作者：Trevor K. C. Pugh
导言
碳捕集、利用和封存（CCUS）已成为帮助减少温室气体排放的一项重要技术。有关 CCUS 的最大问题是
与长期储存捕获的二氧化碳相关的环境风险。任何密封破损和泄漏都可能抵消捕获和封存二氧化碳排放所带来的最初环境效益。
由于注入率低，该技术多年来一直被称为低风险技术。CCUS 最常见的监测方法主要侧重于监测封隔层破裂的风险以及盖岩和/或井的完整性。这通常被认为是存储设施的容量限制和永久性密封。有几项研究强调了由于注入二氧化碳而诱发地震的风险。
ESG Solutions 与一家运营商合作，为加拿大阿尔伯塔省的一个项目提供长期地震监测。运营商的团队利用收集到的微震数据来更新现场的地质力学模型。这项研究还证明了在注入作业期间进行持续监测以确保存储控制和封隔永久性的重要性。
此外，还指出记录的数据类型和收集方法将随着时间的推移而变化，以便提供一个一致的、具有成本效益的解决方案。
根据 ESG 的经验，CCUS 运作的主要监测目标是
- 降低风险
- 遏制
- 避免故障启动
- 诱发地震
- 二氧化碳羽流范围
- 岩帽完整性
我们从地质力学模型中得知，由于注入率和储层容量较低，二氧化碳注入造成的压力不应该产生新的裂缝或激活现有断层。因此，在二氧化碳注入过程中改变应力机制已成为多项研究的主题，并被认为是引发微地震事件的主要因素。
在对该项目的长期监测过程中可以明显看出，毛岩的横向范围和完整性并不是微地震监测直接测量的因素。
不过，在过去 15 年里，电磁成像技术在监测水力压裂深层流体注入、回流检测和 EOR 分析方面被证明是有用的。本文将讨论电磁成像与微地震分析相结合在 CCUS 空间监测中的应用。
对用于流体注入的受控源电磁（CSEM）监测的最新认识发展，为监测封存二氧化碳的长期封存情况提供了重要的补充工具。
背景介绍
位于加拿大艾伯塔省萨斯喀彻温堡附近的 Quest 碳捕集与封存（CCS）设施于 2015 年开始注入二氧化碳。二氧化碳被注入 2 千米深的深盐水含水层。预计这些二氧化碳注入会产生极小的地震，但如下图 2 所示，随着时间的推移，累积应力的长期增加导致记录的地震次数增加。
这些数据有力地表明，对 CCUS 运行可能产生的影响进行长期监测非常重要。然而，了解羽流迁移的全部范围和毛岩的完整性将有助于更好地了解项目的能力和长期稳定性。这正是电磁成像能够为 CCUS 运营商提供巨大帮助的地方。
CSEM 散射场响应及其工作原理
如不熟悉 ESG Solutions 使用的陆上 CSEM 技术，请参阅参考文献 [8,9,10]。典型的陆上 CSEM 设计（如图 3 所示）由以下部分组成：
- 基于表面的电场传感器阵列，对纳米伏特区域非常敏感
- 由接收器和发射器组成的表面阵列，时间精确到 10 纳秒以内，不会随时间漂移
- 可产生强大功率的表面发射器（目前可提供 250 千瓦的功率）
- 一种表面发射器，使用 PSEURO 随机数字（PRN）编码来产生设计的宽带、平坦、低频信号，该信号可在数天内保持稳定，其频率内容与近乎无限的脉冲信号相同。
- 目前，这是一张 X、Y 二维地图--可通过信号强度暗示垂直流体填充情况，并通过相位随时间的变化暗示岩石破坏情况
- 重新计算并显示延时差分场或散射场响应。
为了创建流体注入的二维图像，在流体注入操作开始时测量的总电场在频域中与继续注入时的读数相减。这就产生了振幅和相位的散射场响应。
如图 4 所示，散射场响应与地下流体活动直接相关。
通常情况下，在 CSEM 领域，这些响应的建模方法是基于求解麦克斯韦方程组（准静态）的公认正向建模方法，如下图所示。这些方法适用于海上勘探目标中的大型静止电阻/导电目标。然而，正如本文将解释的那样，流体注入会改变物理机制，而这些机制在这些方程中无法充分描述，因为它们可被视为产生电磁场的额外 "发射 "源。
流媒体潜力 (SP)
传统的流电位（SP）方法是一种被动地球物理工具，用于测量流体流经地层时产生的自然电场或电压[4,5]。SP 技术被广泛应用于监测大坝渗漏、估算水文地质中的水力传导性、监测火山和地热活动以及油气行业的测井等领域 [1,3,6,7]。SP 方法的一个优点是无需主动的人造激励源即可轻松获取数据。
将这种响应与表面上的有源 CSEM 源相结合，可同时检测 SP 和 EM 响应。有趣的是，在没有 CSEM 发射器的情况下，SP 响应的频率要比预期的高得多。这就产生了一种独特的测量系统，可同时对以下信号做出响应：
- 压力和流速变化引起的流体潜能
- 常规 CSEM 电阻率测量
- 先进的 CSEM 响应，包括阻抗、电抗和磁阻（电阻、互感和电容）的频率变化
岩石中低频的介电常数
此外，科罗拉多矿业学院[12]还就岩芯中各类岩石的低频介电常数开展了大量工作。这项工作表明，在低频电磁建模中不仅必须充分考虑介电常数（介电常数比），而且介电常数比值很大（10^6），各向异性高达 100:1。
这使我们对 CSEM 数据的相位响应有了新的认识。相位变化与岩石破坏密切相关。层状岩石开裂会改变垂直介电常数，从而引起可探测到的相位变化。有关这方面的更多详情，请参阅参考文献[11]。
流电位和 CSEM 的讨论和数据示例
如图 6 所示，在该 CSEM 数据中，位于地表且靠近浅层作业注水井的一个传感器测得的散射电场（下图）与注水井井眼压力（蓝色）和泵流量（红色）有很强的相关性。这表明在 CSEM 测量数据中 SP 信号占主导地位。
然而，这一观测结果的一个无法解释的问题是测量到的电磁数据中的频率内容。图 6 中沿时间的电磁轨迹是 100 赫兹的散射响应，而通常认为 SP 信号应接近直流。
观测到的 CSEM 散射场数据与传统 SP 信号在频率内容方面存在不一致。
此外，根据通常的三维电磁模型预测，低频 CSEM 散射场的信号强度大约比观测到的小 1 到 2 个数量级。这是观测数据与预期数据之间的进一步不一致。
下图展示了这种关系在现实世界中的其他例子：
图 7 描述了水力压裂作业中的另一个示例，其中显示了压力、注入流体、支撑剂和发射器归一化散射场 CSEM 响应之间的关系，该压裂作业在 ~3000 米深处进行，频率为 10Hz。
图 7 中有许多值得注意的特点：
- 与压裂位置水平距离较远的传感器的响应延迟
- 建议使用一种以上的信号类型，如蓝色圆圈和红色方框所示
- 泵送开始时反应较大
- 较小的响应需要更长的时间才能在数据中表现出来 - CSEM 的典型特征
- 数据高度本地化到与压裂台垂直相邻的表面阵列上
数据中的所有这些特征，以及得克萨斯大学德文试验场的一些未发表的额外数据，为下文讨论的与流体流动和 CSEM 相结合的电磁方程的修订提供了动力。
模型与实地数据的比较
下图 8 显示，包括三维电磁和 SP 的建模可以解决现场采集的信号与 SP 分析解决方案和三维电磁建模预测信号之间的差异。
请注意，右侧的三维电磁建模预测最大电压为~3.5e^-7V/m，而左侧的实际数据测量值为 5e^-6 V/m。中间图像中添加的 SP 建模在更大程度上解决了这一差异。与观测数据完全匹配后，可得出以下 spCSEM 方法。
新的 spCSEM 建模算法（专利申请中）
基于对外部电磁激励源下 SP 机理的理解，本文提出了一种新的 spCSEM 建模算法。除了正常的激励电流𝐉𝐞，流势能电流𝐉𝐬p 可被视为产生 spCSEM 电磁信号的附加源。流势电流 𝐉𝐬p�可由公式 (1) 得出
其中 L 是耦合流理论中流体与电流量之间的交叉耦合系数[1,2,5]，p 是压力场，可在储层模拟或地质力学平台中求解。因此，spCSEM 的修正频域电磁方程可能如下所示：
然后，通过求解这些方程，就可以计算出电场和磁场。这就是 spCSEM 频域正演建模引擎，可用于下面的反演问题。通过 spCSEM 反演，可以推断注入流体的电导率或电导率变化。
扩展 spCSEM 方法在 CCUS 中的应用
首先，值得注意的是，ESG Solutions 为客户提供了水力压裂、回流和 EOR 作业的 CSEM 数据。回流作业的每英尺（米）油井流速和压力状态与 CCUS 内的预期压力状态相当。此外，ESG Solutions 还在 CCUS 作业的被动微地震监测方面拥有丰富的经验。
通过建模和实际数据实例，我们证明了我们系统接收到的电磁信号是 SP 和 CSEM 反应的组合。信号强度的增加意味着 spCSEM 系统可用于探测二氧化碳及其横向范围。此外，对相位变化的监测还可用于检测盖岩的完整性[11]。
spCSEM 测量：
spCSEM 技术可以解决 CCUS 的两个具体测量问题：
- 随时间变化的二氧化碳羽流横向范围
- 岩帽完整性
实地业务：
野外作业影响小，不在垫子上进行，不会影响正常作业。
一般来说，在开始注入二氧化碳之前收集数据，之后定期定时收集数据。对每个监测时段采集的数据进行减法处理，生成延时差分图像，以显示二氧化碳羽流的范围及其随时间的变化情况。
此外，还可以通过切换注入开-关-开的过程来收集数据。获得的数据将显示由 SP 响应引起的电磁场差异。这样，系统就可以监测地下压力的下降和上升，以及发生的任何流体运动，从而了解二氧化碳运动的程度。
如上所述，相位数据可用于确保毛岩仍然完整。
下图 9 显示了利用电磁网的现有 CCUS 操作布局示例：
结论
spCSEM 是能源和采矿业的一个重要新工具，尤其适用于对 CCUS 作业进行长期监测：
- 随时间变化的二氧化碳羽流横向范围
- 岩帽完整性
配合长期微震监测，运营商可实现确保储藏场安全和良好监测的目标。
此外，综合数据集还提供了一些机会，以加强对油井完整性（油井在注入、注入后和关闭后阶段保留二氧化碳的能力）、盖岩完整性和封隔风险的了解。
参考资料
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对天然和诱导断裂网络的响应；在 SPWLA 第 63 届年会上发表演讲
2022 年 6 月 10-15 日在挪威斯塔万格举行的测井研讨会。[12] Niu, Qifei, andManika Prasad, 2016, Measurement of dielectric properties (mHz - MHz) of sedimentary rocks, SEG International Exposition and 86th Annual Meeting
