CO2地质封存工程的潜在地质环境灾害风险及防范措施

CO2地质封存技术虽是有效减排CO2和提高石油、天然气等能源采收率的技术手段,但目前该技术尚处于发展阶段.CO2地质封存工程可能诱发一些潜在的地质环境灾害风险,如浅层地表垂向差异变形、可能诱发的断层活化及地震事件、CO2逃逸导致淡水含水层的污染、CO2泄漏富集危害附近人类健康和局部生态系统等.本文分析了上述潜在地质环境...     

地质封存二氧化碳沿断层泄漏数值模拟研究

安全性和封存效果是二氧化碳（CO2）地质封存（GCS）最受关注的问题,其中以断层/裂缝引起的场地不确定性因素较为复杂。利用储层多相流模拟软件TOUGH2/ECO2N,研究了不同情境下注入深部咸水层中的CO2沿断层发生泄漏的时间、速率、泄漏量等特征。通过15个场地尺度的模型结果分析表明,CO2注入方案、断层性质（发育位置、产状、几何形态、内部结构）、系统内岩层的组合形态对CO2泄漏均有影响。相同储存环境和断层发育条件下,CO2注入速率从1.59 kg/s增加至6.34 kg/s,CO2泄漏时间提前3 706 d,泄漏量在20 a后增加至注入总量的32.43%。断层发育位置对CO2封存影响极为显著,本次研究,距注入井100 m位置的断层可造成CO2的泄漏量在20 a后高达总注入量的63.39%。相同条件下,倾斜/窄小的断层比垂直/宽厚的断层对CO2及储层咸水的泄漏影响更小。断层渗透率增加一倍,可导致CO2泄漏量增加2.11%,泄漏速率约提高0.006~0.01 kg/s。     

集束式监测井成井工艺研究

随着人类经济社会活动的加剧,地下水遭受污染的范围和强度不断加大,尤其是浅层地下水面临污染的风险更大。如何及时发现并科学评价浅层地下水污染程度和治理的效果,迫切需要简单易行、有效可靠的浅层地下水分层监测井。传统的浅层地下水分层监测井存在占地多,监测层位少等问题,巢式监测井监测5层,连续多通道监测井口径小,因此有必要研究即占地少,又能监测多层,而且监测井井管口径能满足不同种类监测仪器的安装要求。通过室内和野外试验,研究了集束式浅层地下水分层监测井建设过程中止水方法、止水材料、粒径、止水层厚度及止水效果检验、下管方式等关键技术,实现同一孔内监测100 m以内的多层含水层或多个含水段的分层监测,施工口径小,占用土地少,建设成本经济。集束式监测井可以应用到地下水监测、环境污染调查研究等多个领域,该研究将为集束式浅层地下水分层监测井建设施工提供理论依据和技术支撑,使未来的监测更加精细化、准确化,为今后监测井的发展提供新的思路和研究方向。     

海洋直接注入CO2封存技术方法综述

人类活动造成的CO2排放是全球气候变暖面临的主要挑战之一。CO2封存有望成为全世界减少碳排放份额最大的单项技术。海洋碳捕获、利用和封存（OCCUS）可以在较短时间内提供最大的碳封存能力,与其他地质封存方法相比更加安全有效。而且,多相态形式的CO2（气态、液态、固态和水合物）可以在海洋纵深尺度上实现直接注入。海洋碳封存是一项发展潜力巨大、优势明显的新兴碳封存技术,是实现大规模碳减排的重要措施之一,具有广阔的应用前景。因此,笔者等系统地阐述了海洋CO2直接注入、封存（OCS）的基本原理、技术现状、监测与评估,以及环境方面的影响,并对高效CO2注入技术,CO2泄漏的检测、防范与补救技术,以及海洋碳封存的生态后效等方面进行了展望。     

CO_2地质封存四维多分量地震监测技术进展

CCS技术是目前公认的快速减缓温室效应的最有效方法,CO2地质封存是CCS技术最核心的问题之一,监测CO2地质封存的安全性贯穿于CO2注入过程中与封存以后。四维地震监测技术是监测CO2是否泄漏、证实CO2封存安全性最有效的技术手段。常规四维地震技术通过对比CO2注入前后及注入不同阶段2次或者多次三维地震纵波振幅差异与旅行时差异,确定CO2在地下分布。而纵波振幅或旅行时差异是CO2饱和度与孔隙压力的综合反映,单纯的纵波信息难以区分饱和度与压力信息。目前,四维多分量地震监测技术的潜力并未挖掘,由于横波速度对于压力敏感,利用四维转换波信息监测CO2地质封存,可以识别注入CO2的压力分布范围。对于各向异性介质的储层,对比一次地震观测PS1,PS2旅行时、振幅差异与2次地震采集之间PS1,PS2旅行时、振幅差异,还可以有效确定注入CO2前与注入期间储层裂隙、裂缝的变化,以及储层与盖层的应力状态。四维多分量地震资料结合岩石物理资料和全波列测井资料,可以更准确地确定可能的CO2泄漏风险区域,更加可靠地评估CO2地质封存的安全性。     

CO2地质封存时移垂直地震监测技术

神华CO2捕获和封存（carbon capture and storage,CCS）示范项目是我国首个全流程煤基CO2捕获和在低孔低渗深部咸水层进行多层注入的CO2封存示范项目,意在通过时移垂直地震（VSP）监测CO2地质封存状况。介绍了CO2地质封存时移VSP技术和监测效果。通过注气前后3次VSP观测,得到了高品质时移VSP资料,研究了一致性处理技术、矢量波场分离和多波成像技术,获得了高分辨率的多波时移VSP剖面,通过深度域标定和多种属性解释对比,分析了注气前后VSP地震响应特征,预测了CO2地下运移范围,达到CCS项目预期监测目标。结果证明,时移VSP技术是监测CO2地质封存与运移的有效技术手段。     

U形管采样技术研究

深部流体样品是深井工程的重要组成部分,介绍了获取深部流体样品的一种方法---U形管采样技术。通过对U形管采样技术原理进行研究分析,设计研制U形管取样器具并进行野外试验,取样深度达到井深500 m,最大流量达到40 L/h,取得了较好的效果。     

CO2地质封存力学问题的数值模拟方法综述

随着社会的发展,人类对化石能源的依赖导致大量的CO2排入大气层,从而引起全球变暖、海平面上升等一系列全球性气候问题。CO2地质封存是当前CO2减排最有前景的技术,但大量的CO2注入地层易诱发相应的力学问题：地表隆起变形、盖层完整性受损、断层活化等。因此,为了降低CO2地质封存带来的安全风险,理论分析、数值模拟和响应面方法等手段被应用于此类力学问题的分析中。由于数值模拟方法能够解决大尺度范围内复杂几何模型的多场耦合问题,数值模拟成为当前在CO2地质封存力学领域中应用最广泛的方法。因此,对CO2地质封存若干力学问题的数值模拟方法进行了全面的综述。首先,简要介绍了多孔介质的温度-渗流-力学-化学（THMC）多场耦合原理,并对数值模拟解决多场耦合问题的方法进行了归类。然后,详细总结了数值模拟在解决CO2地质封存力学问题方面的国内研究进展。最后,讨论了数值模拟方法在此类力学问题方面的应用缺陷,并提出了若干建议。     

深部咸含水层CO2注入下压力抬升与流体迁移的大尺度模拟研究:以松辽盆地为例

地下深部封存CO2已经被公认是人类削减温室气体排放的一条有效而又科学的途径。深部咸含水层CO2地质封存因封存潜力巨大,技术可行,且已有实际的工程运行,因而备受关注。松辽盆地是中国潜在的CO2储存场地之一,选择松辽盆地为大尺度模拟研究对象,选取姚家组砂岩层为储层,选取嫩江组泥岩为盖层,运用TOUGH-MP并行计算代码建立了覆盖整个松辽盆地的三维地质模型,在中央凹陷区开展大尺度CO2注入模拟研究,包括CO2运移、储存、地层压力提升以及储存安全性等问题。模拟结果表明:持续注入100a后形成的CO2羽远小于产生的压力积聚区影响范围。注入产生的压力抬升将在注入停止后迅速消散,不会对区域地层压力和浅层地下水系统产生显著影响。在千年之内注入的CO2将随着时间持续,逐渐溶解于水中,而不会因盖层微弱的渗透性而逃逸。     

连续多通道管监测井成井技术

连续多通道管监测井是一种新型监测井。此种监测井井管无接头、无泄漏、内壁光滑,滤水管现场制作,对位准确;连续多通道管监测井下管可以一次完成,多管到位,并围绕一根连体管从地表填砾、止水,施工方法简单可靠。连续多通道管监测井达到了一孔监测多层地下水目的,为地下水污染监测提供了一种新的技术方法。结合工程实例,介绍了连续多通道管监测井的成井工艺。     

Methodology for mapping shallow groundwater quality in urbanized areas: A case study from Lithuania

Cities have a negative impact on the quality of shallow groundwater. Many of Lithuania's urban residents drink water from dug wells. Moreover, polluted shallow groundwater contaminates deeper aquifers of fresh drinking water. Therefore, this situation should be controlled and managed, as far as possible. In order to evaluate the quality of shallow groundwater in an urban area and to create an optimal monitoring system, an original methodology for groundwater mapping has been proposed. It resembles the GIS (geographical information system) technologies. The set of maps, laid one over another, consists of the following: (1) urbanization map, (2) geological-hydrogeological map, (3) groundwater chemistry map, (4) resulting groundwater chemistry factorial analysis map, and (5) pollution and pollutant transport map. The data obtained from studies on dug and geotechnical wells have been used for compilation of the maps. The system for shallow groundwater monitoring in the city with an area of 70 sq km and a population of 140,000 is proposed to consist of about 30 monitoring wells and several dug wells.     

天津平原地面沉降条件下的深层地下水资源组成

根据天津平原地面沉降监测结果，采用水量均衡法，计算出深层地下水开采量中，浅层地下水越流补给量占38.2％，粘土性压密释水量占41．3％，弹性释水量占5．6％，侧向流入量占14．9％。在控制地面沉降的条件下，深层地下水持续利用的对策是调整开采三维布局，适度开发利用浅层地下水对深层地下水的越流补给。     

天津市平原区咸淡水界面下移特征分析

本文通过对开采条件下水动力场和水化学场变化特征的分析，认为集中超采深层地下水引发的浅层咸水向深层淡水的越流，是第Ⅱ含水组水质咸化的根本原因。并从咸水下移溶质运移模拟、渗透速率、粘性土层的越流滞后等方面，讨论了咸淡水界面下移速率及其影响因索。     

Well-based hydraulic and geochemical monitoring of the above zone of the CO2 reservoir at Ketzin, Germany

In order to detect hydraulic and geochemical impact on the groundwater directly above the CO₂ storage reservoir at the Ketzin pilot site continuous monitoring using an observation well is carried out. The target depth (446 m below ground level, bgl.) of the well is the Exter formation (Upper Triassic, Rhaetian) which is the closest permeable stratigraphic overlying formation to the CO₂ storage reservoir (630–636 m bgl. at well location). The monitoring concept comprises evaluation of hydraulic conditions, temperature, water chemistry, gas geochemistry and δ¹³C values. This is achieved by a tubing inserted inside the well with installed pressure sensors and a U-tube sampling system so that pumping tests or additional wireline logging can be carried out simultaneously with monitoring. The aquifer was examined using a pump test. The observation well is hydraulically connected to the regional aquifer system and the permeability of about 1.8 D is comparatively high. Between Sept. 2011 and Oct. 2012, a pressure increase of 7.4 kPa is observed during monitoring under environmental conditions. Drilling was carried out with drilling mud on carbonate basis. The concentration of residual drilling mud decreases during the pump test, but all samples show a residual concentration of drilling mud. The formation fluid composition is recalculated with PHREEQC and is comparable to the literature values for the Exter formation. The gas partial pressure is below saturation at standard conditions and the composition is dominated by N₂ similar to the underlying storage reservoir prior to CO₂ injection. The impact of residual drilling mud on dissolved inorganic carbon and the respective δ¹³C values decreases during the monitoring period. The pristine isotopic composition cannot be determined due to calcite precipitation. No conclusive results indicate a leakage from the underlying CO₂ storage reservoir.     

白洋淀渗漏对周边地下水的影响

为查明受污染的白洋淀地表水渗漏范围,对周边地下水主要离子水化学的影响,并评价地下水是否适用于灌溉,在该区域现场测定了地表水及地下水pH、EC(Electric Conductivity)和ORP(Oxidation-Reduction Potential)等参数,采样分析各水体D、¹⁸O和主要离子组成,结合判别分析和钠吸附比R_SA(Sodium Adsorption Ratio)讨论。结果表明,淀水渗漏使浅层地下水电导率升高,氧化还原电位值降低,且更加富集重同位素;唐河污水库周边浅层地下水SO₄^2-和Na⁺含量明显增大。浅层地下水的δ¹⁸O值结合水位埋深有效地标记了淀水渗漏影响地下水的范围。浅层地下水主要受到白洋淀渗漏的影响,唐河污水库附近的浅层地下水受污水库渗漏影响。污染地表水渗漏使得浅层地下水水质普遍下降,白洋淀西部和唐河污水库周边浅层地下水不适宜用于灌溉。     

雄安新区白洋淀湿地地表水和地下水转化关系及其对芦苇分布的影响

查明地表水和地下水作用关系对湿地生态保护与修复具有重要意义。采用地表水和地下水位监测、氢氧稳定同位素分析、湖床沉积物温度示踪等方法,研究了白洋淀渗漏对周边浅层地下水的影响范围和深度,评价了地表水垂向渗漏速率,并探讨了芦苇分布面积和地表水位以及地下水位埋深的关系。结果表明：白洋淀渗漏受地质结构和水力梯度等因素影响,对浅层地下水垂向上影响深度为20 m,水平向上影响范围存在较大空间变异。周边浅层地下水的补给来源为大气降雨和地表水,其中地表水渗漏的补给比例为0~90.5%。淀区渗漏速率0.01~0.59 mm/d,和含水层埋深关系密切,埋深越小,越有利于地表水渗漏。1976-2020年,白洋淀芦苇分布面积和地表水位关系密切。当地表水位为6.3~6.8 m时,芦苇分布面积最大,在水位小于6.3 m条件下芦苇面积随着水位增高而增加,大于6.8 m条件下随着水位增高而减少。芦苇台地下水位埋深和地表水位显著相关,在2020年4-9月芦苇生长期,除雨季前期外多数时段台地地下水埋深均适宜芦苇发育,建议在雨季前期实施生态补水,通过降低台地地下水位埋深促进芦苇生长发育。研究结果可为白洋淀生态补水、渗漏防治和生态保护提供参考。     

Feasibility of geoelectrical monitoring and multiphase modeling for process understanding of gaseous CO2 injection into a shallow aquifer

Potential pathways in the subsurface may allow upwardly migrating gaseous CO₂ from deep geological storage formations to be released into near surface aquifers. Consequently, the availability of adequate methods for monitoring potential CO₂ releases in both deep geological formations and the shallow subsurface is a prerequisite for the deployment of Carbon Capture and Storage technology. Geoelectrical surveys are carried out for monitoring a small-scale and temporally limited CO₂ injection experiment in a pristine shallow aquifer system. Additionally, the feasibility of multiphase modeling was tested in order to describe both complex non-linear multiphase flow processes and the electrical behavior of partially saturated heterogeneous porous media. The suitability of geoelectrical methods for monitoring injected CO₂ and geochemically altered groundwater was proven. At the test site, geoelectrical measurements reveal significant variations in electrical conductivity in the order of 15?C30?%. However, site-specific conditions (e.g., geological settings, groundwater composition) significantly influence variations in subsurface electrical conductivity and consequently, the feasibility of geoelectrical monitoring. The monitoring results provided initial information concerning gaseous CO₂ migration and accumulation processes. Geoelectrical monitoring, in combination with multiphase modeling, was identified as a useful tool for understanding gas phase migration and mass transfer processes that occur due to CO₂ intrusions in shallow aquifer systems.     

表层岩溶系统碳迁移路径及其土被效应探讨

为了弄清楚表层岩溶系统碳汇机理,有必要对该系统中气、液和固三相不平衡体系中碳的迁移途径进行研究。2010年,在板寨地下河流域布置了8个碳稳定同位素分析测试点。通过碳稳定同位素示踪剂及空气CO2分压对比,发现森林区岩溶水和自由大气中大部分碳是来自土壤空气。在表层岩溶系统碳汇过程中整个碳迁移路径可分为4个环节,依次为(1)植被光合作用吸收空气CO2;(2)土壤根系的呼吸作用及腐殖质分解向土壤释放CO2;(3)地下水循环岩溶作用将气态CO2转换成液态HCO3-离子;(4)地下水中的碳随水流向河流及海洋。在整个碳汇过程中,森林和土壤起到了“加压泵”的作用,大大提高了大气CO2向土壤空气CO2转换过程中的CO2分压,从而显著地提高了岩溶的作用速率。      

A simple model of leakage induced by deep pumping and its application to pollution beneath a city in Thailand

Many cities in developing countries are dependent upon groundwater for water supply. Frequently this groundwater is pumped from semi-confined aquifers in alluvial deposits. These deeper aquifers are often considered to be protected from polluted shallow water by intervening less-permeable layers. However, where groundwater is pumped from a semi-confined aquifer immediately beneath a city, significant induced leakage of contaminated shallow water can occur. This may lead to a serious deterioration of water quality in deeper aquifers in the longer-term. A simple model has been developed which provides insight into the hydraulic controls on water quality in such semi-confined aquifers. The model provides a tool for the initial assessment and prediction of the impact of urbanization on groundwater quality. Also, the model characterizes the key hydrogeological behaviour through a single parameter, here termed the ‘city leakage factor’, which can be used to assess the vulnerability to contamination by leakage. A case study of a city in Thailand illustrates the use of this model.

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Résumé Beaucoup de villes des pays en développement dépendent de l’eau souterraine pour leur alimentation en eau. Cette eau souterraine est souvent pompée dans des aquifères alluviaux semi-captifs. Ces aquifères plus profonds sont souvent considérés comme protégés des eaux peu profondes et polluées, grace à des couches intercalaires moins perméables. Cependant, dans le cas où l’eau souterraine est pompée à partir d’un aquifère semi-captif situé directement sous une ville, une drainance importante des eaux peu profondes et polluées peut être induite. Ceci peut entra?ner, à long terme, une détérioration significative de la qualité de l’eau dans les aquifères plus profonds. Un modèle simple a été construit fournissant un aper?u des contr?les hydrauliques agissant sur la qualité de l’eau dans des aquifères semi-captifs. Ce modèle est un outil permettant d’évaluer l’état initial et de prédire l’impact de l’urbanisation sur la qualité de l’eau souterraine. Le modèle caractérise également les comportements hydrogéologiques majeurs à travers un unique paramètre, nommé dans cette étude facteur de drainance de la ville“, et qui peut être utilisé pour évaluer la vulnérabilité de l’aquifère face à une contamination par drainance. L’étude de cas d’une ville en Tha?lande illustre l’utilisation de ce modèle.

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Resumen Muchas ciudades de paises en desarrollo dependen del agua subterránea para el abastecimiento de agua. Frecuentemente el agua subterránea se bombea de acuíferos semi-confinados en depósitos aluviales. Estos acuíferos más profundos se protegen frecuentemente de agua somera contaminada mediante la intervencción de capas menos permeables. Sin embargo, donde el agua subterránea se bombea de un acuífero semi-confinado inmediatamente debajo de una ciudad, pueden ocurrir fugas significativas inducidas de agua somera contaminada. Esto puede conducir a un serio deterioro de calidad de agua en acuíferos más profundos en el largo plazo. Se ha desarrollado un modelo simple el cual aporta idea acerca de los controles hidráulicos en la calidad del agua en tales acuíferos semi-confinados. El modelo aporta una herramienta para la evaluación inicial y predicción del impacto de urbanización en la calidad del agua subterránea. El modelo también caracteriza el comportamiento hidrogeológico clave a traves de un solo parámetro, que aquí se denomina ′factor de fuga de la ciudad′el cual puede usarse para evaluar la vulnerabilidad a la contaminación por fuga. El uso de este modelo se ilustra con un estudio de caso de una ciudad en Tailandia.

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Hydrogeological impacts of a railway tunnel in fractured Precambrian gneiss rocks (south-eastern Norway)

Groundwater monitoring along the Romeriksporten tunnel, south-eastern Norway, provided an opportunity for studying the impacts of tunnelling on groundwater in fractured Precambrian gneiss rocks, and examining relations between bedrock hydrology, tectonic weakness zones and catchments. Tunnel leakage resulted in groundwater drawdown up to 35 m in weakness zones, converted groundwater discharge zones into recharge zones, and affected groundwater chemistry. The magnitude of drawdown and fluctuations in groundwater level differed between weakness zones, and varied with distance from the tunnel route, tunnel leakage, and recharge from catchments. Clear differences in groundwater level and fluctuation patterns indicated restricted groundwater flow between weakness zones. The groundwater drawdowns demonstrated coherent water-bearing networks to 180-m depth in faults and fracture zones. Similar groundwater levels with highly correlated fluctuations demonstrated hydraulic connectivity within fracture zones. Different groundwater drawdown and leakage in weakness zones with different appearance and influence of tectonic events demonstrated the importance of the geological history for bedrock hydrogeology. Water injection into the bedrock counteracted groundwater drawdowns. Even moderate leakage to underground constructions may lead to large groundwater drawdown in areas with small groundwater recharge. Hydrogeological interpretation of tectonic weakness zones should occur in the context of geological history and local catchment hydrology.