过程中储层CO₂饱和度分布图, 确定因注入CO₂对于储层压力以及储层CO₂饱和度的影响。

图4是Wang等^[45]最早开展的CO₂驱替下, 不同孔隙度的碳酸盐岩储层岩样纵、横波速度随着注入孔隙压力和CO₂饱和度综合变化的情况。其中, , 实验的孔隙压力从8.3MPa增加到15.9MPa, 而上覆压力保持为20MPa。实验表明, 当注入CO₂饱和度从3%增加到11%时, 纵、横波速度在高孔隙岩样中平均降低9%, 而在低孔隙岩样中降低4%。

在四维多分量地震勘探中, 通过多次三维多分量地震勘探, 可以确定注入CO₂前自然开采或者注水开采油气过程中储层压力与油水饱和度, 以及注入一定量CO₂时储层的压力分布以及储层CO₂饱和度分布。通过对比不同期次的三维多分量地震勘探的结果, 比较注入CO₂前以及注入一定量CO₂时, 储层的压力分布变化以及储层CO₂饱和度变化。然后, 通过CO₂饱和度的变化计算CO₂在地下储层的封存量, 结合CO₂注入量, 评估CO₂封存效率, 通过CO₂在储层中的饱和度与压力分布范围变化, 确定CO₂在地下的扩散路径, 寻找可能的CO₂泄漏区域与泄露风险区域。同样, 四维多分量地震监测获得的储层压力与CO₂饱和度分布, 可以与孔隙压力波等数值模拟结果互相印证^{[46, 47]}。并且与地表环境监测数据互相印证^[12], 证实有无地表的CO₂泄露量、泄露量大小与地下实际的封存量。

3.2.3裂缝定向及确定裂缝分布

在多分量地震勘探中, 当反射横波穿过裂缝时, 质点振动分裂成两个方向, 其中一个震动方向垂直于裂缝方向, 另一个震动方向平行于裂缝方向, 这就是横波分裂现象（图1）。横波分裂后2个分量速度不同, 但2个分量之间会产生干涉, 从而降低采集信息的信噪比, 使得从地震记录中区分快慢横波信息变得更加复杂。当快慢横波的偏振方向与所选自然坐标系一致时, 平行裂缝与垂直裂缝方向的地震记录就正好是快慢横波的地震记录。因此, 可以通过运用不同的方位角对两个分量的地震记录进行旋转来获得裂缝方位角^[48]。最小熵旋转法^[49]、正交基旋转法^[50]及全局寻优法^[51]是用来计算裂缝方位角的常用方法。

图4

Fig. 4

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	图4 McElroy碳酸盐岩不同孔隙度岩样的CO2饱和度与孔隙压力双重作用的纵、横波速度变化情况[45]Fig. 4 Combined effects of CO2 saturation and pore pressure on Vp and Vs in the McElroy sampleswith different porosity[45].

为了更合理的定量描述裂缝, Thomson^[52]提出了3个各向异性参数 ，∈，γ，δ, 其中, ∈代表纵波各向异性的强度, γ代表横波各向异性或横波分裂强度, δ代表影响纵波在近垂直方向上速度大小的参数。 ∈和 γ是裂缝密度的函数。

在一次多波多分量勘探中, 通过多分量转换波获得横波分量数据V_SV和V_SH, 结合纵、横波速度V_P, V_S, 横波分裂参数 γ可以表示为：

γ=VS22-VS122VS12(7)

Hudson等^[53]建立了裂隙介质的岩石物理理论及其裂隙中充填流体时, 裂缝密度与PS₁和PS₂速度的关系。这成为利用转换横波定量预测裂缝分布的物理基础。

因此, 在单次转换波多分量地震勘探中, 可以通过对PS₁波和PS₂波数据进行处理分析, 从采集到的多分量地震剖面数据中获得裂缝方位角和裂缝密度。这样在CO₂地质封存中, 可以用于评价在注入CO₂之前或注入一定量CO₂时储层的裂缝发育情况。利用四维多分量地震监测技术, 确定不同CO₂注入量时裂缝的发育情况, 对比不同注入期次储层裂缝的变化情况, 寻找CO₂在地下的运移路径或突破方向, 确定CO₂在地下的优势运移通道, 为判断CO₂是否封存于目标区或运移出封存区外提供依据。同时, 对比注入前后裂缝的发育情况, 确定除原始裂缝发生变化改变, 是否有新的裂缝生成。通过对储层裂缝的发育情况进行比较, 确定注入CO₂在储层中优势运移区, 评估CO₂在储层中的封存效果, 为后续CO₂注入方案提供依据。