黄土塬地区CO2驱油封存泄漏土壤监测体系研究

汤沭成，林千果，王 昊，江绍静，王维波，温庆志，种 珊，张一梅，郭军红

(1.华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206；2.华北电力大学苏州研究院，江苏 苏州 215123；3.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710075；4.北京大学工学院，北京 100871；5.北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心，北京 100871；6.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

CO2驱油封存技术(CO2-Enhanced Oil Reco-very and storage,CO2-EOR storage)通过将CO2注入到地下油藏，在提高原油采收率获取经济效益的同时，还可以将CO2进行封存，实现CO2减排的社会效益，因此该技术已成为降低CO2排放、减缓温室效应最直接、有效的方式[1]。

我国鄂尔多斯盆地南部区域，油气资源丰富，盆地内石油资源总量超过100亿t，且该地区有大量低成本CO2，是开展CO2驱油封存最有利的地区之一。目前，延长石油和长庆石油都已在该地区开展了CO2-EOR and storage技术示范项目。然而，由于自然地层运动和石油开采过程中人为活动对封存体的构造圈闭及井筒完整性造成的影响，可能会发生小规模CO2泄漏的现象，特别是在CO2驱油封存的压裂、注入及生产过程中，极易发生间隙性CO2泄漏。泄漏的CO2扩散进入土壤层后，会破坏土壤生态系统的平衡，当达到一定程度时会对土壤表面植被和农作物生长带来不利的影响。因此，为了及时准确地预测和监测土壤CO2泄漏及土壤环境变化情况，保障土壤生态系统的稳定，同时保证CO2驱油封存项目的安全开展，国内外碳捕获、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)项目(包括CO2驱油项目)基本上都开展了CO2泄漏土壤监测研究。例如：国外的加拿大Weyburn项目[2]、澳大利亚CO2CRC Otway示范项目[3]、阿尔及利亚In Salah项目[4]、挪威Sleipner海上CCS项目[5]；国内的胜利油田CO2-EOR项目[6]、神华CO2咸水层封存项目[7]、吉林油田CO2驱油封存示范项目[8]、延长石油CO2-EOR示范工程项目[9-10]等。在土壤CO2泄漏监测技术方面，主要包括利用非色散红外气体分析法(NDIR)对土壤气中CO2浓度进行监测[11]和利用流量累积室法对土壤气中CO2流量进行监测[12]，这两种方法可以快速、直接地测量土壤气中CO2含量的变化，并结合土壤气多参数快速分析法，对土壤温度、水分、pH值、电导率等进行监测[13]，间接反映土壤CO2泄漏状况。

以上CCUS项目都是基于项目所在地区的具体土壤特征和CO2泄漏土壤监测需求，开展了包括土壤CO2通量、土壤CO2浓度、土壤环境指标在内的多参数土壤CO2泄漏监测和研究。我国鄂尔多斯南部黄土塬地区，由于具有地形沟谷纵横、土质松软均一、土层垂直节理发育等地域性特征，使得该地区在开展CO2-EOR项目过程中发生CO2泄漏时，CO2空间运移和土壤环境指标变化上也呈现出明显的地域性特征，之前的相关研究无法满足该特征条件下CO2泄漏土壤监测的需求，因此需要建立一套针对于黄土塬地区特点的全时空立体化多参数的CO2驱油封存泄漏土壤监测体系。

1 CO2泄漏途径及空间运移特征

1.1 CO2泄漏途径

CO2注入地下储层之后，会在构造圈闭、残余气圈闭、吸附圈闭、溶解圈闭、矿物圈闭等一系列圈闭作用下实现永久封存[14-15]。但如果长期受到自然地质构造和人为活动的影响，封存体可能会出现CO2逃逸通道，引起CO2泄漏的现象。目前主要的CO2泄漏途径有3种[16]：①沿断层、裂缝或断裂带泄漏；②通过井筒泄漏；③突破盖层泄漏。与其他地区相比，黄土塬地区由于长期受到雨水冲刷作用，易形成沟谷纵横、梁茆相间的地形地貌特点[17]，同时由于黄土塬地区土壤独特的理化性质，使得在该地区开展CO2-EOR项目时，一旦发生CO2泄漏，将会呈现出非常特殊的空间运移特征，见图1。

图1 黄土塬地区CO2驱油封存泄漏途径及迁移 扩散示意图Fig.1 Schematic diagram of CO2 flooding storage leakage pathway and migration and diffusion in the loess tableland region

1.2 CO2空间运移特征

1.2.1 CO2泄漏在土壤中的空间运移特征

在CO2-EOR项目注入和生产过程中，CO2易通过井口发生泄漏甚至大规模气窜，由于黄土塬地区起伏不平的地貌特征使得泄漏到地表的CO2难以扩散，并不断向周围地势较低处运移累积，形成浓度很高的CO2聚集区，因此具有低地势处易聚集、浓度高的特征。在土壤层内，由于黄土塬地区土壤孔隙度可高达50%[18]且渗水性高，CO2泄漏进入土壤后造成的土壤酸化现象较为严重，加剧了对井筒壁的腐蚀程度和面积，更容易造成井筒完整性不足，导致CO2易通过井壁破损、裂缝处向四周发生横向侧漏。同时，由于黄土塬地区土质松软、均一性好，水平方向上的迁移阻力较为平均，使得CO2泄漏速度、强度等与迁移距离近似呈线性关系，CO2扩散相对均匀，因此CO2泄漏在横向上具有线性和多向性的运移特征。

1.2.2 CO2泄漏纵向运移特征

黄土塬地区CO2泄漏在纵向上的运移特征主要归结于黄土的垂直节理发育，使得土壤在纵向上的渗透率非常高，与其他地区相比，该地区CO2发生泄漏后垂直方向上的阻力很小，迁移速率很大，当封存体中的CO2突破盖层发生泄漏时，更容易上移进入深部土壤层并扩散迁移，而通过井壁侧漏等方式泄漏的CO2量足够大时甚至会沿井壁与土壤之间的缝隙上移到达浅层土壤，因此深层土壤和井筒周围土壤是重点监测区域；相对地，泄漏进入大气、浅层土壤中的CO2也会通过重力、湿沉降等方式“自上而下”出现反渗现象，尤其在夏季降雨量大时，地势低洼处CO2和雨水不断累积，部分CO2溶于水后易形成“优先流”在纵向上快速下渗，甚至会影响到深层土壤环境[19]。因此，与其他地区相比，黄土塬地区土壤CO2泄漏在纵向上的泄漏面积更大、运移速度更快，同时具有“双向性”的运移特征。

2 土壤主要环境指标变化及时间响应特征

2.1 土壤主要环境指标的变化规律

2.1.1 土壤气体组分

CO2大量泄漏进入土壤后，使土壤中CO2含量不断上升并很快达到最大值，大量的CO2会置换土壤中的O2，导致O2含量不断减少，改变土壤原生环境的气体组分[20]，造成土壤中CO2浓度和通量增加。尤其在黄土塬地区，由于土壤土质松软均一、孔隙度高，CO2泄漏在土壤中的水平迁移速度及强度比其他地区更高，而且由于黄土独特的垂直节理发育，CO2泄漏在垂直方向土壤中CO2浓度和通量单位时间内增量更快，有明显的“纵向高速泄漏”特征。因此，可以将土壤中CO2浓度和通量作为黄土塬地区CO2泄漏土壤监测的长期重点监测指标之一。

2.1.2 土壤含水率

黄土塬地区土壤含水率主要受降雨的影响，不同季节气候条件下土壤含水率存在很大的差异，且由于黄土塬地区土壤孔隙度高、渗透性好，CO2不容易在土壤孔隙中造成气封而阻止雨水的入渗，因此相对于其他地区，黄土塬地区土壤含水率难以作为长期稳定的CO2泄漏监测指标，尤其是浅层土壤含水率，其受人为活动、自然气候、植物根系等因素的影响巨大，水分变化明显，难以反映CO2泄漏的状况，但相对地，黄土塬地区水分易向下渗透，深层土壤含水率高且较为稳定[21]。随着CO2不断泄漏进入土壤后，一方面其与土壤中的水分发生反应生产碳酸，另一方面其不断占据土壤孔隙使得土壤总孔隙度降低、吸水能力减弱，进而降低了土壤整体含水率，这一现象在含水率高的深层土壤中更为凸显。因此，可以将深层土壤含水率作为反映黄土塬地区CO2泄漏土壤监测的重点监测指标之一。

2.1.3 土壤pH值

CO2泄漏后，部分气体会溶解在水体中并渗入土壤层，由于CO2溶于水后形成酸性物质，会引起土壤酸化，pH值下降，这一特征在土壤含水率大以及CO2泄漏速度高时变化更明显。黄土塬地区发生CO2泄漏时土壤pH值的变化趋势与土壤含水率类似，即夏季时波动大、变化明显，冬季时变化小、相对稳定，春秋季节总体趋于平缓。因此，可以在夏季时将土壤pH值作为黄土塬地区CO2泄漏土壤监测的重点监测指标之一。

2.1.4 土壤有机碳含量

随着土壤温度的升高，土壤有机碳分解速度加快，其含量不断减少，且发生CO2泄漏后，土壤有机碳含量下降速度更快，趋势更加明显。有研究显示，随着CO2泄漏时间的不断增长，土壤有机碳含量在12 h和48 h时夏季分别下降了3.8%和12.7%，秋季时分别下降了2.1%和6.9%[22]，冬、春季节由于气温较低，其变化不明显。因此，黄土塬地区土壤有机碳含量具有“夏秋变化大、冬春变化小”的特征，在夏季时可以将土壤有机碳含量作为黄土塬地区CO2泄漏土壤监测的重点监测指标之一。

2.1.5 土壤电导率

在土壤电导率方面，受CO2泄漏的影响非常小，主要取决于土壤中主要盐分离子的含量，如土壤盐分、土壤水分、土壤质地结构和土壤孔隙率等都是影响土壤电导率的重要因素。土壤含水率在15%～30%之间时，土壤电导率受CO2泄漏的影响非常明显[23]，且两者间近似为线性关系，但土壤含水率过低或过高时土壤电导率基本不受CO2泄漏的影响。黄土塬地区3～10 m处的土壤年平均含水率一般在19%左右[24]，故黄土塬地区土壤电导率受CO2泄漏的影响具有明显的季节性和层位性特征。因此，可以在土壤含水率适宜的季节及层位将土壤电导率作为黄土塬地区CO2泄漏土壤监测的重点监测指标之一，而在土壤含水率不适宜的季节及层位适当降低土壤电导率的监测频率。

2.2 土壤主要环境指标时间响应特征

当在黄土塬地区开展CO2驱油封存项目过程中发生CO2泄漏时，可以将CO2泄漏看成是向外部环境中提供CO2的过程,在这一过程中CO2可以被视为“供体”，即向外部环境输送CO2，并将CO2泄漏时间的长短作为“内部”时间尺度；相应地，接收CO2源的外部环境称为“受体”，如本研究中将土壤环境的季节性变化作为“外部”时间尺度，而土壤环境指标时间响应特征主要指土壤环境指标随CO2泄漏时间长短和气候变化所呈现出的变化趋势和敏感性，故可以从“内部”和“外部”两个时间尺度进行综合探究。

(1) 内部时间响应特征：在CO2泄漏过程中，CO2泄漏时间的长短对土壤环境指标有非常明显的影响，见表1。相比于其他地区，黄土塬地区土壤孔隙度大、渗透性高，在相同泄漏时间条件下，CO2泄漏量更多，土壤环境指标变化更明显，总体上这些土壤环境指标随着CO2泄漏时间的增长呈现出“正相关”和“负相关”两种关系，表现为：土壤CO2通量、土壤CO2浓度、土壤电导率与CO2泄漏时长呈正相关关系，即随着CO2泄漏时间的增长不断上升，变化趋势多为先快后慢，逐渐平缓；土壤含水率、土壤pH值、土壤有机碳含量与CO2泄漏时长呈负相关关系，即随着CO2泄漏时间的增长不断降低，变化趋势也是先快后缓，逐渐平缓。

(2) 外部时间响应特征：在CO2泄漏过程中，将黄土塬地区土壤环境的季节性变化作为外部时间尺度，探究不同季节条件下土壤环境指标的敏感性，结果表明(见表2)：大多数土壤环境指标在夏季气温高、降水多的条件下变化明显，包括土壤含水率、土壤pH值、土壤电导率、土壤有机碳含量，因此可以在夏季时将这些指标作为黄土塬地区土壤监测的重点监测指标；而土壤CO2通量、土壤CO2浓度、土壤pH值在所有季节敏感性均很高，因此可以在全年对这些指标开展重点监测，其他土壤环境指标在夏季以外季节敏感性总体较低，开展常规监测即可。

表1 CO2泄漏时土壤主要环境指标随CO2泄漏时长的 变化趋势Table 1 Variation trend of main soil environmentalindicators with leakage duration during CO2leakage

表2 CO2泄漏时土壤主要环境指标随季节变化的敏感性 情况Table 2 Sensitivity of main soil environmental indicatorsto seasonal changes during CO2 leakage

3 土壤主要环境指标及不同层位监测方法

3.1 土壤主要环境指标监测方法

针对黄土塬地区CO2泄漏土壤环境指标的变化特征，并结合国内外常用的监测方法，对黄土塬地区主要开展了土壤CO2浓度、土壤CO2通量、土壤pH值、土壤电导率、土壤含水率和土壤有机碳含量等指标的监测，具体监测指标及监测方法见表3。

表3 CO2泄漏土壤主要环境指标及监测方法Table 3 Main environmental indicators and monitoringmethods for CO2 leakage soil

3.2 土壤不同层位监测方法

针对黄土塬地区CO2泄漏空间运移特征，规划重点监测区域，并部署相应的监测方法,见图2。在布置CO2泄漏监测点时，横向上以地势低洼区域、主导风向下风向区域、井筒周围区域的浅层土壤作为重点监测区域，纵向上以深层土壤和井壁沿途土壤作为重点监测区域。在监测方法方面，流量累积室法仅适用于地表土壤，可以在地势低洼处及井筒口周围地表土壤中安装流量累积室，用来直接监测CO2通量；非色散红外分析法(IRGA)可以对土壤CO2浓度进行多点连续监测，重点布设在地势低洼及井筒附近土壤不同深度处，开展多深度连续监测；土壤多参数快速分析法可以快速检测包括土壤pH值、土壤电导率、土壤温湿度等土壤环境参数的变化情况，是用来监测CO2泄漏重要的间接辅助方法，对于流量累积室和非色散红外分析法难以监测的深层土壤可以利用该方法进行监测，考虑到CO2驱油封存项目中CO2泄漏的一个主要途径是突破盖层向上泄漏，因此需在土壤深层加密监测点。

需要注意的是，在部署CO2泄漏监测点前，要开展多次土壤环境背景值监测，以获取自然条件下土壤中CO2含量及相关环境参数基本状况，同时考虑到土壤中动植物呼吸作用、气候环境变化等因素均有可能对土壤CO2含量监测产生影响，因此要设定CO2泄漏量阈值，以避免土壤原生生态环境变化影响CO2泄漏监测的准确性。

图2 CO2泄漏土壤不同空间位置区域监测方法及布点Fig.2 Monitoring method and layout for CO2 leakage in soil at different spatial locations

4 黄土塬地区CO2驱油封存泄漏土壤监测体系

4.1 CO2泄漏土壤监测时间体系

黄土塬地区CO2泄漏在时间上的特征主要体现在土壤主要环境指标变化上，因此选取一年四季作为CO2泄漏监测时间周期，根据在不同季节及气候条件下发生CO2泄漏时黄土塬地区土壤主要环境指标的变化趋势不同，优化重点监测指标和常规监测指标，建立时间维度上黄土塬地区CO2泄漏土壤监测指标体系，见表4。

表4 黄土塬地区CO2泄漏土壤监测时间体系Table 4 Time system of soil monitoring for CO2 leakagesoil in loess tableland region

由表4可以看出：

(1) 土壤CO2浓度、土壤CO2通量主要受CO2泄漏时长的影响，受外界条件的影响较小，其在CO2发生泄漏的同时发生变化，对CO2泄漏的单一敏感性高，响应程度明显，一年四季均可以直接反映CO2泄漏状况，建议将其作为全年的重点监测指标进行在线监测。

(2) 土壤pH值、土壤电导率、土壤有机碳含量容易受到温度、降雨等外界条件的影响，对CO2泄漏的单一敏感性相对较低，且无法直接反映CO2泄漏情况，大多作为辅助性监测指标间接反映CO2泄漏状况，因此可以在全年开展常规监测，其中土壤pH值和土壤有机碳含量在夏季时对CO2泄漏的响应程度较为明显，建议作为重点监测指标。

(3)土壤含水率方面，对于浅层土壤，其受外界条件的影响远远大于CO2泄漏带来的影响，对CO2泄漏的单一敏感性非常低，只有在自然条件稳定的情况下才可以作为辅助性的CO2泄漏监测指标，因此开展常规监测即可；对于深层土壤，其含水率高且相对稳定，对CO2泄漏的敏感性相对较高，可以将深层土壤含水率作为CO2泄漏重要的监测指标，并开展全年重点监测。

4.2 CO2泄漏土壤监测空间体系

4.2.1 纵向监测体系

黄土塬地区土壤具有明显的垂直节理发育特点，使得CO2泄漏在纵向上的迁移路径更长，影响范围更广，突破盖层泄漏的CO2更容易进入深层土壤，而泄漏到大气的CO2在重力、降水、土壤孔隙度等因素的综合影响下也更容易下渗进入更深层的土壤；此外，黄土土层深厚，埋设的井筒受到土壤腐蚀的面积更大，沿垂直的井筒壁发生CO2侧漏并在纵向上发生迁移的风险更高。因此，在纵向CO2泄漏监测点布局时，要综合考虑黄土塬地区CO2泄漏在纵向上具有潜在的“自上而下+自下而上”的双向泄漏通道以及土壤垂直节理发育的特点，除了在地势低洼处、井筒周围等高风险区域的浅层土壤布设CO2泄漏监测点外，还需在其正下方深层土壤也布设CO2泄漏监测点，并在井筒壁沿途不同深度土壤中加密监测点，以形成面状的纵向监测体系，见图3。

图3 黄土塬地区CO2泄漏纵向监测体系示意图Fig.3 Schematic of longitudinal monitoring system for CO2 leakage in the loess tableland region

4.2.2 横向监测体系

黄土塬地区地貌沟谷纵横、起伏不平，CO2泄漏到地表后容易受到风力作用向四周扩散，并在低地势处和山谷聚集，在降水影响下逐渐渗透进入土壤层，且由于黄土塬地区土壤质地均一、孔隙度高，因此CO2在横向各个方向都具有迁移风险，即横向上存在多方位的潜在泄漏通道，需要在深层土壤和浅层土壤均构建横向监测平面网(见图4)，考虑到黄土塬地区井筒壁发生侧漏风险较高的特点，应尽量避免将井筒置于监测平面网边缘位置，并尽可能放置于中心位置，有利于监测CO2的多方位泄漏和迁移。此外，还可以根据CO2实际泄漏情况及潜在运移方向对监测网进行网格化划分[26]，设定重点监测区域(地势较低处、井筒周围、下风向山谷等)，加密布设监测点，形成全方位、高机动性的横向监测体系。

图4 黄土塬地区CO2泄漏横向监测体系示意图Fig.4 Schematic of the lateral monitoring system for CO2 leakage in the loess tableland region

4.3 CO2泄漏土壤监测体系

本文将纵向和横向监测网进行整合，并结合CO2泄漏时间监测体系，以及不同土壤环境指标和土壤层位下CO2泄漏监测技术，形成了一套适用于黄土塬地区地形地貌和土壤理化性质特点的立体化、长期性、多参数的CO2驱油封存泄漏土壤监测体系，见图5。该体系在空间上可以对地层向上、地表下渗以及井筒侧漏的CO2泄漏开展全方位立体化监测；在时间上可以根据气候条件及土壤环境指标的敏感性划分监测优先度，开展一年四季不间断的CO2泄漏监测；在监测指标上覆盖了包括土壤CO2通量、土壤CO2浓度、土壤pH值、土壤电导率、土壤温湿度、土壤有机碳和土壤细菌总数等直接或间接反映CO2泄漏状况的主要土壤环境参数。

图5 黄土塬地区CO2驱油封存泄漏土壤监测体系 示意图Fig.5 Schematic of soil monitoring system for CO2 leakage of CO2-EOR storage in the loess tableland region

该监测体系的优势主要表现在以下几个方面：

(1) 可以满足在黄土塬地区沟壑地貌、土壤深厚均质、垂直节理发育等特点条件下开展CO2驱油封存项目时的土壤CO2泄漏监测。

(2) 形成了时间+三维空间的“四维”监测体系，可以应对土壤层多时间、多点源发生CO2泄漏的情况，实现对黄土塬地区土壤CO2泄漏的全时空、立体化监测。

(3) 采取了多指标共同监测、多技术共同开展的监测方式，可以满足对复杂监测区域的多参数监测，提高了监测的准确性和全面性，直接与间接监测技术相结合的监测方法也使得该监测体系具有很强的灵活性、可操作性和环境适应性。

5 结 论

本文针对我国鄂尔多斯黄土塬地区CO2驱油封存项目的监测需求，通过对黄土塬地区土壤CO2泄漏空间运移特征、土壤环境指标变化特征以及有针对性的监测方法进行辨识与分析，发现一年四季中土壤环境指标的变化程度总体特征表现为夏季>秋季≈春季>冬季，土壤CO2泄漏空间运移特征表现为纵向上“速度快、时间短、强度大、频率高、易反渗”，横向上“线性扩散、易侧漏、多源性”，并建立了适用于黄土塬地区特点的全时空、立体化、多参数的CO2驱油封存泄漏土壤监测体系，可为其他复杂地形地貌区域的CO2驱油封存泄漏土壤监测提供借鉴。