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2025 , Vol. 40 >Issue 2: 495 - 510

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2025II0028

Time-lapse gravity monitoring technology and prospects for carbon dioxide geological storage

  • YueHua ZHANG , 1, 2 ,
  • Yan LIU , 1, 3, * ,
  • QingTian LÜ 1, 3 ,
  • ZhaoXi CHEN 2
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  • 1 Chinese Academy of Geological Sciences, Deep Earth Science and Exploration Technology Laboratory, Ministry of Natural Resources, Beijing 100037, China
  • 2 School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
  • 3 SinoProbe Center, Chinese Academy of Geological Sciences and China Geological Survey, Beijing 100037, China

Received date: 2024-05-16

  Online published: 2025-05-09

Copyright

Copyright ©2025 Progress in Geophysics. All rights reserved.
Fold

Abstract

Global warming has prompted countries to reach a political consensus and take a series of actions to actively address climate change. Carbon dioxide geological storage injects the captured carbon dioxide into the storage site for long-term storage. The injected carbon dioxide may leak through potential pathways such as abandoned wellbores and faults due to a combination of pressure and itsbuoyancy. The change of physical parameters such as reservoir density before and after carbon dioxide injection provides a theoretical basis for gravity monitoring technology. The inversion of carbon dioxide plume distribution using gravity data aids in the analysis of fluid spatial movement and distribution over time. This paper focuses on the development and application potential of time-lapse gravity monitoring methods in the field of carbon dioxide geological storage from two perspectives: academic research and industrial applications. With the constant improvement of gravity observation instruments, the continuous innovation of data acquisition and processing technology, and the continuous progress of inversion interpretation methods, the application prospects for the time-lapse gravity monitoring method are also broader. At present, the development of time-lapse gravity monitoring needs to seize the opportunity of the ongoing expansion of the quantity and scale of carbon dioxide geological storage projects. Effective information on the distribution of carbon dioxide underground can be obtained by comparing the density determined by surface and borehole gravity before and after storage.The comprehensive use of various geophysical methods is the development trend of monitoring carbon dioxide geological storage projects in the future, taking into account the real needs of the project.

Key words： Carbon dioxide geological storage; Time-lapse gravity; Gravity monitoring

Cite this article

YueHua ZHANG , Yan LIU , QingTian LÜ , ZhaoXi CHEN . Time-lapse gravity monitoring technology and prospects for carbon dioxide geological storage[J]. Progress in Geophysics, 2025 , 40(2) : 495 -510 . DOI: 10.6038/pg2025II0028

0 引言

当前，我国经济正处于转变发展方式、优化产业结构、转换增长动力的攻关期，二氧化碳的减排和回收利用在此阶段发挥着重要作用，开辟了高质量发展的新领域新赛道.二氧化碳捕集利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)是指将能源等相关产业所排放的二氧化碳捕获后分离、利用，输送至封存地点进行长期封存的过程，是实现碳中和愿景的重要途径之一，也是控制温室效应、实现人类社会可持续发展最具潜力的技术之一(秦积舜等, 2020; 张凯等, 2023).
二氧化碳在温度超过31.1 ℃、压力超过7.38 MPa时，会达到超临界状态，此时二氧化碳为高密度气体，其性质与液态相似，同时也具备气态特性.二氧化碳地质封存正是利用其超临界特性极大地节省了封存空间，将捕获的二氧化碳借助工程技术手段注入至少800 m埋深的深层地质构造，使其与大气长期隔绝.联合国政府间气候变化专门委员会IPCC的研究结果表明，二氧化碳的性质相对稳定，只要选定合适的封存地点并在封存过程中进行精细化的管理，注入的二氧化碳可以封存超过1000年(Metz et al., 2005).依照封存地质体的不同特点，封存技术可细分为：二氧化碳驱替煤层气封存技术(CO2-ECBM)、二氧化碳利用枯竭油气田强化采气技术(CO2-EGR)、二氧化碳气驱强化采油技术(CO2-EOR)和咸水层封存技术(CO2-EWR)等，这些技术不仅实现了二氧化碳的有效封存，同时提升了油气开采效率，进一步促进了经济效益的增长，被归类为增值型封存方式(张阳等, 2022).
当大量二氧化碳注入地下时，可能会引起地表变形、诱导地震产生，封存的二氧化碳后续容易沿着注入井或废弃井的井筒、地层裂缝、断层等向上方地层、浅层地下水、土壤及大气中运移从而导致泄漏，泄漏的气体会对周围环境造成危害，威胁植被生长、污染地表及地下水，甚至会损坏人类健康、破坏生态系统(Unwin et al., 2011; Liu, 2012; Jung et al., 2013; Li et al., 2016).二氧化碳向含水层的运移分为两个阶段，先是垂直运移，然后在上覆封层下方横向扩散形成所谓的重力舌(Esposito and Benson, 2012).当含水层中积累了足够量二氧化碳且形成重力舌时重力检测到泄露的可能性是很大的，此时对探测得到的二氧化碳泄漏量要求会小得多.近年来，随着一系列CCUS示范项目的实施，国内外对二氧化碳地质封存的研究重心逐步转向项目的监测，监测技术的完善性、周密性、高效性和准确性，对于确保CCUS项目的顺利实施以及二氧化碳的安全封存至关重要(张琪等, 2011; 赵改善, 2023; Yang et al., 2019). 当前运营的CCUS项目普遍造价高昂，采用的监测方法各有优劣，监测效果也各不相同.目前国内关于二氧化碳地质封存项目的研究大多集中于地表、大气或土壤层面，对于深部地球物理监测技术的探索还有待深入，距离其大规模成熟应用尚有一定距离.
时延地球物理监测对于了解储层状况至关重要，这一领域一直以时延地震为主，时延地震是当前监测地下二氧化碳分布最成熟的地球物理方法，但其常规应用往往因多次采集数据的高昂成本而受到限制.低成本、高性价比的优势使得重力勘探在监测二氧化碳地质封存方面发挥着不可替代的重要作用.重力勘探依据目标体与围岩的密度差异所产生的重力变化来进行地质勘探，重力监测可通过反演观测数据继而分析二氧化碳羽流分布，以评估地质封存安全性(赵改善, 2023)，是一种基于模型的间接监测方法，多项科学研究及工业应用均验证了重力勘探适用于监测二氧化碳流体驱替及运移等问题(Sherlock et al., 2006; Alnes et al., 2008; Sugihara et al., 2013; Krahenbuhl et al., 2015; Furre et al., 2017; Wilkinson et al., 2017; Topham et al., 2020).先进仪器如重力成像仪的应用以及结合深度学习的多种反演方法的运用，均有助于缩短反馈时间至近乎实时，使得我们能够迅速发现异常并立即采取应对措施，从而有效防范潜在的环境与安全风险.
因此重力监测二氧化碳地质封存是比较理想且经济实用的方法，可助力双碳目标的实现.而且大多数二氧化碳地质封存场所经过前期的勘探和开发，积累了丰富的钻井数据和地质、地震等资料，为重力监测方法较好地获取二氧化碳羽流等信息奠定了良好的基础.本文结合重力观测仪器的不断升级及处理解释技术的持续进步，探讨了碳中和愿景下重力监测二氧化碳地质封存项目的重要意义，并重点分析了时延重力监测方法的发展状况及其工业应用，为今后监测工作的开展提供经验参考.

1 时延重力技术及其进展

时延重力技术颇具潜力(Topham et al., 2020)，其响应与储层密度变化线性相关，储层密度的变化则直接受孔隙度及不同流体饱和度的影响.因此，时延重力技术成为动态监测储层的高效方法.

1.1 时延重力原理

时延重力是指对动态变化的储层进行至少两次的三维重力勘探，包括初始基线调查以及后续的跟踪调查.在数据处理时，若直接减去基线数据，其关键假设在于仪器位置、采集参数及数据处理参数保持不变.这样，两次重力勘探观测到的异常差值才能准确反映储层变化.这种变化可能由流体运移、饱和度变化及压力变化等因素引起.
观测点的重力变化Δg可由式表示(Tempone et al., 2012)：
$\Delta g=\Delta g_{\mathrm{res}}+\Delta g_{\mathrm{FA}}+\Delta g_{\text {def }}+\Delta g_{\mathrm{wt}}, $
其中Δgres指储层中质量再分布引起的重力变化，ΔgFA指地面高程变化引起的重力变化，Δgdef
指地表形变引起的重力变化，Δgwt指地下水位变化引起的重力变化.时延重力应用于二氧化碳地质封存领域的研究重点是估算Δgres的影响，二氧化碳注入后流体驱替运移引起地下质量再分布，而储层内部流体密度变化又取决于饱和度变化，可由式表示：
$\begin{aligned}\Delta \rho_{\mathrm{res}}= & \phi_{\mathrm{ini}} \cdot \sum\limits_n\left(\Delta S_{\mathrm{f}, n} \cdot \rho_{\mathrm{f}, n}\right)-\phi_{\mathrm{ini}} \cdot \sum\limits_n\left(S_{n, \text { ini }} \cdot \rho_{\mathrm{f}, n}\right) \cdot \\& \varepsilon_{\mathrm{vol}}+\Delta \phi \cdot\left[\sum\limits_n\left(S_{n, \text { ini }} \cdot \rho_{\mathrm{f}, n}\right)-\rho_{\mathrm{s}}\right], \quad \end{aligned}$
其中ϕini为岩石的初始孔隙度，ΔSf, n为流体组分n的饱和度变化，ρf, n为流体组分n的密度，Sn, ini为流体组分n的初始饱和度，εvol为岩石重新分布引起的体积应变，Δϕ为孔隙度变化，ρs为岩石颗粒密度.式的第一项代表储层内部流体置换引起的密度变化，它是式中Δgres的来源.

1.2 重力观测仪器

重力勘探的广泛应用对高精度观测仪器的发展提出了迫切需求.自1590年伽利略在比萨斜塔首次尝试重力测量以来，重力仪经历了从摆式、弹簧、自由落体测量到原子干涉、超导重力的长期发展历程(房丰洲和顾春阳, 2017).在过去的数百年里，重力观测仪器的发展取得了显著进步，测量精度实现了质的飞跃，如今已达到μGal量级.重力测量原理虽不尽相同，但观测仪器大抵可分为绝对重力仪和相对重力仪两类，详见表 1.前者测定任一点重力加速度绝对值，测量精度高但噪声水平也相对较高；后者测定两点重力加速度差值，可连续观测但需要定期校正仪器的长期漂移(吴彬, 2014).
表1 典型高精度陆地重力仪性能对比

Table 1 Comparison of the performance of typical high-precision terrestrial gravimetry

仪器类型 仪器型号 时期 测量原理 精度(量级)/μGal 漂移 优势 不足
绝对重力仪 美国Micro-g LaCoste FG5-X 20世纪90年代 自由落体 0.1 — 观测精度高、应用普遍 不宜搬运，不宜野外作业
A10 21世纪初 10 — 便携易测，适于-18~38 ℃多种气候条件 精度较之FG5-X不足
FGL 2005年起 10 — 兼具A10的便携小巧及FG5的性能 成本较高
法国MuQuans AQG量子重力仪 21世纪10年代 原子干涉 0.1 — 操作简单快捷，维护成本低且可靠性高 设计复杂、体积庞大
相对重力仪 美国LaCost & Romberg G型相对重力仪 20世纪70年代 金属弹簧 10 ＜0.7 μGal/d 坚固耐久，漂移小 维修周期长；存在仪器“粘摆”及掉格现象；人工读数存在人为误差
美国Micro-g LaCoste x gPhone固体潮重力仪 2007年起 倾斜零长金属弹簧 1 ≤1.5 mGal/m 漂移很低，对高频信号具有良好的响应，系统噪声对其影响小 功耗大，每台仪器格值因子唯一、变化趋势不明晰，相应研究较少
加拿大Scintrex CG5全自动石英弹簧重力仪 20世纪80年代 熔凝石英弹簧 1 ＜0.02 mGal/d 可在-40~45 ℃温度范围内工作，操作简单、采集数字化、读数重复性好 漂移率较大，非线性漂移明显，个体差异大
CG6自动测量重力仪 21世纪10年代 无静电熔凝石英弹簧 0.1 ＜20 μgal/d 功耗低，较之CG5更轻、更小、更快速 在零漂率方面与金属弹簧存在一定差距
美国GWR iGrav轻便型超导重力仪 21世纪10年代 超导电磁悬浮 0.001 ＜0.5 μgal/m 便于移动和安置，精度、稳定性和连续性达到新高度 成本较高
近50年自由落体式绝对重力仪飞速发展，测量方法也日趋成熟，无论是外观还是性能均取得了长足进步.以陆地重力仪为例，20世纪90年代以来，美国Micro-g LaCoste公司相继推出了诸如FG5、A10及FGL等一系列绝对重力仪，仪器开始向高精度、高效率、小型化、便携化、商业化的方向发展，促进了地面重力探测技术的进步(房丰洲和顾春阳, 2017).原子干涉重力仪是绝对重力仪研制的最新方向，如AQG量子重力仪，它能够胜任多种相对极端环境下的野外观测任务；NEWTON-g冷原子重力仪，它能对地下流体性质变化进行高分辨率成像显示(Carbone et al., 2020).由于不存在机械磨损，这些仪器更具市场竞争力.
相对重力仪的测量原理较之绝对重力仪会丰富很多，包括金属弹簧、石英弹簧及超导悬浮等，适用于开展连续观测.20世纪70年代，美国La Coste Romberg公司推出的G型金属弹簧相对重力仪实现了观测精度由mGal至几十μGal的蜕变；gPhone固体潮重力仪在此基础上进一步发展，精度达到了1 μGal；加拿大Scintrex公司研发的CG5、CG6全自动石英弹簧重力仪，其稳定性、重复性、抗冲击能力较之金属弹簧重力仪大幅提升，野外测量时间也大大缩短(Van Camp et al., 2017)；超导重力仪很好的克服了机械弹簧重力仪中常见的噪声及漂移问题，且突破了测量精度的瓶颈，适用范围十分广泛(房丰洲和顾春阳, 2017; 贾剑钢, 2019; Kao et al., 2014; Kim et al., 2015).重力测量精度的不断提高将大大提升时延重力作为其他监测技术补充工具的信心(Stenvold et al., 2008; Zumberge et al., 2008; Hinderer et al., 2016; Goto et al., 2019; Katterbauer et al., 2022).
井中重力仪近年来同样取得了不错的进展，也开展了大量实践工作.如GravilogTM可在偏离垂直线高达约60°的小直径钻孔中开展测量(Nind et al., 2013)；Rim和Li以数值模拟结果充分论证了钻孔环境中三分量(矢量)探测较之传统单分量测量的优势，在定位和表征异常质量及追踪储层中注入流体运移时均能取得良好效果(Rim and Li, 2015).此外，基于微机电系统(MEMS)的三轴传感器凭借其出色的参数灵敏度及低噪声的测量技术，使得新兴的三轴MEMS重力仪在监测储层方面也有着广阔的应用前景(Lofts et al., 2019)，这里不再赘述.
国内多家高校和科研院所正在加速推进重力观测仪器的自主研发和国产化进程，取得了一系列突破：华中科技大学引力中心团队成功研制出首台高精度量子重力仪并交付使用；北京地质仪器厂研发的新一代全自动数字重力仪ZSM-6，打破了我国重力仪器长期依赖进口的被动局面；中科院电工所研制的高精度超导重力仪样机在中国计量科学研究院运行数月，技术指标已达到国际先进水平.此外，清华大学、中国科学院测量与地球物理研究所、中国地震局地震研究所等多家单位正积极开展绝对重力仪的关键技术研究，力求早日实现用我国自主研发的平台和仪器设备开展重力勘探的目标.

1.3 处理解释技术

高精度的数据采集、严要求的资料处理及高质量的异常解释，是后续研究工作得以顺利开展的重要基础.如今重力测量精度日益提高，数据信息日渐丰富，对资料解释成果的要求也就日趋严格.原始资料处理的准确性及异常反演解释的合理性，直接关系到重力勘探解决实际问题的成效，这就需要我们不断深化研究以提升相应的技术水平.

1.3.1 原始资料处理

在进行连续测量和长期监测时，重力仪往往会产生仪器漂移，这种漂移可能是线性漂移，也可能是指数漂移.与所有使用相对重力仪的重力测量一样，时延相对重力测量过程中的仪器漂移必须予以量化并删除.由于不同重力仪之间存在显著的个体差异，处理手段不可一概而论.如金属弹簧重力仪多进行一次项格值系数改正、不同CG-5型石英弹簧相对重力仪的一次项系数在不同观测周期的变化趋势及数值各不相同(黄江培等, 2020)，尚没有统一标准，只能综合采用多种方式来处理相应噪声问题，学者们也为此做出了诸多尝试.Gettings等在盐湖山谷南部开展的为期18个月的时延重力测量试点研究中，利用多站环路构建了一种新的经验阶梯漂移函数来消除仪器漂移、提高测量精度(Gettings et al., 2008).很多学者会采用线性漂移校正来简化处理过程，当仪器动、静态漂移率差距小且线性度好时，这种方法确实能有效减弱漂移影响(汪健等, 2016).然而，在实际工作中，重力仪的零点漂移往往是非线性的.为计算非线性漂移率，学者们提出了分段线性动态平差法(隗寿春等, 2016)、贝叶斯平差法(Chen et al., 2019)等方法，以期有效解决这一问题(黄江培等, 2023).
在进行常规重力测量数据处理时，环境影响通常不被纳入考虑范围，然而时延重力处理过程中却必须关注这些可能随时间变化的因素.对于外界温度、气压和固体潮等环境因素的影响，目前已经存在广泛认可的校正公式.譬如地球潮汐可通过减去由Berger和ETGTAB模型计算出的潮汐效应来进行校正，这种处理方式在大多数情况下都能得到比较准确的结果(MacQueen, 2010)，但它们本质上是全球模型，在给定位置观测到的实际地球潮汐可能与模型有所差异.地下水变化对重力的影响往往是一个重要的干扰因素，但由于水文过程的复杂性及相应数据的缺失，这些影响通常难以准确估计.Goto等尝试将观测到的重力效应表示为浅层地下水水位变化的线性函数总和以校正这些影响(Goto et al., 2019).事实上要想从重力响应中准确分离出地下水信号，我们必须深入了解该区域承压及非承压含水层的具体情况，并收集有关降水、蒸发以及近站点饱和区水文条件等详细信息，实际处理时存在很多挑战.
针对实际数据中存在的各种明显干扰，学者们已经开展了一系列研究，并采取了多样化的去噪处理方式.Dodds等在处理SECARB Cranfield项目的时延井中重力数据时，巧妙地借助视密度信息来削弱数据中的部分噪声影响(Dodds et al., 2013)；Goto等使用Tsoft软件的最小二乘滤波器对重力数据进行低通滤波，有效去除强风和海浪造成的强噪声，尽管这些噪声可能并未对重力的长期变化造成根本性影响，但低通滤波至少有助于更准确地识别潮汐信号(Goto et al., 2019).

1.3.2 异常反演解释

重力观测得到的异常实际上是地下不同深度、不同规模地质体引起的异常相互叠加的综合效应，如何分离得到目标地质体的异常信息，如何减少反演的多解性，一直是重力勘探研究的科学难题.不过，学者们展开的诸多尝试已经取得了一定效果(陈召曦等, 2012; 王祥和郭良辉, 2020; 李红蕾等, 2021; 刘彦等, 2015, 2023; 周新溢等, 2023).
为扩大三维反演的适用范围，提升计算效率、改善分辨率及减少多解性是比较重要的几个方面.优化设备性能、改进算法都是提升计算效率的一种尝试，如共轭梯度法、遗传算法、模拟退火法等；施加各种先验信息作为反演的约束条件是改善分辨率的有效途径；目标函数正则化技术如稀疏L1范数、平滑L2范数等有助于减少多解性、提高解的稳定性.
人工智能的飞速发展为我们探索反演方法提供了更多的可能性.黄锐详细梳理了传统的及基于深度学习的一系列重力反演方法的研究现状(黄锐, 2022).Gunawan等借助遗传算法对地面和井中时延重力数据进行反演，旨在找到目标区域和背景场的边界(Gunawan et al., 2020)；Alyousuf等使用前馈神经网络来反演时延三轴井中重力数据，以监测注入的二氧化碳在储层内的运移情况，研究结果表明，在恢复模型的客观性和提高分辨率方面，神经网络反演的效果要优于传统的正则化反演(Alyousuf et al., 2022)；Yang等基于深度学习U-Net网络成功探测到常规重力反演难以解决的深、小或低饱和度的二氧化碳羽流(Yang et al., 2022).这些研究不仅展示了人工智能在重力反演领域的巨大潜力，更是为二氧化碳地质封存监测的后续研究和应用提供了新思路.
重力勘探在其他领域的应用进展同样给我们带来了新的启示.Cho等在三维建模时利用克里金方法对井中重力数据进行插值，模拟Hastings注气储层的流体流动，从而揭示注入气体的时空分布与多组分重力数据之间的相关性，该方法可应用于储层内流体运移的低成本监测(Cho et al., 2020)；gTOOLS是处理相对重力数据的一种MATLAB开源软件，Battaglia等利用该软件测试了2015年喷发的厄瓜多尔科托帕希火山重力数据(Battaglia et al., 2022).尽管该软件最初是为动态监测活火山设计的，但我们可以尝试将其应用于二氧化碳地质封存的地下流体监测.
当前公开发表的文献揭示了众多重力反演方法的存在，传统反演算法虽然经典有效，但不适宜的初值选取或解的搜索空间过大会导致反演效率低下；而基于深度学习的反演方法所面临的模型边界模糊、泛化性不够等问题亟需解决.各种反演方法的共性、差异性和适用性尚未明确，反演方法的合理选择是今后重力数据处理解释环节需要权衡分析的问题.能够肯定的是，随着重力仪器研发的快速发展、测量技术的飞速进步、观测资料的日益丰富和处理解释能力的日渐提升，今后基于重力观测的研究成果将不断涌现.

2 时延重力的应用

上述重力仪器性能及处理解释能力的新进展，在推动重力方法从传统的勘探工具向监测手段转变的过程中发挥着重要作用(Appriou et al., 2020).利用实测或模拟数据，结合不断进步的反演技术和大幅提升的计算能力，该方法可以在储层中提取更有意义的流体运移信息(Krahenbuhl and Li, 2012).目前，时延重力方法已经广泛应用于地下水研究(Cogbill et al., 2006; Davis et al., 2008)、火山监测(Battaglia et al., 2008; Vigouroux et al., 2008)、油气开发(徐桂芬等, 2017; 赵文举等, 2017)、SAGD生产(王宏远, 2014; 蔡贇等, 2021; Reitz et al., 2015; Beaton et al., 2022)以及二氧化碳地质封存监测(Alnes et al., 2008; Dodds et al., 2013; Goto et al., 2019)等多个领域.本节将重点探讨时延重力监测二氧化碳地质封存的应用情况.

2.1 重力监测可行性分析

近20年来，二氧化碳地质封存项目的动态监测已成为研究前沿和热点.在实际应用于CCUS项目前，大量研究聚焦于评估地表及井中重力勘探的可行性(Sherlock et al., 2006; Gasperikova and Hoversten, 2008; Krahenbuhl et al., 2011; Jacob et al., 2016).
Wilkinson等针对不同深度条件进行建模计算，探究了二氧化碳从储层泄漏后在浅层积累所引起的重力变化，研究发现重力方法能够有效检测到从50 m深度处的6000 t二氧化碳至750 m深度处的241000 t二氧化碳积累所产生的重力异常(Wilkinson et al., 2017).当二氧化碳泄露至浅层时，会产生相对较大的重力异常值，一方面其与测点的距离更近，另一方面浅层较低的压力导致二氧化碳密度显著降低.Jafargandomi和Curtis使用一个垂直圆柱体模拟二氧化碳羽流形状，以预估地表重力测量的可行性，在这个垂直圆柱体的对称轴和边缘计算出了具有代表性的重力信号(Jafargandomi and Curtis, 2011)；Gasperikova等构建棱柱模型来模拟二氧化碳羽流，通过设定不同半径及二氧化碳饱和度等，分别计算其重力效应.研究结果表明，对于给定的二氧化碳质量和信号阀值，羽流的范围(即半径)决定了其可被检测到的深度.对于给定半径的二氧化碳羽流，其饱和度越高，探测深度也就越大.为了探测深层的二氧化碳羽流，必须在距离二氧化碳羽流边缘20~700 m的范围内进行钻孔测量，这一数值会根据二氧化碳的质量和密度变化而有所调整(Gasperikova et al., 2022).
地表重力调查虽然能够检测到二氧化碳的泄漏，但无法确定二氧化碳泄露通道的位置.为区分多个地层中二氧化碳的积累，特别是在封存储层较薄的情况下，需要采用适宜的井中测量来提高分辨率.澳大利亚东南部的Otway项目是在枯竭气藏中封存二氧化碳的首次尝试，Sherlock等建模预测二氧化碳注入后的重力响应，试图确认使用非地震地球物理探测技术能够检测到的二氧化碳最小量(Sherlock et al., 2006).模型结果显示，在现有观测井及预设的二氧化碳监测井中，以10 m间距布置重力测量，即使是10000 t二氧化碳也能得到较好的垂向分辨率，但如果想得到二氧化碳羽流的横向运移信息，就需要设置更小的井中测量间距.新一代三轴井中重力仪不再局限于垂直重力测量，它能够提供扩展羽流的附加方向信息，对于改善长期监测结果具有一定价值.Topham等探讨了利用井中重力监测加拿大Aquistore深层储层中二氧化碳的可行性(Topham et al., 2020)，研究发现能够利用可测量的重力信号(>10 μGal) 描绘出当前二氧化碳羽流位置，并预测在二氧化碳注入、驱替过程中储层可能产生的重力变化，证明了重力是一种成本效益比较高的监测方法.

2.2 重力监测应用实例

重力监测已在一些生产油气田进行了测试(Eiken et al., 2008; Stenvold et al., 2008; Elliott and Braun, 2016)，在横向展布范围较大、孔隙度较高的浅层储层中的应用效果尤为可嘉(Young and Lumley, 2015).图 1和表 2进一步列举了时延重力监测在二氧化碳地质封存领域的实际应用，我们会在后续章节更详细地深入剖析这些项目.观察表 2我们能够发现，时延重力多应用于CO2-EWR及CO2-EOR等相对成熟的项目，加拿大Scintrex公司生产图的相对重力仪是当前高频使用的仪器，而超导重力仪的普及使用势必会给重力监测注入新活力，国内自主研发仪器的加速推进必定会催生重力监测新动能，而地面和井中重力观测的结合必然会掀起重力监测的新浪潮.
图1 二氧化碳地质封存的时延重力调查项目

Fig 1 Time-lapse gravity survey projects for carbon dioxide geological storage

表2 时延重力监测实例

Table 2 Examples of time-lapse gravity monitoring

时间/年 CCUS项目 封存类型 研究方案
2002 挪威Sleipner CO2-EWR 使用布设Scintrex CG5重力仪的遥控潜水器ROV，于2002年进行基线观测，在2005、2009及2013年开展重复观测
2007 挪威Snøhvit CO2-EWR 使用布设Scintrex CG6重力仪的遥控潜水器ROV，于2007年进行基线观测，在2011及2019年开展了两次重复观测
2009 美国SECARB Cranfield项目 CO2-EOR 使用LaCoste & Romberg井中重力仪，于2009年10月进行基线观测，于2010年9月开展重复观测
2012 美国Farnsworth油田 CO2-EOR 使用超导重力仪iGrav SG，于2012年12月进行基线观测，于2013年11月开展连续测量
2013 美国Dover 33 CO2-EOR 使用Scintrex Gravilog井中重力仪于2013、2016及2018年三次开展井中重力调查
2015 加拿大Aquistore CO2-EWR 使用BluecapTM井中重力仪于2015年8月开展基线观测
2017 日本Tomakomai CO2-EWR 使用便携式超导重力仪SG于2017年7月底开始获取连续测量数据
实际应用过程中，不同项目注入的二氧化碳量不同，地层深度、储层特性等均存在差异，引起的重力响应大小自然不同：挪威Sleipner项目地下2400余m处300万t不同密度的二氧化碳能够带来-10 μGal至-4 μGal不等的重力变化；挪威Snøhvit项目地下2000余m处110万t二氧化碳可以产生1.6 μGal的重力变化；美国密西西比州SECARB Cranfield项目地下2500 m处超300万t二氧化碳会引起7 μGal的重力变化；美国Farnsworth CO2-EOR项目地下2300余m处重力总变化量为16 μGal；美国Dover 33项目地下1600余m处的重力变化为5.4 μGal；日本苫小牧项目假设每年注入100万t二氧化碳到1 km深处地层，由此可引起的年重力变化约为0.3 μGal.因此，我们需要综合考虑二氧化碳封存量、储层深度等因素，针对性制定监测方案，从而更准确地评估封存效果.

2.2.1 海底观测

挪威Sleipner项目是全球第一个长期运作、大量封存的二氧化碳咸水层封存项目.该项目通过操纵部署了Scintrex CG5相对重力仪的水下机器人ROV，于2002年开始进行重力基线观测并在海底置放永久测点(Alnes et al., 2008)，随后在2005、2009、2013年开展了多次重复调查(Alnes et al., 2011).Sleipner项目最初是在互相垂直的两条线上布置了30个测点，覆盖了东西7 km、南北3 km的区域.随着时间的推移，二氧化碳羽流的运移面积逐渐扩大，后续又增加了13个测点覆盖更大监测区域，如图 2a所示.为尽可能减小由仪器等因素引起的误差，使用多种重力仪对每个监测点都进行了至少3次的观测，300万t不同密度的二氧化碳将带来-10 μGal至-4 μGal不等的重力变化，如图 2b所示.
图2 Sleipner重力测量布局(a)及2002—2009年观测重力变化(b)(Alnes et al., 2011)

Fig 2 Sleipner gravity survey layout (a) and observed gravity changes from 2002 to 2009 (b) (Alnes et al., 2011)

在2007年基线观测工作开展之前，Snøhvit和Albatross共部署了76个间距约为2 km的混凝土重力平台.2011年，在Snøhvit北部又部署了10个平台，随后进行了第一次重复观测.2019年获得第二个重复观测数据集.通过比较每个混凝土重力平台上的观测数值，估算每次测量时仪器漂移和潮汐效应等随机噪声影响.Ruiz等分析了Snøhvit在2007、2011、2019年三次调查中噪声水平的演变，详细阐述了2011—2019年的时延结果，并描述了如何将这些测量结果纳入历史拟合程序，从而降低渗透率、孔隙度等储层关键参数的不确定性(Ruiz et al., 2020).
日本苫小牧(Tomakomai)项目于2015年3月在观测点的混凝土重力平台上安装了一台便携式超导重力仪SG，自2016年4月开始注入二氧化碳，从2017年7月底开始获取连续测量数据.基于Goto等构建的苫小牧项目模型，经过计算得知，在地下1 km深处，若每年注入100万t的二氧化碳，达到工业规模，预计会产生约-0.3 μGal的年重力变化(Goto et al., 2019).这一结果表明，利用超导重力仪SG有望在几年内探测到由二氧化碳注入引起的重力变化.

2.2.2 技术难点

区别于其他气体或者水的注入，二氧化碳被灌注到地下储层后会呈现出多种不同相态.此外，在进行不同封存类型的动态监测时，选择重力方法需要依据封存的二氧化碳质量及深度等先决条件进行权衡.如CO2-EOR项目中观测到的重力变化较之CO2-EWR项目通常较小，而在CO2-ECBM项目中，二氧化碳密度明显大于天然气，信号较强、易于检测.
重力基站的选择(Gettings et al., 2008)和传感器的布置方式对重力观测结果会产生不一样的影响，也就是说，重力监测并不总是能够顺利实施的.重力异常大小随目标体与测点之间距离平方衰减，所以重力测量不太可能有效地探测到发生在深层的变化.加拿大Quest CCS项目就因储层深度达2 km而否决了开展地表重力监测的方案(Bourne et al., 2014).此外，两种流体的密度对比是决定重力勘探是否有效的关键因素，而储层属性、地质条件、测井数据及地震等先验信息的可用性都取决于具体项目，没有一种方法适用于所有情况，实际监测方案还得依据具体需求并结合现场条件进行深入分析.
Sugihara等研究了利用弹簧重力仪、绝对重力仪、超导重力仪等多种重力仪器混合监测二氧化碳的可行性(Sugihara et al., 2013)，事实证明这种混合测量比单一使用某种仪器得到的结果更精确，Sugihara等后续将研究扩展到美国Farnsworth CO2-EOR油田的现场测量，由于该油田储层相对较薄且位置相对较深，地表重力信号较微弱，且易受地下水文变化影响，因此需要部署两台超导重力仪进行平行测量，以改善检测效果(Sugihara et al., 2014).Farnsworth CO2-EOR油田的时延重力监测方案有待优化，效果有待提升.
开展时延重力监测时，为提高测量结果的可重复性、降低其不确定性，很多项目都会选择布设永久性基准装置.其中，海床上的永久性探测器阵列是收集高频数据的一种方式，但此类设备必须能够抵御拖网干扰.海底拖网等渔具不仅会对海床造成潜在的不可逆转的生物化学影响，还可能削弱海洋碳封存能力(Paradis et al., 2021).Nooner等发现在挪威北海海底布设的永久性装置就曾被拖网沿着海床拖拽长达20 m，这对留在原地的重力仪造成了不可逆的损坏(Nooner et al., 2007).此外，Sleipner项目观测到的重力差值中的长波重力趋势，也可能源于基准周围大规模沉积物冲刷迁移及生物干扰等因素.日本苫小牧项目在开展重力观测时，将超导重力仪安装在混凝土重力平台上，并设置围栏保护，其目的仍然是提供一个稳定的平台，从而最大限度地减少各种干扰.但种种事实表明永久性器械的布置并非一劳永逸的选择，需要结合实际情况进行综合推断.

2.2.3 井中重力

美国密西西比州SECARB Cranfield项目第一次采用井中重力仪，对两口监测井开展二氧化碳地质封存的时延重力观测.Dodds等从两个角度出发，对时延井中重力数据进行了处理：一方面，他们比较了从详细储层模型计算出的参考数据与油田实际数据；另一方面，他们直接从钻孔数据中分析了视密度信息.此外，他们还从两个层面对井中重力数据进行了评估：一是对较大地质响应的敏感性，二是注入二氧化碳后随时间推移的较小信号变化(Dodds et al., 2013).视密度的变化为SECARB Cranfield项目提供了研究时延井中重力数据最客观的方法，结果显示注入二氧化碳后密度对比显著下降，这证明了薄储层中二氧化碳的置换，同时也表明井中重力仪可以感应到SECARB Cranfield项目中的二氧化碳羽流运移.
美国中西部区域碳封存伙伴关系(MRCSP)在密歇根州北部的Dover 33碳酸盐岩礁中进行了大规模的二氧化碳注入，于2013、2016及2018年使用Scintrex Gravilog井中重力仪在同一口井中进行了三次井中重力调查，以监测二氧化碳注入Dover 33碳酸盐岩礁引起的重力/密度变化，如图 3所示.Bonneville等由观测到的重力变化及基于地层密度反演建模推断出的密度变化，确定了储层中注入二氧化碳的封存及流动区域，如此可以获得礁石中流体运移的三维图像，确定二氧化碳羽流在三维空间随时间的演变情况，此外，礁石中的孔隙度和渗透率分布信息可用来约束密度分布(Bonneville et al., 2021).
图3 2013、2016、2018年在整个油井开展井中重力测量的勘探深度范围内的密度和重力值(Bonneville et al., 2021)m以下的大矩形对应的珊瑚礁模型包括密封层底部和储层本身

Fig 3 Density and gravity values within the exploration depth range where borehole gravity measurements were carried out throughout the well in 2013, 2016 and 2018 (Bonneville et al., 2021) The large rectangle below 1600 metres corresponds to a coral reef model that includes the bottom of the sealed layer and the reservoir itself

Aquistore项目是加拿大的一个综合性二氧化碳地质封存项目，也是目前全球正在运行的规模最大的露天实验室项目.该项目借助BluecapTM井中重力仪于2015年8月开展测量得到了3355 m至3100 m深度之间的密度信息，这些数据可视作此后井中重力监测的基线测量数据(Black et al., 2016)，后续观测应在相同深度的测点展开，以确保数据的可重复性.
上述众多应用实例证明，重力随时间的变化有助于推断储层密度变化.通过监测这种变化，我们能够有效地追踪储层中流体的运移前缘，并为后续储层的管理优化提供科学的参考依据.

3 时延重力与其他方法的综合运用

重力数据对储层密度变化直接敏感，这使得重力勘探成为监测储层流体如二氧化碳羽流动态运移的理想方法.在监测二氧化碳地质封存方面，重力勘探的独特优势在于它是目前唯一一种能够直接估计二氧化碳深度质量分布的地球物理方法(Gasperikova et al., 2022).重力观测的低分辨率问题是客观存在的，时延重力的监测效果依赖于对目标储层地质条件等相关信息的了解.因此我们需要整合涵盖互补信息的多种类型数据，作为先验信息来约束解释结果，从而弥补时延重力方法的不足.

3.1 先验信息约束

在实际生产过程中，我们需要以更高精度更逼真地模拟储层，当前的反演建模技术已经能够直接将三维地震勘探得到的信息纳入到储层边界中，或者依据测井数据得到的岩石属性，将变化的的孔隙度、渗透率等储层信息和地球物理参数联系起来.Gasperikova和Hoversten在复杂的Schrader Bluff储层成功地实现了将岩石属性变化、各参数变化及密度变化等时延信息融入到处理过程中(Gasperikova and Hoversten, 2008)；Krahenbuhl等在对路易斯安那州Delhi油田开展时延重力可行性研究时，将多个倾斜地震面的数据融入到时延重力反演中，这种处理方式能在简化模型的同时提高计算精度，旨在与其他地球物理和地质数据保持一致，从而使早期的可行性研究和后期的处理解释更有意义(Krahenbuhl et al., 2011).
针对地表变形影响，Kabirzadeh等提出了结合重力和地表变形数据对致密二氧化碳储层进行耦合反演的理念(Kabirzadeh et al., 2019).然而，由于信号较小的二氧化碳地质封存项目尚未开展全面的重力和大地测量联合研究，这一领域的探索仍显不足.重力勘探和大地测量方法曾被视作阿尔及利亚In Salah及挪威北海Sleipner这两个大规模二氧化碳地质封存项目的关键监测技术.不过，在Sleipner项目中观察到的地表变形几乎为零，而In Salah项目由于储层较深且二氧化碳注入量较低，预期的重力信号也较小，这些因素均阻碍了联合建模研究工作的开展.此外，由于密度变化与压力或体积变化之间存在复杂的相关性，整合和解释研究结果确实具有挑战性，但结合重力和大地测量技术开展联合研究的趋势已然明朗，其潜力和价值不容忽视.
Capriotti和Li介绍了一种新方法，该方法利用时延航空重力资料反演渗透率分布，他们采用Tikhonov正则化方法进行确定性反演，并结合时延重力和注采数据，旨在恢复储层渗透率并预测流体饱和度变化，这种方法还有助于计算模拟数值与实际数据之间的误差(Capriotti and Li, 2015).2011—2013年期间对中国西部涩北气田进行了三次重力测量，获得了三组时延重力数据，同时还收集了286口井的生产数据.Balza和Li将这些数据进行了整合，并纳入生产数据和储层地质信息，以约束时延重力反演，如此构建了一套与时延重力数据、生产数据和构造信息相一致的时延密度对比模型，这一模型有助于更好地划分出水量增加的储层区域，并改善了储层孔隙度的估算结果(Balza and Li, 2020).

3.2 联合反演

联合反演是一种综合利用多种类型数据以实现信息互补的方法.通过利用地质体的岩石物性关系或结构耦合关系，我们可以构建一个统一的地球物理模型.这种方法能够突破单一方法的限制，减少反演结果的多解性，是未来技术发展的一个重要方向.依据物性关系，当前的联合反演可分为物性参数相同和物性参数互补两类方法.

3.2.1 物性参数相同

当井中测量的重力垂直分量位于与二氧化碳存在相关的密度异常附近时，它可以提供良好的深度约束，从而区分不同区域的多个泄漏.地表数据可以提供对注入区水平范围的良好估计，而井中数据能够控制目标深度，地表和井中观测数据的联合反演可以合理估计驱替流体的质量，从而获取有关泄漏发生的宝贵信息.这种地表与井中数据的结合自然增强了重力方法的灵敏度和分辨率，在今后的应用中存在很大的发展空间.
传统的三维重力反演方法假设数据残差服从高斯分布，基于范数最小正则化的三维重力光滑反演目标函数为(彭国民和刘展, 2022; Peng et al., 2021)：
$\begin{aligned}\phi(\boldsymbol{m})= & \left\|\boldsymbol{W}_{\mathrm{d}}^{\mathrm{SF}}\left(\boldsymbol{d}^{\mathrm{SF}}-\boldsymbol{F}^{S F} \boldsymbol{m}\right)\right\|_2^2+\left\|\boldsymbol{W}_{\mathrm{d}}^{\mathrm{BH}}\left(\boldsymbol{d}^{\mathrm{BH}}-\boldsymbol{F}^{\mathrm{BH}} \boldsymbol{m}\right)\right\|_2^2+ \\& \lambda\left\|\boldsymbol{W}_{\mathrm{m}} \boldsymbol{W}_{\mathrm{e}}\left(\boldsymbol{m}-\boldsymbol{m}^{\mathrm{ref}}\right)\right\|_2^2, \end{aligned}$
其中，WdSF和WdBH分别是地表和井中观测数据加权矩阵，当不同观测数据的误差互不相关时，该矩阵为一对角矩阵，其对角线元素为观测噪声的标准差的倒数；dSF和dBH分别是地表和井中重力观测数据；FSF和FBH分别是地表和井中重力灵敏度矩阵；m是密度模型向量；mref是参考密度模型；λ是正则化因子；Wm是对角深度加权矩阵，其对角线元素为1/zj，zj为第j个小长方体单元中心的深度；We是聚焦矩阵；||·||2是L2范数.
Gouveia等验证了时延重力技术可以成功监测形状复杂的储层中的流体运移，与此同时通过联合反演井地数据，他们证明了关注多组数据来恢复流体运移的有效性(Gouveia et al., 2004)；Krahenbuhl等通过反演三组数据来恢复二氧化碳体积，并对此进行了评估.他们发现，当测点间距和数据误差逐渐增大到更接近真实的现场条件时，联合反演地表及井中的时延重力数据将有助于提升二氧化碳监测的精准度(Krahenbuhl et al., 2015)；Wan等利用地表和井中数据分析Kevin Dome重力监测的可行性，模拟结果表明，重力梯度数据能够揭示地下深层储层中二氧化碳羽流的位置及其运移过程(Wan et al., 2018)；Appriou等对地表和井中时延重力监测的性能进行评估，以检测加利福尼亚州圣华金谷kimberlina封存地点的二氧化碳泄漏(Appriou et al., 2020).由此可见，地表及井中所测数据的联合反演能够提供泄露发生的有效信息，并给出驱替流体质量的合理估计，是一种极具潜力的重力监测解释方法.

3.2.2 物性参数互补

将重力、电磁、地震及岩石物理等方法相结合的时延多物理联合反演是一种新思路，有可能改变碳封存监测的整体布局(Gasperikova and Li, 2021).联合反演并不是一个简单的过程，不同数据的模型参数化和正反演算法等往往各不相同.事实上很多学者会利用耦合约束来建立各物理量之间的联系，将一组数据集反演得到的模型作为另一数据集后续反演的起始模型或约束条件(刘洁和张建中, 2020).Um等构建的两种物性参数联合反演的目标函数如式所示(Um et al., 2014)：
$\left\{\begin{array}{l}\phi_{\mathrm{t}}\left(m_1\right)=\phi_{\mathrm{d}}\left(m_1\right)+\lambda_1 \phi_{\mathrm{m}}\left(m_1\right) \\\phi_{\mathrm{t}}\left(m_2\right)=\phi_{\mathrm{d}}\left(m_2\right)+\lambda_1 \phi_{\mathrm{m}}\left(m_2\right) \\\phi_{\mathrm{t}}\left(m_1, m_2\right)=\lambda_2 \phi_{\mathrm{s}}\left(m_1, m_2\right)+\lambda_3 \phi_{\mathrm{rp}}\left(m_1, m_2\right)\end{array}, \right.$
该目标函数由三个子目标函数构成，前两个分别用于反演两种不同的数据集，再对反演所得物性模型进行耦合约束，最终更新得到第三个目标函数.
当前，地球物理监测二氧化碳地质封存的联合反演多采用交替反演的方式.如Tveit等就先开展相对分辨率较低的CSEM或重力反演以构建先验模型，随后再开展分辨率更高的地震AVO反演，并将该方法应用于大规模二氧化碳注入的监测中(Tveit et al., 2020)；Dupuy等提出了结合地球物理和岩石物理的两步反演策略，旨在从地球物理数据中推导出相关岩石物理性质的定量估计值，如孔隙度、二氧化碳饱和度、流体分布等，从而实现对Sleipner项目的二氧化碳定量监测(Dupuy et al., 2021)；Um等基于深度学习方法，二维联合反演重力、电磁、地震数据来模拟二氧化碳羽流，取得了较为理想的结果(Um et al., 2024).
将重力方法与地质地形或生产数据等先验信息相结合，或是融合多种地球物理方法，均能够有效且高效地处理二氧化碳地质封存监测数据，这将会是今后研究的一个热门方向(Fibbi et al., 2023).

4 当前面临挑战及未来发展前景

上述章节详细阐述了重力监测技术在观测仪器和处理解释方法上的进步，但其应用主要聚焦于国外百万吨级的大规模地质封存项目.相较之下，国内的二氧化碳地质封存项目多以气驱采油试验项目为主，每年的二氧化碳封存量多为10万t级.受限于当前重力仪的观测精度，我们难以有效地捕捉到这些项目中由二氧化碳注入引起的重力异常变化.但随着如齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS项目等一系列更大规模碳封存项目的推进与实施，我们有理由相信，这将加速时延重力监测技术在国内二氧化碳地质封存项目中的应用进程.
为了有效预防和应对二氧化碳地质封存过程中可能发生的泄漏事故，国内外学者围绕监测方法开展了大量理论研究，但这些研究缺乏系统性整合，尚未形成体系化建设.对于二氧化碳地质封存时延重力监测技术，在学术研究层面，仪器漂移及噪声干扰是数据处理环节绕不开的难点，反演方法的选择同样是需要考量的问题.此外，如何确保重力解释结果与地质、钻井等先验信息的一致性，也是一项重要挑战.而在实际应用中，如何因地制宜选择理想的重力仪器，如何优化仪器部署以提高数据的可重复性，如何制定高效的监测方案譬如确定合理的观测时间间隔，做到既节省资金又达到观测目的？
想要提高重力监测方法的适用性，可以考虑从以下几方面入手：
(1) 提高仪器性能.随着技术的发展，重力仪的精度和灵敏度不断提高，具备了更高的测量分辨率和更低的噪声水平，可以捕捉到微小的重力变化.对于二氧化碳地质封存项目，仪器的可重复性须低于5 μGal以检测到密度变化，要想在较深层探测到二氧化碳泄露现象，我们仍需不断提高重力仪精度.此外，当前市场中的相对重力仪仅Scintrex-CG5/CG6可适应相对极端的作业温度，其他仪器的测量不确定度受环境影响较大.因此，为了在多种环境下都能观测到重力的时空变化，我们需要进一步发展和优化重力观测仪器.
(2) 配置混合重力网络.绝对重力仪精度高、不确定性低，虽已研制出Micro-g LaCoste A-10这种可应用于野外的绝对重力仪，但精度和效率的平衡效果没那么理想.采取混合重力观测，将绝对和相对重力测量相结合，这种观测方式能够综合相对重力仪的经济性和绝对重力仪的精密性.无论是在火山监测还是在二氧化碳地质封存监测中，这种混合观测方式都已经进行了很有意义和价值的尝试.
(3) 改进数据处理解释方法.近年来计算方法的飞速发展极大地推动了重力数据处理解释技术的进步，我们提倡将数据处理解释和先进算法技术相结合，如结合人工智能和机器学习实现可视化及实时监测的目标.此外，为提取由二氧化碳注入引起的重力信号变化，我们必须量化不同干扰因素的影响.机器学习可以有效提高反演地下二氧化碳分布的效率，数据融合、数据同化、历史拟合等处理方式可以提高重力监测结果的可靠性和准确性.然而，如何将重力数据整合到历史拟合生产数据中，目前的文献研究尚存在一定空白，在此过程中建立一个可接受的岩石物理模型也是一项耗时且具有挑战性的任务.
(4) 提高模型合理性.我们鼓励结合岩芯取样及注采数据，建立合适的模型来模拟各个环节.如地质模型以了解地下构造及储层的岩石-流体作用，岩石物理模型以了解孔隙尺度下储层中的流体分布.在进行数值模拟时，除了考虑断层裂缝，还应充分关注大量废弃井等可能的泄漏路径.此外，我们应尽可能考虑到多孔隙介质中的温度-渗流-力学-化学(THMC)多场耦合反应，更全面地模拟实际地质环境中的复杂过程.
(5) 融入先验信息约束项.丰富且精确的先验信息有助于降低反演多解性.与地震方法相比，重力方法的应用范围相对较窄，这是因为引力随距离平方衰减，限制了其在太深或太浅储层的应用.然而，我们可以利用地质、测井等资料提供的空间展布、物性参数等多重信息，将其作为反演的约束条件融入到处理解释过程中.这样做不仅可以弥补重力方法的局限性，还能进一步提高反演解释的可靠性.
(6) 综合利用多种监测手段.监测二氧化碳地质封存时地表及井中重力所测数据的联合反演可以充分利用水平及垂直方向的密度属性信息，为后续处理环节夯实数据基础.此外，重力与地震、电磁等方法的综合运用能够充分发挥其性价比高的优势，精确地成像地下二氧化碳羽流的运移情况，提供更全面的储层属性及二氧化碳分布等信息，减少与流体分布和非均质盖层等相关的不确定性，提高分辨率进而提升监测效率.然而，如何将多类型数据有效地纳入到数据处理解释环节，仍存在较大的进步空间.

5 结论

建设CCUS项目是2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的重要途径.随着全球降碳减排进程的有力推进，我们迫切需要建立一套完整的、可商业化的、贯穿二氧化碳注入整个周期的二氧化碳地质封存监测系统.地球物理技术在二氧化碳地质封存监测领域发挥了重要作用，通过对二氧化碳注入前后储层各项地球物理响应特征进行深入分析，我们能够合理推断地质封存安全性以及二氧化碳泄漏风险性.
当前开展的CCUS项目成本普遍较高，时延重力监测等大尺度、低成本的监测方法对于长期监测二氧化碳地质封存具有重要意义，有望引起更多关注并在未来的CCUS项目中得到更广泛的应用.需要明确的是，在应用时延重力开展监测工作时，并没有放之四海而皆准的固定方案.事实上监测目的决定着最合适的监测方法，监测对象和方法的选择应遵循有效性、灵敏性、经济性和可操作性原则.当前运营的二氧化碳地质封存项目监测体系均不够完善，这要求我们结合当前的技术水平和经济成本要求，综合多种地球物理方法，进一步优化数据处理解释，从而达到有效、高效、经济的多角度综合平衡，这也是分析二氧化碳地质封存状态最准确的一种方式.如果我们能有效组合地表及井中观测重力数据，达到密度信息的最大化利用，再结合地质条件、大地测量及其他地球物理方法开展工作，或许能够取得意想不到的效果.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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