劉學(xué)浩，李 琦，方志明，劉桂臻，宋然然，汪海濱，李小春

(中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

1 引 言

地層流體的成分、濃度、分布等是關(guān)系到地表生物和人類生存的重要因素，亦是地下能源開采和廢棄物地下封存的主要監(jiān)測對象。地下流體取樣能通過同位素追蹤、地層殘余氣分析、化學(xué)成分分析、微生物群落特征等方法連續(xù)提供大量關(guān)于地層的物理、化學(xué)和微生物信息，其監(jiān)測對工程開展和環(huán)境風(fēng)險評估具有指導(dǎo)意義，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。因項(xiàng)目需求和工程實(shí)際情況不同，國內(nèi)外開發(fā)了各式各樣的地下流體取樣裝置和方法，按工作原理主要分為如下3 種[1]：

（1）下井式定深取樣，將取樣器通過引線下放至鉆井內(nèi)指定地層深度，完成取樣后將取樣器提升至地表，進(jìn)而對其所取的地下流體進(jìn)行分析[2－3]。如鄭繼天[4]開發(fā)的FFS-A 型地下水定深取樣器，取樣深度達(dá)到200 m，取樣器外徑為50 mm，最大取樣容量為1 L。該技術(shù)的劣勢在于不能連續(xù)高頻次地取樣，單次取樣容積有限，不易控制取樣速率，且對地下流體運(yùn)移場造成一定擾動，取樣器提升至地面的過程對地下流體樣品產(chǎn)生的干擾很難消除。

（2）泵式多級監(jiān)測取樣，也稱一孔多層監(jiān)測取樣，系指在一口鉆井中分層分段監(jiān)測地下水。該技術(shù)的典型特征在于采用蠕動泵、潛水泵等電動泵提供動力，抽取不同層位的地下水[5]。其中盧予北[6]開發(fā)的多層地下水示范監(jiān)測井達(dá)到地下328 m 深，井管采用PVC-U 管，其直徑為110 mm，井管之間采用絲扣鏈接。引進(jìn)的Westbay 地下水分層監(jiān)測系統(tǒng)在通州區(qū)張家灣監(jiān)測站應(yīng)用[7]，采用不銹鋼材質(zhì)直徑為127 mm 的井管，埋深為311 m，每月取樣2次。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于資金投入大，場地適應(yīng)性差（一般需提供220 V 交流電，而不適合無井房、無電源的野外），不太適合淺部地層的小劑量連續(xù)取樣。此外，采用電動泵抽取地下流體對樣品擾動較大，不利于地下流體樣品的化學(xué)分析。

（3）氣體推動式地下流體采樣，適合長期監(jiān)測地下流體。與泵式多級監(jiān)測取樣技術(shù)的主要區(qū)別在于動力源不采用電動泵，而是可移動式氮?dú)馄浚ɑ蚱渌栊詺怏w）。其技術(shù)基于U 形管原理。該技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成小、成本低，能與其他監(jiān)測手段（如壓力傳感器、溫度傳感器、水診檢漏器、地震檢測儀、同位素追蹤儀）[8]進(jìn)行很好搭接。更為重要的是，相對于下井式定深取樣，該技術(shù)能連續(xù)快速地大容量取樣；相對于泵式多級監(jiān)測取樣，該技術(shù)本身的保壓和被動取樣特點(diǎn)能盡可能減輕取樣過程對地下流體的擾動，且成本相對低廉。Norman[9]指出，氣體推動式取樣技術(shù)的成本約為泵式取樣技術(shù)的10%，盡管其存在取樣過程耗時較長、井下設(shè)備不易檢修和回收等缺點(diǎn)，但仍有使用價值。另外，井口取樣采用移動式氮?dú)馄浚谝巴獠恍枰?20 V供電，場地適應(yīng)性大為增強(qiáng)。盡管基于U 形管原理的氣體推動地下水采樣技術(shù)具有如上所述眾多優(yōu)點(diǎn)，但限于若干技術(shù)難點(diǎn)，該技術(shù)在國內(nèi)工程應(yīng)用非常少，而國外近幾年基于在CO2地質(zhì)封存領(lǐng)域的成功監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)，在能源與廢棄物地下封存領(lǐng)域大范圍推廣。

美國勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的Freifeld[10]在2005年首次成功開發(fā)深井U形管取樣監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)已服務(wù)全球多處工程[11]，包括美國Frio 咸水層CO2封存示范工程（深度為1 513.9 m，單層取樣）、澳大利亞CO2CRC 的Otway 枯竭油氣田CO2封存示范工程（取樣最大深度為2 046.9 m，3 層取樣，地層壓力為13.8 MPa,氮?dú)馄咳訅毫?4.1 MPa）、加拿大Nunuvut 的塊狀硫化物礦床監(jiān)測工程（深度為 350 m）和美國Nevada 地區(qū)Amargosa 山谷（深度為400 m，4 層取樣）[11]。上述工程應(yīng)用于中深部地層，主要觀測地下流體的地球化學(xué)反應(yīng)及地層中的水力傳導(dǎo)路徑，并追蹤分析注入的CO2在儲層氣水接液面或兩相流處的運(yùn)移機(jī)制和時空分布，及CO2在蓋層中的突破與泄漏規(guī)律。

針對碳捕集、利用與封存（CCUS）環(huán)境風(fēng)險監(jiān)測的項(xiàng)目需求，本文在已有技術(shù)基礎(chǔ)上克服若干技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行了新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，在國內(nèi)尚屬首次，已申請2 項(xiàng)發(fā)明專利。本文給出了該監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理、元件構(gòu)成及操作步驟。此外，該淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)將在包括勝利油田、神華、吉林油田在內(nèi)的多處CCUS 工程推廣使用。值得指出的是，該新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)基于已有的氣體推動式取樣技術(shù)和U 形管原理，選用PVC材質(zhì)時適用地層深度一般不超過60 m，特別適用于CCUS 相關(guān)領(lǐng)域（CO2咸水層封存、酸氣回注、CO2驅(qū)替增采石油CO2-EOR、CO2驅(qū)替增采天然氣CO2-EGR、CO2驅(qū)替增采煤層氣CO2-ECBM、CO2致裂開采頁巖氣CO2-ESG 等[12]）的CO2/H2S/CH4泄漏監(jiān)測及其對淺層地下環(huán)境的影響監(jiān)測。

2 CCUS 環(huán)境風(fēng)險與工程需求

CCUS 作為能夠有效降低傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)CO2排放量，緩解氣候變化的前瞻性技術(shù)之一，近幾年在世界范圍內(nèi)得以快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，如德國的Ketzin 咸水層CO2封存示范、美國的Frio 咸水層CO2封存示范、澳大利亞的Otway 枯竭油氣田CO2封存示范、加拿大的Weyburn 項(xiàng)目、法國的Lacq項(xiàng)目、挪威的Sleipner 項(xiàng)目、阿爾及利亞In Salah項(xiàng)目等70 多個處于不同階段的大規(guī)模項(xiàng)目。國內(nèi)神華煤制油 CO2咸水層封存、中石化勝利油田CO2-EOR 項(xiàng)目、吉林油田CO2-EOR 項(xiàng)目、大慶CCS項(xiàng)目等8 個大規(guī)模集成項(xiàng)目也應(yīng)用了該技術(shù)[13]。

大規(guī)模注入地層的流體（如CO2、酸氣）對環(huán)境的潛在影響及其可能誘發(fā)的風(fēng)險，是CCUS與酸氣回注[14]的核心問題之一，亟待示范工程實(shí)證。高濃度CO2在地層中的泄漏或逃逸，可以改變淺層地下水（甚至可飲用的地下水）水質(zhì)，威脅淺地表生物群落，甚至危及周圍人群。為保證項(xiàng)目運(yùn)行的安全性，考察井孔完整性、CO2流動前沿、地下特征與壓力發(fā)展、蓋層完整性、地表滲透在內(nèi)的多項(xiàng)風(fēng)險[15－16]，某油田CO2-EOR 項(xiàng)目制定了詳細(xì)的監(jiān)測方案[13]。其中對于包含淺層地下水的水質(zhì)監(jiān)測內(nèi)容為：①溫度、pH 值、電導(dǎo)率、總礦化度（TDS）、總有機(jī)碳（TOC）、總無機(jī)碳（TIC）、堿度；②主要陰陽離子；③氣體組分；④碳13 穩(wěn)定同位素。監(jiān)測頻率不少于每月一次[13]。工程目的在于預(yù)警CO2是否泄漏至地表，并評估其泄漏對淺層地下水的影響。

針對國內(nèi)某油田CO2-EOR 工程對淺層地下水和土壤氣連續(xù)監(jiān)測的實(shí)際需求，本文進(jìn)行了新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)。其中，該工程場地地下水位線約0.7 m，地層滲透系數(shù)為4.7 md，地下10 m地層深度內(nèi)為黏土、粉土和粉質(zhì)黏土，飽和度為99%～100%[17]。

3 新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)

新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)基于U形管原理和氣體推動式地下水采樣技術(shù)，通過監(jiān)測不同層位（此處為3 層）地下水和土壤氣來預(yù)警地質(zhì)封存的CO2泄漏情況，評估其泄漏對淺層地下水水質(zhì)及淺地表生物群落的影響。該淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)可以初步預(yù)警CO2突破指定上覆地層（取樣地層）的時間，通過地下流體樣品的化學(xué)分析得到CO2濃度隨時間變化的曲線，為封存現(xiàn)場環(huán)境風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)提供重要的組成數(shù)據(jù)，其工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成如下。

3.1 工作原理

如圖1 所示，新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)分3 個階段完成取樣：第1 階段，含水層的地下流體在壓差作用下穿過井筒側(cè)壁的小孔滲入井筒取樣段，并逐漸達(dá)到滲流平衡；第2 階段，井筒取樣段內(nèi)的地下流體經(jīng)濾芯過濾后通過單向閥流入U 形管，地下流體儲存在U 形管的儲流容器內(nèi)，而U 形管上端的兩個軟管連至地表，分別為加壓端和取樣端；第3階段，采用氮?dú)庀淳鍧嵑?，對U 形管的一端（加壓端）用便攜式氮?dú)馄考訅?，U 形管內(nèi)儲流容器的地下流體因單向閥流向限制只能從U形管的另一端（取樣端）排至地面的液體取樣容器，從而得到指定地層的地下水樣。

地下土壤氣通過井下的導(dǎo)管與地面連通，采用活塞式氣體取樣容器洗井后直接抽取。值得指出的是，土壤氣僅對地下水位以上的地層進(jìn)行取樣，不包括非飽和含水層的殘余氣。

圖1 淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of CO2monitoring system in shallow well

3.2 技術(shù)難點(diǎn)與應(yīng)對措施

與常規(guī)監(jiān)測井技術(shù)相比，新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)成本相對低廉，具有良好的場地適應(yīng)性和地下水樣品的高保真性等優(yōu)點(diǎn)，其存在的技術(shù)難點(diǎn)如下：①泥沙和冬季結(jié)冰等引起的淤堵問題[8]；②連續(xù)監(jiān)測過程中如何保證地面所取的樣品能實(shí)時反映或代表指定深度的地層流體，即取樣代表性問題[6－7]；③如何保證監(jiān)測井的使用壽命，即耐久性問題[7]。

3.2.1 淤堵問題

淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的井筒、單向閥、軟管等處因淤堵而無法正常工作，導(dǎo)致地面取樣失敗。泥沙顆粒、結(jié)冰、烴類析出固化成蠟、水合物的形成、微生物聚集等引起的堵塞是困擾所有地下流體長時間連續(xù)取樣的首要技術(shù)問題，亦是影響本監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。引起淤堵的原因可能有：

（1）井筒取樣段內(nèi)的空氣無法正常排出，導(dǎo)致井筒取樣段形成一定內(nèi)壓，地下水因內(nèi)外壓力平衡而過早地停止?jié)B入，地面無法取到足夠量的水。

對該問題通過監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性設(shè)計來克服。將井筒分為取樣段和連接段，取樣段上、下設(shè)不透水堵頭，井筒側(cè)壁沿線均布小孔，不留空隙，從而排除內(nèi)部空氣無法排出的影響。

（2）冬季淺地層的水結(jié)冰，引起導(dǎo)水管結(jié)冰封堵而間歇性失去取水能力，甚至引起導(dǎo)管破裂或單向閥失效，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)永久性失效。

該場地冬季1月份平均氣溫為-3 ℃，年積雪日數(shù)為8～16 d，歷史上極端低溫為-23.3 ℃。地下10 m的淺部地層在冬季會出現(xiàn)較嚴(yán)重的結(jié)冰情況。對此在考慮經(jīng)濟(jì)可行的情況下，對井筒側(cè)壁（除了取樣段）包裹多層防寒止水帷幕。并且，元件設(shè)計選型（軟管、接頭、單向閥等）要能耐低溫，不至于凍壞失效。

（3）地下水中含的泥沙顆粒堵塞井筒側(cè)壁的小孔或單向閥，導(dǎo)致有效過水?dāng)嗝婷娣e大大減小，進(jìn)水逐漸緩慢甚至完全堵死。

泥沙顆粒引起的堵塞，其控制因素為小孔孔徑、數(shù)量與濾網(wǎng)目數(shù)。在滲流計算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了縮小比例的室內(nèi)試驗(yàn)測試，沿井筒壁設(shè)置一系列小孔，并纏繞濾網(wǎng)固定，然后將該井筒埋入地層。設(shè)置在該井筒內(nèi)部的U形管對滲入的地下水進(jìn)行取樣，如圖2 所示。

室內(nèi)試驗(yàn)測試得到的主要結(jié)論如下：

（1）滲流速率控制因素為過水面積，與小孔總面積有關(guān)，與單孔孔徑的大小無關(guān)。

如圖3 所示，通過井筒側(cè)壁所鉆小孔的個數(shù)換算得到，A、B、C 3 組過水面積分別為12.57、172.79、1 138.8 mm2。過水面積很小情況下（A 組），滲流速率很小，尚未達(dá)到平衡，線性規(guī)律顯著；過水面積很大情況下（C 組），20 h 內(nèi)迅速達(dá)到滲流平衡，滲流速率與過水面積呈典型的線性關(guān)系，與達(dá)西滲流定律符合。

圖2 室內(nèi)試驗(yàn)測試圖Fig.2 Testing in laboratory

圖3 不同過水面積下滲流平衡曲線Fig.3 Seepage equilibrium curves of different cross-section areas

滲流速率與小孔孔徑的大小無關(guān)，因?yàn)榫矀?cè)壁進(jìn)水小孔的孔徑遠(yuǎn)大于土顆粒直徑（d95＜0.1 mm），這意味著小孔斷面處的流動是多孔介質(zhì)滲流，而不是小孔出流?？刂埔蛩貫橥馏w顆粒及其間隙的尺寸。

（2）試驗(yàn)測試井筒側(cè)壁小孔的有效面積與滲流平衡時間有關(guān)。其中55 個小孔情況下，滲流平衡時間約為53.6 h（如圖4 所示），由此選定了滿足實(shí)際工程要求的孔徑與數(shù)量。

（3）取樣段的小孔處設(shè)置濾網(wǎng)，濾網(wǎng)目數(shù)越高，井筒內(nèi)滲入的水樣攜沙量越少，且濾網(wǎng)目數(shù)對滲流速率影響很小。依據(jù)地層中土顆粒的粒徑分布（如圖5所示），過濾井筒側(cè)壁小孔的濾網(wǎng)規(guī)格選為200 目。

由圖5 現(xiàn)場土的粒度成分試驗(yàn)累積曲線可知，地層土d50=0.021～0.032 mm，d95=0.068～0.071 mm。設(shè)置的濾網(wǎng)的孔徑大小應(yīng)既不引起超濾效應(yīng)，又防止細(xì)顆粒的逐漸堵塞[18]，故濾網(wǎng)篩孔尺寸參照土顆粒直徑d95選擇0.075 mm，對應(yīng)濾網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格200目，如表1 所示。

圖4 滲流平衡曲線Fig.4 Seepage equilibrium curve

圖5 現(xiàn)場土樣顆粒粒徑分析Fig.5 Particles size distribution(PSD) of soil at site

井筒側(cè)壁采用粘貼式結(jié)構(gòu)，尼龍材質(zhì)。對于單向閥前端的過濾方案，由于彈簧式單向閥應(yīng)盡量避免在含泥砂的水中長期工作，為保證核心元件單向閥的耐久性，對其前端的保護(hù)應(yīng)盡量采用高規(guī)格的過濾方案。

表1 過濾網(wǎng)目數(shù)與篩孔尺寸換算表Table 1 Conversion table for mesh size in filter

3.2.2 取樣代表性問題

順利取出的水樣能否為指定地層的地下水，而不是鉆井液或其他層位的地下水。能否實(shí)時表征指定地層地下水水質(zhì)的變化，而不是井筒內(nèi)滯留的殘余水。這些都涉及取樣代表性問題。

取樣器安裝過程中井筒取樣段不可避免地會涌入大量鉆井液。鉆井過程中各個地層間的水力通道被打通，導(dǎo)致各個地層的水沿著井壁薄弱通道混合進(jìn)入取樣段，使水樣不能代表指定層位的地下水。此外，還需保證U 形管所取的水樣能反映指定層位地下水水質(zhì)的變化情況，以達(dá)到通過水樣分析實(shí)時檢測CO2泄漏的目的。

上述難點(diǎn)問題均可通過淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井工藝及回填方案克服：①鉆井時采用清水置換施工工藝，能大大減輕鉆井液涌入井筒時攜帶的泥沙量。②針對層間串水問題，井筒設(shè)計分為取樣段和連接段，保證取樣段周圍的井壁回填高滲透率的黃砂或石英砂，在連接段的垂直空間中回填一小段不透水的原狀泥土或膨脹土，用來隔斷各個層位的水力聯(lián)系。③針對取樣流動性問題，為消除井筒取樣段殘留液的影響，以保證取樣能代表指定地層中流動的地下水，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計控制井筒取樣段的容積。保證U 形管的兩次取樣量等于井筒取樣段滲流穩(wěn)定的有效容積。

3.2.3 耐久性設(shè)計

監(jiān)測地質(zhì)封存中CO2的泄漏情況，若針對注入過程的施工動態(tài)監(jiān)測，則該監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計工作年限一般為3～10 a；若從評估工程對環(huán)境的長期影響這一更為重要的角度考慮，則該監(jiān)測系統(tǒng)的有效工作年限應(yīng)盡可能長，超過50 a。因此，新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性設(shè)計至關(guān)重要。應(yīng)對措施如下：

（1）材質(zhì)上，選擇耐化學(xué)腐蝕，耐久性更好的PVC 材質(zhì)，如PVC-U 排水管、塑料單向閥、二通和三通接頭、PVC 材質(zhì)不透水堵頭、尼龍材質(zhì)濾網(wǎng)。

（2）盡量減少U 形管內(nèi)軟管的接頭，通過改進(jìn)PVC 堵頭的結(jié)構(gòu)和密封防水方式。

（3）對必要的元件（二通轉(zhuǎn)接、三通及單向閥），嚴(yán)格選型以保證足夠的使用年限，尤其是單向閥。

（4）對核心元件單向閥給予盡可能嚴(yán)格的保護(hù)，設(shè)置最高規(guī)格的濾芯防止泥沙顆粒破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.3 理論計算

采用達(dá)西定律計算滲流過程，淺層地下水不承壓。平均滲流路徑恒定，其水力坡度為

式中：J為水力坡度；L為滲流路徑；h1、h2為水頭位置；代入達(dá)西公式，地下水滲流速度為

式中：V為平均滲流速度；K為滲透系數(shù)。

由達(dá)西定律得到的滲流速度為地下水在多孔介質(zhì)中的平均滲流速度，其值等于流體真實(shí)速度與孔隙度的乘積，黏質(zhì)土孔隙度約為45%～60%。

單位時間內(nèi)流量q 等于流體真實(shí)速度（V/φ）與井筒側(cè)壁過水?dāng)嗝婷娣e的乘積。

式中：q為單位時間內(nèi)的流量；A孔為過水?dāng)嗝婷娣e；φ為孔隙度；V為平均滲流速度。

井筒內(nèi)總流量Q 等于單位時間內(nèi)的流量q與滲流時間t 的乘積。

則滲流時間為

式中：過水?dāng)嗝婷娣eA孔=1.73 cm2；現(xiàn)場滲透率為4.7 md，換算成滲透系數(shù)為K=4.5×10-4cm/s；粉質(zhì)黏土的孔隙度φ 約為50%；滲流路徑L=9 m，水頭差h1-h2=9 m；單次取樣容積Q=200 mL 情況下，滲流時間t=35.68 h。

3.4 系統(tǒng)構(gòu)成

在封存場地范圍內(nèi)設(shè)置深約10 m 的監(jiān)測井，整體示意如圖6 所示。井筒采用75 mm 直徑的PVC-U 排水管。井內(nèi)設(shè)U 形管和封隔器，分別對多個地層（如-2、-6、-10 m）獨(dú)立取樣（地下水和氣體）。封隔器采用PVC 材質(zhì)加工，中間設(shè)小孔，供U 形管系統(tǒng)穿過。U 形管的內(nèi)徑根據(jù)取水量需求確定，進(jìn)口減少N2消耗量。為保證取樣的流動性，假定整個U 形管取2 次的水量等于井筒取樣段的總儲水量。

圖6 U 形管取樣原理圖Fig.6 Diagram of the U-tube sampler

3.5 操作步驟

（1）將取樣裝置放入正在清水置換的鉆孔內(nèi)，然后進(jìn)行回填。其中井筒進(jìn)樣段對應(yīng)的深度回填透水性強(qiáng)的石英砂，井筒連接段部分回填透水性極差的膨脹土或原狀黏土，以隔斷不同層位地下流體的聯(lián)系。

（2）分別開啟氣體推動式地面液體取樣系統(tǒng)中與液體取樣容器和壓力源相連接的球閥，通過減壓閥逐漸增大氮?dú)馄康某鰵鈮毫Γㄆ渲挡淮笥谝合鄦蜗蜷y的容許壓力），使地下流體緩慢排出，直至U形管地下液體進(jìn)樣系統(tǒng)的流體排盡，由此完成洗井操作，關(guān)閉氮?dú)馄亢蜏p壓閥。

（3）完成上述洗井操作后，開啟氮?dú)馄亢蜏p壓閥。由于液相單向閥的流向限制，地下流體緩慢進(jìn)入液體取樣容器。達(dá)到所需容量后，液體取樣完畢，關(guān)閉各球閥、減壓閥和氮?dú)馄?，如圖7 所示，現(xiàn)場采用氮?dú)馄繉O2監(jiān)測井進(jìn)行取樣。

（4）重復(fù)上述過程，可以對不同層位進(jìn)行多次液體取樣。開啟土壤氣取樣系統(tǒng)中與氣體取樣容器連接的針閥。

（5）采用活塞式氣體取樣容器將殘留在井筒內(nèi)的氣體抽走，因氣相單向閥的流向限制，空氣不會回流入井筒。由此完成氣體取樣前的洗井，關(guān)閉針閥。

（6）完成上述洗井操作后，打開針閥，氣體取樣容器抽取指定容量的新鮮土壤氣樣品，從而實(shí)現(xiàn)土壤氣樣品取樣。

（7）取樣完畢后，檢查關(guān)閉取樣裝置的各個球閥、針閥、減壓閥，保持安置狀態(tài)直到下個周期取樣[20]。

3.6 現(xiàn)場應(yīng)用與測試結(jié)果

研發(fā)的淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)場工作良好。圖7為現(xiàn)場監(jiān)測井井口處的取樣測試，對該系統(tǒng)得到的樣品采用Mutli 3420（配備Sen Tix 950 pH 電極和TetraCon 925 電導(dǎo)率電極）分析。初步給出不同層位地下流體物理性質(zhì)的結(jié)果，如表2 所示。

需要說明的是，該場地尚未實(shí)際發(fā)生CO2的泄漏，因此，現(xiàn)場安裝的網(wǎng)點(diǎn)式淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)取樣結(jié)果較為平穩(wěn)，是該場地地下流體性質(zhì)對比的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也是該工程區(qū)域范圍內(nèi)沒有CO2泄漏至淺地表的直接證據(jù)。

通過淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)取樣，分析識別工程范圍內(nèi)CO2實(shí)際泄漏情況，是下一步的工作重點(diǎn)。

圖7 現(xiàn)場測試取樣Fig.7 Sampling at field site

表2 現(xiàn)場取樣結(jié)果Table 2 Results of field tests

4 結(jié)論與展望

（1）在克服或一定程度緩解泥沙或冰凍引起的淤堵問題、取樣代表性問題、耐久性問題等技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了新型淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，并在實(shí)際CCUS 工程中使用。

（2）該淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)[20]：①能對多個地層連續(xù)取樣，且其結(jié)構(gòu)設(shè)計盡可能提高樣品的真實(shí)性和實(shí)時代表性；②該監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成元件均選用塑料（PVC 或尼龍），耐腐蝕優(yōu)越，成本相對低廉，適用于埋深不超過200 m 的淺部地層，能同時對地下水和土壤氣取樣；③野外場地適應(yīng)性非常好，無需提供電源，其地面取樣裝置所用的壓力源、取樣瓶均為移動式。

（3）實(shí)際工程對地下淺層流體取樣分析的需求廣泛，研發(fā)的淺層井CO2監(jiān)測系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域、不同工程目的淺層地下水和土壤氣的環(huán)境監(jiān)測，特別適用于碳捕集、利用與封存（CCUS）領(lǐng)域（咸水層封存、酸氣回注、CO2-EOR、CO2-EGR、CO2-ECBM、CO2-ESG 等）的CO2/H2S/CH4泄漏監(jiān)測及其對淺層地下環(huán)境的影響[21]，具有良好的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。

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