创新应用：基于DAS技术的碳捕集和碳存储设施智能监测方案

01 CCS与CCUS概述

碳捕获与封存（CCS, Carbon Capture and Storage）以及再此基础上提出的碳捕集、利用与储存（CCUS, Carbon Capture Utilization and Storage）是直接从燃煤电厂或其他工业过程中捕获二氧化碳（CO2）气体的过程。其主要目标是防止二氧化碳进入地球大气层，使过量的温室气体的影响进一步恶化。捕集的二氧化碳被运输并封存在地下地质构造中。

与CCS相比，CCUS技术多了“利用”的过程，即可以将二氧化碳资源化，具体来说就是把排放的二氧化碳进行提纯捕获后，将其作为一种副产品，视为原辅材料投入到其他新的生产过程中，实现循环再利用，从而产生经济效益，让这项技术更具有现实操作性。因此，CCUS技术相比CCS技术更获得青睐。但也有学者认为两者没有本质的差别。

02 我国CCS/CCUS技术发展现状

西方发达国家对CCUS技术的研究较早。早在1972年，第一个CO2-EOR大型CCS项目就已在得克萨斯州SharonRidge油田开始运营。国际社会上日益重视CCUS技术的规划、研发与应用，美国、英国、澳大利亚、加拿大等国家不仅将CCUS视为推动传统产业结构调整和优化的重大减排技术，更瞄准该技术未来的市场效益。

2006年4~5月，在北京香山会议第276次、第 279次学术讨论上，与会专家提出碳捕集、利用与封存（CCUS）概念，国家层面也逐渐对CCUS 技术重视。

《中国应对气候变化科技专项行动》

《国家“十二五”科学和技术发展规划》

《“十二五”国家碳捕集利用与封存科技发展专项规划》

《关于推动碳捕集、利用和封存试验示范的通知》

《能源技术革命创新行动计划（2016~2030 年）》

03 碳捕集与碳运输技术

碳捕集技术目前大体上分作三种：

燃烧前捕集：以IGCC（整体煤气化联合循环）技术为基础，先将煤炭气化成清洁气体能源，不进入燃烧过程。需要专门的IGCC电站。

燃烧后捕集：对烟气中的CO2进行捕集，可以直接应用于传统电厂，这项技术主要有化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等。

富氧燃烧捕集：又称氧气、二氧化碳燃烧技术或空气分离、烟气再循环技术，可同时应用于新建和已投产的发电厂、化工厂等。

碳运输技术

捕集后的碳需要运输至封存地或资源利用的地方，因此CCUS技术也包含了运输技术。运输技术主要包括管道、船舶、铁路和公路等方式。当前国内CO2陆路车载运输和内陆船舶运输已进入商业应用阶段，主要应用于规模10万吨/年以下的运输。而管道输送具有规模应用的优势。我国借鉴油气管输经验，已开展了低压CO2运输工程应用，高压、低温和超临界CO2处于研究阶段。

04 碳捕集和碳存储设施的智能监测方案

OptaSense CCS （碳捕集与封存）服务

主要用于：

现场表征期间的地质和储层评估。

绘制整个设施寿命期间的CO2羽流迁移图。

确定多区完井的CO2注入速率分布。

监测注入阶段的微震活动。

确保良好的安全性和存储完整性。

基于DAS技术CCS监测系统硬件

传感光纤电缆

单模光纤电缆，应根据OptaSense关于电缆选择和安装的建议进行选取。

处理单元

高可靠性性能计算，应使用OptaSense专有的算法检测器对原始数据进行处理。

询问单元

OptaSense®机架式安装单元，利用分布式声传感技术监测相连的光纤。

操作人员工作站

为外部系统提供用户界面显示、音频输出及多种用户自定义数据输出选项和接口。

基于DAS技术CCS监测系统软件

OptaSense 公司一直在为石油和天然气行业提供基于光纤的分布式声学、振动、应变和温度传感数据。

OptaSense DxS Browser 可视化软件

DxS Browser 软件的高级处理功能允许用户分析信号的光谱内容，并生成用于解释的频带提取（FBE）数据。可以使用 DxS Browser 软件通道分析仪和频谱图查看器检查分布式传感数据集的宽带特性，覆盖从接近静态到大于 100 kHz 的范围。

我们先进的分布式传感数据管理能够有效利用计算资源，从而实现大多数现代个人计算机都能完成的处理。处理功能允许将原始传感器数据简化为可以有效显示的形式。（非光学背景用户友好）DxS Browser软件功能还允许各种分布式传感流的空间参考。通过将各种设备（如阀门、管道接头、穿孔和任何其他已知信号源）引用到特定的传感器通道或通道集，用户可以可视化特定的设备响应。

05 OptaSense CCS监测主要功能

CO2羽流分布高分辨率绘制

常年布设的DAS VSP设备通过三口井监测加拿大西部设施的CO2羽流迁移进展情况：

可重复光纤传感技术具有随时间跟踪CO2羽流的灵敏度。

宽带数据允许成像工具提供地下的清晰图像。

高分辨率DAS VSP成像提供CO2储存区域的三维几何结构。

低HSE暴露性和油井中的永久监测光纤电缆降低了总体运行和监测成本。
超高分辨率4D VSP碳存储监测

DAS & DTS 碳驱替水力压裂监测

1.5m分辨率的DAS能够分析垂直井中间距较窄的射孔丛，并对丛周围的流态进行更详细的分析。

使用安装在裸眼完井管柱外部的光纤，DAS能够深入了解裸眼处理过程。下图屏幕截图显示了通过滑套完井管柱进行的五种不同处理。在DAS采集的早期进行，该数据识别封隔器故障，并有助于确定裂缝起始。

DAS监测数据可以作为压裂模型的关键修正依据。下图是未考虑DAS数据的修订前Gohfer模型。在此，使用DAS对同一模型进行了修正，估计的支撑剂浓度区域存在显著差异。

碳运输管道独有4-模式泄漏监测

NPP（负压脉冲）

这一特征会在在主要扰动事件中立即产生，并在被测物内以极快的速度在两个方向传播：信号与被测物相耦合，并由连续的外部光纤进行接收。这通常是我们最敏感的检测模式，也是一种相当独特的信号。

OFN（事件噪声）

这一特征会在在扰动事件中立即产生。小的扰动事件只会产生非常小的声学成分，因此需要光纤电缆尽量靠近被测物。

环境应变 ES（被测物变形）

对于大型扰动或变形事件，会立即触发警报。对于小扰动或变形，在事件效应到达光纤之前不会发出警报。这段时间的长短取决于光纤电缆的偏移量和方向。

DTGS（分布式温度梯度传感）

警报需要扰动事件（或温度效应）到达光纤，而且通常在延迟一段时间后才会出现。这段时间取决于电缆的偏移量、被测物条件和方向。

06 OptaSense CCS监测实例

壳牌石油加拿大艾伯塔省Quest碳存储监测项目

自2011年以来，OptaSense为各种客户获取并分析了碳捕获和储存现场数据。在许多情况下，跟踪地下CO2羽流的大小至关重要，以确保随着时间的推移实现最佳碳储存。

CO2注入是沿着部署在钻孔中的光缆测量的，提供按深度注入的气体量。随着时间的推移，OptaSense 业界领先的延时 2D/3D/VSP地震采集和处理技术可以可靠地跟踪地下CO2羽流体积和气驱运动。

壳牌位于阿尔伯塔省萨斯喀彻温堡的QUEST 碳捕获和储存设施。

分布式光纤声波传感技术（DAS）应用于 CCS 监测的优势：

现场表征期间的地质和储层评估；

绘制设施寿命期内 CO2 羽流迁移图；

确定多区完井井的 CO2 注入速率分布；

在所有项目阶段监测诱发地震活动；

确保油井和储存的完整性。

操作员能够监测储存设施内CO2羽流的传播情况。来自各种 DAS 年份的信息展示了一种可重复的技术，可以成功跟踪储层中的微小变化。他们能够用分布式传感数据验证其存储模型，表明这些设施可以在未来几年内得到有效和安全的监测。通过在井中或表面使用光纤，操作员能够避免在恶劣的井中环境下其他传感仪器的高维护成本。

2020年7月，运营商依托此方案实现了一个里程碑式的运营效果：在五年内注入500万吨CO2，在原计划的基础上节约了35%。

每个VSP测线中2015年基线和2016年监测器之间振幅差的最小曲率插值，代表了注入6个月后对 CO2存在的地震响应的地图视图（Bacci、O'Brien、Frank和Anderson，在Quest CCS项目中使用DAS时移VSP进行CO2羽流监测，CSEG记录器，2017年4月，第21页）。

如果您对碳捕集和碳存储设施的智能监测方案有兴趣，请联系欧美大地。