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●作者簡(jiǎn)介●
第一作者簡(jiǎn)介：張志升（1974—），男，碩士，正高級(jí)工程師，從事油田勘探開(kāi)發(fā)研究。地址：陜西省延安市安塞區(qū)杏子川采油廠，郵政編碼：717400。
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通信作者簡(jiǎn)介：林千果（1971—），男，博士，教授，從事碳捕集、利用與封存以及碳監(jiān)測(cè)研究。地址：上海市徐匯區(qū)華山路1954號(hào)上海交通大學(xué)徐匯校區(qū)慧谷科技樓，郵政編碼：201306。
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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“區(qū)域二氧化碳捕集與封存關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范” （）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“CO2驅(qū)油技術(shù)及地質(zhì)封存安全監(jiān)測(cè)”（）；中國(guó)石化科技項(xiàng)目“油氣區(qū)CO2封存機(jī)制及潛力評(píng)價(jià)方法研究”（P21075-1）。
引用格式：張志升,吳向陽(yáng),吳倩,等.CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)及應(yīng)用研究[J].油氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā),2024,14（1）:91-101.
, WU , WU Qian, et al. Risk system and CO2 and leakage[J]. and , 2024, 14（1）:91-101.
張志升1，吳向陽(yáng)1，吳倩2，王冀星2，林漢弛2，郭軍紅2，王銳3，李金花4，林千果5
（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西延安717400；2.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京102206；3.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京102206；4.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201306；5.上海交通大學(xué)碳中和發(fā)展研究院，上海201306）
摘要：CO2驅(qū)油封存技術(shù)在提高原油采收率的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2封存。然而，驅(qū)油封存過(guò)程伴隨著多種CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)以往CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)的缺乏，特別是缺少基于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的管理系統(tǒng)，難以支撐動(dòng)態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)管理，研究基于CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理體系的構(gòu)建，開(kāi)發(fā)了集成多環(huán)境實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估、多空間風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、多層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)控制的動(dòng)態(tài)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，并應(yīng)用于鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)石油CO2驅(qū)油封存示范項(xiàng)目。案例應(yīng)用研究表明，所開(kāi)發(fā)的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)可以全空間動(dòng)態(tài)識(shí)別CO2驅(qū)油封存過(guò)程的各種泄漏風(fēng)險(xiǎn)，有效支撐泄漏風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)管理，為CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目提供全面及時(shí)的安全保障。
關(guān)鍵詞：CO2驅(qū)油封存；CO2泄漏；風(fēng)險(xiǎn)管理；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；決策支持
碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模溫室氣體減排的技術(shù)，也是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和必不可少的技術(shù)。CO2驅(qū)油封存則是CCUS技術(shù)中最具活力的1種，通過(guò)將CO2注入油藏，在提高原油采收率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存。不過(guò)，CO2驅(qū)油封存涉及大范圍的地下運(yùn)移以及多區(qū)塊注入和采出過(guò)程，存在蓋層和斷層以及井筒等多空間、長(zhǎng)時(shí)間泄漏風(fēng)險(xiǎn)，泄漏的CO2通過(guò)遷移擴(kuò)散進(jìn)入地下水、土壤和近地表大氣。不僅危害環(huán)境安全和人體健康，還直接影響CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目的實(shí)際減排效果。因此，需要采用科學(xué)手段有效管理驅(qū)油封存過(guò)程的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，保障驅(qū)油封存項(xiàng)目的環(huán)境安全和減排效果。
目前，國(guó)外學(xué)者結(jié)合各種CO2地質(zhì)利用與封存示范項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)展了許多泄漏風(fēng)險(xiǎn)方面的研究，為CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理做出了有益的探索。這些研究主要體現(xiàn)在各種監(jiān)測(cè)和模擬技術(shù)的應(yīng)用以識(shí)別泄漏風(fēng)險(xiǎn)，例如：挪威北海的CO2封存項(xiàng)目通過(guò)時(shí)移地震持續(xù)監(jiān)測(cè)地下CO2的運(yùn)移和分布的方法識(shí)別地質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)；阿爾及利亞的InSalah項(xiàng)目利用各種地球化學(xué)、地球物理監(jiān)測(cè)技術(shù)追蹤C(jī)O2的儲(chǔ)存過(guò)程，并通過(guò)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)注入井周?chē)牡乇砦锢砗蜕镒兓R(shí)別地質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)；加拿大的Weyburn驅(qū)油封存項(xiàng)目則通過(guò)采用各種監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)注入儲(chǔ)層的CO2、淺層地下水及土壤中CO2質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別CO2泄漏信息；澳大利亞Otway的CO2地質(zhì)封存試驗(yàn)項(xiàng)目則開(kāi)展了地下水、土壤氣、大氣、地球化學(xué)、地球物理等綜合監(jiān)測(cè)，形成了一套涵蓋地球物理、地球化學(xué)、地震時(shí)移、垂直地震剖面和微震等方法的監(jiān)測(cè)體系支撐咸水層地質(zhì)封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別。位于加拿大的Pembina低滲透油田封存項(xiàng)目則建立了一套包含儲(chǔ)層、地球化學(xué)、地球物理和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方法的監(jiān)測(cè)體系支撐驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別。在數(shù)值模擬方面，PRUESS使用TOUGH2/ECO2N（TOUGH2為數(shù)值模擬器；ECO2N為T(mén)OUGH2中流體特性模塊，用于研究咸水層中的CO2儲(chǔ)存）建立CO2地質(zhì)封存模型，通過(guò)模擬注入CO2過(guò)程中對(duì)于地層孔隙度和滲透率的影響識(shí)別泄漏風(fēng)險(xiǎn)；等利用TOUGH2/T2CA（T2CA為T(mén)OUGH2中用于模擬地下水、鹽水、CO2、氣體示蹤劑和空氣的多組分遷移的模塊）模擬封存的CO2在一定的泄漏率下對(duì)近地表環(huán)境產(chǎn)生影響支撐泄漏風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別；FLETT等采用CHEARS（有限差分油藏模擬器）模擬百萬(wàn)噸級(jí)封存項(xiàng)目中不同砂巖、頁(yè)巖比例對(duì)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響支撐風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和評(píng)估。
國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合CO2地質(zhì)利用與封存示范項(xiàng)目，也通過(guò)各種監(jiān)測(cè)或模擬技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)展了一些泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理研究。例如：神華咸水層CO2地質(zhì)封存示范項(xiàng)目基于“大氣、地表、地下”全方位多層次CO2監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，并從運(yùn)移監(jiān)測(cè)、地質(zhì)構(gòu)造影響、土壤環(huán)境影響、地下水影響、大氣環(huán)境影響等多個(gè)方面構(gòu)建了咸水層封存監(jiān)測(cè)環(huán)境安全等級(jí)體系支撐泄漏風(fēng)險(xiǎn)的管理；勝利油田CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目提出了土壤氣的監(jiān)測(cè)方案識(shí)別驅(qū)油封存過(guò)程的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；延長(zhǎng)石油靖邊油田CO2驅(qū)油封存示范項(xiàng)目基于地球物理方法識(shí)別了儲(chǔ)層泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)；湯沭成等和王昊等基于鄂爾多斯盆地黃土塬地區(qū)的CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目，建立了一套適用于黃土塬地區(qū)特點(diǎn)的全時(shí)空、立體化、多參數(shù)的CO2驅(qū)油封存泄漏監(jiān)測(cè)體系支撐驅(qū)油封存項(xiàng)目的泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理。在數(shù)值模擬方面，胡葉軍等建立CO2斷層泄漏模型，獲得了斷層位置、寬度、傾角和滲透率等對(duì)泄漏速率的關(guān)系支撐風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別；張新平利用數(shù)值模擬方法對(duì)鹽水層CO2的運(yùn)移分布特征進(jìn)行研究，并分析了儲(chǔ)層參數(shù)、注入工藝及網(wǎng)格粗細(xì)等因素對(duì)封存效果的影響，對(duì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)做出初步評(píng)估；張立松等構(gòu)建CO2沿?cái)鄬有孤┠Ｐ停M不同參數(shù)對(duì)流體泄漏時(shí)間和泄漏量的影響支撐風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和評(píng)估。
過(guò)去的學(xué)者雖然通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬產(chǎn)生了大量的地質(zhì)利用與封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方面的研究成果，但是由于缺少包括集成在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和控制于一體的風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)，只能通過(guò)碎片化分析，靜態(tài)識(shí)別局部、短期封存泄漏信息，難以有效支撐泄漏風(fēng)險(xiǎn)信息巨大且多時(shí)空相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理。因此，研究致力于開(kāi)發(fā)一套包含多環(huán)境實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估、多空間風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、多層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)控制的CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)支持CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理決策。研究任務(wù)包括：①CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理體系的構(gòu)建；②基于模型-視圖-控制器（MVC）的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；③延長(zhǎng)石油CO2驅(qū)油封存示范項(xiàng)目泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)案例應(yīng)用。
1 CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理體系構(gòu)建
風(fēng)險(xiǎn)管理是以風(fēng)險(xiǎn)信息流為對(duì)象，通過(guò)特定技術(shù)手段將風(fēng)險(xiǎn)限制在一定的范圍內(nèi)。CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)信息源起于封存過(guò)程的各種類(lèi)型泄漏以及環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化，具有多源、多途徑、多空間、多環(huán)境和安全影響以及長(zhǎng)期性和動(dòng)態(tài)性特征，研究提出了基于風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、長(zhǎng)期大空間風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、多層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和全流程風(fēng)險(xiǎn)控制等技術(shù)環(huán)節(jié)的CO2驅(qū)油封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理體系（圖1）。在該體系中，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別依賴(lài)于泄漏信息的監(jiān)測(cè)，是風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)。在識(shí)別到風(fēng)險(xiǎn)后，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)一步動(dòng)態(tài)定性和定量風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)預(yù)測(cè)評(píng)估大范圍和長(zhǎng)時(shí)間的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，然后基于風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空特性和嚴(yán)重程度發(fā)出安全和環(huán)境影響預(yù)警，并建議決策者采取各種措施有效控制風(fēng)險(xiǎn)。其中，監(jiān)測(cè)的手段包括取樣分析和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，取樣分析能夠低成本地提供封存前環(huán)境背景值，可以在封存過(guò)程中驗(yàn)證在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的有效性；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)為運(yùn)行過(guò)程中的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)敏感環(huán)境因子的變化提供實(shí)時(shí)泄漏信息。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通過(guò)比較監(jiān)測(cè)點(diǎn)泄漏的實(shí)時(shí)信息和構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)閾值，動(dòng)態(tài)評(píng)估相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)利用模型模擬泄漏后的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化，獲得全域長(zhǎng)時(shí)間的泄漏信息，通過(guò)比較模擬信息和風(fēng)險(xiǎn)閾值，預(yù)測(cè)相應(yīng)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是依據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)大小及時(shí)預(yù)警該點(diǎn)的環(huán)境和安全風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)控制是通過(guò)實(shí)施預(yù)先設(shè)定的控制措施控制泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
CO2驅(qū)油封存過(guò)程涉及注入、驅(qū)油封存、采出和回收回注等多個(gè)環(huán)節(jié)，泄漏具有顯著的時(shí)空不確定性特征，因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別需要基于覆蓋各種泄漏源和泄漏途徑以及蓋層、緩沖層、地下水、土壤和大氣所有環(huán)境空間的泄漏影響敏感因子的變化。CO2在環(huán)境空間中以氣態(tài)、溶解態(tài)或礦化態(tài)形式遷移轉(zhuǎn)化，相應(yīng)的敏感因子包括CO2氣體體積分?jǐn)?shù)、pH值、電導(dǎo)率以及溫度、壓力，其中氣體體積分?jǐn)?shù)作為氣態(tài)敏感因子，pH值代表溶解態(tài)敏感因子，電導(dǎo)率代表礦化態(tài)敏感因子，而溫度和壓力則代表泄漏后環(huán)境物理變化敏感因子。通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)蓋層、緩沖層、地下水、土壤、地表水和大氣中各種環(huán)境敏感因子，可以多環(huán)境實(shí)時(shí)識(shí)別泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是基于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)值與閾值相比來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn)的大小。鑒于泄漏風(fēng)險(xiǎn)具有空間差異性特征，相應(yīng)的評(píng)估也具有空間差異性，突破蓋層的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要關(guān)注泄漏的總量，當(dāng)泄漏進(jìn)入淺層地下水和土壤環(huán)境則更多關(guān)注泄漏對(duì)環(huán)境的影響，進(jìn)入地表大氣，則更多關(guān)注對(duì)于人體和生態(tài)安全的影響。其次，CO2泄漏后進(jìn)入到地下水、土壤、地表水和大氣等環(huán)境，對(duì)于不同環(huán)境中的不同受體，風(fēng)險(xiǎn)的接受程度和方式有所不同，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要分析不同環(huán)境以及環(huán)境中的受體對(duì)于CO2的直接或是間接敏感程度，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的閾值不同。通過(guò)多層次分析建立各個(gè)空間和環(huán)境影響下的風(fēng)險(xiǎn)閾值，結(jié)合動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，形成多環(huán)境動(dòng)態(tài)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。
風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)是通過(guò)模型模擬預(yù)先判別某一泄漏事件后的CO2運(yùn)移前緣以及相應(yīng)的空間分布。對(duì)于蓋層的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，采用多相流模擬模型如TOUGH2建模，模擬各種蓋層或斷層泄漏情景下的CO2運(yùn)移分布；對(duì)于淺層地下水除了地下水水文水動(dòng)力模型外，還引入地下水轉(zhuǎn)化模型模擬泄漏到地下水后的自由態(tài)（氣態(tài)）、溶解態(tài)和礦化態(tài)的CO2分布；對(duì)于土壤泄漏風(fēng)險(xiǎn)，除了采用土壤模型模擬來(lái)自地下水向上遷移進(jìn)入土壤后的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化外，還需要來(lái)自井筒和地表入滲的模擬，以預(yù)測(cè)井筒和地表泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)比較預(yù)先確定的不同空間的風(fēng)險(xiǎn)閾值和不同情景下遷移轉(zhuǎn)化模擬的結(jié)果預(yù)測(cè)相應(yīng)空間的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，形成多空間風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的方法。
風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警主要基于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果根據(jù)設(shè)定的預(yù)警等級(jí)及其參數(shù)條件，發(fā)出相應(yīng)預(yù)警信號(hào)。研究應(yīng)用層次分析法（AHP），針對(duì)安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理的需求差異，設(shè)計(jì)了分別面向操作人員、管理人員、應(yīng)急機(jī)構(gòu)的多層級(jí)CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目的預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng)。其預(yù)警系統(tǒng)流程如圖2所示，當(dāng)一個(gè)預(yù)警信號(hào)觸發(fā)后，系統(tǒng)判斷預(yù)警對(duì)象后分類(lèi)處理：①重大安全性的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，例如地面大規(guī)模的井噴或是儲(chǔ)罐的泄漏，信息同時(shí)發(fā)給應(yīng)急機(jī)構(gòu)、管理人員以及現(xiàn)場(chǎng)操作人員，管理人員與現(xiàn)場(chǎng)操作人員和應(yīng)急機(jī)構(gòu)進(jìn)行雙向二次確認(rèn)；②普通安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)但具有系統(tǒng)特征的預(yù)警，例如多個(gè)地下水或土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間CO2質(zhì)量濃度超標(biāo)，發(fā)給項(xiàng)目安全管理人員和操作人員；③某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的偶發(fā)性超標(biāo)預(yù)警僅發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控人員，并由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控人員依據(jù)具體情形決定是否轉(zhuǎn)發(fā)給管理人員。
CO2驅(qū)油封存泄漏的風(fēng)險(xiǎn)不僅和泄漏事件相關(guān)，而且也和泄漏后的影響相關(guān)。因此，設(shè)計(jì)了包含源頭消減、途徑控制和末端減緩的全過(guò)程控制方法，系統(tǒng)性地控制泄漏風(fēng)險(xiǎn)。源頭消減可以通過(guò)水氣交替注入或是停止某些注入井的操作。途徑控制體現(xiàn)在利用暫堵劑針對(duì)可能泄漏的位置進(jìn)行暫時(shí)封堵，在注入暫堵劑后，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證封堵是否有效。若封堵有效，再利用永久封堵材料對(duì)該位置進(jìn)行永久封堵；若封堵無(wú)效，暫堵劑會(huì)在一段時(shí)間后自行降解，不會(huì)對(duì)地層資源的開(kāi)發(fā)造成傷害，并重新定位泄漏位置（圖3）。末端減緩主要體現(xiàn)在泄漏后影響的減緩和損失補(bǔ)救策略。由于CO2的多源、多途徑泄漏特征以及泄漏后遷移和擴(kuò)散空間分布范圍廣的特征，導(dǎo)致不同封存區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)控制區(qū)域泄漏風(fēng)險(xiǎn)程度不同，相應(yīng)的末端風(fēng)險(xiǎn)控制具有多樣性，例如：臨近居民區(qū)或是有人值守的井場(chǎng)地面泄漏的影響較大，風(fēng)險(xiǎn)控制措施包括人員疏散，設(shè)備關(guān)閉；居民飲用水源的水體影響損失遠(yuǎn)大于非一般水體，相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施包括地下水和土壤修復(fù)等減緩措施。
2 基于模型-視圖-控制器（MVC）的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
2.1 CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)架構(gòu)
針對(duì)CO2驅(qū)油封存過(guò)程中動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估的海量數(shù)據(jù)信息，以及基于大范圍過(guò)程模擬、多層次風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)控制的多時(shí)空相互關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)管理要求，研究采用改進(jìn)的模型-視圖-控制器（MVC）系統(tǒng)架構(gòu)支撐集風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)控制于一體的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)（圖4）。
系統(tǒng)架構(gòu)的底層是數(shù)據(jù)層，由包括空間地理信息的基礎(chǔ)空間庫(kù)、監(jiān)測(cè)信息庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警庫(kù)、防控措施庫(kù)和系統(tǒng)管理庫(kù)構(gòu)成；應(yīng)用支撐層位于數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層之間，對(duì)下提供數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和交換等接口，對(duì)上承接相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)輸送。主要有GIS（地理信息系統(tǒng)）服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)引擎、數(shù)據(jù)交換引擎3個(gè)應(yīng)用支撐內(nèi)容，通過(guò)上述3個(gè)應(yīng)用支撐內(nèi)容，完成從數(shù)據(jù)層到風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)控制等業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸；系統(tǒng)業(yè)務(wù)層主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和維護(hù)、泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估、預(yù)警信息處理和控制措施確定。系統(tǒng)展示層主要展示數(shù)據(jù)采集、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)防控等功能的應(yīng)用，通過(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)支撐系統(tǒng)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)管理功能的實(shí)現(xiàn)。
2.2 CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，包括相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、文檔數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)抽取和采集監(jiān)測(cè)工具軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立方案是采用MySQL（關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮到系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)的屬性及海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中采用分區(qū)存儲(chǔ)、建立索引以及使用關(guān)鍵字段的方法，提高讀取效率。具體包括監(jiān)測(cè)信息、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、方案措施和系統(tǒng)管理4類(lèi)，如表1所示。
由于CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目空間范圍大、泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，因此，通過(guò)在數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層之間加入GIS服務(wù)平臺(tái)程序，應(yīng)用GIS技術(shù)管理每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)采集協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)在展示的界面上實(shí)時(shí)展示。數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)引擎是數(shù)據(jù)庫(kù)底層軟件組織，不同的引擎提供不同的訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制、索引技巧、鎖定水平等功能，使用不同的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，還可以獲得特定的功能。研究中使用的InnoDB（MySQL的默認(rèn)存儲(chǔ)引擎）作為MySQL數(shù)據(jù)引擎。通過(guò)將MySQL中的鏈接庫(kù)MySQL.Data.dll（C#操作MySQL的驅(qū)動(dòng)文件，C#為一類(lèi)編程語(yǔ)言）通過(guò)（一種通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言）加載到程序中，就可以實(shí)現(xiàn)從C#程序與MySQL的驅(qū)動(dòng)，完成InnoDB引擎的部署。
研究涉及的數(shù)據(jù)交換接口主要為各模型與系統(tǒng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通訊與耦合，主要采用的方式包括：①外聯(lián)式集成，即利用標(biāo)準(zhǔn)的地理信息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口，將模型算法程序的相關(guān)數(shù)據(jù)文件通過(guò)使用ASCII（國(guó)際通用的信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）或二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式與系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行集成；②內(nèi)嵌式集成，即利用VBA（的一種宏語(yǔ)言）宏包在軟件包中嵌入模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、運(yùn)行調(diào)用，但數(shù)據(jù)模型與系統(tǒng)仍分別采用各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；③完全集成，即采用同一個(gè)軟件平臺(tái)進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的錄入、管理、讀取、修改、更新等，不但模型集成在系統(tǒng)平臺(tái)中，模型所需要調(diào)用、輸出的數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。總體上，將系統(tǒng)與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)集成，統(tǒng)一系統(tǒng)與模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，模型則以中間件結(jié)構(gòu)的松耦合形式連接，對(duì)用戶(hù)界面進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計(jì)便于使用及決策支持。
軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)識(shí)別模塊、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)控制模塊以及后臺(tái)管理模塊組成，相關(guān)信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。其中數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊是支撐動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。該模塊利用傳感器監(jiān)測(cè)、通信傳輸、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)采集集成串口異步通信、TCP/IP（傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）協(xié)議和Modbus（串行通信協(xié)議）協(xié)議3種方式。研究中涉及的數(shù)據(jù)傳感器為嵌入式IP傳感器，是在智能傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的具有（因特網(wǎng)）功能的新型傳感器。它把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式應(yīng)用嵌入到現(xiàn)場(chǎng)傳感器中，在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)著獨(dú)立結(jié)點(diǎn)的角色，可以通過(guò)（以太網(wǎng)）/與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及控制。基于IP傳感器的監(jiān)控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分布/上的嵌入式IP傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、調(diào)零、校準(zhǔn)等操作。而上位機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)中，通信問(wèn)題是整個(gè)系統(tǒng)最底層也是最核心的問(wèn)題，研究利用Socket（套接字，計(jì)算機(jī)之間通信的方式）編程的原理和方法，對(duì)上位機(jī)與本地操作系統(tǒng)的IP傳感器之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。
3 延長(zhǎng)石油CO2驅(qū)油封存示范項(xiàng)目
泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)案例應(yīng)用延長(zhǎng)石油杏子川油田化子坪油區(qū)位于陜西省延安市安塞區(qū)化子坪鎮(zhèn)西側(cè)，與安塞油田相鄰。地表被100～200 m厚的第四系黃土覆蓋，因長(zhǎng)期遭受雨水浸蝕切割，形成溝谷縱橫，梁峁相間的地形地貌。化子坪油區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6儲(chǔ)層構(gòu)造簡(jiǎn)單而平緩，地層傾角小于1°，局部發(fā)育排狀鼻隆構(gòu)造，縱向上構(gòu)造繼承性明顯。與其他CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目類(lèi)似，延長(zhǎng)石油CO2驅(qū)油封存示范項(xiàng)目的泄漏主要包括斷層和蓋層泄漏、井筒泄漏、地面設(shè)施泄漏3種方式，具有顯著的多源、多途徑、多空間、多環(huán)境影響以及長(zhǎng)期性和動(dòng)態(tài)性的特征。為了驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的適用性，以延長(zhǎng)石油驅(qū)油封存項(xiàng)目為案例，建立了一套包含風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)控制等功能的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理與預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。
3.1 多環(huán)境動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估
系統(tǒng)的多環(huán)境動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別主要通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)淺層地下水、地表水、土壤和地表大氣環(huán)境中CO2泄漏敏感因子的變化識(shí)別泄漏風(fēng)險(xiǎn)，如表2所示。
延長(zhǎng)石油CO2驅(qū)油封存示范項(xiàng)目淺層地下水共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，形成立體式地下水CO2泄漏監(jiān)測(cè)布局，監(jiān)測(cè)地下水中的CO2質(zhì)量濃度、pH值、電導(dǎo)率、溫度和壓力；在臨近主要站場(chǎng)的賀莊溝水庫(kù)，設(shè)置2個(gè)地表水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，監(jiān)測(cè)地表水中的CO2質(zhì)量濃度、pH值、電導(dǎo)率、溫度和壓力；在12個(gè)主要井場(chǎng)設(shè)置12個(gè)土壤監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，監(jiān)測(cè)土壤中的CO2質(zhì)量濃度、pH值、電導(dǎo)率、溫度和土壤含水率；在12個(gè)井場(chǎng)同時(shí)也設(shè)置12個(gè)大氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，監(jiān)測(cè)大氣CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和壓力。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)儀器全部采用傳感器實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G實(shí)時(shí)上傳到云服務(wù)器，在遠(yuǎn)程系統(tǒng)下載進(jìn)入本地服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)，支撐多空間動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估。為了精細(xì)評(píng)估泄漏風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)空間的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)設(shè)置為安全、基本不安全、不安全3個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)依據(jù)不同泄漏空間的風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)和數(shù)量確定（表3）。
蓋層的泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估由長(zhǎng)2+3和長(zhǎng)1層中CO2質(zhì)量濃度綜合判定。將長(zhǎng)2+3 CO2質(zhì)量濃度沒(méi)有超過(guò)背景值閾值視為蓋層安全，突破長(zhǎng)2+3但沒(méi)有突破長(zhǎng)1視為蓋層基本不安全；當(dāng)長(zhǎng)1 CO2質(zhì)量濃度超過(guò)背景值閾值時(shí)，則蓋層視為不安全。淺層地下水的泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是通過(guò)地下水CO2質(zhì)量濃度變化與pH值變化的關(guān)系，建立不同等級(jí)的CO2質(zhì)量濃度閾值，進(jìn)而通過(guò)比較CO2質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值和閾值評(píng)估泄漏風(fēng)險(xiǎn)，pH監(jiān)測(cè)值與背景值相比沒(méi)有改變?yōu)榘踩琾H值改變不大于1個(gè)等級(jí)為基本不安全，pH值改變大于1個(gè)等級(jí)為不安全。當(dāng)CO2泄漏到土壤后，將改變土壤pH值，不同等級(jí)的pH閾值為土壤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際背景監(jiān)測(cè)pH值。通過(guò)比較pH監(jiān)測(cè)值與背景值確定土壤泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，pH監(jiān)測(cè)值與背景值相比沒(méi)有改變?yōu)榘踩琾H值減小值不大于0.5為基本不安全，pH值減小值大于0.5為不安全。對(duì)于某一特定的土壤，通過(guò)建立CO2質(zhì)量濃度變化與pH值變化的關(guān)系，也可以利用CO2質(zhì)量濃度作為風(fēng)險(xiǎn)閾值，從而反映CO2的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。地表大氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類(lèi)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17094—1997》室內(nèi)空氣中CO2衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)值小于等于0.10%和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《文化娛樂(lè)場(chǎng)所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：GB9664—1996》規(guī)定的CO2標(biāo)準(zhǔn)值小于等于0.15%，采用CO2體積分?jǐn)?shù)小于等于0.10%為安全的閾值，大于0.10%小于等于0.15%為基本不安全的閾值，大于0.15%為不安全的閾值。
3.2 多空間風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和多層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警
風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)是通過(guò)構(gòu)建示范區(qū)CO2泄漏地質(zhì)模擬模型，模擬來(lái)自不同泄漏源以不同速率泄漏的CO2在蓋層以及地下水和土壤中的遷移擴(kuò)散，對(duì)比不同環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)閾值，預(yù)測(cè)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。由于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明延長(zhǎng)石油CO2驅(qū)油封存示范區(qū)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄漏信息。因此，采用情景分析方法展示風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)功能。圖5展示了某種情景下的泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)示例，根據(jù)一定時(shí)間后地層壓力、地層中氣相飽和度、氣態(tài)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶解態(tài)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羽流前緣到達(dá)的位置和變化分布，可以有效預(yù)測(cè)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊按照風(fēng)險(xiǎn)空間分為地下水泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、土壤泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和大氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，按照預(yù)警程度分為安全、基本不安全和不安全。考慮到示范項(xiàng)目注入CO2量較少以及科研性質(zhì)，案例應(yīng)用僅設(shè)置了針對(duì)操作人員和管理人員兩層級(jí)別的預(yù)警方式和預(yù)警信息，而沒(méi)有設(shè)置針對(duì)應(yīng)急機(jī)構(gòu)的預(yù)警。對(duì)于操作人員級(jí)別的預(yù)警，相關(guān)基本不安全信息以彈窗和聲音的形式發(fā)送；對(duì)于管理人員，考慮其可能不在現(xiàn)場(chǎng)，以短信文字的形式即時(shí)發(fā)送不安全信息（表4）。對(duì)于管理人員，基本不安全的信息可以由操作人員記錄隨后匯報(bào)，而對(duì)于不安全信息，更高級(jí)別管理人員需要及時(shí)獲得。通過(guò)不同層級(jí)的預(yù)警可以有效提升風(fēng)險(xiǎn)管理效率。
3.3 風(fēng)險(xiǎn)控制
針對(duì)基本不安全和不安全2種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，案例分別設(shè)計(jì)了地下水、土壤和大氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)控制的措施。表5展示了分別來(lái)自蓋層/斷層泄漏和井筒泄漏的地下水泄漏風(fēng)險(xiǎn)的控制措施。當(dāng)系統(tǒng)預(yù)警了基本不安全的信息后，如果判斷來(lái)自蓋層/斷層的泄漏，則在源頭消減方面，需要減少關(guān)聯(lián)井的CO2注入；如果判斷來(lái)自井筒的泄漏，則減少事故井的關(guān)聯(lián)井的注入并及時(shí)修復(fù)井筒。在途徑控制方面，利用暫堵劑識(shí)別后，采取永久封堵材料封堵泄漏通道。而在末端減緩方面可以通過(guò)打開(kāi)水源井并保持井水和地表大氣聯(lián)通以釋放水中的CO2。如果預(yù)警了不安全信息，則相應(yīng)的源頭控制應(yīng)該采取立即停止關(guān)聯(lián)井CO2注入并及時(shí)修復(fù)井筒；同時(shí)采取暫堵劑識(shí)別，永久封堵材料封堵泄漏通道的途徑控制；末端減緩的措施除了打開(kāi)水源井保持井水和大氣聯(lián)通以釋放水中CO2外，還可以主動(dòng)抽取水中的氣體，強(qiáng)化CO2的釋放。
4 結(jié)論
1）通過(guò)淺層地下水、土壤、地表水和地表大氣等多環(huán)境空間的CO2質(zhì)量濃度/體積分?jǐn)?shù)、pH值、電導(dǎo)率以及溫度和壓力等CO2泄漏后的敏感因子的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)不同泄漏空間的風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)和數(shù)量確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，支撐多環(huán)境動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估。
2）模擬各種情景下的CO2遷移和轉(zhuǎn)化可以實(shí)現(xiàn)多空間風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理需求實(shí)現(xiàn)面向操作人員和管理人員的多層級(jí)預(yù)警。
3）針對(duì)基本不安全和不安全2種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采用源頭消減、途徑控制和末端減緩方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)控制。
4）建立的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)基于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和數(shù)值模型模擬，不依賴(lài)于具體的現(xiàn)場(chǎng)封存驅(qū)油條件。不僅可以應(yīng)用于其他CO2驅(qū)油封存項(xiàng)目，而且可以應(yīng)用于咸水層封存項(xiàng)目。管理系統(tǒng)的建立方法也可以為其他環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。
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