一种地下封存区域二氧化碳泄露监测系统及方法

技术领域

本发明属于污染防治、环境监测技术领域，具体涉及一种针对二氧化碳封存区地下泄漏情况进行实时监测的系统与方法。

背景技术

气候变化是重大全球性挑战，我国二氧化碳年排放量达百亿吨。随着近年来我国经济的发展，二氧化碳排放量持续增长，二氧化碳捕集与封存技术是目前最好的工程化路径，但封存过程中二氧化碳泄漏的风险也随之增加。若封存地层二氧化碳发生泄漏，则会致使二氧化碳泄漏周边土壤及水体污染，封存失效，破坏地层，造成重大的经济财产损失，因此对于封存地层二氧化碳泄漏的精准实时监测越发受到重视。

当前，监测地下二氧化碳的方法存在一些挑战，传统的监测方法通常基于地面观测和采样，但这种方法受限于地下环境的复杂性和不确定性，无法精确定位泄漏源。另一些技术依赖于地下传感器网络，然而这些传感器网络可能面临能源供应、数据传输和定位精度等问题，限制了其在实际中应用的可行性。传统的检测技术难以精确地定位地下二氧化碳泄漏源，二氧化碳发生泄漏后，需要一段时间才能在地面观测到，导致响应不及时，地面观测采样的方法对于深层的二氧化碳项目效果有限。

因此亟待提出一种创新技术，以有效地监测和定位地下储存二氧化碳区域的泄漏，从而尽早采取措施以防止潜在的环境和安全风险。

发明内容

本发明为解决现有地面观测方法存在的响应不及时等缺陷，提出一种地下封存区域二氧化碳泄露监测系统及方法，通过电阻率和光纤传感技术结合，以高效、精确及时的监测地下二氧化碳泄漏，实现高精度的泄漏源定位和监测，并及时在泄漏发生后发出警报。

为实现上述发明目的，本发明提出一种地下封存区域二氧化碳泄露监测系统，以实现对二氧化碳储存区内二氧化碳泄露的监测，二氧化碳储存区的外围设置有填土，外围填土为黏土层，二氧化碳储存区为砂土层；二氧化碳储存区与黏土层共同组成待监测区域，二氧化碳储存区与二氧化碳注入装置通过注入井连通，所述注入井设置在二氧化碳储存区的一侧，注入井的底部出口位于二氧化碳储存区厚度的中间位置，黏土层内布设有电阻率探杆，电阻率探杆上均布有探杆电极，二氧化碳储层区内布设有光纤温压传感器，电阻率探杆和光纤温压传感器分别对应的与井间电阻率探杆数据采集器以及光纤温压数据采集仪相连，另外，在所述待监测区域侧壁上方有两个注水口，待监测区域的两侧设有排水管。

进一步的，所述光纤温压传感器设置至少上下两层。

进一步的，所述注入井采用pvc管制成，注入井的底部均匀地设有出气孔，且在注入井的管身外围裹有纱网。

本发明另外还提出一种地下封存区域二氧化碳泄露监测方法，包括以下步骤：

步骤A、参数设置：根据待监测区域尺寸确定电极个数及监测间距；

所述电阻率探杆的有效长度L_n、监测间距D和探杆电极的个数n与封存厚度d之间满足以下约束条件,其中，监测间距D指相邻电阻率探杆之间的间距，包括横向监测间距D1和纵向监测间距D2，封存厚度d是指二氧化碳储存区的厚度，则满足：

L_n＝0.5l

D＝1.5L

n＝2d/Q

其中，有效长度L_n表示电阻率探杆上获得有效数据电极之间的间距(也可以理解为二氧化碳储存区的厚度)，l表示电阻率探杆上底部电极到顶部电极之间的距离，n表示探杆电极个数，Q表示相邻电极间距，根据二氧化碳存储区实际场地大小及监测精密度等要求取经验值，L表示二氧化碳封存区的长度或宽度，横向监测间距D1采用长度计算，纵向监测间距采用宽度计算。

步骤B、数据监测：依次连接井间电阻率电极测量地层背景值，连接光纤温压传感器，测量地层背景值。

二氧化碳注入装置通过减压阀连接注入井，通过设定好的注入速率和浓度，往二氧化碳储存区内注入二氧化碳。在注入过程中及注入完成后，通过电阻率探杆和光纤温压传感器实时监测温度压力数据；

步骤C、基于监测的传感器数据进行对比判断：

计算地层中的熵变ΔS

ΔS＝(ΔT·ΔP)/T^2

其中，ΔS为地层的熵变，ΔT为背景地层温度差，ΔP为背景地层压力差，T为初始温度。

计算电阻率变化Δρ

Δρ＝ρ

其中，Δρ为地层的电阻率变化；T_0为初始温度；Ias为anti-stokes光强度；Is为stokes光强度；光纤测温系统通过anti-stokes光强度和stokes光强度影响温度变化进而影响电阻率的变化，将初始测量的背景值作为初始电阻值ρ

计算判断变量X＝ΔS+Δρ若X大于阈值X_0(X_0为经验值或者试验确定)则认为二氧化碳没有泄露；

若X小于阈值X_0，但大于0.8X_0，则认为二氧化碳有轻微泄露，发出重点监测警报；

若X小于阈值0.8X_0，则认为二氧化碳有大量泄露，直接发出重大泄漏警报。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案以二氧化碳储存区为监控对象，通过数据智能化监测与运行处理实现远程控制，监测数据精准，有效实现二氧化碳的实时动态监测；通过温度影响电阻率的变化，引进光纤测温传感系统来校正电阻率探杆测量过程中产生的误差，并给出电阻率计算公式，指明光纤内部测温原理与电阻率之间的关系，提高了监测的精准性和可靠性；

另外，本方案针对的是前段监测区域，即围绕二氧化碳储存区注入井四周外延一定范围(1-3米)实现监测，监测方向、泄漏趋势范围更全，且光纤温压传感技术允许远程监测，从而降低了人员进入危险地区的风险，监测系统可以安全地放置在地下，而数据可以通过通信网络传送至远程监控中心，以便于快速发现和应对二氧化碳泄漏，有助于减少对土壤和水体的污染，保护自然环境；

本方案实现了对地下储存区域的全方位实时监测，提高了地下储存二氧化碳的安全性和稳定性，且可以根据不同的地质环境和监测需求进行定制，电极间距、光纤布设等方面都可以根据实际情况进行调整和优化，通过提前检测泄漏并采取适当的措施，可以减少潜在的环境损害和清理成本，从而在长期内节约资金。

附图说明

图1为本发明实施例所述监测系统的剖面示意图；

图2为本发明实施例传感器布设俯视示意图；

图3为二氧化碳泄漏监测方法流程示意图；

图4为本发明实施例所述探杆电极示意图；

其中，1、二氧化碳储存区；2、电阻率探杆；3、注入井；4、光纤温压传感器；5、光纤温压数据采集仪；6、电阻率探杆数据采集器；7、排水管；8、数据终端设备；9、粘土层；10、注水口；11、探杆电极；12、二氧化碳注入装置。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1，一种地下封存区域二氧化碳泄漏监测系统，以实现对二氧化碳储存区1内二氧化碳泄露的监测；如图1所示，二氧化碳储存区1的外围设置有填土，外围填土为黏土层9，二氧化碳储存区1为砂土层；二氧化碳储存区1与黏土层9共同组成待监测区域，二氧化碳储存区1与二氧化碳注入装置12通过注入井3连通，黏土层9内布设有电阻率探杆2，电阻率探杆2上均布有探杆电极11，二氧化碳储层区1内布设有光纤温压传感器4，电阻率探杆2和光纤温压传感器4分别对应的与井间电阻率探杆数据采集器6以及光纤温压数据采集仪5相连；另外，待监测区域侧壁上方有两个注水口10，以防止因黏土不饱和导致气体泄漏致表面，待监测区域的两侧设有排水管7，为减少排水时间，排水管7的横截面积一般较大。

继续参考图1和图2，所述注入井3设置在二氧化碳储存区1的一侧，距离二氧化碳储存区1左边缘0.5m，注入井3的底部出口位于二氧化碳储存区厚度的中间位置；在距二氧化碳储存区1底部的1m环绕铺设光纤作为第一层监测光纤温压传感器，在距二氧化碳储存区10底部的2m位置环绕铺设光纤作为第二层监测光纤温压传感器5，并埋设光纤温压传感器4。

本实施例中，所述注入井3采用pvc管制成，注入井3的底部均匀地设有出气孔，且在注入井3的管身外围裹有纱网以防止二氧化碳储存区砂土颗粒进入注入井3堵塞出气孔。

实施例2、基于实施例1所述的监测系统，本实施例提出一种地下封存区域二氧化碳泄露监测方法，包括以下步骤：

步骤A、参数设置：根据待监测区域尺寸确定电极个数及监测间距；

本实施例中，以待监测区域尺寸为12m*8m*8.8m，中间设置二氧化碳储存区的尺寸为6m*4m*2.8m为例，盖层厚度为4m，注水口10注入水温为18～21℃为例进行说明。

所述电阻率探杆2的有效长度T_N、监测间距F和探杆电极11的个数n与封存厚度d之间满足以下约束条件,其中，监测间距D指相邻电阻率探杆2之间的间距，包括横向监测间距D1和纵向监测间距D2，封存厚度d是指二氧化碳储存区1的厚度，则满足：

L_T＝0.5l

D＝1.5L

n＝2d/Q

其中，有效长度L_n表示电阻率探杆上获得有效数据电极之间的间距，即与二氧化碳存储区厚度一致，l表示电阻率探杆上底部电极到顶部电极之间的距离，n表示探杆电极个数，Q表示相邻电极间距，根据二氧化碳存储区实际场地大小及监测精密度等要求取经验值，本实施例优选0.05m，L表示二氧化碳封存区的长度或宽度，横向监测间距D1采用长度计算，纵向监测间距采用宽度计算。

根据上述公式可以计算得出电阻率探杆2在二氧化碳储存区的横向间距为D1＝1.5*6＝9m，在二氧化碳储存区的纵向间距为D2＝1.5*4＝6m，电极个数n＝112，L_n＝2.8m。

步骤B、数据监测：依次连接井间电阻率电极11测量地层背景值，连接光纤温压传感器4，测量地层背景值。

二氧化碳注入装置通过减压阀连接注入井3，通过设定好的注入速率和浓度，往二氧化碳储存区1内注入二氧化碳。在注入过程中及注入完成后，通过电阻率探杆和光纤温压传感器实时监测温度压力数据；

步骤C、基于监测的传感器数据进行对比判断：

计算地层中的熵变ΔS

ΔS＝(ΔT·ΔP)/T^2

其中，ΔS为地层的熵变，ΔT为背景地层温度差，ΔP为背景地层压力差，T为初始温度。

计算电阻率变化Δρ

Δρ＝ρ

其中，Δρ为地层的电阻率变化；T_0为初始温度；Ias为anti-stokes光强度；Is为stokes光强度；光纤测温系统通过anti-stokes光强度和stokes光强度影响温度变化进而影响电阻率的变化，将初始测量的背景值作为初始电阻值ρ

计算判断变量X＝ΔS+Δρ

若X大于阈值X_0(X_0为经验值或者试验确定)则认为二氧化碳没有泄露；

若X小于阈值X_0，但大于0.8X_0，则认为二氧化碳有轻微泄露，发出重点监测警报；

若X小于阈值0.8X_0，则认为二氧化碳有大量泄露，直接发出重大泄漏警报。

井间电阻率在测量时采用直流电法在横向、纵向两个方向采用AM-BN四级观测模式，发射电极发射信号，接收电极接受信号进行电阻率测量，然后传输到终端对获取的电阻率数据进行处理，去除干扰，提高数据质量，结合实际地质资料进行数据解译，推断地下的地质情况，最终绘制二氧化碳地下羽流图，准确定位泄露位置。

由于二氧化碳的特殊性，对温度的变化的灵敏度要求极高。因此，本发明采用灵敏度更高的光纤温压传感技术，对温度进行更为精准的监测。光纤作为点位监测手段，其布置方式关系到监测效果。本发明设计了一种光纤环绕与井间电阻率联合监测的方式，确保井筒周边的泄露状态得到充分、合理的监测，考虑到二氧化碳密度低于空气，泄露时会在上方形成一定的空间。为此，本发明在二氧化碳泄露区上方铺设一层光纤温压传感器，防止因二氧化碳本身性质导致漏监，误监。通过采用光纤技术，大大提高了二氧化碳泄露监测的准确性和时效性，同时，结合光纤环绕与井间电阻率联合监测的方式，确保了泄露状态的实时、精准掌握。此外，光纤温压传感器的应用，进一步增强了系统的监测精度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。