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锥形量热仪的测试前提与测试分析
2021年 9月，在挪威Svelvik的SINTEF CO2现场尝试室进行了一项地震跨孔现场尝试，以使用传统地震源和接管器、散布式声学传感（DAS）和散布式温度传感（DTS）以及光纤电缆监测CO2注入。现场装置了一口注入井和四口深度约100米的观察井。油井建设了线性和螺旋缠绕（HWC）DAS电缆。该尝试的重要主张是使用新开发的SV源测试震源三元组（P波、SH波和SV波）的地震成像能力，测试DAS使用分歧类型电缆进行井间调查的能力，并钻研使用全波形反演（FWI）进行CO2注入监测的可行性。
地震尝试使用带水听器串的高分辨率P波层析成像和DAS系统，在六天的注入期间监测CO2（气体）的传布。此表，使用由八个三轴地震检波器组成的多站钻孔采集系统和DAS系统，使用SH和SV源进行了S波层析成像。在试验起头前进行了基线调查，每天沉复进行P波丈量，而更耗时的S波调查仅在注入水位深度和后期注入阶段的上层含水层内进行。
通例P波层析成像的第一个了局批注，水平分层沉积拥有交替的高速和低速区，即低渗入性或高渗入性沉积物；呤莺妥⑷氲4天采集的数据之间的两个P波层析图像的比力批注，CO2沿着上层含水层内的高渗入带迁徙。我们还将地震FWI技术利用于水听器数据。DTS丈量了局似乎批注CO2迁徙与地震数据显示的一致。对通例地震数据和DAS数据进行了比力分析，以评估DAS系统用于P波和S波地震层析成像丈量的潜力。我们初次从DAS数据中推算出P波断层图，显示出与通例仪器类似的了局，而HWC的数据提供了数据。这证实了HWC配置在跨孔P波丈量中的实用性，其中波入射角靠近电缆的宽边。初始了局批注，通例地震和DAS的结合利用显著提高了CO2成像尝试中的数据可诠释性，并且通常用于短距离井间丈量，由于DAS在整个井眼上提供了密集空间采样的可沉复丈量。必要进一步的工作来优化电缆类型和部署，并改进此利用的DAS数据处置。DTS还能够提供有关CO2迁徙的补充见解近年来，对温室气体排放的忧郁引发了对碳捕获和贮存（CCS）作为一衷禅候变动缓解规划的兴致，该规划可用于削减报答净二氧化碳排放。然而，CCS必要在数年内将CO2安全地保留在地质地层中。几种地球化学和地球物理（如延时地震）技术允许监测CO2的区域散布、密封齐全性和注入响应的压力变动，因而可用于验证贮存一致性，是齐全性监测的贵重工具[1]。
DigiMon项目由加快CCS技术（ACT）建议赞助，旨在通过整合成熟和新鲜的丈量技术，开发和验证CCS地质储层的综合预警监测系统。迄今为止，已经有单独的系统和点传感器用于监测和检测二氧化碳，提供正确和全面的丈量。这些系统运行靠得住，但成本很高，出格是对于拥有密集采样距离的大空间领域。直到近期，散布式光纤传感器阵列的活络度低于常用的高分辨率监测步骤。然而，随着仪器和光纤电缆技术的改进，散布式声学传感（DAS）技术此刻能够实现光纤地震数据采集，其质量可与更多传统技术媲美[2]。光纤传感技术可能以显著降低的成本在宽泛的空间区域采集密集的空间采样地震数据。DAS数据和检波器/水听器数据之间存在差距，必要在数据采集和分析中加以思考，并应查抄每种利用的电缆设计。例如，DAS是散布式传感器而不是点丈量设备，与传统地震传感器相比，单分量DAS丈量对波入射角的依赖性分歧。地震步骤通常用于CCS现场的勘探和监测。钻孔丈量出格适合于天生地下的高分辨率地震图像。井间尝试利用了在选定的深度距离产生和纪录地震体波（P波和S波）的优势，其中源和接管器在每次丈量中维持在一样的高度。此类测试提供了高垂直分辨率下钻孔间P波和S波速度的深度剖面。井间地震层析成像拥有较高的分辨率，为传统地震数据的水平和垂直分辨率较差提供相识决规划[3]。几项钻研批注，向含水层或储层注入CO2会降低储层或含水层的地震速度，地震层析成像可用于对注入的地质结构中的速度降低进行成像[4-7]。地球物理信号强杜纂CO2泄漏质量亲昵有关，但与盐水泄漏质量无关。出格是延时跨孔成像是提高石油采收率和封存的地下CO2监测的步骤（例如[8-11]）。[12] 指出钻孔地震监测也可用于查抄井的齐全性。
在这里，我们描述了高分辨率地震层析成像在监测挪威的SINTEF Svelvik试验场，并丈量预期的百分之几的速度变动。早期了局批注，P波走时层析成像在CO2监测中的利用有限[14]。因而，我们查抄了备选规划，即（a）通过使用新的SH和SV源来利用剪切波的信息，（b）查抄CO2监测的全波形反演（FWI）的可行性，以及（c）使用DAS而非传统传感器获取数据。FWI（例如，[15]）不仅有可能提供好的空间分辨率，并且对弹性地下性质的轻微变动也更敏感（与走时层析成像相比）。
2.技术创新
2.1.地震源-天生P波、SH波和SV波的震源三元组
在该钻研项目中，SV波钻孔地震源（BIS-SV）由充电至5000 V的高压脉冲产生器驱动。该震源使用两个线圈系统，推动铁磁体。每个线圈能够单独激活，并允许产生向上和向下的冲击。通过牢固的空气封隔器将震源固定在井壁上。统一高压脉冲产生器用于驱动SH波钻孔震源和P波火花震源。SH波源（BIS-SH）还必要夹持在井壁上，并在钻孔内垂直于接管器钻孔的方向旋转。使用抗扭不变钢加固液压软管进行旋转。SH波的引发必要在钻孔内旋转，SV波的引发不必要震源的任何特定方向。当高压产生器在几分之一秒内开释其电能时，P波火花产生器（SBS42）通过在高压下膨胀的等离子体通路的急剧膨胀产生强烈的高频地震脉冲。由SBS42、BIS-SH和BIS-SV源组成的源三元组允许全面描述钻孔之间的动态泥土参数。使用关于泥土密度的附加信息，能够推算动态剪切刚度、动态体积模量和泊松比，并获得泥土应力状态的描述[16-19]。
2.2.通例地震接管器
设计并使用多站钻孔采集系统（MBAS）采集所有S波丈量的数据。MBAS由8个相距2米的接管站组成。每个接管站蕴含三个呈三轴分列的10 Hz检波器。站通过旋转刚性液压软管衔接，该软管允许站对齐。因而，所有水平X-Y传感器都指向一样的X或Y方向。位于最低站的磁罗盘显示大体方向，并可用于在数据处置期间凭据给定的源方向旋转数据。此表，水压传感器被搁置在低站以获取水压。水面上的节造箱显示水压和磁方位角。使用空气封隔器衔接站？掌└料虏克母龊蜕喜克母隹掌飧羝。2 x 4空气封隔器所需的空气压力可在地面箱中进行调整，其中显示MBAS底部的现实水压以及两个供气软管内的压力。在空气封隔器充气期间自动推算显示联接压力的指标压力。对于P波层析成像，使用了拥有1m传感器间距的24通路水听器串。
2.3光纤传感器
散布式光纤传感（DFOS）系统由光纤电缆（传感器）和用于产生和纪录光信号的询问器组成。DFOS系统此刻拥有宽泛的利用，能够通过DAS丈量声学/地震信号，通过度布式温度传感（DTS）丈量温度或通过度布式应变传感（DSS）丈量应变。对于所有的DFOS技术，询问器城市产生一个激光脉冲，并发射到光纤中。一些入射光被散射回感测单元并由询问器丈量。这种散射光受到光纤中温度或应变变动的影响。
2.3.1散布式声学传感（DAS）
散布式声学传感（DAS）是一种相对较新且发展迅速的技术，它为地震成像提供了一种新的工具，由于它对沿光纤的部门轴向应变变动或应变率很敏感。该技术仅使用一根尺度光纤作为传感元件，即可同时采集数千个传感通路[20]。DAS询问器丈量由于光纤中的缺点导致的激光脉冲的瑞利背散射光。这是一种散布式丈量，询问器通过陆续丈量仪之间的两个沉复激光脉冲（在丈量仪长度上，LG）丈量从统一丈量仪返回的信号的光学相位。这会产生应变率丈量。轨距长度通常为几米至几十米[21]。由于本次数据采集中使用的钻孔深度仅为~100m，且丈量频率较高，因而选择了3m的短标距询问器。
DAS数据的一些利益蕴含高空间（~m）和功夫分辨率（~kHz）丈量；沿光纤电缆全上进行陆续实时丈量，丈量距离大于100km；以及相对时效和低成本的监测。然而，纪录是单分量（1C）丈量，由于DAS仅对光纤轴向变动敏感。DAS拥有对P波的依赖性响应，其中θ是从光纤轴向丈量的入射角[22]，因而对靠近电缆宽边达到的P波的响应降低，这与在类似深度的源和接管器的跨孔丈量中的情况一样。为了减轻这种影响，已经开发了螺旋缠绕电缆（HWC），其中光纤缠绕在电缆芯上[39]，只管部署数量有限。Svelvik网站提供了比力线性和HWC上网络的数据的机遇，以钻研它们在井间丈量中的利用。
目前，DAS技术通常用于网络油气勘探中的垂直地震剖面（VSP）数据，并已成功利用于CCS现场的CO2羽流成像[19，23-24]。然而，迄今为止，只管已经进行了建模设计钻研，但尚未汇报该技术的跨孔利用[25]。
2.3.2散布式温度传感（DTS）
地震采集期间还部署了DTS询问器，由于先前的钻研批注，它能够深刻相识注入的CO2的迁徙[26]。DTS使用发射的激光脉冲的拉曼背散射个性来确定光纤沿线的温度。拉曼背散射是由入射光与光纤中温度有关分子振动的非弹性相互作用产生的，导致发射光子的能量相对于注入光产生位移[27]。DTS装置能够提供沿光纤长度的0.01°C精度和亚米分辨率的温度丈量[28]，因而它是一种活络的钻孔丈量技术，能够检测地质机关的变动。光纤电缆能够蕴含多个光纤，因而能够同时丈量多个参数，例如使用DAS和DTS，如本文所述的现场测试期间所执行的。
2.4地震全波形反演（FWI）
FWI在近40年前被提出[29]，但随着职能壮大的推算机的出现，这项技术变得极度盛行，此刻它已成为油气行业地震处置工作流程中一个成熟的？閇30]。然而，对于近地表利用和CO2监测，FWI文件依然相对少，重要蕴含概想钻研（例如[31]）。在本项主张框架内，我们汇报了尝试将FWI利用于结合CO2监测获得的现场数据。
3.现场尝试
3.1现场
Svelvik CO2现场尝试室是一个现场尝试室，用于进行监测尝试，添补了台架尝试室尝试和中试规模钻研之间的空缺[32]。它位于奥斯陆西南约50公里处的斯维尔维克山脊，位于德拉门斯峡湾的出口处。山脊由全新世冰川消退的Ski阶段形成的冰川河道-冰川海洋结尾沉积物形成[33-34]；椅挥诘乇硪韵300米至400米之间。在山脊中部，顶部海拔70米，自1915年以来一向在挖掘沙子。粘土层覆盖在山脊两侧，低于海平面。在南部，厚厚的粘土/淤泥层填充基岩盆地，直到海平面以下几米，而在北部，较薄的粘土/粉土层位于水深100-120米[35]。
3.2.数据采集和监测设置
Svelvik CO2现场尝试室由一口中央注入井（B2）、四口监测井（M1-M4）和进行CO2注入尝试所需的基础设施组成（见图1）。注入井设计用于在幼超压前提下注入CO2，并在64至65 m深度之间进行筛选。四口监测井用PVC套管套管至约100米深，并位于注入井周围菱形的角落。监测井位于距注入井9.9 m（M3和M4）和16.5 m（M1和M2）处。钻孔M1-M2位于器材方向，而钻孔M3-M4位于南北方向。
光纤电缆装置在每个监测井中。其中蕴含蕴含线性多模光纤（用于DTS丈量）的电缆和拥有线性和螺旋缠绕（HWC）单模光纤（用于DAS丈量）的线缆。如图2所示，线性光纤和HWC光纤拼接成一个DAS询问环路。光纤电缆夹在每个钻孔套管的表部。水泥和砾石层填满了周边缝隙。
地震尝试于2021 9月14日至22日进行，二氧化碳注入从9月16日起头，到9月22日实现。注射启动日称为“第0天”，9月21日称为第5天。在尝试期间，在钻孔B2处注入CO2，每天注入量为8 m3，在6天内，在64-65m之间的屏蔽套管处注入0.1 bar的幼超压。最初对超压进行了调整，使其趋于不变，随后起头了自动地震采集。
图2.数据采集中使用的DAS光纤电缆回路。钻孔象征为（M1-M4），并表明电缆类型（线性、螺旋或尺度电信）。电缆拼接在一路形成一个询问回路。询问机位于驾驶室内。
对于所有尝试，地震源搁置在钻孔M4中，水听器/检波器地震接管器搁置在钻孔M3中。地震检波器/检波器的地震仪纪录频率为32 kHz。在采样频率为16kHz的所有监测钻孔中纪录DAS数据。在所有4个监测钻孔中也纪录了DTS数据。在30至77m深度之间，以1m的距离发射P波源。深度指顶部套管。在覆盖一样深度的钻孔M3中搁置两个水听器串，每个水听器串拥有24个通路和1m的传感器间距。S波丈量集中在两个分歧的深度区域，即58m至72m和32m至46m之间。下部区域覆盖注入深度，在注入尝试起头时感兴致。上部区域在尝试的后期变得有趣，由于从先前的尝试中能够得知，CO2被约35米深的粘土层捕获。
注入前进行了一次P波、SH波和SV波丈量，作为基线丈量（见图3）。注射期间共采集了八组P波层析成像数据。在第0天和第1天进行了两次P波调查，即上午和下午各一次。在第0–2天，对下部区域进行了SH波和SV波丈量。从第1天到第5天，对上部区域进行SH波丈量。不幸的是，SV源在第1天出现故障，无法用于后续丈量。在所有通例调查中，DAS系统同时进行了纪录。在数据处置过程中丈量并思考了钻孔误差。
图3：显示震源地位的地震场丈量设置
Silixa iDAS v2询问器用于DAS数据采集。丈量长度为3 m，通路间距为0.5 m。DAS数据的齐全丈量长度为1950 m，蕴含线性和HWC光纤上的纪录。该装置在触发模式下运行，数据带有GPS功夫戳。Sensornet Oryx+装置用于DTS数据采集。
5.结论与瞻望
5.1震源三沉能力
尝试证实了使用P、SH和SV地震源产生高质量地震数据的可行性，以通过跨孔丈量监测CO2注入的影响。使用这三种起源，能够导出岩土参数，如超固结比。使用关于泥土密度的附加信息，能够推算动态剪切刚度、动态体积模量和泊松比。
5.2.跨孔丈量DAS
很显著，削减的后勤工作和高采集速度使DAS成为传统基于检波器系统的低成本代替规划。装置的电缆在钻孔的整个长度上提供了密集的传感器间距（从而削减了放炮次数，从而削减了丈量功夫和成本），同时也实现了多年沉复的丈量。然而，传统地震源和DAS的组合增长了纪录数据的附加值。DAS天然不能提供三个组件的数据，而只能输出一个组件。本钻研中进行的测试批注，DAS数据可用于使用HWC天生的P波层析成像模型。
通例地震和DAS的结合利用将显著提高跨孔CO2成像和通常短距离跨孔丈量的数据可诠释性。必要进一步的工作来分歧类型丈量的DAS信号强度，并开发适合该利用的光纤电缆。结合来自线性和HWC的数据能够提供解决规划。数据处置方面的进一步工作和改进将提供延时图像，从而利用DAS数据进行监控。
5.3.全波形反演的附加值和约束
只管我们最初的FWI尝试不成功，但我们依然以为该技术对CO2监测的潜在附加值是有效的。通过利用地震波形提供的全数信息内容，能够更靠得住地估计弹性地下性质的轻微变动，从而CO2含量的变动。正如[38]所指出的，当FWI与DAS数据相结应时，能够预期出格好的了局。
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