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2021年 9月，，，，，，在挪威Svelvik的SINTEF CO₂现场实验室举行了一项地动跨孔现场实验，，，，，，以使用古板地动源和吸收器、漫衍式声学传感（DAS）和漫衍式温度传感（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米的视察井。。。。。油井配备了线性和螺旋纠葛（HWC）DAS电缆。。。。。该实验的主要目的是使用新开发的SV源测试震源三元组（P波、SH波和SV波）的地动成像能力，，，，，，测试DAS使用差别类型电缆举行井间视察的能力，，，，，，并研究使用全波形反演（FWI）举行CO₂注入监测的可行性。。。。。

地动实验使用带水听器串的高区分率P波层析成像和DAS系统，，，，，，在六天的注入时代监测CO₂（气体）的撒播。。。。。别的，，，，，，使用由八个三轴地动检波器组成的多站钻孔收罗系统和DAS系统，，，，，，使用SH和SV源举行了S波层析成像。。。。。在试验最先前举行了基线视察，，，，，，天天重复举行P波丈量，，，，，，而更耗时的S波视察仅在注入水位深度和后期注入阶段的上层含水层内举行。。。。。

通例P波层析成像的第一个效果批注，，，，，，水中分层沉积具有交替的高速和低速区，，，，，，即低渗透性或高渗透性沉积物。。。。；；；；；；；呤莺妥⑷氲4天收罗的数据之间的两个P波层析图像的较量批注，，，，，，CO₂沿着上层含水层内的高渗透带迁徙。。。。。我们还将地动FWI手艺应用于水听器数据。。。。。DTS丈量效果似乎批注CO₂迁徙与地动数据显示的一致。。。。。对通例地动数据和DAS数据举行了较量剖析，，，，，，以评估DAS系统用于P波和S波地动层析成像丈量的潜力。。。。。我们首次从DAS数据中盘算出P波断层图，，，，，，显示出与通例仪器相似的效果，，，，，，而HWC的数据提供了数据。。。。。这证实了HWC设置在跨孔P波丈量中的适用性，，，，，，其中波入射角靠近电缆的宽边。。。。。初始效果批注，，，，，，通例地动和DAS的联合应用显著提高了CO2成像实验中的数据可诠释性，，，，，，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麋集空间采样的可重复丈量。。。。。需要进一步的事情来优化电缆类型和安排，，，，，，并刷新此应用的DAS数据处置惩罚。。。。。DTS还可以提供有关CO2迁徙的增补看法近年来，，，，，，对温室气体排放的担心引发了对碳捕获和贮存（CCS）作为一种天气转变缓解计划的兴趣，，，，，，该计划可用于镌汰人为净二氧化碳排放。。。。。然而，，，，，，CCS需要在数年内将CO2清静地保保存地质地层中。。。。。几种地球化学和地球物理（如延时地动）手艺允许监测CO2的区域漫衍、密封完整性和注入响应的压力转变，，，，，，因此可用于验证贮存一致性，，，，，，是完整性监测的名贵工具[1]。。。。。

DigiMon项目由加速CCS手艺（ACT）建议资助，，，，，，旨在通过整合成熟和新颖的丈量手艺，，，，，，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，，，，，，提供准确和周全的丈量。。。。。这些系统运行可靠，，，，，，但本钱很高，，，，，，特殊是关于具有麋集采样距离的大空间规模。。。。。直到近期，，，，，，漫衍式光纤传感器阵列的迅速度低于常用的高区分率监测要领。。。。。然而，，，，，，随着仪器和光纤电缆手艺的刷新，，，，，，漫衍式声学传感（DAS）手艺现在可以实现光纤地动数据收罗，，，，，，其质量可与更多古板手艺媲美[2]。。。。。光纤传感手艺能够以显著降低的本钱在普遍的空间区域收罗麋集的空间采样地动数据。。。。。DAS数据和检波器/水听器数据之间保存差别，，，，，，需要在数据收罗和剖析中加以思量，，，，，，并应检查每种应用的电缆设计。。。。。例如，，，，，，DAS是漫衍式传感器而不是点丈量装备，，，，，，与古板地动传感器相比，，，，，，单分量DAS丈量对波入射角的依赖性差别。。。。。地动要领通常用于CCS现场的勘探和监测。。。。。钻孔丈量特殊适合于天生地下的高区分率地动图像。。。。。井间实验使用了在选定的深度距离爆发和纪录地动体波（P波和S波）的优势，，，，，，其中源和吸收器在每次丈量中坚持在相同的高度。。。。。此类测试提供了高笔直区分率下钻孔间P波和S波速率的深度剖面。。。。。井间地动层析成像具有较高的区分率，，，，，，为古板地动数据的水平和笔直区分率较差提供相识决计划[3]。。。。。几项研究批注，，，，，，向含水层或储层注入CO2会降低储层或含水层的地动速率，，，，，，地动层析成像可用于对注入的地质结构中的速率降低举行成像[4-7]。。。。。地球物理信号强度与CO2走漏质量亲近相关，，，，，，但与盐水走漏质量无关。。。。。特殊是延时跨孔成像是提高石油采收率和封存的地下CO2监测的要领（例如[8-11]）。。。。。[12] 指出钻孔地动监测也可用于检查井的完整性。。。。。

在这里，，，，，，我们形貌了高区分率地动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率转变。。。。。早期效果批注，，，，，，P波走时层析成像在CO2监测中的应用有限[14]。。。。。因此，，，，，，我们检查了备选计划，，，，，，即（a）通过使用新的SH和SV源来使用剪切波的信息，，，，，，（b）检查CO2监测的全波形反演（FWI）的可行性，，，，，，以及（c）使用DAS而非古板传感器获取数据。。。。。FWI（例如，，，，，，[15]）不但有可能提供好的空间区分率，，，，，，并且对弹性地下性子的细微转变也更敏感（与走时层析成像相比）。。。。。

2.手艺立异

2.1.地动源-天生P波、SH波和SV波的震源三元组

在该研究项目中，，，，，，SV波钻孔地动源（BIS-SV）由充电至5000 V的高压脉冲爆发器驱动。。。。。该震源使用两个线圈系统，，，，，，推动铁磁体。。。。。每个线圈可以单独激活，，，，，，并允许爆发向上和向下的攻击。。。。。通过结实的空气封隔器将震源牢靠在井壁上。。。。。统一高压脉冲爆发器用于驱动SH波钻孔震源和P波火花震源。。。。。SH波源（BIS-SH）还需要夹持在井壁上，，，，，，并在钻孔内笔直于吸收器钻孔的偏向旋转。。。。。使用抗扭稳固钢加固液压软管举行旋转。。。。。SH波的引发需要在钻孔内旋转，，，，，，SV波的引发不需要震源的任何特定偏向。。。。。当高压爆发器在几分之一秒内释放其电能时，，，，，，P波火花爆发器（SBS42）通过在高压下膨胀的等离子体通道的快速膨胀爆发强烈的高频地动脉冲。。。。。由SBS42、BIS-SH和BIS-SV源组成的源三元组允许周全形貌钻孔之间的动态土壤参数。。。。。使用关于土壤密度的附加信息，，，，，，可以盘算动态剪切刚度、动态体积模量和泊松比，，，，，，并获得土壤应力状态的形貌[16-19]。。。。。

2.2.通例地动吸收器

设计并使用多站钻孔收罗系统（MBAS）收罗所有S波丈量的数据。。。。。MBAS由8个相距2米的吸收站组成。。。。。每个吸收站包括三个呈三轴排列的10 Hz检波器。。。。。站通过扭转刚性液压软管毗连，，，，，，该软管允许站对齐。。。。。因此，，，，，，所有水平X-Y传感器都指向相同的X或Y偏向。。。。。位于最低站的磁罗盘显示大致偏向，，，，，，并可用于在数据处置惩罚时代凭证给定的源偏向旋转数据。。。。。别的，，，，，，水压传感器被安排在低站以获取水压。。。。。水面上的控制箱显示水压和磁方位角。。。。。使用空气封隔器毗连站。。。。？？？？？？掌┯χ料虏克母龊蜕喜克母隹掌飧羝鳌。。。。2 x 4空气封隔器所需的空气压力可在地面箱中举行调解，，，，，，其中显示MBAS底部的现实水压以及两个供气软管内的压力。。。。。在空气封隔器充气时代自动盘算显示联接压力的目的压力。。。。。关于P波层析成像，，，，，，使用了具有1m传感器间距的24通道水听器串。。。。。

2.3光纤传感器

漫衍式光纤传感（DFOS）系统由光纤电缆（传感器）和用于爆发和纪录光信号的询问器组成。。。。。DFOS系统现在具有普遍的应用，，，，，，可以通过DAS丈量声学/地动信号，，，，，，通过漫衍式温度传感（DTS）丈量温度或通过漫衍式应变传感（DSS）丈量应变。。。。。关于所有的DFOS手艺，，，，，，询问器都会爆发一个激光脉冲，，，，，，并发射到光纤中。。。。。一些入射光被散射回感测单位并由询问器丈量。。。。。这种散射光受到光纤中温度或应变转变的影响。。。。。

2.3.1漫衍式声学传感（DAS）

漫衍式声学传感（DAS）是一种相对较新且生长迅速的手艺，，，，，，它为地动成像提供了一种新的工具，，，，，，由于它对沿光纤的局部轴向应变转变或应变率很敏感。。。。。该手艺仅使用一根标准光纤作为传感元件，，，，，，即可同时收罗数千个传感通道[20]。。。。。DAS询问器丈量由于光纤中的缺陷导致的激光脉冲的瑞利背散射光。。。。。这是一种漫衍式丈量，，，，，，询问器通过一连丈量仪之间的两个重复激光脉冲（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。。。。。这会爆发应变率丈量。。。。。轨距长度通常为几米至几十米[21]。。。。。由于本次数据收罗中使用的钻孔深度仅为~100m，，，，，，且丈量频率较高，，，，，，因此选择了3m的短标距询问器。。。。。

DAS数据的一些优点包括高空间（~m）和时间区分率（~kHz）丈量；；；；；；；沿光纤电缆全上举行一连实时丈量，，，，，，丈量距离大于100km；；；；；；；以及相对时效和低本钱的监测。。。。。然而，，，，，，纪录是单分量（1C）丈量，，，，，，由于DAS仅对光纤轴向转变敏感。。。。。DAS具有对P波的依赖性响应，，，，，，其中θ是从光纤轴向丈量的入射角[22]，，，，，，因此对靠近电缆宽边抵达的P波的响应降低，，，，，，这与在类似深度的源和吸收器的跨孔丈量中的情形相同。。。。。为了减轻这种影响，，，，，，已经开发了螺旋纠葛电缆（HWC），，，，，，其中光纤纠葛在电缆芯上[39]，，，，，，只管安排数目有限。。。。。Svelvik网站提供了较量线性和HWC上网络的数据的时机，，，，，，以研究它们在井间丈量中的应用。。。。。

现在，，，，，，DAS手艺通常用于网络油气勘探中的笔直地动剖面（VSP）数据，，，，，，并已乐成应用于CCS现场的CO2羽流成像[19，，，，，，23-24]。。。。。然而，，，，，，迄今为止，，，，，，只管已经举行了建模设计研究，，，，，，但尚未报告该手艺的跨孔应用[25]。。。。。

2.3.2漫衍式温度传感（DTS）

地动收罗时代还安排了DTS询问器，，，，，，由于先前的研究批注，，，，，，它可以深入相识注入的CO2的迁徙[26]。。。。。DTS使用发射的激光脉冲的拉曼背散射特征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相关分子振动的非弹性相互作用爆发的，，，，，，导致发射光子的能量相关于注入光爆发位移[27]。。。。。DTS装置可以提供沿光纤长度的0.01°C精度和亚米区分率的温度丈量[28]，，，，，，因此它是一种迅速的钻孔丈量手艺，，，，，，可以检测地质结构的转变。。。。。光纤电缆可以包括多个光纤，，，，，，因此可以同时丈量多个参数，，，，，，例如使用DAS和DTS，，，，，，如本文所述的现场测试时代所执行的。。。。。

2.4地动全波形反演（FWI）

FWI在近40年前被提出[29]，，，，，，但随着功效强盛的盘算机的泛起，，，，，，这项手艺变得很是盛行，，，，，，现在它已成为油气行业地动处置惩罚事情流程中一个成熟的？？？？？？閇30]。。。。。然而，，，，，，关于近地表应用和CO2监测，，，，，，FWI文献仍然相对少，，，，，，主要包括看法研究（例如[31]）。。。。。在本项目的框架内，，，，，，我们报告了实验将FWI应用于连系CO2监测获得的现场数据。。。。。

3.现场实验

3.1现场

Svelvik CO2现场实验室是一个现场实验室，，，，，，用于举行监测实验，，，，，，填补了台架实验室实验和中试规模研究之间的空缺[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阶段形成的冰川河流-冰川海洋最后沉积物形成[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年以来一直在挖掘沙子。。。。。粘土层笼罩在山脊两侧，，，，，，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.数据收罗和监测设置

Svelvik CO2现场实验室由一口中央注入井（B2）、四口监测井（M1-M4）和举行CO2注入实验所需的基础设施组成（见图1）。。。。。注入井设计用于在小超压条件下注入CO2，，，，，，并在64至65 m深度之间举行筛选。。。。。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位于工具偏向，，，，，，而钻孔M3-M4位于南北偏向。。。。。

光纤电缆装置在每个监测井中。。。。。其中包括包括线性多模光纤（用于DTS丈量）的电缆和具有线性和螺旋纠葛（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外部。。。。。水泥和砾石层填满了周边误差。。。。。

地动实验于2021 9月14日至22日举行，，，，，，二氧化碳注入从9月16日最先，，，，，，到9月22日竣事。。。。。注射启动日称为“第0天”，，，，，，9月21日称为第5天。。。。。在实验时代，，，，，，在钻孔B2处注入CO2，，，，，，天天注入量为8 m3，，，，，，在6天内，，，，，，在64-65m之间的屏障套管处注入0.1 bar的小超压。。。。。最初对超压举行了调解，，，，，，使其趋于稳固，，，，，，随后最先了自动地动收罗。。。。。

图2.数据收罗中使用的DAS光纤电缆回路。。。。。钻孔标记为（M1-M4），，，，，，并标明电缆类型（线性、螺旋或标准电信）。。。。。电缆拼接在一起形成一个询问回路。。。。。询问机位于驾驶室内。。。。。

关于所有实验，，，，，，地动源安排在钻孔M4中，，，，，，水听器/检波器地动吸收器安排在钻孔M3中。。。。。地动检波器/检波器的地动仪纪录频率为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。。。。。在笼罩相同深度的钻孔M3中安排两个水听器串，，，，，，每个水听器串具有24个通道和1m的传感器间距。。。。。S波丈量集中在两个差别的深度区域，，，，，，即58m至72m和32m至46m之间。。。。。下部区域笼罩注入深度，，，，，，在注入实验最先时感兴趣。。。。。上部区域在实验的后期变得有趣，，，，，，由于从先前的实验中可以得知，，，，，，CO2被约35米深的粘土层捕获。。。。。

注入前举行了一次P波、SH波和SV波丈量，，，，，，作为基线丈量（见图3）。。。。。注射时代共收罗了八组P波层析成像数据。。。。。在第0天和第1天举行了两次P波视察，，，，，，即上午和下昼各一次。。。。。在第0–2天，，，，，，对下部区域举行了SH波和SV波丈量。。。。。从第1天到第5天，，，，，，对上部区域举行SH波丈量。。。。。不幸的是，，，，，，SV源在第1天泛起故障，，，，，，无法用于后续丈量。。。。。在所有通例视察中，，，，，，DAS系统同时举行了纪录。。。。。在数据处置惩罚历程中丈量并思量了钻孔误差。。。。。

图3：显示震源位置的地动场丈量设置

Silixa iDAS v2询问器用于DAS数据收罗。。。。。丈量长度为3 m，，，，，，通道间距为0.5 m。。。。。DAS数据的完整丈量长度为1950 m，，，，，，包括线性和HWC光纤上的纪录。。。。。该装置在触发模式下运行，，，，，，数据带有GPS时间戳。。。。。Sensornet Oryx+装置用于DTS数据收罗。。。。。

5.结论与展望

5.1震源三重能力

实验证实了使用P、SH和SV地动源爆发高质量地动数据的可行性，，，，，，以通过跨孔丈量监测CO2注入的影响。。。。。使用这三种泉源，，，，，，可以导出岩土参数，，，，，，如超固结比。。。。。使用关于土壤密度的附加信息，，，，，，可以盘算动态剪切刚度、动态体积模量和泊松比。。。。。

5.2.跨孔丈量DAS

很显着，，，，，，镌汰的后勤事情和高收罗速率使DAS成为古板基于检波器系统的低本钱替换计划。。。。。装置的电缆在钻孔的整个长度上提供了麋集的传感器间距（从而镌汰了放炮次数，，，，，，从而镌汰了丈量时间和本钱），，，，，，同时也实现了多年重复的丈量。。。。。然而，，，，，，古板地动源和DAS的组合增添了纪录数据的附加值。。。。。DAS自然不可提供三个组件的数据，，，，，，而只能输出一个组件。。。。。本研究中举行的测试批注，，，，，，DAS数据可用于使用HWC天生的P波层析成像模子。。。。。

通例地动和DAS的联合应用将显著提高跨孔CO2成像和一样平常短距离跨孔丈量的数据可诠释性。。。。。需要进一步的事情来差别类型丈量的DAS信号强度，，，，，，并开发适合该应用的光纤电缆。。。。。连系来自线性和HWC的数据可以提供解决计划。。。。。数据处置惩罚方面的进一步事情和刷新将提供延时图像，，，，，，从而使用DAS数据举行监控。。。。。

5.3.全波形反演的附加值和约束

只管我们最初的FWI实验不乐成，，，，，，但我们仍然以为该手艺对CO2监测的潜在附加值是有用的。。。。。通过使用地动波形提供的所有信息内容，，，，，，可以更可靠地预计弹性地下性子的细微转变，，，，，，从而CO2含量的转变。。。。。正如[38]所指出的，，，，，，当FWI与DAS数据相结适时，，，，，，可以预期特殊好的效果。。。。。