碳中和目标下CCUS监测评估技术研究进展

张龙，王永昌，陈博，滕悦

1.中国海洋石油集团有限公司节能减排监测中心，天津，300457

2.天津北海油人力资源咨询服务有限公司，天津，300450

3.海油总节能减排监测中心有限公司，天津，300457

0 引言

碳中和也称CO2净零排放，通常是指针对国家、企业、产品、活动、个人等在一定时间内直接或间接产生的CO2排放总量，应用植树造林、节能减排、CCUS等手段进行正负抵消并达到净零排放。近年来，各实践主体加快了全球碳中和进程。中国作为其中的一员，一方面明确提出了减碳时间表，另一方面在能源战略中大幅度推进了CCUS项目建设。为保障此类项目高质量建设与高水准运营，在当前阶段亟需推进CUUS监测评估技术的开发与推广应用，在这种背景下有必要加强对此类技术研究进展的探讨。

1 CCUS的基本内容及监测评估的重要性

1.1 基本内容

CCUS是英文Carbon Capture Utilization and Storage首字母的缩写形式，译为碳捕集、利用与封存，兼具了理论与技术双重属性。从理论方面看，以工业或其他排放源中分离出的CO2为对象，按照“碳捕集→碳运输→碳利用→碳封存等”环节进行处置。从技术层面看，捕集环节比较复杂，涉及IGCC-燃烧前捕捉、PCC-燃烧后捕捉、Oxy-combustion氧化燃烧等方式，运输环节需要使用专业存储罐与车辆，利用途径包括矿物碳化、物理利用、化学利用及生物利用，封存环节则结合地质结构中的成熟或已耗尽的油气田、深层盐碱含水层、废弃含煤层进行埋藏。需要注意的是，CCUS项目中的监测评估技术应用中，十分强调诸环节的关联性，因而，在同一项目实施期间，实践主体会根据“大平台+小系统”的基本框架，一方面搭建适配性较高的监测评估技术平台，另一方面会按照模块化设计思想设置诸环节的监测系统等。

1.2 监测评估的重要性

CO2是一种无色无味的碳氧化合物，作为空气中的重要组分，能够通过挥发方式排放到大气中形成温室气体，加重全球气候变暖并引发一系列自然灾害。根据《碳监测评估试点工作方案》（环办监测函[2021]435号）、《2030年前碳达峰行动方案》（国发[2021]23号）等政策文件内容看，碳中和目标下国内各大能源及发电企业已实施的CCUS项目数量多达55个，配套开展CUUS监测评估，既是此类项目的必然要求，也有利于促进碳中和目标的有效落实。具体而言，CCUS项目是碳工业发展的重要组成部分，宏观决策中离不开CCUS监测评估结果的支持，中观产业结构调整中，需要借助其监测评估技术建立适配性较高的技术体系，微观实践中则需要通过作为手段的CCUS监测评估技术为其实践赋能，达到CO2净零排放，并在人类活动产生CO2吸收量与排放量均衡的前提下，使其产出综合效益。

2 碳中和目标下CCUS监测评估技术分析

CO2环境影响监测技术是碳中和目标下CCUS监测评估技术的重要组成部分，直接决定着CCUS项目是否能顺利建设与安全运营，以及碳减排的效果评估。具体而言，受CO2的性质影响，在其产生后会发生渗漏、逃逸风险并引发环境问题，此时便需要利用该技术监测、采集相关数据，分析其对环境的影响程度、评估温室气体减排效果等。以国外为例，澳大利亚Otway示范项目、阿尔及利亚In Salah项目、挪威北海项目等，已构建了以该技术为主的CCUS监测评估技术体系。以国内为例，中国石油吉林油田CO2-EOR试点项目、中国石油新疆彩南油田CO2驱水与地质封存先导性试验工程、中国神华集团鄂尔多斯碳捕集与封存示范工程等，也围绕该技术建立了适配的CCUS监测评估技术体系[1-3]。

该技术应用时涉及若干具体技术的独立应用与联合应用，主要如下。（1）CO2泄漏监测，如针对废弃井、断层、漏油气井的大面积CO2泄漏监测，分为瞬时性泄漏监测、连续性泄漏监测等。（2）环境监测，如土壤气监测、井网监测、大气监测等。（3）地震监测，如3D时移地震监测、微震监测、井间地震监测、地面变形监测等。除此之外，各类CCUS项目中对该技术的应用，通常会针对CO2地质储存工程划分若干监测阶段与指标，一般涉及CO2地下运移、地层响应、环境影响等。从国内CCUS项目中的CO2地质储存工程中对地质封存环境的监测情况看，监测对象主要集中在大气、地表、含水层、注入CO2储层，内容涉及地表水、地下水、土壤气体、植被、空气等。通常情况下，在全过程监测中，将监测期划分为四个阶段。（1）在第一阶段，风险处于中等水平，主要进行本底监测。（2）在第二阶段，风险包括低等水平、中等水平、高等水平，由高等风险到低等风险强调连续监测、高频率样方和遥感监测、高频率采样和分析监测的配套应用。（3）在第三阶段，由于已闭场，把监测重点转移到了灌注井、监测井方面，实际监测需要按照常态化监测要求实施。（4）在第四阶段，随着闭场时间的延长，实践主体需要把风险水平与闭场后的时间范围相结合，参考运营期的监测经验，实施低频率采样和分析监测、高频率样方和遥感监测、阶段性监测等。

2.1 以环境监测为例

CO2的捕集、运输、利用、封存离不开客观环境，其中关系比较密切的是大气环境、土壤环境、水环境三大部分，对应上述部分，通常会应用匹配的监测评估技术，进而满足CCUS项目诸环节的CO2监测。以地下水环境监测技术为例，在海上CCUS项目中，CO2含量过高会腐蚀水泥环境、井筒、管柱、井口等，同时涉及项目工程地质一体化圈密封性和CO2水岩反应引起的井筒堵塞问题等。在此前提下，需要应用地下水环境监测技术，对项目建设场址实施相应的监测。目前，该技术相对成熟，操作中可以选择地球化学效应监测设备、压力型监测仪、热导型监测装置、pH测量传感器等，更为快速地进行监测。例如，在油气田井下的PDG系统连续性监测过程中，井底的温度与压力属于关键性指标，此时，便可以利用基于压力变化的监测方法选取压力型监测仪开展监测。再如，我国鄂尔多斯神华CCUS示范工程中应用的pH值深层原位自动监测系统，不仅实现了1500m深度的pH值变化情况实时监测目标，还能配套地球化学效应监测方法下的离子选择性电极法、氧化-还原电位计等，对CO2引发的物质化学变化情况做出精准监测[4-5]。

2.2 以地层响应监测为例

地层响应监测也称地质环境扰动监测，在CCUS项目中将监测重点放在地震相关领域，常用的监测技术如下：（1）地面变形监测技术；（2）诱发地震监测技术；（3）断层活化监测技术等。以断层活化或蠕变监测技术为例，主要是在外界震动引起的光纤传感参数变化与相位解调技术支持下，通过检测光纤的相位变化实现对其周围环境震动信息的有效监测，其中应用较多的是抗电磁干扰技术、分布式光纤传感技术等。以InSAR地面变形监测为例，在重复雷达图像相位数据基础上，利用提取技术从中提取相关地面目标信息后，可以借助数据源分析、遥感监测等，实现对CO2注入地表形变幅度的实时监测、分析、评估，尤其在地下运移监测方面，可以配套应用四维地震监测技术、时移VSP监测技术等。

3 碳中和目标下CCUS监测评估技术研究进展

根据现阶段对各类技术的汇总分析成果看，在CCUS监测评估技术体系下常用的代表技术虽然有所增多，但是占据主导地位的仍是CO2环境影响监测技术，并且落实在环境影响监测、地层响应监测（包括运移监测）两大方向，而且其优劣、应用场景、使用风险、实用案例等比较清晰。例如，CO2地下运移监测是运行CCUS项目时的重要内容，其中应用的四维地震监测技术优势是覆盖面广、检测通量大，缺点表现在价格高与监测深度及储层要求高等方面，仅适用于羽迁移与地下特征相关的监测，风险相对较小，在Weyburn项目中的应用产生了较好的效果。再如，我国神华CCUS示范工程中对时移VSP监测技术进行了应用，该技术优势是成熟、应用广，不足之处是价格高，对CO2注入规模和地层有严格要求，与四维地震技术的应用场景风险一致等[6]。从此类项目中的CCUS监测评估技术方案或技术体系看，当前的研究已呈现出系统性、平台化、数字化特征。

3.1 系统性研究占据主流

目前，各实践主体为了在全球碳中和实践期间产生的新赛道中获得定价权，在CCUS监测评估技术方面，开展了系统性的研究。从原因看，各实践主体签订《巴黎协定》后，全球进入了碳中和时代，均围绕CCUS项目进行实践。其中，同行业、同类项目中的质量体系管理标准制定权，直接决定了同行业的材料、设备、知识产权等定价权，以及利润分成。由于CCUS监测评估技术体系的建设直接关系到定价权，因而，在当前阶段各实践主体普遍推进了对各类CCUS监测评估技术体系的系统性研究。

以海上CO2地质封存监测为例，这是CCUS项目中的主要监测对象，在其监测技术体系设计时，各国主要针对泄漏场景、生命周期等不同阶段选择适配的监测技术，并确定其监测频率。然后，在更新路径下：（1）结合特定场地进行风险评估、识别潜在泄漏场景实施风险评估；（2）根据项目监测任务、监测目标及确定的监测技术，制作监测技术列表并明确各项技术指标；（3）实施监测技术筛选与监测方案制定，并将重点放在方法优化层面，配套有相应的知识产权创新研发与监测技术的可持续更新等。

3.2 平台化研究已成刚需

从当前研究进展情况看，普遍是在“大平台+小系统”框架下构建CCUS监测评估技术架构。（1）针对监测对象，选择适配性较高的物联设备，包括监控装置、传感器、执行器、捕集器等，在其基础上可以构成数据采集层。（2）目前主要是利用5G技术搭建有线通信网络和无线通信网络，并通过设置多元化的接口满足数据采集层与数据管理层之间的双向通信。（3）数据管理层的重点放在数据归集、数据分类存储、数据库管理、数据关联分析、数据挖掘等方面，经过数据分析处理生成报表后，可以直接发送到应用层的各个模块之中。（4）应用层主要由若干主体组成，包括行政单位、项目实施者以及与终端相关的各类APP用户等。平台化的优势是：将各类监测划分为若干小系统，然后通过汇总方式将其全部接入大平台，进而利用大数据中心完成对各个部分的同步、实时、关联管理等，既符合系统性监测评估设计要求，也满足了平台化监测评估的需要，能够起到提质增效的作用[7]。

3.3 数字化研究作为关键

碳中和目标下对CCUS监测评估技术的研究，始终把数字化作为关键。例如，CCUS项目的构成环节较多，任何一个环节都受到时间与空间方面的条件限定，为保障其监测评估技术体系的系统性运行、平台化操作，需要借助先进的数字化技术为其赋能。以CO2捕集环节为例，捕集范围广、捕集对象众多、捕集方式多样，同一个项目中，为了将不同地点的捕集工作落实到位并进行统筹管理，需要实施多元异构数据的同步采集，此时，通常需要应用具备初级数据采集与清洗处理的传感器技术与大数据清洗技术。以CO2运输环节为例，包括车辆储罐运输、管道运输两种方式，在前一种方式下需要进行GPS定位、FRID跟踪、泄漏和安全监测，在后一种方式下通常涉及流量、泄漏、安全监测等，需要使用相应的流量监测装置、泄漏监测仪器、安全监测设备等。为保障其数据的关联分析，需要配置物联网技术、大数据存储引擎技术及数据挖掘技术等[8-9]。

4 结语

综上所述，CCUS内容十分丰富，在CCUS项目中实施配套的监测评估具有十分重要的现实意义。由于碳中和背景下的CCUS监测评估技术体系比较复杂，涉及技术类型较多，在实际研究中，根据实际需求一般把重点放在系统性、平台化、数字化层面，并选择适配环境影响监测、地震监测技术。因而，各实践主体在碳中和目标下，一方面应遵循思路决定出路的基本原则，在技术赋能路径下，按照技术要素主导的资源配置方案优化各项资源配置，另一方面，需要紧扣实际的CCUS项目监测评估需求，构建适配性较高的技术体系，进而在提高此类项目全要素生产率的前提下辅助其向着高质量的方向发展。