CO2驅油封存區域土壤氣監測技術及應用＊

張媛媛張煜張建陸胤君

（1．中石化石油工程設計有限公司；2．中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司）

CO2驅油封存區域土壤氣監測技術及應用＊

張媛媛1張煜2張建1陸胤君1

（1．中石化石油工程設計有限公司；2．中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司）

針對二氧化碳驅油封存技術（CO2-EOR）國內尚無通用的環境監測方法的情況下，文章提出了土壤氣CO2的通量以及δ13C監測的重要性，并結合勝利油田CO2-EOR項目開展的環境監測工作，提出了幾點監測過程值得注意的問題：為識別CO2泄漏風險，注氣前的環境監測數據至關重要；監測區域除了涵蓋注氣井和采油井，必須考慮注氣過程中CO2地下運移的范圍，但目前尚無明確的方法計算延伸的距離；在數據分析和挖掘過程中，由于參數的表征方式不同，借助統計學分析軟件的類比功能實現監測方法之間的相互印證。

二氧化碳驅油封存；泄漏風險；土壤氣監測；CO2通量；數據處理

0 引 言

在減排溫室氣體呼聲日益高漲的國際大形勢下，二氧化碳驅油封存技術（CO2-EOR）能夠同時實現經濟效益和環境效益雙贏而備受關注［1-5］。推動該技術大規模發展的關鍵因素在于CO2-EOR的安全性、環保上是否具有持久性、可監控性和可操作性。目前，CO2-EOR技術在國內處于研發和示范階段，相關的環境監管制度和法律規定還處于空白，尤其是與長期安全性和可靠性相關的環境影響評價、環境監測等領域的環境監管能力建設亟待加強。為了評估CO2驅油封存的泄漏風險，環境監測工作按照空間結構主要分為地下的地震監測［6］和水質模擬［7］、地表的土壤氣監測［8］、植被［9］、地面變形［10］以及近地面的大氣監測［11］等。土壤氣中的部分CO2屬于深層CO2的匯，又屬于大氣CO2的來源之一，同時影響地表植被的生長［12］。因此，土壤氣CO2排放特性包含的信息最豐富也最復雜。如果分析CO2驅油封存項目向大氣泄漏的風險，土壤氣CO2排放特性是關鍵的參數之一。此外，對比其他的監測手段（如地震法、植被遙感法、GPS、干涉雷達測量等），土壤氣監測的成本低、不會產生額外的噪聲、微地震，可實施性強；土壤氣CO2排放特性識別泄漏風險更加直觀，公眾可接受的程度強，具有明顯的優勢［13］。

1 監測目的

CO2驅油封存過程可能存在兩種泄漏：一是突發泄漏，如注入井破裂導致的泄漏或通過廢油井的泄漏。突發泄漏可以通過控制油井井噴技術快速檢測，因此出現的幾率很低。二是緩慢泄漏，通過斷層、斷裂或泄漏的油井發生的泄漏。緩慢泄漏存在的風險通常是被關注的安全性問題。土壤氣監測的目的是識別CO2-EOR過程中注入油層的CO2（深層地質CO2）是否泄漏到地表，以至于影響植被、微生物、大氣等生態系統；另一個目的是定量分析CO2泄漏量。

由于土壤氣中的CO2來源很廣，除了可能來自于深層地質，土壤中有機質的降解以及地表植被的呼吸作用均可產生CO2。因此，通過土壤氣的監測定性或定量分析來自深層地質的CO2是一個復雜的過程。為了從土壤氣CO2中對來自深層地質的那部分氣體進行解析，或者說從土壤氣中排除其他來源的CO2，需要進行CO2注氣之前的土壤氣本底值監測、CO2注氣過程的監測、停止注氣（封場后）的監測。當外界環境不變的前提下，注氣前后土壤氣CO2的差值為CO2-EOR對環境的影響。土壤溫度和濕度是影響土壤氣CO2通量最重要的因素［14-16］，其隨著季節的變化給土壤氣監測工作帶來了挑戰。

2 監測對象與評價方法

為了判斷CO2-EOR是否發生泄漏，需要對土壤氣的某些參數進行監測。按照氣體的來源屬性可以分為兩類：源于生物的氣體，如CO2、CH4、小分子烴類（C2～C6）等［17-18］和非源于生物的氣體，如氡和釷［19］。深層地質的氣體組分復雜，CO2一旦泄漏到地表，其他氣體也會到達地表。CH4等輕質碳氫化合物比CO2輕，因此，如果發生泄漏，輕的氣體首先進入土壤層。從這一角度出發，通過考察CH4等輕質氣體的排放特性以判斷泄漏風險更具有時效性。由于這些輕質氣體會在土壤層中被好氧微生物降解，如被甲烷氧化菌氧化成CO2，給CO2源解析增加了難度。自然界中碳以12C，13C，14C等多種同位素的形式存在［2，20-21］，通過考察CO2和CH4的濃度及δ13C隨注氣時間的變化規律，不僅可以識別CO2的泄漏風險［13，22］，還可以計算泄漏部分的比例［20］。借助碳同位素技術識別CO2泄漏風險有一個前提：注入CO2的δ13C與油藏本身含有的CO2的δ13C存在差異。

氡、釷等非源于生物的氣體監測不會干擾CO2源解析。如果隨著時間的推移，季節的交替，發現上述氣體的含量沒有變化，證明該地區深層地質的CO2未發生泄漏，但氡、釷的監測比CO2、CH4成本高，監測方法復雜。

3 監測過程存在的問題及對策

3．1監測方案

由于土壤氣中CO2的來源復雜，在CO2-EOR項目中土壤氣的監測目的特殊，因此監測點的地貌、以及監測區域的范圍與森林、農田、草原土壤氣CO2排放特性的研究有所不同。

勝利油田CO2-EOR先導試驗區G89區塊11口CO2注氣井和采油井均位于莊稼地中，周圍農田和村莊相間分布［23］。為避免監測擾民，同時排除植被呼吸作用對土壤氣CO2通量和濃度的貢獻，監測點選在注氣井、采油井周圍26m內，以及鄉間土道與莊稼地之間的空地，土壤呼吸室覆蓋的地表無植被。

監測區域首先保證涵蓋注氣井和見效的采油井，在此基礎上，監測區域要適度放大。由于國際上對監測區域向外擴展的范圍沒有距離要求，結合項目自身的兩個特點（油、氣井分布較密，最近兩口井的距離約350 m；石油開采過程中定期分析油層的氣體組分），在監測過程中，通過監測油層的氣體組分判斷是否發生氣竄，可能會有助于估算監測區域向外擴展的方向和距離。當打開氣體監測閥門后閥口會變涼，出現白色干冰粒，即發生CO2氣竄。油氣比也是判斷氣竄的一個重要指標。對于管道運輸，參數油氣比容易獲得。但G89區塊采用罐車運輸，單井油氣比無法獲得，只能通過油井伴生氣中CO2的比例作為判斷氣竄的依據。

3．2數據處理方法

土壤氣監測數據的處理及分析過程核心問題是源解析，通過與本底值的比較、氣體組分的變化規律定性或定量分析土壤氣中注入的CO2。勝利油田G89區塊CO2-EOR先導試驗的工藝示意見圖1。

圖1 CO2-EOR工藝示意

注入油層的CO2來自勝利發電廠燃煤煙氣，氣體注入約3 000 m深的油層。土壤氣監測的對象包括：油層氣、包氣帶土壤氣及表層土壤氣。油層氣和包氣帶土壤氣受季節變化的影響不大，因此注氣前對這兩種氣體進行組分分析可以作為本底值，直接與注氣后的監測數據進行對比。表層土壤氣CO2排放特性受季節變化的影響較大，首先考察土壤溫度和濕度對土壤氣CO2通量的相關性，再將注氣前后的監測數據進行歸一化處理，轉化為相同溫度、相同濕度條件，然后進行對比。

從操作的難易程度上比較，表層土壤氣最容易；油層氣體的組分分析作為CO2-EOR工程運行的例行工作，監測數據可以從采油廠提供，但監測周期通常為單井1～3個月／次；包氣帶土壤氣的監測最難，需要鉆井，井深由潛水面的深度決定，通常為幾米至十幾米。井的直徑由放置在井內的設備尺寸決定，設備的外徑與井徑需匹配。設備安裝、固井、完井后還應保證監測井的完好，不被破壞。因此，表層土壤氣的監測點個數遠多于包氣帶土壤氣監測點個數。在三類監測對象的數據無法保證一一對應的情況下，借助統計分析軟件SPSS（Statistical Program for Social Sciences），對每類數據進行聚類分析，實現不同監測方法獲取的數據之間的相互印證。

4 結束語

為評估CO2-EOR項目的安全性和在環保上是否具有持久性，環境監測尤為重要。土壤是深層地質CO2釋放至大氣中的最后一道防線，通過土壤氣CO2通量的監測，定性、定量評估CO2微滲漏是環境影響評價研究的熱點。本文對土壤氣監測的目的、監測方法進行了綜述，并結合勝利油田G89區塊CO2-EOR項目開展的土壤氣監測工作面臨的問題，對監測方案及數據處理方法提出了一些想法：監測區域除了涵蓋注氣井和周邊見效的采油井之外，還需要考慮向外延伸。借助氣竄的方向和距離初步計算研究區域向外延伸的長度，但目前國內外尚無一種明確的計算方法；監測數據的處理，可以借助SPSS軟件對數據進行聚類分析，進而實現不同監測方法的相互印證。

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1005-3158（2014）04-0049-03

2013-05-30）

（編輯 王薇）

10．3969／j．issn．1005-3158．2014．04．016

＊國家“十二五”科技支撐計劃（2012BAC24B05），勝利石油管理局博士后基金。

張媛媛，2012年畢業于清華大學環境學院，博士，現在中石化石油工程設計有限公司工作，主要研究方向：二氧化碳捕集、驅油與封存的環境影響評價；固體廢物資源化處理處置。通信地址：山東省東營市濟南路49號，257026