第 15 届国际温室气体控制技术会议 GHGT-15 2021 年 3 月 15-18 日 阿联酋阿布扎比
Quest CCS 设施：微地震系统监控和观测
斯蒂芬-哈维a*、西蒙-奥布里埃纳、萨拉-米尼西尼布、史蒂夫-奥茨b、穆罕默德-布莱姆c
aShell Canada Limited, 400-4th Avenue SW, Calgary.T2P 2H5, CanadaT2P 2H5, Canada
bShell Global Solutions International B.V, Grasweg 31, Amsterdam.1031 HW, The Netherlands
cESG Solutions, 20 Hyperion Court, Kingston.ON.K7K 7K2, Canada
摘要
2015 年 8 月，位于加拿大阿尔伯塔省萨斯喀彻温堡附近的 Quest 碳捕集与封存（CCS）设施开始注入二氧化碳。Quest 是一个完全集成的 CCS 设施，每年的二氧化碳捕集目标略高于 100 万公吨。二氧化碳被注入地下约两千米深处的深层含盐含水层--寒武纪基底砂岩（BCS）中。为了证明注入的二氧化碳的封闭性和一致性，实施了一项测量、监测和验证（MMV）计划。尽管 Quest 位于一个构造极为安静的地区，但诱发地震已被认为是所有大规模注入地点的潜在风险。因此，微震监测是奎斯特 MMV 计划的关键组成部分，以确保对该风险进行持续评估，并及早通知任何变化。本报告的目的是详细介绍我们为什么要监测微震活动，以及我们如何利用主动技术监测（PTM）和异常监测（EBS）有效地开展这项工作，报告注入开始前和注入开始后六年的微震监测观察结果，并介绍经验分析结果，这些结果使奎斯特CCS设施能够降低微震对安全壳的威胁。数据经过处理后生成触发文件，触发文件采用通用算法进行事件检测和触发，该算法基于短时平均振幅与长时平均振幅（STA/LTA）之比。每天对触发事件进行分析、分类和报告。根据每个事件的特征，定义了各种触发类型的类别。在运行过程中，微地震阵列的状态会根据触发事件的存在进行持续评估。当触发事件显示出清晰的主波（P）和次波（S）波场到达时，就被定义为可定位事件。使用各向异性速度模型对可定位事件进行处理和定位。p波速度来自垂直地震剖面测量，s波速度来自声波测井记录。生成的大多数触发文件与地表、自动和噪声触发有关。这些事件用于评估系统的健康状况。
首次可定位事件是在 2016 年 7 月开始注入二氧化碳 10 个月后记录到的，震级为-1.3。 自 2017 年 1 月以来，在前寒武纪基底内的 Quest 微震审查区（AOR）内出现了持续的低水平、小震级微震活动。根据 2017 年 Quest MMV 计划的定义，AOR 从每个活动注水井（IW）向外径向延伸 10 千米。截至 2020 年 12 月 31 日，已探测到 486 个可定位事件，平均震级为 -0.7，最大震级为 0.8，典型发生率为每周 1-2 次。根据目前的方法，所有可定位事件都位于注入区下方的前寒武纪基底内。 这些微地震活动均未对安全壳构成威胁。
关键词碳捕获与封存；监测、测量与验证；微地震；诱发地震。
1.导言
Quest 碳捕集与封存 (CCS) 设施是一个完全集成的商业规模 CCS 设施，位于加拿大阿尔伯塔省萨斯喀彻温堡附近的 Scotford 工业园区（图 1）。Quest 设施是壳牌公司运营的一家合资企业，由加拿大天然提质有限公司（加拿大自然资源有限公司的附属公司）、雪佛龙加拿大油砂合伙公司（雪佛龙加拿大有限公司的附属公司）和 1745844 Alberta Ltd. （壳牌加拿大有限公司的附属公司）组成。(阿尔伯塔 1745844 有限公司（壳牌加拿大有限公司的关联公司）。该设施每年捕获、运输、注入并安全储存约 100 万公吨的二氧化碳，并打算以这种注入率运行 25 年[1]。
作为 Quest 储存计划的一部分，已制定了一项监控、测量和验证 (MMV) 计划，以确保二氧化碳的安全储存。该计划以风险为基础，旨在确保二氧化碳在运营和废弃的各个阶段的封存和一致性。该计划以风险为基础，旨在确保二氧化碳在运营和废弃的所有阶段都能得到封存并符合要求。目前已采用各种技术来监测封存设施的所有领域，包括大气层、生物圈、水圈、地圈和井[2]。
在 Quest 项目阶段，作为 Quest MMV 计划的一个重要方面，对微地震监测方法进行了评估。项目阶段的建模表明，井下阵列足以监测贮存综合体内的微震活动。自 2014 年 11 月以来，该微震技术一直在 Quest 运行。要成功利用这一技术，需要在注入前进行可行性研究和数据收集。注入前收集了九个月的数据。截至 2020 年 12 月 31 日，存储区内未发现任何微震活动，这使得该设施能够降低微震对安全壳的威胁。
图 1.Quest 是一个完全集成的二氧化碳捕集与封存设施，包括二氧化碳的捕集、运输、注入和封存。每年可捕获一百万吨二氧化碳。二氧化碳经压缩后通过专用管道输送到斯考特福德工业园区以北 65 公里处。然后，二氧化碳被注入三个专用的二氧化碳捕集与封存井，并永久封存在地下两公里处的封存区内。
在前寒武纪基底的储油综合体地下深处的微震审查区（AOR）内发现了低水平、小震级的微震活动。这些可定位事件在开始注入 10 个月后首次记录到，并在连续注入 16 个月后成为定期发生的事件，每年检测到约 120 次可定位事件。这些事件并未表明二氧化碳封存在封存区内的风险升高。
井下阵列由八层三组件检波器组成。原始模拟数据以 0.25 毫秒的速度连续数字化，并暂时存储在井场的服务器环形缓冲器中。使用短时平均与长时平均（STA/LTA）振幅比技术对数字化数据进行连续扫描，以检测事件。这种技术在行业内很常见，包括几种修改版本，使用地震道的绝对振幅能量或包络函数来计算 STA/LTA[3、4、5]。当达到预定义阈值时，从数字化数据流中剪切出一个文件，推送给第三方进行处理。每天，第三方都会向 Quest 报告，详细说明前一天的触发活动。内部异常监控（EBS）方法用于确定每天需要采取的应对措施。
Quest 作为一个综合设施运营，以充分利用由单一领导层管理的运营流程。主动技术监控 (PTM) 是一种现场流程，其建立是为了减少运营成本和时间、设备停机时间以及系统运营知识目录。PTM 要求有明确的文件和程序来维护系统的每个组成部分。一旦实施，PTM 能够有效应对日常 EBS 方法，从而进一步降低监控所需的成本和精力。
截至 2020 年，Quest Facility 已将 500 多万吨二氧化碳安全注入三个注入井 (IWs)。在此期间，微地震技术为二氧化碳的封存做出了贡献。随着未来 2000 万吨二氧化碳的继续注入，将继续对 Quest 微地震监测的附加值和持续效用进行评估。前寒武纪基底深处产生低水平、小震级微震活动的机制尚不十分清楚。尽管 Quest 井下阵列的设计目的是监测储藏综合体内的微震活动，但其灵敏度足以探测到基底中的这些活动。对前寒武纪基底活动的进一步分析将为 Quest 设施、CCS 行业和诱导地震社区提供价值。
命名法
AOR
BCS
CCS
DMW
sFTP
EBS
ESG
GR
HMU
WI
LTA
MMV
P
PTM
S
STA
UPS
审查领域
基底寒武纪砂岩
碳捕获和储存
深层监测井
安全文件传输协议
基于例外的监测
工程地震组
古腾堡-里希特
氢气制造装置注入
井
长期平均
监测测量和验证
一级波
主动技术监测
二级波
短期平均 不间断供电
2.Quest CCS 设施
斯考福德工业综合体包括炼油厂、重油提纯设施和化工厂。Quest CCS 设施是重油提纯设施的一部分，用于捕集三个氢气制造装置 (HMU) 在生产氢气过程中产生的二氧化碳。从氢气制造装置中捕获的二氧化碳约占升级设施排放量的三分之一。Quest 的运营模式是存储氢制造装置可捕获的所有二氧化碳。这种运营模式旨在确保运输和储存不会成为 CCS 设施性能的限制因素。使用胺技术[1, 6]从氢化管理单元捕集二氧化碳。然后剥离二氧化碳，并将胺回收到系统中。二氧化碳经脱水后纯度大于 99%，并压缩至 ~10 兆帕，然后通过管道输送至斯科特福德工业综合体以北约 65 千米处由三个专用井场上的三个 IW 组成的贮存设施[2]。 由于其良好的注入性和出色的密封性，再加上用于密封性验证和一致性测绘的出色监测通道，该储存设施被认为是世界一流的。储油区是一个 350 米厚的租赁区，包括基底寒武纪砂岩（BCS）储油层，由中寒武纪页岩和洛茨贝格盐覆盖。这些封层厚约165米，区域范围广泛（图2）。在储集复合体之上，覆盖层由大约 1100 米长的总体平坦而广阔的沉积包层组成。岩性为典型的加拿大西部沉积盆地岩性，包括页岩、砂岩、盐岩、碳酸盐岩和煤岩互层[7]。由于地质总体平坦，储存的二氧化碳的主要捕集机制是地层捕集。二氧化碳在储层中的分布被模拟为在射孔段内径向均匀移动。理论预期是，在注入过程中，二氧化碳将偏向于高渗透率条纹，而浮力将偏向于东北部的轻微倾角方向。
图 1.Quest 是一个完全集成的二氧化碳捕集与封存设施，包括二氧化碳的捕集、运输、注入和封存。每年可捕获一百万吨二氧化碳。二氧化碳经压缩后通过专用管道输送到斯考特福德工业园区以北 65 公里处。然后，二氧化碳被注入三个专用的二氧化碳捕集与封存井，并永久封存在地下两公里处的封存区内。
BCS 是一个 40 米厚的储油层，底部 30 米的优质砂层已打孔注入。整个储层群的优质注入区间平均孔隙度约为 17%，渗透率约为 1000mD。该储油层已有 5.4 亿年的历史，直接位于前寒武纪基底之上。该深度的静水压力约为 21 兆帕，原位盐水温度约为 60 摄氏度。渗透率各向异性比（Kv/Kh）约为 0.01-0.1，这意味着二氧化碳优先从井中水平流动，从而可以稳定注入[8]。
为每年储存 100 万吨二氧化碳，该设施每小时注入约 150 吨二氧化碳。由于储层质量高，只需约 1-2 兆帕的三角储层压力，就能在两千米深、约 30 摄氏度的温度下将全部二氧化碳注入储层。由于压裂压力大于 35 兆帕，油井的工作压力远远低于工作压裂极限。虽然有三口IW在运行，但仅使用三口井中的两口进行注入的情况并不少见。从 2015 年到 2018 年，注水平均分配给三个 IW 中的两个。第三个 IW 于 2018 年底开始注入，此后注入量在三个 IW 之间平均分配（图 3）[7, 8, 9]。
图 1.Quest 是一个完全集成的二氧化碳捕集与封存设施，包括二氧化碳的捕集、运输、注入和封存。每年可捕获一百万吨二氧化碳。二氧化碳经压缩后通过专用管道输送到斯考特福德工业园区以北 65 公里处。然后，二氧化碳被注入三个专用的二氧化碳捕集与封存井，并永久封存在地下两公里处的封存区内。
每个井场都包括一个 IW、注入橇、深层监测井 (DMW)、几口地下水井、一个小型电机控制中心大楼（我们称之为 MMV 大楼）、通信天线和塔架、气象站和光源仪器。井场和管道有专门的操作人员在偏远地区工作，每天对重要的注入、安全和监控系统进行检查。井场操作员是现场的眼睛，但关键数据也由斯科特福德工业园的控制面板操作员进行远程监控。所有操作人员都在预先确定的操作范围内工作，以确保二氧化碳的安全储存。操作员可以随时停止注入并关闭 IW。
3.Quest MMV 计划
Quest CCS设施运营许可证要求制定MMV计划，以确保二氧化碳的长期安全封存。近年来，一些国际权威机构发布了CCS项目MMV计划的指导原则，强调了针对具体地点的风险评估的重要性，这些风险评估要适应随着时间推移的封存性能[10]。作为MMV计划的一部分，收集和分析的数据可确保二氧化碳在运行和废弃的各个阶段的封存和一致性。Quest MMV 计划可根据运营活动和分析进行调整，每三年更新一次。此外，年度报告和知识共享每年发布一次，并公开提供[2, 9]。制定 MMV 计划是为了监测大气层、生物圈、水圈、地圈和水井（图 4）。一般来说，大气层和生物圈技术基于地表，水圈技术位于地下水井内，而地圈和水井完整性技术则部署在地表水厂和综合水厂内。MMV 计划设计全面，以风险为基础，包括许多不同且往往多余的技术或活动来收集数据 [11、12、13]。一致性技术收集数据，以证明储层模型是一致的、经过适当校准的，并且与当前作业相关。封隔技术监测与规定阈值的偏差，并有与地下封隔风险变化相关的触发器。采用分级命名法来区分封隔技术。1 级和 2 级技术监控主动威胁，而 3 级技术则收集应急数据，以支持基于监控活动或非技术风险的 1 级和 2 级技术的潜在应对措施。
所有油井均于 2010 年和 2012 年钻探。IWs 是 AOR 中仅有的三个进入 BCS 储层的点。附近没有任何遗留的渗透井，这说明选址质量很高，采用了综合被动屏障，以保持较低的封隔风险--最近的渗透井距离 BCS 储层超过 20 公里。2020 年 MMV 计划中的运营绩效和更新的弓形风险分析将 IWs 确定为长期封隔的最高风险。该分析强调，近井监测和井内监测是主要的封隔监测技术[2]。五年的持续注入和数据收集表明，Quest 储存点是世界一流的储存设施地点。
图 4.Quest 监测计划示意图。对于井下微地震监测，将根据故障发生时的运营风险状况，并与监管机构和艾伯塔省政府协商，做出故障更换决定。
4.微地震作为一种遏制技术
在项目阶段，储油区内的微震活动被评估为对封存风险较低。2014年11月，在DMW 8-19内部署了一个单一的井下微震阵列，因为它位于三个井场的中心位置。微震技术目前是一种 2 级技术，用于监测储油层内的微震活动，这可能会对封隔层造成风险。该阵列是针对具体地点设计的，用于监测这种风险。2017 年 Quest MMV 计划中定义的微震 AOR 从每个活动 IW 向外径向延伸 10 千米[2]。位于该区域范围之外的活动被视为区域数据，不作为可定位事件记录或作为长期记录保存。截至 2020 年 12 月 31 日，在贮存区内尚未发现任何事件（图 5）。井下阵列的灵敏度足以探测到前寒武纪基底深处的微震活动。在美国中部的迪凯特 CCS 示范项目中也观察到了类似的微震行为，与盐水处理井相关的地震活动集中在基底，解释为由注入区间的渗透连接介导，释放了构造应力[14, 15, 16]。
图 5. a) 截至 2020 年 12 月 31 日 Quest 微地震区域内探测到的所有可定位事件的地图视图。事件按震级着色，动态范围为-2.0-0.5。显示了八级井下地震检波器阵列，存储综合体以黄色标出。
4.1.井下阵列
井下阵列是一种半永久性装置，这意味着阵列悬挂在开放的井筒中，并可回收。阵列共有八层，每层有三个 15Hz 的模拟检波器。每层由一个吊舱组成，吊舱中的 X、Y、Z 三个分量各有两个串联的检波器。吊舱通过磁耦合器与 DMW 套管相连。一根钢丝绳承载着阵列的重量，并由一串沉降杆紧紧固定。钢丝绳悬挂在井口内，以确保充分的压力控制。总共 24 根铜线通过高压封隔器，以包覆电缆的形式从井口排出。作为 MMV 计划的一部分，地层压力受到监测，因此全方位的聚氨酯涂层可保护阵列不受井筒中盐碱库克湖地层流体的影响（图 6）。阵列设计被称为超级电缆，是第三方公司工程地震集团（ESG）的专利设计。在安装超级电缆时，储油层的井下条件对于超级电缆的部署来说是独一无二的，因为超级电缆此前从未部署到 1700 米深的盐水环境中，而且当时还安装了压力/温度工具。第三方估计，超级电缆的部署应能保持 10 年左右的完整性。当出于油井完整性目的进入 DMW 作业时，阵列将被拉动，可能会造成损坏。该设施可以通过尽可能推迟进入 DMW 的时间来延长阵列的使用寿命。
4.2.表面成分
单层电缆从井口流出，在距离井口几米远的接线盒处终止。模数转换器每 0.25 毫秒对数据进行一次数字化，并利用全球定位系统对记录进行时间标记。信号数字化时尽可能靠近井口，在井口和接线盒之间安装屏蔽电缆托盘，以进一步保护模拟信号不受地面噪音污染。数字化数据通过以太网电缆从转换器传送到井场 MMV 大楼内的服务器。 以太网和接线盒电源电缆通过 MMV 大楼的地下导管系统敷设，从而降低了运行期间的电缆维护成本（图 6）。
图 6.Quest 井下微地震阵列和辅助部件示意图（不按比例）。该阵列是一个半永久性装置，通过磁力与套管耦合。油井包括一个压力表，用于监测 Cooking Lake 油层的盐液压力。
网站服务器上有一个环形缓冲数据驱动器，用于临时存储连续数据，用最新数据覆盖最旧数据。服务器上的一个应用程序中安装了一种专有算法。该算法会扫描连续数据流，查找符合特定阈值标准的数据。一旦符合，就会从数据中剪切出一个 6 秒钟的触发文件，复制到第二个数据驱动器中，并通过微波传输和互联网从现场自动推送给第三方。第三方可以连接回井场转换器和服务器，从而调整阈值参数，监控井下和地面组件的健康状况，并根据原始连续数据验证可定位的微震事件触发文件。地面组件的电源来自电网。温度受控的 MMV 大楼通过不间断电源 (UPS) 系统提供备用电源。微地震地面设备连接到该不间断电源系统，并拥有自己的小型智能不间断电源系统，在断电情况下有足够的电力正确关闭设备操作系统。正确关闭系统可确保最终无缝重启。微地震系统非常强大，有多个数据备份点。
4.3.触发和数据流
STA/LTA 监测方法可生成多种类型的文件，包括噪声、地表、区域、声学和可定位事件文件。此外，每小时还会生成一个健康检查文件，对井下部件进行脉冲监测。该系统每天传输约 40-80 个触发文件，每周传输约 1-2 个可定位事件文件。触发文件每天由第三方处理，并提供前一天活动的最新情况。可定位事件是 Quest 最感兴趣的触发文件，因为它们包含与位于 AOR 内的微地震活动有关的主（P）和次（S）波场信息。Quest 从第三方收到的每日报告包括一封电子邮件，其中记录了当天的活动以及迄今为止所有触发文件的累积目录。当检测到可定位事件时，包括北纬、东经、震级和深度在内的附加事件信息将与原始事件波形一起以事件目录的形式发送。一旦 Quest 收到数据，数据流就会自动从第三方传回 Quest。第三方将文件上传到一个安全文件传输协议（sFTP）网站，在该网站上，文件搬运工将数据传输到 Quest 数据储存库。在内部，会运行一个程序对文件进行分类，并扫描目录中的任何格式问题或数据不一致之处。目录被转换成各种格式，由应用程序读取，以便详细查看波形、与其他数据类型和 EBS 进行比较（图 7）。EBS 使用在 MATLAB 应用程序设计器中设计的灵活图形界面。打开工具后，它会读取最新的数据集进行审查。Quest Microseismic EBS 每天都会对三个关键标准进行跟踪。它检查数据是否已收到，数据中是否存在错误；检查前一天是否记录了可定位事件；检查任何可定位事件的深度、震级和位置是否与前几天一致。这些步骤既繁琐又耗时，因此微地震数据流的这一部分非常适合实现自动化。自实施以来，EBS 已将每天的平均人工操作监控时间从约 30 分钟减少到约 1 分钟。现在，只有在达到异常阈值并需要额外步骤来恢复数据流、纠正错误或了解数据中的地球物理变化时，才需要花费时间[17]。
图 7.Quest 微地震数据流。数据在 Quest 井场记录并传输到第三方进行处理。每日报告通过 sFTP 发送给壳牌。从第三方上传文件开始，数据流和 EBS 即自动运行。
4.4.启用自动监控
微地震监测活动可分为操作和数据研究。运行包括设备维护、数据流维护、日常处理、数据管理、解释和定期报告。数据研究则是对数据集的长期积累、不断变化的风险、信息价值以及短期和长期技术战略进行评估。使用 EBS 系统可以提高效率，为数据研究腾出更多时间。实现自动监控所需的大部分努力来自于为系统基础设施、设备、软件和数据储存库制定管理和维护计划。有了这些方面的系统，整合数据、创建触发阈值、自动监控和开始评估机器学习的潜在用途就变得相对简单。对数据流进行了分类，以显示系统各组成部分之间的相互联系。EBS 会在系统出现断点时予以强调，而 PTM 则会建立合适的团队来维护和改进系统。如图 8 所示，所有运行监控系统都有相同的分类数据流，其中包括承载传感器的基础设施、地面设备和传输装置、文件移动装置、数据湖以及分析和监控工具。微地震系统的项目管理由数据用户负责，因为他们了解数据的价值，最容易为支持团队建立价值链框架。要实现系统的长期可持续运行，数据用户必须了解从传感器到报告的端到端数据流以及系统的维护方式。
图 8.Quest 微地震监测系统可分为几类。这些类别与所有运行中的监测系统类似。黄色类别包括井场的物理设备和基础设施，这些设备和基础设施需要人员维护。蓝色类别可以远程管理和维护。数据用户定期查看数据并了解数据的价值，因此对整个系统的监控最为有效。
4.5.微震观测
在基线期和注入的前九个月，没有检测到微震活动。在此期间，Quest 利用区域事件来展示井下阵列的灵敏度，并验证微震区域范围内没有活动。2016 年 7 月，即首次注入九个月后，在微震 AOR 内探测到了第一个可定位事件。2016 年 10 月，4 个月后检测到第二次可定位事件，2016 年 12 月，3 个月后检测到第三次可定位事件[18]。自 2016 年 12 月以来，井下阵列每年在微震 AOR 内持续探测到约 120 个可定位事件，均位于前寒武纪基底内（图 9）。
图 9. a) 全年可定位事件计数，按年份着色。 b) 黑线表示累计可定位事件计数，彩色事件表示事件大小随时间的变化。
可定位事件分布在前寒武纪基底的整个微地震区域。大部分事件被定位到几个确定的地点，我们称之为地震群。许多群集由可定位事件组成，这些事件是在几天内的突发活动中被探测到的，而一些群集则是在一段时间内形成的。其中最突出的两个集群在 2017 年和 2019 年的短时间内记录了许多事件（图 10）。估计的可定位事件位置表明，随着时间的推移，事件正在从喷射器向外扩散，我们可以通过距离-震级图最清楚地看到这一点。我们还观察到距离和震级之间的经验关系，可用于估计部署阵列的灵敏度极限。
图 10. a)b)c)d) 在前寒武纪基底探测到的 Quest 可定位事件的年震级分布与阵列距离的函数关系。用黄色、黑色、绿色、蓝色和红色方框标出了五个关键群组。
与迪凯特和 In Salah 等其他 CCS 设施类似，Quest 并未观察到注入参数（速率、压力、体积）与地震响应之间的直接相关性。就 Quest 和 Decatur 而言，注入压力大大低于压裂压力，而且储层群内也没有连接各层的区域断层。地震的发生及其与注入的因果关系仍在讨论之中，但所涉及的过程预计会很复杂，其时空演变可能会掩盖因果关系。孔隙压力变化、小地质异质性和无震变形是文献中讨论最多的过程，与基底地震活动有关[19, 20, 21, 22]。 随着时间的推移，计算出的事件震级在-1.9 和 0.8 之间呈一致分布，平均震级约为-0.7（图 11a）。根据古腾堡-里克特（GR）定律[23]，超过特定震级的事件数量与震级值的对数可以拟合成一条参数化的直线。拟合的截距表示活动率，斜率表示事件量级的相对丰度。在监测井附近，由于较小的事件可在较短的范围内探测到，因此根据古腾堡-里希特定律，事件数量较多。
井下阵列的总体探测阈值可以用数据开始低于 GR 拟合值的点来表示，该点被称为完整度 (Mc)。Quest 微地震数据的 GR 图如图 11b 所示，完整度大小约为 -0.5M，其分布似乎始终遵循 b 值回归。通过了解这些基底事件的产生机制以及它们与注入参数的关系，可以从这些基底事件中获得更多价值。建立一个一致的数据集可以帮助该设施充分评估由于注入而引起的长期诱发地震风险，并为行业内的集体知识做出贡献，这可以为该地区未来的CCS设施提供类比。
图 11. a) 截至 2020 年 12 月 31 日的可定位事件柱状图。b) 古腾堡-里希特图，最大似然拟合（a=1.53；b=1.35；Mc=-0.5）。
Quest 公司目前正在进行研究，重点是统计迄今为止收集到的数据。这些研究旨在整理数据，寻找注入参数与可定位事件之间的间接关系。除这些研究外，Quest 还在进行地质力学研究，以了解注入对储层和下伏前寒武纪基底的局部应力机制的影响。
4.6.验证事件
The key containment risks the downhole array monitors for is the indication of fracturing or fault reactivation within the Storage Complex. The risk is inherently very low as injection pressures are well below the fracture pressure and there are no major faults interpreted to interconnect the lithologies of the Storage Complex. The array aperture of <400m is sufficient to monitor for this risk. The lateral continuity of the geology in the microseismic AOR provides good velocity to accurately locate any microseismic event that may be detected within the Complex.
A third-party provides daily data processing following these steps:
The health of the monitoring system is checked to ensure data is collected and transmitted. The signal quality of each sensor is analysed for indication of degrading functionality
Background noise is subtracted from the signal for each channel and a band pass filter is applied. The filtering process is built overtime based on historic data collected by the array and is required to identify clear arrival picks in multiple sensors and to verify the orthogonality between the polarization axes
The azimuth and dip are calculated from the filtered particle motion of the polarization for each triaxial sensor (Fig. 12)
Moment magnitude, energy and source radius are calculated for each event and an error ellipsoid is generated automatically using a Monte-Carlo function
On a quarterly basis the cumulative data are analyzed. The distribution of the location error, time error residual and moment magnitude are verified to identify outliers.
图 12. a) 旋转和过滤后的可定位事件 P-arrivals 的三轴视图。 b) Hodogram 分析显示数据点在粒子运动方向上的对齐情况，通过评估可确定可定位事件的方位角：未经过滤的数据或不适当的过滤会导致选取的方位角不一致，增加事件定位的误差：
在某些情况下，第三方会提供额外的事件验证步骤：
- 当检测到不确定性较高的可定位事件时，会将其与波形特征相似的事件以及残差、位置误差和方位误差的历史分布进行比较。通常情况下，信噪比低的事件具有更高的源定位不确定性，因为在选择到达时间和射线轨迹估计方面存在更大的误差。
- 当出现 180 度模糊性和线性增长等人工现象时，将对源位置的空间分布进行评估。生成误差椭球体，绘制三维概率分布图，以便对不确定性进行直观评估。
Quest 公司最近开始了几项研究，以了解在前寒武纪基底中产生可定位事件的机制。井下阵列孔径和基底中缺乏速度控制影响了这些事件定位的不确定性。其中一项研究的重点是通过描述事件之间的相对关系来评估事件定位的不确定性，在此进行详细描述。 研究采用一种既定方法计算误差椭球和交叉相关系数，作为相对质量属性[24]。使用有限差分波形建模来描述不同事件深度的地震波到达的预期模式，并验证波形上第三方 P 和 S 直接到达时间的选取。在计算事件位置之前，对到达时间选择进行了一些微小的细节调整。利用直接到达选区和粒子运动方向的算法来确定每个事件的位置估计值。远距离事件的源接收器矢量被向上引导，以限制到达方向计算中潜在的 ±180° 模糊性。验证步骤显示，与第三方事件位置的吻合度普遍较高，使人们对收到的事件位置更有信心。位置和来源机制相似的可定位事件预计会有相似的波形，这些波形具有高度相关性，相关系数随着事件间距的增加而降低。计算得出的所有事件之间的交叉相关系数见交叉相关矩阵图 13b。从图 13a 的地图视图中可以看到主要事件群，图 10e 中也突出显示了矩阵中高度相关的事件块。
图 13. a) 前 400 个事件地点的地图视图。位置点的大小与震级成正比，而颜色则是其发生时间的函数。绿点表示 DMW，三颗红星表示 IW。红色突出显示的地震群在 2017 年被记录为地震活动爆发。b) 为目录中前 400 个事件计算的交叉相关矩阵。c) 事件位置透视图，以及已识别事件群的建模位置误差椭球。
2019 年 2 月检测到约 70 个波形相似度高且紧密聚类的突发事件。建模显示，该事件群在深度和方位角上的扩散与预期的定位不确定性一致，表明扩散是由于不确定性而不是潜在的地质结构造成的（图 13c）。由于可定位的事件方位角仅受粒子运动矢量的限制，因此事件定位簇分布在同心圆弧上，随着与阵列距离的增加，弧长也在增加。对于较大的源-阵列距离，阵列的角孔径变得很小，事件深度的确定依赖于粒子运动的倾角。远距离可定位事件的不确定性使得远距离事件集群在深度和方位角上有很大的偏差。对于 2019 年 2 月的事件集群，事件距离范围很好地受到 PS 时差的限制，但深度和方位角的不确定性很大。井下阵列的几何形状导致遥远的前寒武纪基底深部事件的定位过程出现一些不稳定性，定位不确定性椭圆较大。
在一定距离范围内对连续事件流的观测清楚地表明，该系统处于良好的运行状态，如果震级足够大，应该能够探测到阵列附近储震区内的地震活动。
4.7.微震监测作用和责任
预计 Quest 的微地震技术需要地球科学家在监测期间投入专门的时间。确保持续的数据流和数据解释所需的技能组合包括设施流程知识、对仪器和电气元件的基本了解、数据数字化、系统数字化、应用、价值链、IT 系统、第三方关系、EBS、PTM、报告、运营许可和地震学。Quest 作为一个综合 CCS 设施的运营经验表明，要运行一个具有成本效益和效率的微地震监测技术，应设立以下角色：
项目阶段（资本支出）
- 地球科学家通过建模评估风险概况，确定监测寿命，确定数据要求，以便在运行和废弃过程中管理风险
- 项目执行经理，负责确定井场基础设施、设备、电力、井场通信、井场服务器、应用支持、纠正和主动维护措施，并设计和执行与设施流程相结合的系统
- 由 IT 经理建立从传感器到存储库的数据流框架，并与预期数据用户、技术专家和第三方紧密集成。
运营头两年（OPEX 启动）
- 地球科学家监测数据并建立适当的触发阈值参数和阵列敏感性分析
- 项目执行经理与操作员、IT、第三方和数据用户密切合作，提供超级关怀，确保系统在整个现场流程中得到支持
- IT 经理提供高度关注，确保将所有数据流组件适当整合到支持团队中。
长期运营 (OPEX)
- 井场操作员在操作框架内维护技术
- IT 业务在运行框架内保持数据流
- 地球科学家负责监督持续的数据收集和分析，并根据最初几年的运行情况评估对技术的长期要求；与井场运营商合作建立 EBS。
尽管责任方可能略有不同，但对于任何长期运行的监控系统来说，无论是否属于综合储存设施的一部分，这些角色都是必须的。
5.结论
Quest CCS 设施是一个完全集成的商业规模设施，位于 Scotford 工业园区。在 25 年的时间里，将有 2500 万吨二氧化碳被捕集并永久储存在地下两公里处的 BCS 储层中。自 2015 年 8 月首次注入以来，已在 BCS 储层中捕集、运输、注入并安全储存了 500 多万吨二氧化碳。Quest Storage Complex 是一个世界级的封存地点，因为它拥有横向广泛、厚而平坦的岩性，再加上高质量的储层。作为 Quest 安全储藏计划的一部分，已经实施了一项 MMV 计划，以确保在作业和废弃的各个阶段都能管理好密封性和一致性风险。MMV 计划允许灵活有效地管理现场特定风险。前寒武纪基底中的可定位事件目前被认为对运营的风险较低，因为这些事件级别低、规模小。截至 2020 年 12 月 31 日，在微地震区域内的前寒武纪基底中已探测并定位了 486 个可定位事件。这些事件与注入参数没有明显的直接关系，但可能存在间接关系。目前正在对储油层和前寒武纪基底进行统计分析和地质力学建模研究，以进一步了解产生这些事件的机制。PTM 和 EBS 使有效的长期微地震监测技术成为可能。在设施的项目阶段和早期运行阶段，简单而勤奋的项目管理可以高效地实施 PTM 和 EBS，最终在建立数据集的同时降低长期运行成本。Quest 项目旨在证明二氧化碳在封存综合设施内长期封存的有效性。随着未来 2000 万吨二氧化碳的继续注入，将继续对 Quest 的微震监测的附加值和持续效用进行评估。前寒武纪基底深处产生低水平、小震级微震活动的机制尚不十分清楚。尽管 Quest 井下阵列的设计目的是监测储藏综合体内的微震活动，但其灵敏度足以探测到基底中的这些活动。对前寒武纪基底活动的进一步分析将为 Quest 设施、CCS 行业和诱导地震社区提供价值。
致谢
本文作者感谢阿尔伯塔省政府、加拿大政府、加拿大自然资源部（NRCan）、壳牌在卡尔加里、休斯顿、欧盟和现场的员工、第三方承包商以及我们的合资伙伴加拿大天然升级有限公司、雪佛龙加拿大公司和 1745844 阿尔伯塔有限公司。
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