2021年 9月，在挪威Svelvik的SINTEF CO2現(xiàn)場實驗室進(jìn)行了一項地震跨孔現(xiàn)場實驗，以使用傳統(tǒng)地震源和接收器、分布式聲學(xué)傳感（DAS）和分布式溫度傳感（DTS）以及光纖電纜監(jiān)測CO2注入?，F(xiàn)場安裝了一口注入井和四口深度約100米的觀察井。油井配備了線性和螺旋纏繞（HWC）DAS電纜。該實驗的主要目的是使用新開發(fā)的SV源測試震源三元組（P波、SH波和SV波）的地震成像能力，測試DAS使用不同類型電纜進(jìn)行井間調(diào)查的能力，并研究使用全波形反演（FWI）進(jìn)行CO2注入監(jiān)測的可行性。
地震實驗使用帶水聽器串的高分辨率P波層析成像和DAS系統(tǒng)，在六天的注入期間監(jiān)測CO2（氣體）的傳播。此外，使用由八個三軸地震檢波器組成的多站鉆孔采集系統(tǒng)和DAS系統(tǒng)，使用SH和SV源進(jìn)行了S波層析成像。在試驗開始前進(jìn)行了基線調(diào)查，每天重復(fù)進(jìn)行P波測量，而更耗時的S波調(diào)查僅在注入水位深度和后期注入階段的上層含水層內(nèi)進(jìn)行。
常規(guī)P波層析成像的第一個結(jié)果表明，水平分層沉積具有交替的高速和低速區(qū)，即低滲透性或高滲透性沉積物?；€數(shù)據(jù)和注入第4天采集的數(shù)據(jù)之間的兩個P波層析圖像的比較表明，CO2沿著上層含水層內(nèi)的高滲透帶遷移。我們還將地震FWI技術(shù)應(yīng)用于水聽器數(shù)據(jù)。DTS測量結(jié)果似乎表明CO2遷移與地震數(shù)據(jù)顯示的一致。對常規(guī)地震數(shù)據(jù)和DAS數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析，以評估DAS系統(tǒng)用于P波和S波地震層析成像測量的潛力。我們首次從DAS數(shù)據(jù)中計算出P波斷層圖，顯示出與常規(guī)儀器相似的結(jié)果，而HWC的數(shù)據(jù)提供了數(shù)據(jù)。這證實了HWC配置在跨孔P波測量中的實用性，其中波入射角接近電纜的寬邊。初始結(jié)果表明，常規(guī)地震和DAS的聯(lián)合應(yīng)用顯著提高了CO2成像實驗中的數(shù)據(jù)可解釋性，并且通常用于短距離井間測量，因為DAS在整個井眼上提供了密集空間采樣的可重復(fù)測量。需要進(jìn)一步的工作來優(yōu)化電纜類型和部署，并改進(jìn)此應(yīng)用的DAS數(shù)據(jù)處理。DTS還可以提供有關(guān)CO2遷移的補(bǔ)充見解近年來，對溫室氣體排放的擔(dān)憂激發(fā)了對碳捕獲和儲存（CCS）作為一種氣候變化緩解方案的興趣，該方案可用于減少人為凈二氧化碳排放。然而，CCS需要在數(shù)年內(nèi)將CO2安全地保留在地質(zhì)地層中。幾種地球化學(xué)和地球物理（如延時地震）技術(shù)允許監(jiān)測CO2的區(qū)域分布、密封完整性和注入響應(yīng)的壓力變化，因此可用于驗證儲存一致性，是完整性監(jiān)測的寶貴工具[1]。
DigiMon項目由加速CCS技術(shù)（ACT）倡議資助，旨在通過整合成熟和新穎的測量技術(shù)，開發(fā)和驗證CCS地質(zhì)儲層的綜合預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。迄今為止，已經(jīng)有單獨的系統(tǒng)和點傳感器用于監(jiān)測和檢測二氧化碳，提供準(zhǔn)確和全面的測量。這些系統(tǒng)運行可靠，但成本很高，特別是對于具有密集采樣間隔的大空間范圍。直到近期，分布式光纖傳感器陣列的靈敏度低于常用的高分辨率監(jiān)測方法。然而，隨著儀器和光纖電纜技術(shù)的改進(jìn)，分布式聲學(xué)傳感（DAS）技術(shù)現(xiàn)在可以實現(xiàn)光纖地震數(shù)據(jù)采集，其質(zhì)量可與更多傳統(tǒng)技術(shù)媲美[2]。光纖傳感技術(shù)能夠以顯著降低的成本在廣泛的空間區(qū)域采集密集的空間采樣地震數(shù)據(jù)。DAS數(shù)據(jù)和檢波器/水聽器數(shù)據(jù)之間存在差異，需要在數(shù)據(jù)采集和分析中加以考慮，并應(yīng)檢查每種應(yīng)用的電纜設(shè)計。例如，DAS是分布式傳感器而不是點測量設(shè)備，與傳統(tǒng)地震傳感器相比，單分量DAS測量對波入射角的依賴性不同。地震方法通常用于CCS現(xiàn)場的勘探和監(jiān)測。鉆孔測量特別適合于生成地下的高分辨率地震圖像。井間實驗利用了在選定的深度間隔產(chǎn)生和記錄地震體波（P波和S波）的優(yōu)勢，其中源和接收器在每次測量中保持在相同的高度。此類測試提供了高垂直分辨率下鉆孔間P波和S波速度的深度剖面。井間地震層析成像具有較高的分辨率，為傳統(tǒng)地震數(shù)據(jù)的水平和垂直分辨率較差提供了解決方案[3]。幾項研究表明，向含水層或儲層注入CO2會降低儲層或含水層的地震速度，地震層析成像可用于對注入的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的速度降低進(jìn)行成像[4-7]。地球物理信號強(qiáng)度與CO2泄漏質(zhì)量密切相關(guān)，但與鹽水泄漏質(zhì)量無關(guān)。特別是延時跨孔成像是提高石油采收率和封存的地下CO2監(jiān)測的方法（例如[8-11]）。[12] 指出鉆孔地震監(jiān)測也可用于檢查井的完整性。
在這里，我們描述了高分辨率地震層析成像在監(jiān)測挪威的SINTEF Svelvik試驗場，并測量預(yù)期的百分之幾的速度變化。早期結(jié)果表明，P波走時層析成像在CO2監(jiān)測中的應(yīng)用有限[14]。因此，我們檢查了備選方案，即（a）通過使用新的SH和SV源來利用剪切波的信息，（b）檢查CO2監(jiān)測的全波形反演（FWI）的可行性，以及（c）使用DAS而非傳統(tǒng)傳感器獲取數(shù)據(jù)。FWI（例如，[15]）不僅有可能提供好的空間分辨率，而且對彈性地下性質(zhì)的細(xì)微變化也更敏感（與走時層析成像相比）。
2.技術(shù)創(chuàng)新
2.1.地震源-生成P波、SH波和SV波的震源三元組
在該研究項目中，SV波鉆孔地震源（BIS-SV）由充電至5000 V的高壓脈沖發(fā)生器驅(qū)動。該震源使用兩個線圈系統(tǒng)，推動鐵磁體。每個線圈可以單獨激活，并允許產(chǎn)生向上和向下的沖擊。通過堅固的空氣封隔器將震源固定在井壁上。同一高壓脈沖發(fā)生器用于驅(qū)動SH波鉆孔震源和P波火花震源。SH波源（BIS-SH）還需要夾持在井壁上，并在鉆孔內(nèi)垂直于接收器鉆孔的方向旋轉(zhuǎn)。使用抗扭穩(wěn)定鋼加固液壓軟管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。SH波的激發(fā)需要在鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，SV波的激發(fā)不需要震源的任何特定方向。當(dāng)高壓發(fā)生器在幾分之一秒內(nèi)釋放其電能時，P波火花發(fā)生器（SBS42）通過在高壓下膨脹的等離子體通道的快速膨脹產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻地震脈沖。由SBS42、BIS-SH和BIS-SV源組成的源三元組允許全面描述鉆孔之間的動態(tài)土壤參數(shù)。使用關(guān)于土壤密度的附加信息，可以計算動態(tài)剪切剛度、動態(tài)體積模量和泊松比，并獲得土壤應(yīng)力狀態(tài)的描述[16-19]。
2.2.常規(guī)地震接收器
設(shè)計并使用多站鉆孔采集系統(tǒng)（MBAS）采集所有S波測量的數(shù)據(jù)。MBAS由8個相距2米的接收站組成。每個接收站包含三個呈三軸排列的10 Hz檢波器。站通過扭轉(zhuǎn)剛性液壓軟管連接，該軟管允許站對齊。因此，所有水平X-Y傳感器都指向相同的X或Y方向。位于最低站的磁羅盤顯示大致方向，并可用于在數(shù)據(jù)處理期間根據(jù)給定的源方向旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。此外，水壓傳感器被放置在低站以獲取水壓。水面上的控制箱顯示水壓和磁方位角。使用空氣封隔器連接站?？諝夤?yīng)至下部四個和上部四個空氣封隔器。2 x 4空氣封隔器所需的空氣壓力可在地面箱中進(jìn)行調(diào)整，其中顯示MBAS底部的實際水壓以及兩個供氣軟管內(nèi)的壓力。在空氣封隔器充氣期間自動計算顯示聯(lián)接壓力的目標(biāo)壓力。對于P波層析成像，使用了具有1m傳感器間距的24通道水聽器串。
2.3光纖傳感器
分布式光纖傳感（DFOS）系統(tǒng)由光纖電纜（傳感器）和用于產(chǎn)生和記錄光信號的詢問器組成。DFOS系統(tǒng)現(xiàn)在具有廣泛的應(yīng)用，可以通過DAS測量聲學(xué)/地震信號，通過分布式溫度傳感（DTS）測量溫度或通過分布式應(yīng)變傳感（DSS）測量應(yīng)變。對于所有的DFOS技術(shù)，詢問器都會產(chǎn)生一個激光脈沖，并發(fā)射到光纖中。一些入射光被散射回感測單元并由詢問器測量。這種散射光受到光纖中溫度或應(yīng)變變化的影響。
2.3.1分布式聲學(xué)傳感（DAS）
分布式聲學(xué)傳感（DAS）是一種相對較新且發(fā)展迅速的技術(shù)，它為地震成像提供了一種新的工具，因為它對沿光纖的局部軸向應(yīng)變變化或應(yīng)變率很敏感。該技術(shù)僅使用一根標(biāo)準(zhǔn)光纖作為傳感元件，即可同時采集數(shù)千個傳感通道[20]。DAS詢問器測量由于光纖中的缺陷導(dǎo)致的激光脈沖的瑞利背散射光。這是一種分布式測量，詢問器通過連續(xù)測量儀之間的兩個重復(fù)激光脈沖（在測量儀長度上，LG）測量從同一測量儀返回的信號的光學(xué)相位。這會產(chǎn)生應(yīng)變率測量。軌距長度通常為幾米至幾十米[21]。由于本次數(shù)據(jù)采集中使用的鉆孔深度僅為~100m，且測量頻率較高，因此選擇了3m的短標(biāo)距詢問器。
DAS數(shù)據(jù)的一些優(yōu)點包括高空間（~m）和時間分辨率（~kHz）測量；沿光纖電纜全長進(jìn)行連續(xù)實時測量，測量距離大于100km；以及相對時效和低成本的監(jiān)測。然而，記錄是單分量（1C）測量，因為DAS僅對光纖軸向變化敏感。DAS具有對P波的依賴性響應(yīng)，其中θ是從光纖軸向測量的入射角[22]，因此對接近電纜寬邊到達(dá)的P波的響應(yīng)降低，這與在類似深度的源和接收器的跨孔測量中的情況相同。為了減輕這種影響，已經(jīng)開發(fā)了螺旋纏繞電纜（HWC），其中光纖纏繞在電纜芯上[39]，盡管部署數(shù)量有限。Svelvik網(wǎng)站提供了比較線性和HWC上收集的數(shù)據(jù)的機(jī)會，以研究它們在井間測量中的應(yīng)用。
目前，DAS技術(shù)通常用于收集油氣勘探中的垂直地震剖面（VSP）數(shù)據(jù)，并已成功應(yīng)用于CCS現(xiàn)場的CO2羽流成像[19，23-24]。然而，迄今為止，盡管已經(jīng)進(jìn)行了建模設(shè)計研究，但尚未報告該技術(shù)的跨孔應(yīng)用[25]。
2.3.2分布式溫度傳感（DTS）
地震采集期間還部署了DTS詢問器，因為先前的研究表明，它可以深入了解注入的CO2的遷移[26]。DTS使用發(fā)射的激光脈沖的拉曼背散射特性來確定光纖沿線的溫度。拉曼背散射是由入射光與光纖中溫度相關(guān)分子振動的非彈性相互作用產(chǎn)生的，導(dǎo)致發(fā)射光子的能量相對于注入光發(fā)生位移[27]。DTS裝置可以提供沿光纖長度的0.01°C精度和亞米分辨率的溫度測量[28]，因此它是一種靈敏的鉆孔測量技術(shù)，可以檢測地質(zhì)構(gòu)造的變化。光纖電纜可以包括多個光纖，因此可以同時測量多個參數(shù)，例如使用DAS和DTS，如本文所述的現(xiàn)場測試期間所執(zhí)行的。
2.4地震全波形反演（FWI）
FWI在近40年前被提出[29]，但隨著功能強(qiáng)大的計算機(jī)的出現(xiàn)，這項技術(shù)變得非常流行，現(xiàn)在它已成為油氣行業(yè)地震處理工作流程中一個成熟的模塊[30]。然而，對于近地表應(yīng)用和CO2監(jiān)測，F(xiàn)WI文獻(xiàn)仍然相對少，主要包括概念研究（例如[31]）。在本項目的框架內(nèi)，我們報告了嘗試將FWI應(yīng)用于結(jié)合CO2監(jiān)測獲得的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
3.現(xiàn)場實驗
3.1現(xiàn)場
Svelvik CO2現(xiàn)場實驗室是一個現(xiàn)場實驗室，用于進(jìn)行監(jiān)測實驗，填補(bǔ)了臺架實驗室實驗和中試規(guī)模研究之間的空白[32]。它位于奧斯陸西南約50公里處的斯維爾維克山脊，位于德拉門斯峽灣的出口處。山脊由全新世冰川消退的Ski階段形成的冰川河流-冰川海洋末端沉積物形成[33-34]?；鶐r位于地表以下300米至400米之間。在山脊中部，頂部海拔70米，自1915年以來一直在挖掘沙子。粘土層覆蓋在山脊兩側(cè)，低于海平面。在南部，厚厚的粘土/淤泥層填充基巖盆地，直到海平面以下幾米，而在北部，較薄的粘土/粉土層位于水深100-120米[35]。
3.2.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測設(shè)置
Svelvik CO2現(xiàn)場實驗室由一口中央注入井（B2）、四口監(jiān)測井（M1-M4）和進(jìn)行CO2注入實驗所需的基礎(chǔ)設(shè)施組成（見圖1）。注入井設(shè)計用于在小超壓條件下注入CO2，并在64至65 m深度之間進(jìn)行篩選。四口監(jiān)測井用PVC套管套管至約100米深，并位于注入井周圍菱形的角落。監(jiān)測井位于距注入井9.9 m（M3和M4）和16.5 m（M1和M2）處。鉆孔M1-M2位于東西方向，而鉆孔M3-M4位于南北方向。
光纖電纜安裝在每個監(jiān)測井中。其中包括包含線性多模光纖（用于DTS測量）的電纜和具有線性和螺旋纏繞（HWC）單模光纖（用于DAS測量）的線纜。如圖2所示，線性光纖和HWC光纖拼接成一個DAS詢問環(huán)路。光纖電纜夾在每個鉆孔套管的外部。水泥和礫石層填滿了周邊縫隙。
地震實驗于2021 9月14日至22日進(jìn)行，二氧化碳注入從9月16日開始，到9月22日結(jié)束。注射啟動日稱為“第0天”，9月21日稱為第5天。在實驗期間，在鉆孔B2處注入CO2，每天注入量為8 m3，在6天內(nèi)，在64-65m之間的屏蔽套管處注入0.1 bar的小超壓。最初對超壓進(jìn)行了調(diào)整，使其趨于穩(wěn)定，隨后開始了主動地震采集。
圖2.數(shù)據(jù)采集中使用的DAS光纖電纜回路。鉆孔標(biāo)記為（M1-M4），并標(biāo)明電纜類型（線性、螺旋或標(biāo)準(zhǔn)電信）。電纜拼接在一起形成一個詢問回路。詢問機(jī)位于駕駛室內(nèi)。
對于所有實驗，地震源放置在鉆孔M4中，水聽器/檢波器地震接收器放置在鉆孔M3中。地震檢波器/檢波器的地震儀記錄頻率為32 kHz。在采樣頻率為16kHz的所有監(jiān)測鉆孔中記錄DAS數(shù)據(jù)。在所有4個監(jiān)測鉆孔中也記錄了DTS數(shù)據(jù)。在30至77m深度之間，以1m的間隔發(fā)射P波源。深度指頂部套管。在覆蓋相同深度的鉆孔M3中放置兩個水聽器串，每個水聽器串具有24個通道和1m的傳感器間距。S波測量集中在兩個不同的深度區(qū)域，即58m至72m和32m至46m之間。下部區(qū)域覆蓋注入深度，在注入實驗開始時感興趣。上部區(qū)域在實驗的后期變得有趣，因為從先前的實驗中可以得知，CO2被約35米深的粘土層捕獲。
注入前進(jìn)行了一次P波、SH波和SV波測量，作為基線測量（見圖3）。注射期間共采集了八組P波層析成像數(shù)據(jù)。在第0天和第1天進(jìn)行了兩次P波調(diào)查，即上午和下午各一次。在第0–2天，對下部區(qū)域進(jìn)行了SH波和SV波測量。從第1天到第5天，對上部區(qū)域進(jìn)行SH波測量。不幸的是，SV源在第1天出現(xiàn)故障，無法用于后續(xù)測量。在所有常規(guī)調(diào)查中，DAS系統(tǒng)同時進(jìn)行了記錄。在數(shù)據(jù)處理過程中測量并考慮了鉆孔偏差。
圖3：顯示震源位置的地震場測量設(shè)置
Silixa iDAS v2詢問器用于DAS數(shù)據(jù)采集。測量長度為3 m，通道間距為0.5 m。DAS數(shù)據(jù)的完整測量長度為1950 m，包括線性和HWC光纖上的記錄。該裝置在觸發(fā)模式下運行，數(shù)據(jù)帶有GPS時間戳。Sensornet Oryx+裝置用于DTS數(shù)據(jù)采集。
5.結(jié)論與展望
5.1震源三重能力
實驗證實了使用P、SH和SV地震源產(chǎn)生高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)的可行性，以通過跨孔測量監(jiān)測CO2注入的影響。使用這三種來源，可以導(dǎo)出巖土參數(shù)，如超固結(jié)比。使用關(guān)于土壤密度的附加信息，可以計算動態(tài)剪切剛度、動態(tài)體積模量和泊松比。
5.2.跨孔測量DAS
很明顯，減少的后勤工作和高采集速度使DAS成為傳統(tǒng)基于檢波器系統(tǒng)的低成本替代方案。安裝的電纜在鉆孔的整個長度上提供了密集的傳感器間距（從而減少了放炮次數(shù)，從而減少了測量時間和成本），同時也實現(xiàn)了多年重復(fù)的測量。然而，傳統(tǒng)地震源和DAS的組合增加了記錄數(shù)據(jù)的附加值。DAS自然不能提供三個組件的數(shù)據(jù)，而只能輸出一個組件。本研究中進(jìn)行的測試表明，DAS數(shù)據(jù)可用于使用HWC生成的P波層析成像模型。
常規(guī)地震和DAS的聯(lián)合應(yīng)用將顯著提高跨孔CO2成像和一般短距離跨孔測量的數(shù)據(jù)可解釋性。需要進(jìn)一步的工作來不同類型測量的DAS信號強(qiáng)度，并開發(fā)適合該應(yīng)用的光纖電纜。結(jié)合來自線性和HWC的數(shù)據(jù)可以提供解決方案。數(shù)據(jù)處理方面的進(jìn)一步工作和改進(jìn)將提供延時圖像，從而利用DAS數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。
5.3.全波形反演的附加值和約束
盡管我們最初的FWI嘗試不成功，但我們?nèi)匀徽J(rèn)為該技術(shù)對CO2監(jiān)測的潛在附加值是有用的。通過利用地震波形提供的全部信息內(nèi)容，可以更可靠地估計彈性地下性質(zhì)的細(xì)微變化，從而CO2含量的變化。正如[38]所指出的，當(dāng)FWI與DAS數(shù)據(jù)相結(jié)合時，可以預(yù)期特別好的結(jié)果。
