湯沭成，林千果，王 昊，江紹靜，王維波，溫慶志，種 珊，張一梅，郭軍紅

(1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.華北電力大學(xué)蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123；3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；4.北京大學(xué)工學(xué)院，北京 100871；5.北京大學(xué)工程科學(xué)與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100871；6.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

CO2驅(qū)油封存技術(shù)(CO2-Enhanced Oil Reco-very and storage,CO2-EOR storage)通過將CO2注入到地下油藏，在提高原油采收率獲取經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還可以將CO2進(jìn)行封存，實(shí)現(xiàn)CO2減排的社會(huì)效益，因此該技術(shù)已成為降低CO2排放、減緩溫室效應(yīng)最直接、有效的方式[1]。

我國鄂爾多斯盆地南部區(qū)域，油氣資源豐富，盆地內(nèi)石油資源總量超過100億t，且該地區(qū)有大量低成本CO2，是開展CO2驅(qū)油封存最有利的地區(qū)之一。目前，延長石油和長慶石油都已在該地區(qū)開展了CO2-EOR and storage技術(shù)示范項(xiàng)目。然而，由于自然地層運(yùn)動(dòng)和石油開采過程中人為活動(dòng)對(duì)封存體的構(gòu)造圈閉及井筒完整性造成的影響，可能會(huì)發(fā)生小規(guī)模CO2泄漏的現(xiàn)象，特別是在CO2驅(qū)油封存的壓裂、注入及生產(chǎn)過程中，極易發(fā)生間隙性CO2泄漏。泄漏的CO2擴(kuò)散進(jìn)入土壤層后，會(huì)破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)土壤表面植被和農(nóng)作物生長帶來不利的影響。因此，為了及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)土壤CO2泄漏及土壤環(huán)境變化情況，保障土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)保證CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目的安全開展，國內(nèi)外碳捕獲、利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)項(xiàng)目(包括CO2驅(qū)油項(xiàng)目)基本上都開展了CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)研究。例如：國外的加拿大Weyburn項(xiàng)目[2]、澳大利亞CO2CRC Otway示范項(xiàng)目[3]、阿爾及利亞In Salah項(xiàng)目[4]、挪威Sleipner海上CCS項(xiàng)目[5]；國內(nèi)的勝利油田CO2-EOR項(xiàng)目[6]、神華CO2咸水層封存項(xiàng)目[7]、吉林油田CO2驅(qū)油封存示范項(xiàng)目[8]、延長石油CO2-EOR示范工程項(xiàng)目[9-10]等。在土壤CO2泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，主要包括利用非色散紅外氣體分析法(NDIR)對(duì)土壤氣中CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11]和利用流量累積室法對(duì)土壤氣中CO2流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]，這兩種方法可以快速、直接地測(cè)量土壤氣中CO2含量的變化，并結(jié)合土壤氣多參數(shù)快速分析法，對(duì)土壤溫度、水分、pH值、電導(dǎo)率等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[13]，間接反映土壤CO2泄漏狀況。

以上CCUS項(xiàng)目都是基于項(xiàng)目所在地區(qū)的具體土壤特征和CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)需求，開展了包括土壤CO2通量、土壤CO2濃度、土壤環(huán)境指標(biāo)在內(nèi)的多參數(shù)土壤CO2泄漏監(jiān)測(cè)和研究。我國鄂爾多斯南部黃土塬地區(qū)，由于具有地形溝谷縱橫、土質(zhì)松軟均一、土層垂直節(jié)理發(fā)育等地域性特征，使得該地區(qū)在開展CO2-EOR項(xiàng)目過程中發(fā)生CO2泄漏時(shí)，CO2空間運(yùn)移和土壤環(huán)境指標(biāo)變化上也呈現(xiàn)出明顯的地域性特征，之前的相關(guān)研究無法滿足該特征條件下CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)的需求，因此需要建立一套針對(duì)于黃土塬地區(qū)特點(diǎn)的全時(shí)空立體化多參數(shù)的CO2驅(qū)油封存泄漏土壤監(jiān)測(cè)體系。

1 CO2泄漏途徑及空間運(yùn)移特征

1.1 CO2泄漏途徑

CO2注入地下儲(chǔ)層之后，會(huì)在構(gòu)造圈閉、殘余氣圈閉、吸附圈閉、溶解圈閉、礦物圈閉等一系列圈閉作用下實(shí)現(xiàn)永久封存[14-15]。但如果長期受到自然地質(zhì)構(gòu)造和人為活動(dòng)的影響，封存體可能會(huì)出現(xiàn)CO2逃逸通道，引起CO2泄漏的現(xiàn)象。目前主要的CO2泄漏途徑有3種[16]：①沿?cái)鄬?、裂縫或斷裂帶泄漏；②通過井筒泄漏；③突破蓋層泄漏。與其他地區(qū)相比，黃土塬地區(qū)由于長期受到雨水沖刷作用，易形成溝谷縱橫、梁茆相間的地形地貌特點(diǎn)[17]，同時(shí)由于黃土塬地區(qū)土壤獨(dú)特的理化性質(zhì)，使得在該地區(qū)開展CO2-EOR項(xiàng)目時(shí)，一旦發(fā)生CO2泄漏，將會(huì)呈現(xiàn)出非常特殊的空間運(yùn)移特征，見圖1。

圖1 黃土塬地區(qū)CO2驅(qū)油封存泄漏途徑及遷移 擴(kuò)散示意圖Fig.1 Schematic diagram of CO2 flooding storage leakage pathway and migration and diffusion in the loess tableland region

1.2 CO2空間運(yùn)移特征

1.2.1 CO2泄漏在土壤中的空間運(yùn)移特征

在CO2-EOR項(xiàng)目注入和生產(chǎn)過程中，CO2易通過井口發(fā)生泄漏甚至大規(guī)模氣竄，由于黃土塬地區(qū)起伏不平的地貌特征使得泄漏到地表的CO2難以擴(kuò)散，并不斷向周圍地勢(shì)較低處運(yùn)移累積，形成濃度很高的CO2聚集區(qū)，因此具有低地勢(shì)處易聚集、濃度高的特征。在土壤層內(nèi)，由于黃土塬地區(qū)土壤孔隙度可高達(dá)50%[18]且滲水性高，CO2泄漏進(jìn)入土壤后造成的土壤酸化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，加劇了對(duì)井筒壁的腐蝕程度和面積，更容易造成井筒完整性不足，導(dǎo)致CO2易通過井壁破損、裂縫處向四周發(fā)生橫向側(cè)漏。同時(shí)，由于黃土塬地區(qū)土質(zhì)松軟、均一性好，水平方向上的遷移阻力較為平均，使得CO2泄漏速度、強(qiáng)度等與遷移距離近似呈線性關(guān)系，CO2擴(kuò)散相對(duì)均勻，因此CO2泄漏在橫向上具有線性和多向性的運(yùn)移特征。

1.2.2 CO2泄漏縱向運(yùn)移特征

黃土塬地區(qū)CO2泄漏在縱向上的運(yùn)移特征主要?dú)w結(jié)于黃土的垂直節(jié)理發(fā)育，使得土壤在縱向上的滲透率非常高，與其他地區(qū)相比，該地區(qū)CO2發(fā)生泄漏后垂直方向上的阻力很小，遷移速率很大，當(dāng)封存體中的CO2突破蓋層發(fā)生泄漏時(shí)，更容易上移進(jìn)入深部土壤層并擴(kuò)散遷移，而通過井壁側(cè)漏等方式泄漏的CO2量足夠大時(shí)甚至?xí)鼐谂c土壤之間的縫隙上移到達(dá)淺層土壤，因此深層土壤和井筒周圍土壤是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域；相對(duì)地，泄漏進(jìn)入大氣、淺層土壤中的CO2也會(huì)通過重力、濕沉降等方式“自上而下”出現(xiàn)反滲現(xiàn)象，尤其在夏季降雨量大時(shí)，地勢(shì)低洼處CO2和雨水不斷累積，部分CO2溶于水后易形成“優(yōu)先流”在縱向上快速下滲，甚至?xí)绊懙缴顚油寥拉h(huán)境[19]。因此，與其他地區(qū)相比，黃土塬地區(qū)土壤CO2泄漏在縱向上的泄漏面積更大、運(yùn)移速度更快，同時(shí)具有“雙向性”的運(yùn)移特征。

2 土壤主要環(huán)境指標(biāo)變化及時(shí)間響應(yīng)特征

2.1 土壤主要環(huán)境指標(biāo)的變化規(guī)律

2.1.1 土壤氣體組分

CO2大量泄漏進(jìn)入土壤后，使土壤中CO2含量不斷上升并很快達(dá)到最大值，大量的CO2會(huì)置換土壤中的O2，導(dǎo)致O2含量不斷減少，改變土壤原生環(huán)境的氣體組分[20]，造成土壤中CO2濃度和通量增加。尤其在黃土塬地區(qū)，由于土壤土質(zhì)松軟均一、孔隙度高，CO2泄漏在土壤中的水平遷移速度及強(qiáng)度比其他地區(qū)更高，而且由于黃土獨(dú)特的垂直節(jié)理發(fā)育，CO2泄漏在垂直方向土壤中CO2濃度和通量單位時(shí)間內(nèi)增量更快，有明顯的“縱向高速泄漏”特征。因此，可以將土壤中CO2濃度和通量作為黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)的長期重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。

2.1.2 土壤含水率

黃土塬地區(qū)土壤含水率主要受降雨的影響，不同季節(jié)氣候條件下土壤含水率存在很大的差異，且由于黃土塬地區(qū)土壤孔隙度高、滲透性好，CO2不容易在土壤孔隙中造成氣封而阻止雨水的入滲，因此相對(duì)于其他地區(qū)，黃土塬地區(qū)土壤含水率難以作為長期穩(wěn)定的CO2泄漏監(jiān)測(cè)指標(biāo)，尤其是淺層土壤含水率，其受人為活動(dòng)、自然氣候、植物根系等因素的影響巨大，水分變化明顯，難以反映CO2泄漏的狀況，但相對(duì)地，黃土塬地區(qū)水分易向下滲透，深層土壤含水率高且較為穩(wěn)定[21]。隨著CO2不斷泄漏進(jìn)入土壤后，一方面其與土壤中的水分發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)碳酸，另一方面其不斷占據(jù)土壤孔隙使得土壤總孔隙度降低、吸水能力減弱，進(jìn)而降低了土壤整體含水率，這一現(xiàn)象在含水率高的深層土壤中更為凸顯。因此，可以將深層土壤含水率作為反映黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。

2.1.3 土壤pH值

CO2泄漏后，部分氣體會(huì)溶解在水體中并滲入土壤層，由于CO2溶于水后形成酸性物質(zhì)，會(huì)引起土壤酸化，pH值下降，這一特征在土壤含水率大以及CO2泄漏速度高時(shí)變化更明顯。黃土塬地區(qū)發(fā)生CO2泄漏時(shí)土壤pH值的變化趨勢(shì)與土壤含水率類似，即夏季時(shí)波動(dòng)大、變化明顯，冬季時(shí)變化小、相對(duì)穩(wěn)定，春秋季節(jié)總體趨于平緩。因此，可以在夏季時(shí)將土壤pH值作為黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。

2.1.4 土壤有機(jī)碳含量

隨著土壤溫度的升高，土壤有機(jī)碳分解速度加快，其含量不斷減少，且發(fā)生CO2泄漏后，土壤有機(jī)碳含量下降速度更快，趨勢(shì)更加明顯。有研究顯示，隨著CO2泄漏時(shí)間的不斷增長，土壤有機(jī)碳含量在12 h和48 h時(shí)夏季分別下降了3.8%和12.7%，秋季時(shí)分別下降了2.1%和6.9%[22]，冬、春季節(jié)由于氣溫較低，其變化不明顯。因此，黃土塬地區(qū)土壤有機(jī)碳含量具有“夏秋變化大、冬春變化小”的特征，在夏季時(shí)可以將土壤有機(jī)碳含量作為黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。

2.1.5 土壤電導(dǎo)率

在土壤電導(dǎo)率方面，受CO2泄漏的影響非常小，主要取決于土壤中主要鹽分離子的含量，如土壤鹽分、土壤水分、土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)和土壤孔隙率等都是影響土壤電導(dǎo)率的重要因素。土壤含水率在15%～30%之間時(shí)，土壤電導(dǎo)率受CO2泄漏的影響非常明顯[23]，且兩者間近似為線性關(guān)系，但土壤含水率過低或過高時(shí)土壤電導(dǎo)率基本不受CO2泄漏的影響。黃土塬地區(qū)3～10 m處的土壤年平均含水率一般在19%左右[24]，故黃土塬地區(qū)土壤電導(dǎo)率受CO2泄漏的影響具有明顯的季節(jié)性和層位性特征。因此，可以在土壤含水率適宜的季節(jié)及層位將土壤電導(dǎo)率作為黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一，而在土壤含水率不適宜的季節(jié)及層位適當(dāng)降低土壤電導(dǎo)率的監(jiān)測(cè)頻率。

2.2 土壤主要環(huán)境指標(biāo)時(shí)間響應(yīng)特征

當(dāng)在黃土塬地區(qū)開展CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目過程中發(fā)生CO2泄漏時(shí)，可以將CO2泄漏看成是向外部環(huán)境中提供CO2的過程,在這一過程中CO2可以被視為“供體”，即向外部環(huán)境輸送CO2，并將CO2泄漏時(shí)間的長短作為“內(nèi)部”時(shí)間尺度；相應(yīng)地，接收CO2源的外部環(huán)境稱為“受體”，如本研究中將土壤環(huán)境的季節(jié)性變化作為“外部”時(shí)間尺度，而土壤環(huán)境指標(biāo)時(shí)間響應(yīng)特征主要指土壤環(huán)境指標(biāo)隨CO2泄漏時(shí)間長短和氣候變化所呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)和敏感性，故可以從“內(nèi)部”和“外部”兩個(gè)時(shí)間尺度進(jìn)行綜合探究。

(1) 內(nèi)部時(shí)間響應(yīng)特征：在CO2泄漏過程中，CO2泄漏時(shí)間的長短對(duì)土壤環(huán)境指標(biāo)有非常明顯的影響，見表1。相比于其他地區(qū)，黃土塬地區(qū)土壤孔隙度大、滲透性高，在相同泄漏時(shí)間條件下，CO2泄漏量更多，土壤環(huán)境指標(biāo)變化更明顯，總體上這些土壤環(huán)境指標(biāo)隨著CO2泄漏時(shí)間的增長呈現(xiàn)出“正相關(guān)”和“負(fù)相關(guān)”兩種關(guān)系，表現(xiàn)為：土壤CO2通量、土壤CO2濃度、土壤電導(dǎo)率與CO2泄漏時(shí)長呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著CO2泄漏時(shí)間的增長不斷上升，變化趨勢(shì)多為先快后慢，逐漸平緩；土壤含水率、土壤pH值、土壤有機(jī)碳含量與CO2泄漏時(shí)長呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著CO2泄漏時(shí)間的增長不斷降低，變化趨勢(shì)也是先快后緩，逐漸平緩。

(2) 外部時(shí)間響應(yīng)特征：在CO2泄漏過程中，將黃土塬地區(qū)土壤環(huán)境的季節(jié)性變化作為外部時(shí)間尺度，探究不同季節(jié)條件下土壤環(huán)境指標(biāo)的敏感性，結(jié)果表明(見表2)：大多數(shù)土壤環(huán)境指標(biāo)在夏季氣溫高、降水多的條件下變化明顯，包括土壤含水率、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤有機(jī)碳含量，因此可以在夏季時(shí)將這些指標(biāo)作為黃土塬地區(qū)土壤監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)；而土壤CO2通量、土壤CO2濃度、土壤pH值在所有季節(jié)敏感性均很高，因此可以在全年對(duì)這些指標(biāo)開展重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，其他土壤環(huán)境指標(biāo)在夏季以外季節(jié)敏感性總體較低，開展常規(guī)監(jiān)測(cè)即可。

表1 CO2泄漏時(shí)土壤主要環(huán)境指標(biāo)隨CO2泄漏時(shí)長的 變化趨勢(shì)Table 1 Variation trend of main soil environmentalindicators with leakage duration during CO2leakage

表2 CO2泄漏時(shí)土壤主要環(huán)境指標(biāo)隨季節(jié)變化的敏感性 情況Table 2 Sensitivity of main soil environmental indicatorsto seasonal changes during CO2 leakage

3 土壤主要環(huán)境指標(biāo)及不同層位監(jiān)測(cè)方法

3.1 土壤主要環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤環(huán)境指標(biāo)的變化特征，并結(jié)合國內(nèi)外常用的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)黃土塬地區(qū)主要開展了土壤CO2濃度、土壤CO2通量、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤含水率和土壤有機(jī)碳含量等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)指標(biāo)及監(jiān)測(cè)方法見表3。

表3 CO2泄漏土壤主要環(huán)境指標(biāo)及監(jiān)測(cè)方法Table 3 Main environmental indicators and monitoringmethods for CO2 leakage soil

3.2 土壤不同層位監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)黃土塬地區(qū)CO2泄漏空間運(yùn)移特征，規(guī)劃重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，并部署相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法,見圖2。在布置CO2泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，橫向上以地勢(shì)低洼區(qū)域、主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向區(qū)域、井筒周圍區(qū)域的淺層土壤作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，縱向上以深層土壤和井壁沿途土壤作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。在監(jiān)測(cè)方法方面，流量累積室法僅適用于地表土壤，可以在地勢(shì)低洼處及井筒口周圍地表土壤中安裝流量累積室，用來直接監(jiān)測(cè)CO2通量；非色散紅外分析法(IRGA)可以對(duì)土壤CO2濃度進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)布設(shè)在地勢(shì)低洼及井筒附近土壤不同深度處，開展多深度連續(xù)監(jiān)測(cè)；土壤多參數(shù)快速分析法可以快速檢測(cè)包括土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤溫濕度等土壤環(huán)境參數(shù)的變化情況，是用來監(jiān)測(cè)CO2泄漏重要的間接輔助方法，對(duì)于流量累積室和非色散紅外分析法難以監(jiān)測(cè)的深層土壤可以利用該方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，考慮到CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目中CO2泄漏的一個(gè)主要途徑是突破蓋層向上泄漏，因此需在土壤深層加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

需要注意的是，在部署CO2泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)前，要開展多次土壤環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)，以獲取自然條件下土壤中CO2含量及相關(guān)環(huán)境參數(shù)基本狀況，同時(shí)考慮到土壤中動(dòng)植物呼吸作用、氣候環(huán)境變化等因素均有可能對(duì)土壤CO2含量監(jiān)測(cè)產(chǎn)生影響，因此要設(shè)定CO2泄漏量閾值，以避免土壤原生生態(tài)環(huán)境變化影響CO2泄漏監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖2 CO2泄漏土壤不同空間位置區(qū)域監(jiān)測(cè)方法及布點(diǎn)Fig.2 Monitoring method and layout for CO2 leakage in soil at different spatial locations

4 黃土塬地區(qū)CO2驅(qū)油封存泄漏土壤監(jiān)測(cè)體系

4.1 CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)時(shí)間體系

黃土塬地區(qū)CO2泄漏在時(shí)間上的特征主要體現(xiàn)在土壤主要環(huán)境指標(biāo)變化上，因此選取一年四季作為CO2泄漏監(jiān)測(cè)時(shí)間周期，根據(jù)在不同季節(jié)及氣候條件下發(fā)生CO2泄漏時(shí)黃土塬地區(qū)土壤主要環(huán)境指標(biāo)的變化趨勢(shì)不同，優(yōu)化重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，建立時(shí)間維度上黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，見表4。

表4 黃土塬地區(qū)CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)時(shí)間體系Table 4 Time system of soil monitoring for CO2 leakagesoil in loess tableland region

由表4可以看出：

(1) 土壤CO2濃度、土壤CO2通量主要受CO2泄漏時(shí)長的影響，受外界條件的影響較小，其在CO2發(fā)生泄漏的同時(shí)發(fā)生變化，對(duì)CO2泄漏的單一敏感性高，響應(yīng)程度明顯，一年四季均可以直接反映CO2泄漏狀況，建議將其作為全年的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

(2) 土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤有機(jī)碳含量容易受到溫度、降雨等外界條件的影響，對(duì)CO2泄漏的單一敏感性相對(duì)較低，且無法直接反映CO2泄漏情況，大多作為輔助性監(jiān)測(cè)指標(biāo)間接反映CO2泄漏狀況，因此可以在全年開展常規(guī)監(jiān)測(cè)，其中土壤pH值和土壤有機(jī)碳含量在夏季時(shí)對(duì)CO2泄漏的響應(yīng)程度較為明顯，建議作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

(3)土壤含水率方面，對(duì)于淺層土壤，其受外界條件的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CO2泄漏帶來的影響，對(duì)CO2泄漏的單一敏感性非常低，只有在自然條件穩(wěn)定的情況下才可以作為輔助性的CO2泄漏監(jiān)測(cè)指標(biāo)，因此開展常規(guī)監(jiān)測(cè)即可；對(duì)于深層土壤，其含水率高且相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)CO2泄漏的敏感性相對(duì)較高，可以將深層土壤含水率作為CO2泄漏重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并開展全年重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4.2 CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)空間體系

4.2.1 縱向監(jiān)測(cè)體系

黃土塬地區(qū)土壤具有明顯的垂直節(jié)理發(fā)育特點(diǎn)，使得CO2泄漏在縱向上的遷移路徑更長，影響范圍更廣，突破蓋層泄漏的CO2更容易進(jìn)入深層土壤，而泄漏到大氣的CO2在重力、降水、土壤孔隙度等因素的綜合影響下也更容易下滲進(jìn)入更深層的土壤；此外，黃土土層深厚，埋設(shè)的井筒受到土壤腐蝕的面積更大，沿垂直的井筒壁發(fā)生CO2側(cè)漏并在縱向上發(fā)生遷移的風(fēng)險(xiǎn)更高。因此，在縱向CO2泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局時(shí)，要綜合考慮黃土塬地區(qū)CO2泄漏在縱向上具有潛在的“自上而下+自下而上”的雙向泄漏通道以及土壤垂直節(jié)理發(fā)育的特點(diǎn)，除了在地勢(shì)低洼處、井筒周圍等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的淺層土壤布設(shè)CO2泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，還需在其正下方深層土壤也布設(shè)CO2泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在井筒壁沿途不同深度土壤中加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以形成面狀的縱向監(jiān)測(cè)體系，見圖3。

圖3 黃土塬地區(qū)CO2泄漏縱向監(jiān)測(cè)體系示意圖Fig.3 Schematic of longitudinal monitoring system for CO2 leakage in the loess tableland region

4.2.2 橫向監(jiān)測(cè)體系

黃土塬地區(qū)地貌溝谷縱橫、起伏不平，CO2泄漏到地表后容易受到風(fēng)力作用向四周擴(kuò)散，并在低地勢(shì)處和山谷聚集，在降水影響下逐漸滲透進(jìn)入土壤層，且由于黃土塬地區(qū)土壤質(zhì)地均一、孔隙度高，因此CO2在橫向各個(gè)方向都具有遷移風(fēng)險(xiǎn)，即橫向上存在多方位的潛在泄漏通道，需要在深層土壤和淺層土壤均構(gòu)建橫向監(jiān)測(cè)平面網(wǎng)(見圖4)，考慮到黃土塬地區(qū)井筒壁發(fā)生側(cè)漏風(fēng)險(xiǎn)較高的特點(diǎn)，應(yīng)盡量避免將井筒置于監(jiān)測(cè)平面網(wǎng)邊緣位置，并盡可能放置于中心位置，有利于監(jiān)測(cè)CO2的多方位泄漏和遷移。此外，還可以根據(jù)CO2實(shí)際泄漏情況及潛在運(yùn)移方向?qū)ΡO(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格化劃分[26]，設(shè)定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域(地勢(shì)較低處、井筒周圍、下風(fēng)向山谷等)，加密布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成全方位、高機(jī)動(dòng)性的橫向監(jiān)測(cè)體系。

圖4 黃土塬地區(qū)CO2泄漏橫向監(jiān)測(cè)體系示意圖Fig.4 Schematic of the lateral monitoring system for CO2 leakage in the loess tableland region

4.3 CO2泄漏土壤監(jiān)測(cè)體系

本文將縱向和橫向監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行整合，并結(jié)合CO2泄漏時(shí)間監(jiān)測(cè)體系，以及不同土壤環(huán)境指標(biāo)和土壤層位下CO2泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，形成了一套適用于黃土塬地區(qū)地形地貌和土壤理化性質(zhì)特點(diǎn)的立體化、長期性、多參數(shù)的CO2驅(qū)油封存泄漏土壤監(jiān)測(cè)體系，見圖5。該體系在空間上可以對(duì)地層向上、地表下滲以及井筒側(cè)漏的CO2泄漏開展全方位立體化監(jiān)測(cè)；在時(shí)間上可以根據(jù)氣候條件及土壤環(huán)境指標(biāo)的敏感性劃分監(jiān)測(cè)優(yōu)先度，開展一年四季不間斷的CO2泄漏監(jiān)測(cè)；在監(jiān)測(cè)指標(biāo)上覆蓋了包括土壤CO2通量、土壤CO2濃度、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤溫濕度、土壤有機(jī)碳和土壤細(xì)菌總數(shù)等直接或間接反映CO2泄漏狀況的主要土壤環(huán)境參數(shù)。

圖5 黃土塬地區(qū)CO2驅(qū)油封存泄漏土壤監(jiān)測(cè)體系 示意圖Fig.5 Schematic of soil monitoring system for CO2 leakage of CO2-EOR storage in the loess tableland region

該監(jiān)測(cè)體系的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 可以滿足在黃土塬地區(qū)溝壑地貌、土壤深厚均質(zhì)、垂直節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)條件下開展CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目時(shí)的土壤CO2泄漏監(jiān)測(cè)。

(2) 形成了時(shí)間+三維空間的“四維”監(jiān)測(cè)體系，可以應(yīng)對(duì)土壤層多時(shí)間、多點(diǎn)源發(fā)生CO2泄漏的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃土塬地區(qū)土壤CO2泄漏的全時(shí)空、立體化監(jiān)測(cè)。

(3) 采取了多指標(biāo)共同監(jiān)測(cè)、多技術(shù)共同開展的監(jiān)測(cè)方式，可以滿足對(duì)復(fù)雜監(jiān)測(cè)區(qū)域的多參數(shù)監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和全面性，直接與間接監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法也使得該監(jiān)測(cè)體系具有很強(qiáng)的靈活性、可操作性和環(huán)境適應(yīng)性。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)我國鄂爾多斯黃土塬地區(qū)CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)需求，通過對(duì)黃土塬地區(qū)土壤CO2泄漏空間運(yùn)移特征、土壤環(huán)境指標(biāo)變化特征以及有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行辨識(shí)與分析，發(fā)現(xiàn)一年四季中土壤環(huán)境指標(biāo)的變化程度總體特征表現(xiàn)為夏季>秋季≈春季>冬季，土壤CO2泄漏空間運(yùn)移特征表現(xiàn)為縱向上“速度快、時(shí)間短、強(qiáng)度大、頻率高、易反滲”，橫向上“線性擴(kuò)散、易側(cè)漏、多源性”，并建立了適用于黃土塬地區(qū)特點(diǎn)的全時(shí)空、立體化、多參數(shù)的CO2驅(qū)油封存泄漏土壤監(jiān)測(cè)體系，可為其他復(fù)雜地形地貌區(qū)域的CO2驅(qū)油封存泄漏土壤監(jiān)測(cè)提供借鑒。