大规模部署碳捕集、利用与封存面临的挑战

芮振华 ,  曾联波 ,  Birol Dindoruk

Engineering ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (1) : 18 -21.

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Engineering ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (1) : 18 -21. DOI: 10.1016/j.eng.2024.11.031
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大规模部署碳捕集、利用与封存面临的挑战

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Challenges in the Large-Scale Deployment of CCUS

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芮振华,曾联波,Birol Dindoruk. 大规模部署碳捕集、利用与封存面临的挑战[J]. 工程（英文）, 2025, 44(1): 18-21 DOI:10.1016/j.eng.2024.11.031

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1 引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，为了将全球气温升高幅度控制在2 ℃以内，气候变化减缓路径一致预测未来全球需对CO2地质封存技术进行规模化应用。为了实现2025年净零排放目标，全球碳封存规模需从当前每年4000万吨大幅提升至每年50亿吨[1]。当前，全球碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilization and storage, CCUS）领域已建成约45个商业化项目，另有700个项目处于不同开发阶段。其中，中国延长CCUS项目是煤化工设施与CO2资源化技术成功结合的典型案例，该创新模式实现了煤炭清洁利用、能源增效与碳减排等多重效益[2‒3]。预计到2030年，CCUS的年碳捕集量将达4.35亿吨，碳封存量将达6.15亿吨[4]。然而，现有商业化CCUS项目的部署速度仍远未达到净零排放的预期目标，全面商业化面临巨大挑战。本文系统探讨了CCUS大规模部署中的关键挑战，包括技术、运营和监管等方面。文章还探讨了大规模部署CCUS技术所伴随的复杂性和困难，强调了迫切需要制定针对性策略以缓解这些挑战并加快部署（图1）。

2 地质挑战

为了确保CO2高注入率、充足的封存容量及长期封存潜力，CO2地质封存前需进行系统性现场尺度的地质表征。精确的地下建模需刻画封存过程中多物理场及多尺度特征，借助集成压力、温度及地球化学作用的动态模拟工具预测CO2迁移、俘获能力和储存容量。然而，数据质量与覆盖范围的差异性（源于数据采集方法、分辨率、数据格式及解释方法的差异）会显著影响地质表征精度。现有场地数据常存在深度不足、空间覆盖有限等问题，通常局限于浅层区域且空间分布稀疏[5]，易引发封存容量评估偏差、CO2迁移/封存路径预测失准以及泄漏通道识别不足等问题[6]。

近期研究表明，场地表征的关键挑战包括地质构造刻画、CO2-地质体动态相互作用机制解析、封存容量定量评估及场址技术经济可行性评估。因此，三维地质建模与可视化技术成为CO2地质封存的核心工具，其发展依托多维勘探与高分辨率成像技术的融合，通过提升数据透明度与可访问性，并赋能机器学习与数据驱动决策机制，推动高精度地质绘图与建模技术的突破性发展。

然而，传统三维地质模型难以准确刻画复杂地质结构，尤其在面对非均质岩石基质与多尺度裂缝网络​​时存在显著局限性。以墨西哥湾Wilcox Trend区域为例，超深水环境（达35 000 ft，1 ft=30.48 cm）与巨厚盐层（10 000~20 000 ft）导致地震分辨率受限[7]，这些因素降低了三维地震成像的准确性和可靠性，导致模型无法有效表征孔隙度、渗透率等物性参数的非均质性​​，即使在局部尺度也呈现显著非均质性，难以量化裂缝网络对流体运移与密封性的控制作用。这种复杂性的叠加进一步暴露出现有模型的技术缺陷。

机器学习算法虽然可以优化三维建模流程，却受限于数据匮乏，这凸显了跨学科技术融合创新的必要性，亟须通过整合三维地质-构造模型实现多时空尺度下的鲁棒性评估。尽管宏-微观多尺度模型已实现技术突破，但跨尺度整合机制的缺失与系统性方法论的不足阻碍了高保真模型的构建，制约CO2封存工程的科学决策，故须依托CCUS的跨学科属性，组建具备全周期评估、整合、执行及监测能力的一体化专业团队。

3 运输挑战

大规模CCUS运营需建设完善的CO2运输基础设施体系，包括连接CO2排放源（如电厂、工业设施）与封存地的广泛管道网络及跨境输送系统。最新研究表明，自2023年2月以来全球年CO2运输与封存能力已跃升至2.6亿吨，预计2030年将达6.15亿吨，但仍低于实现净零排放所需的10亿吨的目标需求[8]。因此，亟须加速构建稳健高效的CO2运输网络和基础设施，并扩大封存容量。

当前碳管理核心障碍在于​​排放源与封存场地间集成化基础设施的缺失，即源-汇匹配不足。高效的管道网络作为解决运输问题的关键，虽然可安全高效联通排放源与封存设施[3]，却面临众多挑战：①管道设计的结构完整性与流动稳定性保障问题、项目全周期健康安全环境（HSE）管理以及管道特许审批程序问题；②CO2气流中的杂质影响机制：当多源气流在管网与集输中心交汇时，硫化氢（H2S）与硫氧化物（SOₓ）等腐蚀性杂质​​将显著增加材料成本；而氧气（O2）、氮气（N2）及氩气（Ar）等非凝气体因持续累积导致管道与储层内运行压力梯度式升高（该现象在美国和加拿大的管道系统中广泛存在），进而增大运输成本；③ CO2及其他酸性气体中的游离水会引发管道内壁水合物形成与腐蚀速率激增[8‒9]，现行规范对CO2游离水含量的限值存在显著差异（40~500 ppm），但容许上限尚未明确，亟需建立标准化管控指南；④超临界相CO2对高程变化及杂质含量高度敏感，会显著干扰CO2相态行为与过程热力学特性，进而影响减压距离设计、流态稳定性以及管道运行与运输工况。

以上问题的解决方案需要多维度协同。通过管径梯度设计、高程差优化、减压阀配置及泵站拓扑规划维持超临界相稳定；建立涵盖管道设计-运营-融资的技术经济评估框架以控制风险[10]。商业化运营风险主要体现为高资金支出与运营成本导致的工程延期、设施废弃及项目终止，此类风险在长距离运输或复杂地形项目中尤为显著。值得注意的是，管道运输虽具最低碳排放与运营成本优势，但需要较大的初期投资。尤其在复杂地形场景中，腐蚀防护与流动保障的持续投入将直接影响项目经济可行性。因此，建立可靠的技术-经济评估模型对CCUS管道商业化部署至关重要。

4 CCUS安全与监测挑战

CCUS安全与监测的核心在于保障人员、环境及基础设施免受CO2风险威胁。其技术框架涵盖五方面防控，包括密封性保障、泄漏监测与修复、腐蚀抑制、压力调控及应急响应。先进监测体系融合实时注入追踪、地下羽流运移示踪及针对地面和地下条件的先进泄漏检测技术[11‒12]。CO2监测的主要目标是跟踪CO2羽流时空演化过程并验证目标地层的封闭性，同时需要明确目标地下地质体及周边的潜在泄漏风险。

CO2监测面临诸多复杂性挑战，包括CO2-岩石-流体多元化学反应预测、注气诱发断层/裂缝动力学响应解析、CO2羽流高精度地震勘探方案最优设计等。主流远程监测手段包括四维地震、可控源电磁法、微地震、干涉合成孔径雷达、全球定位系统监测。同样，先进的地球物理监测技术（如将四维地震勘探与电磁勘探相结合）有望实现对CO2羽流的精准追踪及对游离气饱和度的估算[13]，然而此类技术存在局限性，包括分辨率较低及深度不确定性问题。例如，若要获取高分辨率数据，其最佳深度范围通常限制在3 km及以内[13]，这阻碍了对断层和裂缝的有效表征。数据采集可重复性差、处理流程不一致及解释方法主观性进一步制约了四维地震精度。即便采用高分辨率层析成像与分布式声波传感技术的钻井地震勘探，也存在技术局限性（例如，在识别构造圈闭与地层圈闭方面存在困难、带宽受限以及分辨率降低等问题）。

最后，CCUS系统的有效监控在很大程度上依赖于高性能计算，通过该技术实现复杂任务（包括实时数据分析、数值模拟、机器学习及预测分析）的自动化与并行化处理。尽管计算能力效率显著提高，但仍存在一些问题，为CCUS监控技术的广泛应用带来挑战，亟须解决上述问题以降低封存体系失稳风险，并确保CCUS技术的安全部署。

CCUS作业涉及将CO2注入地下储层，这一过程可能引发多种地质力学灾害，如孔隙压力升高、应力场重分布、储层变形及井筒完整性破坏等。注气速率过高时，井底压力可能超过岩层破裂压力，产生拉伸裂缝。水力压裂与酸化等增产技术可提升近井地带渗透率。但是，储层孔隙压力变化可能会引发孔隙弹性响应，可能延伸至储层表面。该过程可能导致盖层与储层界面处剪切破坏，进而降低盖层稳定性，并破坏其密封能力。此外，过量注入CO2会加速水泥碳化腐蚀、扩大套管环间隙并加剧金属构件电化学腐蚀，进而危及井筒完整性并污染地下水[14]。持续注气压驱作用会增强储层压实应变，改变内部应力分布，引发应力向围岩转移，可能导致地表不可逆沉降，故亟须深化CO2注入对地下化学-力学耦合机制的影响研究。

过量CO2注入导致局部压力过高，会通过改变应力状态（具体而言是降低有效法向应力，并可能引发剪切破坏）使断层发生再活化[15]。由于局部应力变化和断层非均质性，局部应力场显著偏离区域地壳应力，断层几何结构与抗剪强度存在空间非均质性，断层再活化预测十分困难。研究表明，流体过量注入可能触发灾难性地震。例如，2011—2012年美国俄克拉荷马州注水工程曾诱发5.6级地震，造成14栋建筑损毁及2人受伤[16]。需特别注意的是，长度仅数百米且与注气层相交的小断层同样具备诱发显著地震活动的潜力。然而现有地震勘探技术难以精准识别此类小断层，致使断层活化临界注气压力的定量预测成为重大技术难题[17]。

CO2注入引起的地应力场改变是诱发地震的主要原因，因此精确预测此类地震需全面掌握复杂断层网络与动态应力场特征。目前，现有的CO2储存项目尚未发生显著的地震活动，但未来的大规模CCUS作业将向地下注入大量的CO2，会大幅度增加地震风险。由于地应力场分布不确定性、隐蔽断层不可探测性以及岩体力学参数空间变异性，地震预测存在较大困难。因此，对于大规模CCUS应用而言，对具有非直观活化行为的复杂断层系统进行特征表征至关重要。识别诱发地震活动的特定触发因素，是该领域当前面临的主要挑战之一。在这一背景下，理解CO2注入、储层压力与断层系统行为之间的复杂相互作用，对于最大限度降低诱发地震活动的风险具有关键意义。

为评估和降低诱发地震风险，业界已开发多种评估CO2封存项目地震活动性的方法。当前主流理论包括临界压力理论（CPT）、Biot理论与断裂力学（FP）理论，但在实际应用中均存在局限性。具体来说，CPT未考虑区域性构造断层影响；Biot理论忽略应力腐蚀导致的失效机制；FP模型难以实现可靠的地震活动现场预测。相较而言，Dieterich模型虽能整合应力场演化、构造活动及储层动态响应，但在参数标定、模型敏感性及复杂断层适用性方面仍面临挑战。诱发地震预测方法包括统计方法、物理方法及混合方法。统计模型利用历史地震相关性，物理模型则利用地质和地球物理参数，这两种方法均存在局限性且均无法准确预测稍大震级地震事件。其他预测方法还包括经验方法与模拟方法。经验公式通过简化物理过程降低计算复杂度，但其依赖已观测到的地震数据；由于模型保真度不足及数据存在局限性，其准确性较低。在碳地质封存、增强型地热系统及废水注入领域应用的数值模拟方法虽能刻画复杂地质过程，却依赖用于模型校准的高精度输入参数。确保盖层稳定性并监测孔隙压力变化，对于预防诱发地震及降低与CO2注入相关的环境风险至关重要。

5 政策与监管挑战

健全的监管框架和政策支持对扩大CCUS规模极为重要，需通过碳定价机制、专项财政补贴、审批流程简化及跨境合作协定构建有利发展环境。然而，当前监管体系存在区域监管标准不一、项目许可周期冗长以及标准化的封存运输规范缺失的缺陷，不仅造成了不确定性，还延缓了项目进度。政策波动性显著抑制长期资本投入，凸显稳定且长期的政策承诺的紧迫性。因此，建立完善的监管框架对于推动大规模CCUS投资、保障项目长期可行性至关重要。一个透明高效的监管框架需具备简化的许可审批流程、明确界定的许可标准、对封存场地的严格监管规则以及积极的公众参与机制，才能为该行业构建稳定且具有吸引力的发展环境。

偏远及基础设施薄弱区域的大规模CCUS项目面临额外挑战，因此在资金成本较高的地区，获得早期融资尤为关键。实施完善的碳定价与定向税收激励等市场机制可提升部署效率与可扩展性，但由于许多现有的碳定价方案缺乏必要的价格门槛，使得CCUS技术难以经济地广泛应用推广。

6 结论与建议

本文系统梳理了部署大型CCUS项目的关键挑战，涵盖场地表征、CO2运输与封存、数据体系、监测技术及监管经济要素，以确保整体运行可靠、可推广。为促进大规模CCUS项目的有效部署，提出以下建议：

（1）大型CCUS项目须建立高精度CO2监测体系，通过整合实时注入追踪、地下羽流示踪及泄漏检测技术，验证封存系统的密封性能并识别潜在泄漏通道。为提升监测效能，须采用时移四维地震监测、被动地震监测与探地雷达（GPR）等先进技术，强化泄漏识别精度与羽流实时追踪能力。

（2）有效实施地质碳封存需依赖综合性场地表征与具备正确且可扩展的输入数据的动态地下模拟，但数据匮乏、质量参差及格式混乱显著制约该过程。亟须建立统一数据采集标准与易于访问的公共数据库，为高精度动态模拟提供支撑，进而实现科学决策。

（3）针对物理过程在时空维度的多尺度特性，须构建高效数值模型及数值模拟器。该工具需支持多情景不确定性分析，并具备实时数据融合能力，以优化复杂地质条件下的预测能力。

（4）CO2管道运输是大规模CCUS项目高效实施的重要步骤。由于超临界流体的强腐蚀性，当前CO2的安全管道运输面临挑战，须通过专业化管道设计、耐蚀材料选择及标准化操作规程应对。必须严格执行管道完整性管理、流动保障与HSE标准，确保输送系统可靠运行。

（5）应对技术-监管-经济复合挑战需凝聚多方合力。政策制定者应统筹技术研发、监管框架与经济策略，通过协同机制突破实施障碍，充分释放CCUS技术的气候治理与可持续发展潜能。

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