CO₂ 封存地球物理（4D 地震）监测研究

报告编号：OGG-A-021 出品方：经纬智汇信息咨询有限公司 所属板块：OG-G CCUS 与双碳 · 二级赛道「监测与示踪」 报告日期：2026 年 7 月 保密级别：内部参考 版本：V1.0

执行摘要

CO₂ 地质封存（CCS/CCUS 中的 Storage 环节）的可信度，最终落在一个问题上：注入地下的 CO₂ 究竟去了哪里、有没有泄漏、能不能被第三方核查。地球物理监测——尤其以时移地震（4D seismic）为核心的技术体系——是回答这一问题的主战场，也是 CCS 从"工程能做"走向"社会能信、碳市场能认"的关键一环。

五条核心判断：

• 4D 地震是目前唯一能对深部咸水层 CO₂ 羽流进行空间成像的成熟手段，Sleipner（挪威，1996 年至今累计封存约 1,900–2,000 万吨 CO₂）用近 30 年、10 余次重复采集证明了其可行性；但它同时也暴露了核心短板——对薄层、低饱和度 CO₂ 灵敏度有限，且难以给出精确的质量守恒核算。

• 监测技术正从"高成本稀疏快照"向"永久阵列 + 光纤 DAS + 近实时"演进。加拿大 Aquistore 的永久地面地震阵列（PRM）把可重复性指标 NRMS 压到 0.07 的世界先进水平，Otway（澳大利亚）用 DAS 光纤实现了井中时移地震的低成本重复采集——这两条路线代表了未来 5–10 年的主流方向。

• 单一手段不足以支撑合规级 MRV，多物理场联合监测成为标配。地震（成像）+ 微地震（诱发地震性/断层活化）+ 压力/温度（守恒核算）+ InSAR/重力（地表形变与质量变化）+ 地球化学示踪（泄漏指纹）的组合，已在 Otway、Illinois Decatur、Quest 等标杆项目形成范式。

• 竞争格局呈"国际油服巨头主导集成、专业光纤厂商卡位硬件、科研机构定义方法学"三层结构。SLB（斯伦贝谢）、Viridien（原 CGG）、TGS 主导采集与解释集成；Silixa、Luna/OptaSense 主导 DAS 光纤硬件；SINTEF、CO2CRC、LBNL、BGS 等定义监测方法学与标准。中国力量（中石化、中石油、中海油及高校院所）在项目实践上快速追赶，但在永久阵列、DAS 标定、AI 自动解释等高端环节仍存代差。

• 监测市场规模虽小但增速确定、粘性极强。CCS 监测占项目全生命周期成本的比例通常在 5%–15%，但它是合规与碳资产核查的"闸门"。随 IEA 预期 2030 年全球封存产能升至约 6.7 亿吨/年、45Q 等激励加码，光纤 DAS 监测细分市场有望在 2030 年达到十亿美元级别，4D 地震重复采集需求同步放大。

核心风险提示（简要）：可重复性受地表/时间条件制约、深部封存量化核查透明度不足（Gorgon 捕集率不及预期、Sleipner 注入量披露争议等案例）、永久阵列前期投资高、DAS 定量标定尚不成熟、诱发地震性带来的社会许可风险。

行动建议（后置详见第 08 章）：对油气与能源企业，建议以"DAS 永久监测示范 + 多物理场联合反演 + AI 自动解释"为技术主线分阶段投入，并前瞻对标 ISO 27914 系列与本土标准，将监测能力沉淀为可对外输出的 CCS 服务资产。

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起

全球净零目标下，CCUS 被 IEA、IPCC 反复确认为难以替代的兜底技术，尤其在钢铁、水泥、化工、天然气处理等难减排行业。但 CCS 的社会争议长期集中于一个疑问：把数千万吨 CO₂ 注入地下上千米，如何证明它"待得住、跑不掉、算得清"？

监测（Monitoring）正是这一疑问的技术答案，也是 MRV（监测—报告—核查）合规体系与碳资产核算的物理基础。没有可信监测，封存量无法进入碳市场，项目无法获得税收抵免，公众也难以给出社会许可。地球物理监测——以时移地震为旗舰、以光纤 DAS 与微地震为两翼——构成了 CCS 监测技术栈的核心。

对经纬智汇的目标客户（油气工程、能源装备、双碳服务、投资机构）而言，CCS 监测既是一个正在放量的服务市场，也是油气企业既有物探/测井/工程能力可平滑迁移的高价值赛道。厘清这一领域的技术现状、竞争格局与突破方向，对立项、选型、投资决策具有直接意义。

1.2 核心调研问题

• 4D 地震及配套监测技术的原理、成熟度与灵敏度边界在哪里？
• 全球标杆项目积累了哪些可复用的监测范式与数据？
• 技术瓶颈是什么，突破方向（永久阵列、DAS、AI）走到哪一步？
• 合规与方法学（MRV、Class VI、ISO 27914）对监测提出了什么硬约束？
• 竞争格局如何，中国力量的位置与差距？
• 市场规模与未来 5–10 年趋势如何，对决策意味着什么？

1.3 调研范围与方法

地域范围：全球视野，重点覆盖欧洲（挪威）、北美（美国、加拿大）、澳大利亚、中国。 技术范围：以时移地震为核心，纳入 DAS 光纤地震、VSP/井中地震、微地震、重力、InSAR、井下压温、地球化学示踪及多源融合。 方法：多源交叉验证，综合学术论文、行业机构报告（IEAGHG、Global CCS Institute）、官方标准（EPA、ISO）、项目运营方公开数据（Equinor、Shell、CO2CRC 等）与企业技术资料。

02 · 技术原理深度剖析

2.1 时移地震（4D）监测的物理本质

时移地震的核心思想朴素而有力：在 CO₂ 注入前采集一次三维地震数据作为"基线"（baseline），注入一段时间后在尽可能相同的采集条件下再采集一次或多次"监测"（monitor）数据，将两次数据相减，差异即反映地下的变化。第四个维度就是时间——故称 4D。

CO₂ 注入储层后，之所以能被地震"看见"，根本原因在于 CO₂ 替换了孔隙中原有的盐水（或油气），显著改变了岩石的弹性属性：

• 纵波速度（Vp）下降：超临界 CO₂ 的体积模量远低于盐水，注入后使含 CO₂ 岩石的体积模量急剧降低，纵波速度可下降 10%–30%（视储层、饱和度而定），这是 4D 响应的主导机制。
• 密度下降：CO₂ 密度（超临界态约 300–800 kg/m³）低于盐水（约 1,000–1,050 kg/m³），降低储层体密度。
• 波阻抗与反射系数变化：Vp 与密度双降导致波阻抗下降，储层顶底界面反射系数增大，在时移振幅（amplitude）差异剖面上表现为亮点（bright spot）——这正是 Sleipner 羽流成像的物理基础。

!图 2-1：CO₂ 注入引起的地震弹性响应机理示意图 *图 2-1：CO₂ 注入引起的地震弹性响应机理示意图*

2.2 Gassmann 流体替代理论：定量化的基石

将饱和度定量转换为地震响应，依赖 Gassmann 流体替代方程。其逻辑是：岩石的干骨架模量不随孔隙流体变化，通过 Gassmann 方程可计算不同流体饱和状态下的饱和岩石体积模量，进而算出 Vp、Vs、密度。混合流体（盐水+CO₂）的等效体积模量则常用 Reuss（Wood）平均计算。

Gassmann 理论揭示了 4D 监测的一个关键特性——"膝点"非线性：CO₂ 饱和度从 0 上升到约 20% 时，Vp 急剧下降；而从 20% 到 100%，Vp 变化很小。这带来一个深刻的技术后果：

时移地震擅长探测"有没有 CO₂"，却拙于区分"CO₂ 有多少"。 一个饱和度 30% 的厚层与饱和度 90% 的同厚层，地震响应可能相近。这正是深部咸水层 CO₂ 质量守恒核算困难的物理根源。

表 2-1：CO₂ 注入前后储层弹性参数典型变化（以砂岩咸水层为例）

注：具体数值随孔隙度、埋深、温压、饱和度而变，上表为典型量级示意。Vs 几乎不受流体影响、仅受密度轻微影响，故 Vp/Vs 比或纵横波联合分析常被用来区分"流体饱和度变化"与"孔隙压力变化"两种效应。

2.3 可重复性（Repeatability）：4D 的生命线

4D 的信号来自两次采集的"差"，因此任何非储层因素造成的差异都是噪声。可重复性——即基线与监测采集在震源、检波器位置、地表条件、处理流程上的一致程度——直接决定 4D 能否检出真实的储层变化。

行业以 NRMS（Normalized Root-Mean-Square，归一化均方根差） 作为核心量化指标：在理论上无变化的区域（如储层之上的稳定层段）计算两次数据的 NRMS，值越低代表重复性越好。经验分级：

表 2-2：时移地震可重复性 NRMS 分级与代表项目

可重复性正是永久监测阵列（PRM）与光纤 DAS 技术兴起的根本动因：把震源/检波器固定在同一位置（甚至埋入地下、水泥固井于井壁），可从物理上消除定位误差，将 NRMS 大幅压低，从而检出更微弱、更早期的 CO₂ 信号。Aquistore 的永久阵列即为此提供了工业级证明。

2.4 时间推移的解释链条

一个完整的 4D 解释流程包括：基线采集 → 岩石物理正演建模（预测 CO₂ 引起的响应）→ 监测采集 → 互均化处理（cross-equalization，使两套数据可比）→ 差异计算 → 振幅/时移（time-shift）反演 → 与流动模拟（reservoir simulation）联合的历史拟合。其中 时移（time-shift，即注入后下伏地层反射时间的延迟） 可反映 CO₂ 引起的速度下降累积效应，是除振幅外的第二类关键观测量，对薄层累积尤为有用。