CO₂ 咸水层封存注入能力评价研究

报告编号：OGG-A-009 所属专题：CO₂ 驱油与封存 出品方：北京经纬智汇信息咨询有限公司 报告日期：2026 年 7 月 保密级别：内部参考 版本：V1.0

执行摘要

深部咸水层（saline aquifer）是全球公认的 CO₂ 地质封存最大容量载体，占全球理论封存潜力的 90% 以上，但其规模化封存能否成立，最终取决于一个长期被低估的工程变量——注入能力（Injectivity）。注入能力决定了单井每年能够可靠、安全地注入多少 CO₂，直接制约项目的井数、占地、投资强度与经济性。本报告以"注入能力评价"为主线，贯通机理、方法、案例、市场与政策五个维度，形成如下核心判断。

第一，注入能力是咸水层封存从"有容量"走向"能落地"的真正瓶颈。 全球在营咸水层封存项目已多次暴露注入能力问题：挪威 Snøhvit 项目在投产约 18 个月后因近井地层压力异常升高、盐析堵塞被迫改换封存层；澳大利亚 Gorgon 项目因减压水系统故障导致注入长期低于设计能力，前五年实际封存量仅约设计目标的三分之一。这些教训表明，容量评价合格的储层，注入能力未必合格。

第二，注入能力下降的主导机理已相对清晰，但预测精度仍不足。 盐析（halite precipitation）与干化（dry-out）效应造成的近井孔隙堵塞、注入诱发的地层压力累积、细颗粒运移与地球化学反应导致的储层伤害，构成四类主要机理。当前解析法可做快速估算，但对非均质、多相、地化耦合过程的刻画依赖 TOUGHREACT、CMG-GEM 等数值模拟器，而模拟结果对相对渗透率、毛管压力等输入参数高度敏感，工程不确定性依然显著。

第三，评价方法正从"静态数模"向"数模+试注+实时监测+AI"的耦合体系演进。 试注试验（injection test）与压力瞬变分析（PTA）提供关键的原位标定，机器学习开始用于注入能力快速预测与实时优化，"数字孪生"注入井成为前沿方向。

第四，中国在咸水层封存注入能力评价上与欧美存在约 15–25 年的工程经验代差。 欧洲自 1996 年 Sleipner 起已积累近 30 年连续注入数据，中国咸水层封存尚以百万吨级示范起步，实测长周期注入能力数据稀缺。

关键行动建议（详见第 07 章）：以注入能力为一票否决式前置筛选指标；防盐析工艺与主动压力管理应作为注入井标配设计；应尽快布局 AI 数字孪生与实时监测能力，缩小与国际先进水平的差距。

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起与问题意识

在全球碳中和目标驱动下，碳捕集、利用与封存（CCUS）被 IEA 列为实现净零排放不可替代的关键技术之一。在各类封存介质中，深部咸水层因其分布广、容量大、不与油气开采绑定，被视为承载大规模 CO₂ 封存的主力地质体。然而，"有多大容量"与"能注得进去多少"是两个截然不同的问题。

过去二十年的行业实践反复证明：一个理论封存容量达数亿吨的咸水层，若单井注入能力不足，可能需要成倍增加注入井数量，导致投资激增、占地扩大、地面工程复杂化，甚至因近井压力累积触及盖层破裂压力或诱发微地震而被迫限产。因此，注入能力评价是咸水层封存项目立项、选址、井网设计与经济性测算的核心前置环节，也是当前技术瓶颈最集中、最需要系统梳理的方向。

1.2 核心调研问题

本报告围绕以下核心问题展开：

• CO₂ 咸水层封存的封存机理与注入能力的物理本质是什么？
• 注入能力如何量化评价？核心指标与主流方法各有何优劣？
• 注入能力下降的关键机理与工程瓶颈是什么？如何缓解？
• 全球标杆项目在注入能力上积累了哪些实测数据与经验教训？
• 全球市场格局、技术服务商能力与中外技术差距如何？
• 未来 12–36 个月及更长期的技术演进方向与决策建议是什么？

1.3 调研范围界定

• 对象范围：深部咸水层（含盐水的砂岩、碳酸盐岩等含水层）CO₂ 地质封存，聚焦注入能力评价，兼及相邻的封存机理、井筒完整性与压力管理议题。
• 地域范围：全球视野，覆盖欧洲、北美、澳洲、中国等主要封存实践区域，并进行中外对比。
• 时间范围：全时间轴，从 1996 年 Sleipner 起的历史演进，到当前技术现状，再到未来趋势预判。

1.4 调研方法说明

本报告采用多源信息交叉验证的方法，综合权威机构报告（IEA、IEAGHG、Global CCS Institute、NETL、LBNL）、行业期刊论文（以《国际温室气体控制期刊》为代表）、项目运营方公开资料（Equinor、Shell、Chevron 等）、标准文献（ISO 27914 等）及核心专利信息，采用定性与定量相结合、案例佐证结论的方式进行分析。

02 · 技术现状全景

2.1 CO₂ 咸水层封存的核心原理（白话版）

将 CO₂ 注入地下 800 米以深的咸水层，此深度下地层温度压力使 CO₂ 处于超临界态——密度接近液体（约 600–800 kg/m³）、黏度接近气体，既能高效占据孔隙空间，又易于流动注入。CO₂ 注入后被四种机制逐级"锁"在地下，安全性随时间递增：

• 构造/地层圈闭封存（Structural/Stratigraphic Trapping）：低渗透盖层（如泥岩、盐岩）像"盖子"一样阻止浮力驱动的 CO₂ 上逸，是注入初期的主导机制，起效快但依赖盖层完整性。
• 残余气封存（Residual Trapping）：CO₂ 羽流运移后，部分 CO₂ 以不连续气泡被毛细管力"卡"在孔隙中，无法再流动。
• 溶解封存（Solubility Trapping）：CO₂ 逐步溶入地层盐水形成碳酸,溶解后的盐水密度略增、向下沉降，安全性显著提高，时间尺度为数十至数百年。
• 矿化封存（Mineral Trapping）：溶解的 CO₂ 与岩石矿物反应生成稳定碳酸盐矿物，是最永久的封存形式，但在砂岩中通常需数百至数千年，在玄武岩中可大幅加速。

!图 2-1 CO₂ 咸水层封存四大机制随时间演化的安全性递增示意图 *图 2-1 CO₂ 咸水层封存四大机制随时间演化的安全性递增示意图*

2.2 注入能力（Injectivity）的物理本质与核心评价指标

注入能力指在给定注入压力约束下，储层单位时间可接纳 CO₂ 的能力，本质由储层的渗流传导能力与压力可用空间共同决定。其核心量化指标包括：

• 注入指数（Injectivity Index, II）：单位压差下的注入速率，II = Q /（P_wf − P_r），其中 Q 为注入速率、P_wf 为井底流压、P_r 为地层压力。II 是最核心的注入能力表征，单位常为 t/(d·MPa) 或 m³/(d·MPa)。
• 井底流压（BHP）与注入压力窗口：注入压力上限受盖层破裂压力（fracture pressure）约束，通常要求井底压力不超过地层破裂压力的某一安全系数（多取 90%）；下限需高于地层压力方可注入。二者之间即为"可注入压力窗口"。
• 地层压力上升与压力扰动范围：注入引起的地层压力增量（ΔP）及其横向传播范围，决定了单井影响半径与井间干扰，是井网设计的关键约束。
• 可注入性系数 / 表皮系数（Skin Factor）：反映近井带因盐析、颗粒运移等造成的附加流动阻力，表皮系数增大意味着注入能力下降。

!图 2-2 注入压力窗口与注入指数（II）随时间衰减示意图 *图 2-2 注入压力窗口与注入指数（II）随时间衰减示意图*

2.3 发展脉络与成熟度评估

CO₂ 咸水层封存注入能力评价技术历经三个阶段：

• 奠基期（1996–2005）：以 1996 年挪威 Sleipner 项目为标志，全球首个商业化咸水层封存启动，Utsira 砂岩优异物性使注入能力问题被"高物性红利"掩盖，行业关注点集中于容量与运移监测。
• 问题暴露期（2005–2015）：Snøhvit（2008 投产）、In Salah（2004 投产）等项目相继暴露近井压力升高、盐析堵塞、盖层承压变形等注入能力相关问题，注入能力开始成为独立研究热点，TOUGHREACT 等地化耦合模拟器广泛应用。
• 系统化评价期（2015 至今）：Quest、Gorgon、IBDP 等项目积累多样化数据，试注+数模+监测的耦合评价体系成型，机器学习与数字孪生开始进入注入能力预测领域。

总体而言，注入能力评价技术在方法层面已较成熟（技术成熟度 TRL 7–8），但在非均质储层长周期预测精度、盐析定量预测、实时优化等方面仍处于持续突破中。

2.4 国内外整体发展现状

• 欧洲：技术最成熟，Sleipner、Snøhvit 提供全球最长连续注入数据序列，挪威 Equinor 是注入能力管理经验最丰富的运营方。
• 北美：美国依托 NETL、LBNL 等国家实验室在数值模拟（TOUGH 系列、PFLOTRAN）与地化耦合上领先，IBDP 提供了高质量咸水层注入监测数据；加拿大 Quest 项目运行稳健。
• 澳洲：Gorgon 项目是全球最大咸水层封存项目之一，其注入能力管理（尤其减压水系统）的经验教训极具参考价值。
• 中国：以齐鲁石化-胜利油田、神华鄂尔多斯、吉林油田等示范项目为代表，起步较晚，咸水层长周期注入能力实测数据稀缺，评价方法多借鉴国际主流软件，自主化程度有待提升。