一种监测地质封存二氧化碳泄漏的方法及装置

摘要

本发明公开了了一种监测地质封存二氧化碳泄漏的方法及装置，通过在线分析空气中氧气、二氧化碳相关性，在线扣除背景干扰浓度，得以实现直接二氧化碳泄漏通量监测。监测装置主要包括数据监测单元、数据传输单元、数据处理单元以及监控中心，其中设计了可用于直接监测二氧化碳泄漏的样气室。本方法具有在线异常辨识、直接泄漏通量监测、监测范围广、监测精度高、受温度和压力影响范围小等优点。

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳泄漏监测技术领域，涉及一种监测地质封存二氧化 碳泄漏的方法及装置。

背景技术

随着地球“温室效应”产生的影响越来越强烈，各个国家都开始关注温 室气体排放，二氧化碳就是其中最主要的温室气体之一。为了减少二氧化碳 排放，各个国家研究者和技术人员提出了很多种方法。近年来，一种新的技 术开始受到研究者们的关注，即二氧化碳捕集与封存技术(CCS技术)。这 种方法首先在二氧化碳排放源，比如电厂，捕集排放的二氧化碳，然后将捕 集的二氧化碳输送到封存地点，比如废弃油气井、废弃煤矿、海洋等地，利 用二氧化碳封存技术将二氧化碳以超临界状态封存到地质层或海洋深水层底 下，并做好相应的密封措施。在地质层中的二氧化碳发生物理、化学反应后， 可以被固定于地质层中，而且在一些废弃的油气井、煤矿等地方，还可以促 进油气或煤层气再生，提高能源利用率。

但是，作为一个正在研究和发展中的新型技术，有很多因素尚需考虑， 其中对封存二氧化碳渗漏和泄漏的准确监测和预报就是一个难题。因为大气 中二氧化碳本身含有较高浓度的二氧化碳且其随时间变化较大，碳封存项目 中所泄漏的微量或少量的二氧化碳可能被淹没在复杂变化的背景浓度当中， 很难监测到。到目前为止，研究者们提出了很多方法，主要有涡量相关监测 法(EC法)、测井微地震监测方法、集聚气室方法、激光雷达、示踪剂追踪 监测法、碳稳定同位素监测等方法。这些方法具有各自的优点，但是存在以 下缺点制约其在二氧化碳地质封存泄漏监测当中的应用。

1)无法实现在线泄漏异常信号辨识。目前常用的方法是在地质封存项目 实施前获取大量数据作为背景值，在封存项目实施后监测一段时间后，与封 存前得到的背景值进行对比识别。这种判断比较滞后，比如EC法就需要在 封存前监测一年周期内的数据，在封存实施后连续监测一年数据，然后将两 年数据进行比较，才能判断是否发生泄漏；其它方法大都如此。

2)大部分方法都无法直接得到泄漏通量值。因为泄漏通量密度可以直接 反映在某一区域内的泄漏的二氧化碳的积累程度，可以通过算法容易估算实 际泄漏量。但是目前除了一些通量监测方法，其它监测方法只能得到判断二 氧化碳泄漏是否发生泄漏的相关参数，做定性判断，无法得到泄漏通量，比 如超光谱成像、激光雷达、测井微震法等。尽管如此，目前已有的通量方法， 如集聚气室法，属于点式测量，无法在大面积范围内应用；EC法虽然可以 监测广域范围内的通量密度，但是无法实现在线异常信号辨识。

3)大部分方法属于点式测量方法，监测范围小，如果监测大面积的区域， 需要很多的仪器装置，成本太高。在已有方法中，EC法可以监测m²-km²范 围内的气体通量密度，但是直接监测二氧化碳泄漏受到一定的局限；

4)很多提出的方法仪器装置复杂、昂贵，比如同位素跟踪需要质谱仪、 激光雷达需要复杂的光学设备、测井微震法需要地质断层扫描仪等，无法在 工业工程中普及应用。

基于这些缺陷，研发能够在线辨识泄漏异常、直接得到泄漏通量，而且 仪器简单、成本较低的地质封存二氧化碳泄漏监测装置是十分必要的。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种监测地质封存二氧化碳泄漏的方法及装 置，通过在线分析空气中氧气、二氧化碳相关性，在线扣除背景干扰浓度， 得以实现直接二氧化碳泄漏通量监测。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种监测地质封存二氧化碳泄漏的方法，包括以下步骤：

通过连续监测待测区域的二氧化碳的浓度和氧气的浓度计算 二氧化碳的浓度的变化量和氧气的浓度的变化量以及氧气的瞬 时通量和二氧化碳与氧气的氧碳交换比S，

以t为监测时间步长，以前一个时间步长内的监测作为当前时间步长的 监测背景，以前一个时间步长内的平均氧碳比作为背景氧碳交换比S₀，以当 时间前步长内的平均氧碳交换比作为S₁；

当前时间前步长内的二氧化碳泄漏通量F_l通过下式计算得到：

$F_l=(\frac{1}{S_1}-\frac{1}{S_0})\left({-F}_{O_2}\right)$

其中，为前一个时间步长内的氧气瞬时通量。

所述的氧气瞬时通量的计算还考虑垂直风速的波动、大气温度和湿度的 影响，通过下式计算得到：

$F_{O_2}=\overline{w^{\prime }{\rho }_{O_2}^{\prime }}+\frac{m_a}{m_v}\frac{\overline{{\rho }_{O_2}}\overline{w^{\prime }{\rho }_v^{\prime }}}{\overline{{\rho }_a}}+(1+\frac{\overline{{\rho }_v}{m}_a}{\overline{{\rho }_a}{m}_v})\frac{\overline{w^{\prime }{T}^{\prime }}\overline{{\rho }_{O_2}}}{\bar{T}}$

其中，为氧气瞬时通量，${\rho }_{O_2}=2.24\times {10}^{-8}\times C_{O_2}{M}_{O_2}(\mathrm{kg}·m^{-3}),$为氧气 浓度，为氧气摩尔质量；w′为垂直风速的波动，ρ_a、ρ_v分别为干空气 和空气中水蒸气的密度；m_a和m_v分别为干空气和水蒸气的摩尔质量；T为监 测点处环境温度。

所述的F_l通过下式计算得到：

$(\frac{1}{S_1}-\frac{1}{S_0})=(\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}{|}_t-{\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}|}_{t-1});$

$F_l=(\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}{|}_t-{\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}|}_{t-1})\left({-F}_{O_2}\right)$

其中t为单位分钟、小时或日的时间步长。

一种监测地质封存二氧化碳泄漏的装置，包括：

数据检测单元，包括检测垂直风速的波动的三维超声风速仪、检测大气 温度和湿度的温度湿度探头，以及检测氧气、二氧化碳的浓度的气体取样探 头；

数据传输单元，采集数据检测单元所采集的数据并进行传输；

数据处理单元，接收数据传输单元传输的数据，通过二氧化碳的浓度和 氧气的浓度计算二氧化碳与氧气的氧碳交换比，再结合垂直风速的波动、大 气温度和湿度的数据计算氧气的瞬时通量，最后计算得到二氧化碳泄漏通量；

监测中心，接收数据处理单元的计算结果并进行显示。

所述的三维超声风速仪、温度湿度探头和气体取样探头安装在监测塔上， 距地面的距离与监测半径比为1∶50～500。

所述的三维超声风速仪、温度湿度探头和气体取样探头逆风方向安装， 彼此之间的距离不超过1m，三维超声风速仪安装在温度湿度探头和气体取 样探头的上方。

所述的气体取样探头包括检测气室，检测气室的头部与进气罩相连接， 进气罩的中心设有进气口，检测气室尾部的一侧设有出气口，检测气室内设 有二氧化碳浓度检测传感器和氧气传浓度检测感器。

所述的进气罩为半球形，进气口逆风安装；进气罩与检测气室之间设有 滤网。

所述的二氧化碳传感器包括对称安装的红外二氧化碳传感器发射端和红 外二氧化碳传感器接收端，氧气传感器为电化学传感器，设置在出气口之上；

检测气室的尾部还设有清理口。

所述的数据传输单元通过有线或无线方式将检测数据传输给数据处理单 元。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1)本发明提供的监测地质封存二氧化碳泄漏的方法，基于大气中二氧化 碳和氧气吸收和排放规律，通过连续的在线分析空气中氧气、二氧化碳相关 性，尤其二氧化碳与氧气的氧碳交换比的监测；而由于在泄漏发生前后氧气 背景通量不发生变化，因此可以通过氧气通量监测在线扣除背景二氧化碳变 化，得以实现直接二氧化碳泄漏通量监测；

2)因为在线计算的是氧气和二氧化碳浓度或通量的变化率，监测精度较 单独监测二氧化碳浓度高；同时，因为利用的是气体参数的比率关系，因此 温度和压力对结果的影响较小，进一步提高了监测的精度，降低了监测装置 的复杂性；

3)可以直接得到二氧化碳的泄漏通量，进一步通过算法实现实际泄漏量 的确定；

4)本发明所提供的方法及装置还可以应用在二氧化碳减排项目的减排效 率研究当中。

附图说明

图1为未考虑地质封存二氧化碳泄露的大气氧气/二氧化碳吸收、排放的 系统示意图；

图2为考虑地质封存二氧化碳泄漏的大气氧气/二氧化碳吸收、排放的系 统示意图；

图3为监测地质封存二氧化碳泄漏的装置的系统连接示意图；

图4为数据检测单元的一种具体实现的结构示意图；其中，1为监测塔， 2为三维超声风速仪，3为气体取样探头，4为温度湿度探头，5为电源；

图5为气体取样探头的一种具体实现的结构示意图。其中，301为检测 气室，302为进气罩，303为进气口，304为滤网，305为红外二氧化碳传感 器发射端，306为红外二氧化碳传感器接收端，307为氧气传感器，308为出 气口，309为清理口。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对 本发明的解释而不是限定。

本发明提供的监测地质封存二氧化碳泄漏的方法及装置，是基于生态环 境中氧气和二氧化碳动态平衡原理。如图1所示，在未考虑地质封存二氧化 碳泄漏的时候，在陆地生态系统中的二氧化碳和氧气的吸收和排放源主要由 生物系统的新陈代谢作用、化石燃料的燃烧这两部分组成。其中生物系统的 同化作用消耗二氧化碳并产生氧，异化作用消耗氧而产生二氧化碳。这两个 过程相互作用使得在整个生物系统新陈代谢过程中氧气和二氧化碳交换比率 (以下简称氧碳交换比，-ΔO₂/ΔCO₂)保持动态平衡，其值约为1.1。化石燃 料的燃烧过程会消耗氧而产生二氧化碳，该过程决定大气中氧气和二氧化碳 含量。其中消耗氧气和产生二氧化碳的比率决定于化石燃料的组分和燃烧程 度。这个燃烧过程是不可逆的，因而从长期来看，环境中的二氧化碳会增加， 而氧气会减少。但是在短时间间隔内，燃料组分和大气环境会保持不变，所 以燃烧过程的氧碳交换率是相对稳定的。可以得到下式1和2。

$F_{{\mathrm{CO}}_2}=F_f-F_b---\left(1\right)$

$F_{O_2}=-R_f{F}_f+R_b{F}_b---\left(2\right)$

其中和是大气模型中总的CO₂和O₂通量；F_f和F_b(mol·m^-2·s^-1)分别为在化石燃料燃烧过程和生物代谢过程中的二氧化碳通量； R_f和R_b是在这两个过程中O₂和CO₂的交换率。

上述系统如果在地质封存项目附近，则考虑二氧化碳泄漏，如图2所示， 则二氧化碳的排放源增加了一项二氧化碳泄漏源。同时，式1将发生变化为 式3：

$F_{{\mathrm{CO}}_2}=F_f-F_b+F_1---\left(3\right)$

该式右边增加了二氧化碳泄漏通量F₁这一项，由于式3右边的前两项均 与氧气相关且是线性相关的，而第三项泄漏项与氧气无关，因此如果泄漏发 生，泄漏项将改变氧气和二氧化碳之间原本稳定的相关关系，进一步破坏其 相关性或形成新的相关关系。

根据以上三式，最终得到关于泄漏量的计算公式：

$F_l=(\frac{1}{S_1}-\frac{1}{S_0})\left({-F}_{O_2}\right)---\left(4\right)$

其中，F_l称为表观泄漏量(apparent leakage flux，ALF)，其单位为 mol·m^-2·s^-1，表示单位面积单位时间内二氧化碳泄漏量，即二氧化碳泄漏通量； S0称为背景氧碳交换比，S₁为当前氧碳交换比。

该式包括两部分：第一部分代表泄漏前后氧碳交换比的变化， 在理想情况下，如果未发生泄漏，该值等于0；发生泄漏后，该值将增大； 第二部分代表背景中二氧化碳的趋势，其与氧气成负相关。由于氧气 在泄漏发生前后通量不发生变化，因此可以通过氧气通量监测在线扣除背景 二氧化碳变化。

在具体进行监测时，第一部分氧碳交换比的变化，通过连续监测待测区 域的二氧化碳的浓度和氧气的浓度计算二氧化碳的浓度的变化量 和氧气的浓度的变化量以及氧气的瞬时通量和二氧化碳与氧气 的氧碳交换比S：

$S={\mathrm{\Delta C}}_{O_2}/{\mathrm{\Delta C}}_{{\mathrm{CO}}_2}---\left(5\right)$

在连续监测时，以t为监测时间步长，根据需要时间步长可以以单位分 钟、小时、天为步长间隔。以前一个时间步长内的监测作为当前时间步长的 监测背景，将前一个时间步长内的平均氧碳比作为背景氧碳交换比S₀，以当 前时间步长内的平均氧碳交换比作为S₁；利用在线最小二乘回归(LSR)算法 计算相邻时间步长内氧气和二氧化碳线性回归模型比例系数得到S₀和S₁，从 而得到以下式：

$(\frac{1}{S_1}-\frac{1}{S_0})=(\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}{|}_t-{\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}|}_{t-1})---\left(6\right)$

那么(4)式就可以变换为：

$F_l=(\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}{|}_t-{\frac{{\mathrm{dC}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{{\mathrm{dC}}_{O_2}}|}_{t-1})\left({-F}_{O_2}\right)---\left(7\right)$

第二部分主要是通过氧气通量的检测来实现，以前一个时间步 长内的氧气瞬时通量进行计算，从而得到当前时间步长内的二氧化碳泄漏通 量。

而在具体进行气体通量的检测时，本方法利用涡量相关原理监测气体通 量，可以实现广域范围内的通量密度，其监测范围可以达到m²-km²，且实时 调整计算坐标，使得计算坐标与风向一致，最终得到的垂直风速波动与水平 风速无关，所以不受风向变化影响。其基本原理是根据雷诺平均规则，将空 气这样的湍流流体在任意瞬间的流动定义为一个平均状态量和偏离平均的 波动量x′之和，即可以将平均量和波动量从整体量中分离，然 后主要研究被测对象的波动情况，其基本计算式为：

$F=\overline{w^{\prime }{c}^{\prime }}---\left(8\right)$

F为气体通量密度(mol·m^-2·s^-1)，w′是垂直风速的波动(m·s^-1)，c′是气 体浓度波动(mol·m^-3)；

温度湿度探头用来探测大气温度和湿度，以修正温度和湿度对最终气体 通量值的影响，常用的计算气体通量修正公式为：

$F_{O_2}=\overline{w^{\prime }{\rho }_{O_2}^{\prime }}+\frac{m_a}{m_v}\frac{\overline{{\rho }_{O_2}}\overline{w^{\prime }{\rho }_v^{\prime }}}{\overline{{\rho }_a}}+(1+\frac{\overline{{\rho }_v}{m}_a}{\overline{{\rho }_a}{m}_v})\frac{\overline{w^{\prime }{T}^{\prime }}\overline{{\rho }_{O_2}}}{\bar{T}}---\left(9\right)$

其中，${\rho }_{O_2}=2.24\times {10}^{-8}\times C_{O_2}{M}_{O_2}(\mathrm{kg}·m^{-3}),$为氧气浓度(ppm)；为氧 气摩尔质量(g·mol^-1)；为氧气瞬时通量(mol·m²·s^-1)；w′为垂直风速 的波动(m·s^-1)；ρ_a、ρ_v分别为干空气和空气中水蒸气的密度(kg·m^-3)， 由其反映大气湿度变化；m_a和m_v分别为干空气和水蒸气的摩尔质量 (g·mol^-1)；T为监测点处环境温度(K)。

基于上述方法，参见图3，提供一种监测地质封存二氧化碳泄漏的装置， 包括：

数据检测单元，包括检测垂直风速的波动的三维超声风速仪、检测大气 温度和湿度的温度湿度探头，以及检测氧气、二氧化碳的浓度的气体取样探 头；

数据传输单元，采集数据检测单元所采集的数据并进行传输；

数据处理单元，接收数据传输单元传输的数据，通过二氧化碳的浓度和 氧气的浓度计算二氧化碳与氧气的氧碳交换比，再结合垂直风速的波动、大 气温度和湿度的数据计算氧气的瞬时通量，最后计算得到二氧化碳泄漏通量；

监测中心，接收数据处理单元的计算结果并进行显示。如果表观泄漏量 异常增大超过一定的水平，表明可能有泄漏发生。

参见图4，具体的数据检测单元的实现为：三维超声风速仪1、温度湿度 探头3和气体取样探头4安装在监测塔1上，电源5提供电源；

三维超声风速仪、温度湿度探头和气体取样探头逆风方向安装，三维超 声风速仪要略高于取样探头以及温湿度探头安装高度，三者应该尽量靠近(彼 此之间的距离不超过1m)以保证取样的一致性，距地面的距离取决于监测 范围和地形情况，一般与监测半径比为1∶50～500；取样探头进气口朝向风 速仪位置。

参见图5，气体取样探头包括检测气室301，检测气室301的头部与进气 罩302相连接，进气罩302的中心设有进气口303，检测气室301尾部的一 侧设有出气口308，检测气室301内设有二氧化碳浓度检测传感器和氧气传 浓度检测感器307；二氧化碳传感器包括对称安装的红外二氧化碳传感器发 射端305和红外二氧化碳传感器接收端306，氧气传感器为电化学传感器， 设置在出气口308之上，检测气室301的尾部还设有清理口309。

而且将进气罩302设计为半球形，进气口逆风安装；进气罩302与检测 气室之间301设有滤网304。

安装时进气口逆风安装，风速仪转动也有利于进气。进气罩设计为半球 模型，避免气体在进气口形成明显涡流，影响测量。在进气罩和检测室之间 安装滤网以防止空气中固体杂物影响监测结果。出气口设置在传感器一侧， 其结构设计使气体流动有利于传感器与被测气体接触。在底部设置可打开和 封闭的清理孔，以便于对探头进行清理。

所述的数据传输单元通过有线或无线方式将检测数据传输给数据处理单 元。数据传送可以采用有线传送，比如RS485；也可以采用无线传送方式， 该传送方式需要在现场设置专门的无线发送装置，在数据接收端设置无线接 受装置，接受到的数据再发送到数据处理单元进行处理。