一種新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

劉學浩，李 琦，方志明，劉桂臻，宋然然，汪海濱，李小春

(中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

1 引 言

地層流體的成分、濃度、分布等是關系到地表生物和人類生存的重要因素，亦是地下能源開采和廢棄物地下封存的主要監(jiān)測對象。地下流體取樣能通過同位素追蹤、地層殘余氣分析、化學成分分析、微生物群落特征等方法連續(xù)提供大量關于地層的物理、化學和微生物信息，其監(jiān)測對工程開展和環(huán)境風險評估具有指導意義，在國內外得到廣泛應用。因項目需求和工程實際情況不同，國內外開發(fā)了各式各樣的地下流體取樣裝置和方法，按工作原理主要分為如下3 種[1]：

（1）下井式定深取樣，將取樣器通過引線下放至鉆井內指定地層深度，完成取樣后將取樣器提升至地表，進而對其所取的地下流體進行分析[2－3]。如鄭繼天[4]開發(fā)的FFS-A 型地下水定深取樣器，取樣深度達到200 m，取樣器外徑為50 mm，最大取樣容量為1 L。該技術的劣勢在于不能連續(xù)高頻次地取樣，單次取樣容積有限，不易控制取樣速率，且對地下流體運移場造成一定擾動，取樣器提升至地面的過程對地下流體樣品產生的干擾很難消除。

（2）泵式多級監(jiān)測取樣，也稱一孔多層監(jiān)測取樣，系指在一口鉆井中分層分段監(jiān)測地下水。該技術的典型特征在于采用蠕動泵、潛水泵等電動泵提供動力，抽取不同層位的地下水[5]。其中盧予北[6]開發(fā)的多層地下水示范監(jiān)測井達到地下328 m 深，井管采用PVC-U 管，其直徑為110 mm，井管之間采用絲扣鏈接。引進的Westbay 地下水分層監(jiān)測系統(tǒng)在通州區(qū)張家灣監(jiān)測站應用[7]，采用不銹鋼材質直徑為127 mm 的井管，埋深為311 m，每月取樣2次。該技術的缺點在于資金投入大，場地適應性差（一般需提供220 V 交流電，而不適合無井房、無電源的野外），不太適合淺部地層的小劑量連續(xù)取樣。此外，采用電動泵抽取地下流體對樣品擾動較大，不利于地下流體樣品的化學分析。

（3）氣體推動式地下流體采樣，適合長期監(jiān)測地下流體。與泵式多級監(jiān)測取樣技術的主要區(qū)別在于動力源不采用電動泵，而是可移動式氮氣瓶（或其他惰性氣體）。其技術基于U 形管原理。該技術的系統(tǒng)構成小、成本低，能與其他監(jiān)測手段（如壓力傳感器、溫度傳感器、水診檢漏器、地震檢測儀、同位素追蹤儀）[8]進行很好搭接。更為重要的是，相對于下井式定深取樣，該技術能連續(xù)快速地大容量取樣；相對于泵式多級監(jiān)測取樣，該技術本身的保壓和被動取樣特點能盡可能減輕取樣過程對地下流體的擾動，且成本相對低廉。Norman[9]指出，氣體推動式取樣技術的成本約為泵式取樣技術的10%，盡管其存在取樣過程耗時較長、井下設備不易檢修和回收等缺點，但仍有使用價值。另外，井口取樣采用移動式氮氣瓶，在野外不需要220 V供電，場地適應性大為增強。盡管基于U 形管原理的氣體推動地下水采樣技術具有如上所述眾多優(yōu)點，但限于若干技術難點，該技術在國內工程應用非常少，而國外近幾年基于在CO2地質封存領域的成功監(jiān)測經驗，在能源與廢棄物地下封存領域大范圍推廣。

美國勞倫斯伯克利實驗室的Freifeld[10]在2005年首次成功開發(fā)深井U形管取樣監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)已服務全球多處工程[11]，包括美國Frio 咸水層CO2封存示范工程（深度為1 513.9 m，單層取樣）、澳大利亞CO2CRC 的Otway 枯竭油氣田CO2封存示范工程（取樣最大深度為2 046.9 m，3 層取樣，地層壓力為13.8 MPa,氮氣瓶取樣壓力為24.1 MPa）、加拿大Nunuvut 的塊狀硫化物礦床監(jiān)測工程（深度為 350 m）和美國Nevada 地區(qū)Amargosa 山谷（深度為400 m，4 層取樣）[11]。上述工程應用于中深部地層，主要觀測地下流體的地球化學反應及地層中的水力傳導路徑，并追蹤分析注入的CO2在儲層氣水接液面或兩相流處的運移機制和時空分布，及CO2在蓋層中的突破與泄漏規(guī)律。

針對碳捕集、利用與封存（CCUS）環(huán)境風險監(jiān)測的項目需求，本文在已有技術基礎上克服若干技術難點，進行了新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，在國內尚屬首次，已申請2 項發(fā)明專利。本文給出了該監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理、元件構成及操作步驟。此外，該淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)將在包括勝利油田、神華、吉林油田在內的多處CCUS 工程推廣使用。值得指出的是，該新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)基于已有的氣體推動式取樣技術和U 形管原理，選用PVC材質時適用地層深度一般不超過60 m，特別適用于CCUS 相關領域（CO2咸水層封存、酸氣回注、CO2驅替增采石油CO2-EOR、CO2驅替增采天然氣CO2-EGR、CO2驅替增采煤層氣CO2-ECBM、CO2致裂開采頁巖氣CO2-ESG 等[12]）的CO2/H2S/CH4泄漏監(jiān)測及其對淺層地下環(huán)境的影響監(jiān)測。

2 CCUS 環(huán)境風險與工程需求

CCUS 作為能夠有效降低傳統(tǒng)能源產業(yè)CO2排放量，緩解氣候變化的前瞻性技術之一，近幾年在世界范圍內得以快速發(fā)展和廣泛應用，如德國的Ketzin 咸水層CO2封存示范、美國的Frio 咸水層CO2封存示范、澳大利亞的Otway 枯竭油氣田CO2封存示范、加拿大的Weyburn 項目、法國的Lacq項目、挪威的Sleipner 項目、阿爾及利亞In Salah項目等70 多個處于不同階段的大規(guī)模項目。國內神華煤制油 CO2咸水層封存、中石化勝利油田CO2-EOR 項目、吉林油田CO2-EOR 項目、大慶CCS項目等8 個大規(guī)模集成項目也應用了該技術[13]。

大規(guī)模注入地層的流體（如CO2、酸氣）對環(huán)境的潛在影響及其可能誘發(fā)的風險，是CCUS與酸氣回注[14]的核心問題之一，亟待示范工程實證。高濃度CO2在地層中的泄漏或逃逸，可以改變淺層地下水（甚至可飲用的地下水）水質，威脅淺地表生物群落，甚至危及周圍人群。為保證項目運行的安全性，考察井孔完整性、CO2流動前沿、地下特征與壓力發(fā)展、蓋層完整性、地表滲透在內的多項風險[15－16]，某油田CO2-EOR 項目制定了詳細的監(jiān)測方案[13]。其中對于包含淺層地下水的水質監(jiān)測內容為：①溫度、pH 值、電導率、總礦化度（TDS）、總有機碳（TOC）、總無機碳（TIC）、堿度；②主要陰陽離子；③氣體組分；④碳13 穩(wěn)定同位素。監(jiān)測頻率不少于每月一次[13]。工程目的在于預警CO2是否泄漏至地表，并評估其泄漏對淺層地下水的影響。

針對國內某油田CO2-EOR 工程對淺層地下水和土壤氣連續(xù)監(jiān)測的實際需求，本文進行了新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)。其中，該工程場地地下水位線約0.7 m，地層滲透系數(shù)為4.7 md，地下10 m地層深度內為黏土、粉土和粉質黏土，飽和度為99%～100%[17]。

3 新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)

新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)基于U形管原理和氣體推動式地下水采樣技術，通過監(jiān)測不同層位（此處為3 層）地下水和土壤氣來預警地質封存的CO2泄漏情況，評估其泄漏對淺層地下水水質及淺地表生物群落的影響。該淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)可以初步預警CO2突破指定上覆地層（取樣地層）的時間，通過地下流體樣品的化學分析得到CO2濃度隨時間變化的曲線，為封存現(xiàn)場環(huán)境風險監(jiān)測系統(tǒng)提供重要的組成數(shù)據(jù)，其工作原理及系統(tǒng)構成如下。

3.1 工作原理

如圖1 所示，新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)分3 個階段完成取樣：第1 階段，含水層的地下流體在壓差作用下穿過井筒側壁的小孔滲入井筒取樣段，并逐漸達到滲流平衡；第2 階段，井筒取樣段內的地下流體經濾芯過濾后通過單向閥流入U 形管，地下流體儲存在U 形管的儲流容器內，而U 形管上端的兩個軟管連至地表，分別為加壓端和取樣端；第3階段，采用氮氣洗井清潔后，對U 形管的一端（加壓端）用便攜式氮氣瓶加壓，U 形管內儲流容器的地下流體因單向閥流向限制只能從U形管的另一端（取樣端）排至地面的液體取樣容器，從而得到指定地層的地下水樣。

地下土壤氣通過井下的導管與地面連通，采用活塞式氣體取樣容器洗井后直接抽取。值得指出的是，土壤氣僅對地下水位以上的地層進行取樣，不包括非飽和含水層的殘余氣。

圖1 淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of CO2monitoring system in shallow well

3.2 技術難點與應對措施

與常規(guī)監(jiān)測井技術相比，新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)成本相對低廉，具有良好的場地適應性和地下水樣品的高保真性等優(yōu)點，其存在的技術難點如下：①泥沙和冬季結冰等引起的淤堵問題[8]；②連續(xù)監(jiān)測過程中如何保證地面所取的樣品能實時反映或代表指定深度的地層流體，即取樣代表性問題[6－7]；③如何保證監(jiān)測井的使用壽命，即耐久性問題[7]。

3.2.1 淤堵問題

淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的井筒、單向閥、軟管等處因淤堵而無法正常工作，導致地面取樣失敗。泥沙顆粒、結冰、烴類析出固化成蠟、水合物的形成、微生物聚集等引起的堵塞是困擾所有地下流體長時間連續(xù)取樣的首要技術問題，亦是影響本監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的關鍵之一。引起淤堵的原因可能有：

（1）井筒取樣段內的空氣無法正常排出，導致井筒取樣段形成一定內壓，地下水因內外壓力平衡而過早地停止?jié)B入，地面無法取到足夠量的水。

對該問題通過監(jiān)測系統(tǒng)的結構性設計來克服。將井筒分為取樣段和連接段，取樣段上、下設不透水堵頭，井筒側壁沿線均布小孔，不留空隙，從而排除內部空氣無法排出的影響。

（2）冬季淺地層的水結冰，引起導水管結冰封堵而間歇性失去取水能力，甚至引起導管破裂或單向閥失效，導致監(jiān)測系統(tǒng)永久性失效。

該場地冬季1月份平均氣溫為-3 ℃，年積雪日數(shù)為8～16 d，歷史上極端低溫為-23.3 ℃。地下10 m的淺部地層在冬季會出現(xiàn)較嚴重的結冰情況。對此在考慮經濟可行的情況下，對井筒側壁（除了取樣段）包裹多層防寒止水帷幕。并且，元件設計選型（軟管、接頭、單向閥等）要能耐低溫，不至于凍壞失效。

（3）地下水中含的泥沙顆粒堵塞井筒側壁的小孔或單向閥，導致有效過水斷面面積大大減小，進水逐漸緩慢甚至完全堵死。

泥沙顆粒引起的堵塞，其控制因素為小孔孔徑、數(shù)量與濾網目數(shù)。在滲流計算的基礎上，進行了縮小比例的室內試驗測試，沿井筒壁設置一系列小孔，并纏繞濾網固定，然后將該井筒埋入地層。設置在該井筒內部的U形管對滲入的地下水進行取樣，如圖2 所示。

室內試驗測試得到的主要結論如下：

（1）滲流速率控制因素為過水面積，與小孔總面積有關，與單孔孔徑的大小無關。

如圖3 所示，通過井筒側壁所鉆小孔的個數(shù)換算得到，A、B、C 3 組過水面積分別為12.57、172.79、1 138.8 mm2。過水面積很小情況下（A 組），滲流速率很小，尚未達到平衡，線性規(guī)律顯著；過水面積很大情況下（C 組），20 h 內迅速達到滲流平衡，滲流速率與過水面積呈典型的線性關系，與達西滲流定律符合。

圖2 室內試驗測試圖Fig.2 Testing in laboratory

圖3 不同過水面積下滲流平衡曲線Fig.3 Seepage equilibrium curves of different cross-section areas

滲流速率與小孔孔徑的大小無關，因為井筒側壁進水小孔的孔徑遠大于土顆粒直徑（d95＜0.1 mm），這意味著小孔斷面處的流動是多孔介質滲流，而不是小孔出流?？刂埔蛩貫橥馏w顆粒及其間隙的尺寸。

（2）試驗測試井筒側壁小孔的有效面積與滲流平衡時間有關。其中55 個小孔情況下，滲流平衡時間約為53.6 h（如圖4 所示），由此選定了滿足實際工程要求的孔徑與數(shù)量。

（3）取樣段的小孔處設置濾網，濾網目數(shù)越高，井筒內滲入的水樣攜沙量越少，且濾網目數(shù)對滲流速率影響很小。依據(jù)地層中土顆粒的粒徑分布（如圖5所示），過濾井筒側壁小孔的濾網規(guī)格選為200 目。

由圖5 現(xiàn)場土的粒度成分試驗累積曲線可知，地層土d50=0.021～0.032 mm，d95=0.068～0.071 mm。設置的濾網的孔徑大小應既不引起超濾效應，又防止細顆粒的逐漸堵塞[18]，故濾網篩孔尺寸參照土顆粒直徑d95選擇0.075 mm，對應濾網標準規(guī)格200目，如表1 所示。

圖4 滲流平衡曲線Fig.4 Seepage equilibrium curve

圖5 現(xiàn)場土樣顆粒粒徑分析Fig.5 Particles size distribution(PSD) of soil at site

井筒側壁采用粘貼式結構，尼龍材質。對于單向閥前端的過濾方案，由于彈簧式單向閥應盡量避免在含泥砂的水中長期工作，為保證核心元件單向閥的耐久性，對其前端的保護應盡量采用高規(guī)格的過濾方案。

表1 過濾網目數(shù)與篩孔尺寸換算表Table 1 Conversion table for mesh size in filter

3.2.2 取樣代表性問題

順利取出的水樣能否為指定地層的地下水，而不是鉆井液或其他層位的地下水。能否實時表征指定地層地下水水質的變化，而不是井筒內滯留的殘余水。這些都涉及取樣代表性問題。

取樣器安裝過程中井筒取樣段不可避免地會涌入大量鉆井液。鉆井過程中各個地層間的水力通道被打通，導致各個地層的水沿著井壁薄弱通道混合進入取樣段，使水樣不能代表指定層位的地下水。此外，還需保證U 形管所取的水樣能反映指定層位地下水水質的變化情況，以達到通過水樣分析實時檢測CO2泄漏的目的。

上述難點問題均可通過淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)巧妙的結構設計、鉆井工藝及回填方案克服：①鉆井時采用清水置換施工工藝，能大大減輕鉆井液涌入井筒時攜帶的泥沙量。②針對層間串水問題，井筒設計分為取樣段和連接段，保證取樣段周圍的井壁回填高滲透率的黃砂或石英砂，在連接段的垂直空間中回填一小段不透水的原狀泥土或膨脹土，用來隔斷各個層位的水力聯(lián)系。③針對取樣流動性問題，為消除井筒取樣段殘留液的影響，以保證取樣能代表指定地層中流動的地下水，通過結構設計控制井筒取樣段的容積。保證U 形管的兩次取樣量等于井筒取樣段滲流穩(wěn)定的有效容積。

3.2.3 耐久性設計

監(jiān)測地質封存中CO2的泄漏情況，若針對注入過程的施工動態(tài)監(jiān)測，則該監(jiān)測系統(tǒng)的設計工作年限一般為3～10 a；若從評估工程對環(huán)境的長期影響這一更為重要的角度考慮，則該監(jiān)測系統(tǒng)的有效工作年限應盡可能長，超過50 a。因此，新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性設計至關重要。應對措施如下：

（1）材質上，選擇耐化學腐蝕，耐久性更好的PVC 材質，如PVC-U 排水管、塑料單向閥、二通和三通接頭、PVC 材質不透水堵頭、尼龍材質濾網。

（2）盡量減少U 形管內軟管的接頭，通過改進PVC 堵頭的結構和密封防水方式。

（3）對必要的元件（二通轉接、三通及單向閥），嚴格選型以保證足夠的使用年限，尤其是單向閥。

（4）對核心元件單向閥給予盡可能嚴格的保護，設置最高規(guī)格的濾芯防止泥沙顆粒破壞其內部結構。

3.3 理論計算

采用達西定律計算滲流過程，淺層地下水不承壓。平均滲流路徑恒定，其水力坡度為

式中：J為水力坡度；L為滲流路徑；h1、h2為水頭位置；代入達西公式，地下水滲流速度為

式中：V為平均滲流速度；K為滲透系數(shù)。

由達西定律得到的滲流速度為地下水在多孔介質中的平均滲流速度，其值等于流體真實速度與孔隙度的乘積，黏質土孔隙度約為45%～60%。

單位時間內流量q 等于流體真實速度（V/φ）與井筒側壁過水斷面面積的乘積。

式中：q為單位時間內的流量；A孔為過水斷面面積；φ為孔隙度；V為平均滲流速度。

井筒內總流量Q 等于單位時間內的流量q與滲流時間t 的乘積。

則滲流時間為

式中：過水斷面面積A孔=1.73 cm2；現(xiàn)場滲透率為4.7 md，換算成滲透系數(shù)為K=4.5×10-4cm/s；粉質黏土的孔隙度φ 約為50%；滲流路徑L=9 m，水頭差h1-h2=9 m；單次取樣容積Q=200 mL 情況下，滲流時間t=35.68 h。

3.4 系統(tǒng)構成

在封存場地范圍內設置深約10 m 的監(jiān)測井，整體示意如圖6 所示。井筒采用75 mm 直徑的PVC-U 排水管。井內設U 形管和封隔器，分別對多個地層（如-2、-6、-10 m）獨立取樣（地下水和氣體）。封隔器采用PVC 材質加工，中間設小孔，供U 形管系統(tǒng)穿過。U 形管的內徑根據(jù)取水量需求確定，進口減少N2消耗量。為保證取樣的流動性，假定整個U 形管取2 次的水量等于井筒取樣段的總儲水量。

圖6 U 形管取樣原理圖Fig.6 Diagram of the U-tube sampler

3.5 操作步驟

（1）將取樣裝置放入正在清水置換的鉆孔內，然后進行回填。其中井筒進樣段對應的深度回填透水性強的石英砂，井筒連接段部分回填透水性極差的膨脹土或原狀黏土，以隔斷不同層位地下流體的聯(lián)系。

（2）分別開啟氣體推動式地面液體取樣系統(tǒng)中與液體取樣容器和壓力源相連接的球閥，通過減壓閥逐漸增大氮氣瓶的出氣壓力（其值不大于液相單向閥的容許壓力），使地下流體緩慢排出，直至U形管地下液體進樣系統(tǒng)的流體排盡，由此完成洗井操作，關閉氮氣瓶和減壓閥。

（3）完成上述洗井操作后，開啟氮氣瓶和減壓閥。由于液相單向閥的流向限制，地下流體緩慢進入液體取樣容器。達到所需容量后，液體取樣完畢，關閉各球閥、減壓閥和氮氣瓶，如圖7 所示，現(xiàn)場采用氮氣瓶對CO2監(jiān)測井進行取樣。

（4）重復上述過程，可以對不同層位進行多次液體取樣。開啟土壤氣取樣系統(tǒng)中與氣體取樣容器連接的針閥。

（5）采用活塞式氣體取樣容器將殘留在井筒內的氣體抽走，因氣相單向閥的流向限制，空氣不會回流入井筒。由此完成氣體取樣前的洗井，關閉針閥。

（6）完成上述洗井操作后，打開針閥，氣體取樣容器抽取指定容量的新鮮土壤氣樣品，從而實現(xiàn)土壤氣樣品取樣。

（7）取樣完畢后，檢查關閉取樣裝置的各個球閥、針閥、減壓閥，保持安置狀態(tài)直到下個周期取樣[20]。

3.6 現(xiàn)場應用與測試結果

研發(fā)的淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)場工作良好。圖7為現(xiàn)場監(jiān)測井井口處的取樣測試，對該系統(tǒng)得到的樣品采用Mutli 3420（配備Sen Tix 950 pH 電極和TetraCon 925 電導率電極）分析。初步給出不同層位地下流體物理性質的結果，如表2 所示。

需要說明的是，該場地尚未實際發(fā)生CO2的泄漏，因此，現(xiàn)場安裝的網點式淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)取樣結果較為平穩(wěn)，是該場地地下流體性質對比的基準數(shù)據(jù)，也是該工程區(qū)域范圍內沒有CO2泄漏至淺地表的直接證據(jù)。

通過淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)取樣，分析識別工程范圍內CO2實際泄漏情況，是下一步的工作重點。

圖7 現(xiàn)場測試取樣Fig.7 Sampling at field site

表2 現(xiàn)場取樣結果Table 2 Results of field tests

4 結論與展望

（1）在克服或一定程度緩解泥沙或冰凍引起的淤堵問題、取樣代表性問題、耐久性問題等技術難點的基礎上，進行了新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，并在實際CCUS 工程中使用。

（2）該淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)具有如下優(yōu)點[20]：①能對多個地層連續(xù)取樣，且其結構設計盡可能提高樣品的真實性和實時代表性；②該監(jiān)測系統(tǒng)構成元件均選用塑料（PVC 或尼龍），耐腐蝕優(yōu)越，成本相對低廉，適用于埋深不超過200 m 的淺部地層，能同時對地下水和土壤氣取樣；③野外場地適應性非常好，無需提供電源，其地面取樣裝置所用的壓力源、取樣瓶均為移動式。

（3）實際工程對地下淺層流體取樣分析的需求廣泛，研發(fā)的淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)，可廣泛應用于不同領域、不同工程目的淺層地下水和土壤氣的環(huán)境監(jiān)測，特別適用于碳捕集、利用與封存（CCUS）領域（咸水層封存、酸氣回注、CO2-EOR、CO2-EGR、CO2-ECBM、CO2-ESG 等）的CO2/H2S/CH4泄漏監(jiān)測及其對淺層地下環(huán)境的影響[21]，具有良好的應用前景和商業(yè)價值。

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