CO₂ 封存长期完整性：水泥环 / 盖层 / 井筒泄漏风险与防控研究

出品方：北京经纬智汇信息咨询有限公司 报告编号：OGG-S-007 所属赛道：OG-G CCUS 与双碳 · 封存井完整性与封隔材料集群 报告日期：2026 年 6 月 保密级别：对外交付（客户报告 / 咨询交付物 / 合作提案） 版本：V1.0 篇幅级别：深度版（S 级旗舰）

执行摘要

二氧化碳地质封存（CO₂ Geological Storage）能否成为可信赖的气候解决方案，最终取决于一个朴素而苛刻的命题：被注入地下的 CO₂，能否在百年乃至千年的时间尺度上稳定地与大气和浅层水体隔绝。这一命题的答案，并不取决于捕集工艺的先进程度，也不取决于注入量的规模大小，而取决于储层之上那一整套"封盖系统"——盖层、水泥环、井筒套管——能否在 CO₂—水—岩石—金属长期相互作用的侵蚀下持续保持密封。本报告即聚焦于这一"封存可信度的最后一公里"，对水泥环、盖层、井筒三大屏障的失效机理、泄漏风险量化、监测防控技术体系、全球工程经验、政策标准与产业格局展开系统性深度调研。

从全局态势看，全球 CCS 进入加速放量阶段。截至 2024 年中，全球 CCS 项目管线已达 628 个，累计捕集封存能力约 4.16 亿吨/年，七年复合增长率超过 30%。然而规模放大的同时，长期完整性风险也在同步累积——每一口新注入井、每一个被纳入封存区的老油气田，都在为这套封盖系统增添新的潜在泄漏通道。本报告通过对 Sleipner（挪威，运行近 30 年）、In Salah（阿尔及利亚，因盖层压力异常被迫停注）、Quest（加拿大，发现气窜并成功处置）、神华鄂尔多斯与胜利油田（中国示范）等标志性项目的复盘，提炼出三条贯穿始终的判断：

第一，技术上百年尺度密封是可行的，但"可行"不等于"自动达成"。 Sleipner 项目近 30 年的时移地震监测证实 CO₂ 受盖层有效圈闭、未发生泄漏，多个长期演化模型预测千年尺度下溶解圈闭与矿化圈闭将逐步接管浮力圈闭，使封存安全性随时间增强而非衰减。但这一良性演化的前提，是选址、建井、运营、监测全链条不出现关键短板。

第二，压力管理是不可逾越的第一红线。 In Salah 项目因注入压力超过储层及下盖层的破裂压力，引发了水力裂缝扩展、地表抬升与大量微震，最终于 2011 年被迫停注。这一案例以最直接的方式证明：盖层完整性的首要威胁不是缓慢的化学腐蚀，而是运营期内可被人为控制却被忽视的压力超限。

第三，废弃井是规模化封存最大的、也是最被低估的泄漏不确定源。 在美国，废弃油气井总数估计高达约 390 万口，其中约 220 万口从未被规范封堵；许多老井位置失考、固井质量不明，却恰恰大量分布在适宜地质封存的层位之上。中国陆相老油区同样面临数量庞大、档案不全的老井隐患。这意味着，封存场地的完整性风险，很大程度上是被"历史遗留"而非"新建工程"所决定的。

在量化层面，本报告引用美国国家风险评估伙伴计划（NRAP）工具集等量化框架的研究结果：在井筒固井质量良好的情景下，封存系统数十年累计 CO₂ 泄漏率可低至注入量的 0.01%~0.02% 量级，完全满足气候有效性要求；但一旦存在固井缺陷或未修复的高风险老井，泄漏概率与泄漏量将显著上升。这再次印证：完整性风险高度集中于"少数薄弱通道"，风险管理应当从"全场地均质防护"转向"精准识别与重点封堵高风险通道"。

在经济性层面，需厘清一个常被误读的数据：监测与核查（MRV）成本占 CCS 全产业链总成本通常不足 5%（捕集环节才是成本主体），但占封存环节自身成本可达约 70%。二者分母不同、并不矛盾。这意味着完整性监测在全链条中是"低成本、高价值"的保险性投入，不应成为削减对象；但在封存环节内部，监测方案的优化（分级监测、按风险触发高成本手段）具有显著的降本空间。

基于上述判断，本报告在结尾提出五条强决策导向的行动建议，核心包括：将废弃井治理前置为选址阶段的强制环节并设定量化触发基准；建立"低成本基线 + 风险触发升级"的分级 MRV 体系；将井底压力—盖层破裂压力的安全裕度作为运营第一红线；依托胜利、恩平等示范工程加快国产化抗蚀水泥与自愈合材料的现场验证；完善中国 CCUS 长期完整性标准与责任移交、财务担保、泄漏碳核查扣减机制。对经纬智汇而言，封存井完整性与封隔密封正是公司 IP 级强项与国家战略高景气的交汇点，是兼具立项支撑价值与高客单咨询价值的制胜赛道。

*图ES-1｜全球 CCS 项目数量与捕集能力增长曲线（2017–2024）*

*图ES-2｜三大屏障系统与泄漏通道总览示意图*

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起与问题意识

碳捕集、利用与封存（CCUS）已被广泛认定为实现碳中和、特别是钢铁、水泥、化工等难减排行业深度脱碳所不可或缺的兜底技术之一。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的多条 1.5℃/2℃ 路径均显著依赖 CCUS 与 CO₂ 移除。在这一宏观共识之下，全球 CCUS 进入了从示范走向规模化的关键窗口期，中国亦将 CCUS 写入"十四五"规划纲领性文件，并在油气、电力、钢铁、水泥等行业密集布局百万吨级示范工程。

然而，CCUS 价值链的可信度存在一个根本性的"非对称"特征：捕集与运输环节的成败在工程交付时即可验证，而封存环节的成败需要在数十年乃至上百年的时间尺度上才能最终证实。一旦封存的 CO₂ 发生泄漏，不仅直接抵消减排成效、触发碳信用扣减与责任追偿，更可能污染地下水、危害地表生态与公众安全，并对整个 CCUS 产业的社会接受度造成系统性打击。因此，"CO₂ 封进去之后，能不能、靠什么、靠多久保证它不跑出来"这一问题，是 CCUS 能否真正成立的逻辑前提，也是本次调研的核心问题意识。

封存完整性的实现，依赖三道相互嵌套的物理屏障：盖层（天然地质封盖，阻止 CO₂ 向上浮力运移）、水泥环（人工密封，封堵套管与地层之间的环空通道）、井筒套管与井口（隔离井内流体与地层、防止沿井筒垂向窜流）。这三道屏障在 CO₂—地层水—岩石—金属—水泥的长期多相耦合作用下，分别面临化学腐蚀、力学破裂、界面脱粘等不同失效机理。理解这些机理、量化其风险、并构建相应的监测与防控体系，正是本报告的技术主线。

1.2 核心调研问题

本报告围绕以下七个递进式核心问题展开：

第一，从全局看，全球与中国 CO₂ 地质封存的发展现状、技术路线与监管框架处于什么阶段？长期完整性在其中扮演何种角色？

第二，从机理看，水泥环、盖层、井筒三大屏障各自的失效路径是什么？关键控制参数（突破压力、渗透率、碳化深度、腐蚀速率等）的量级如何？

第三，从风险看，如何对 CO₂ 泄漏进行定量评估？主流工具与模型给出的泄漏率量级是多少？哪些通道是主导风险？

第四，从监测看，地面、地下、地球物理、卫星遥感四大类 MRV 技术各自的能力边界、成本与适用场景如何？

第五，从防控看，一旦完整性出现隐患或泄漏，有哪些修复与应急手段？技术成熟度如何？

第六，从产业看，全球井筒完整性与封隔密封的竞争格局、主要服务商、市场规模与国产化态势如何？

第七，从决策看，针对中国规模化封存的本土化挑战，应当给出怎样的技术路线、标准建设与责任机制建议？

1.3 调研范围界定

技术范围：聚焦 CO₂ 地质封存（含咸水层封存、枯竭油气藏封存、CCUS-EOR 协同封存）场景下的封盖完整性，涵盖水泥环、盖层、井筒三大屏障的机理、评价、监测与修复。捕集与运输环节仅在与完整性相关处（如杂质对腐蚀的影响）涉及，不作展开。

时间范围：采用全时间轴视角。历史回溯至 1996 年 Sleipner 项目以来的工程经验，现状聚焦 2024—2026 年最新动态，未来展望覆盖至 2035 年规模化阶段及百年/千年尺度的封存演化预测。

地域范围：全球视野。以挪威、阿尔及利亚、加拿大、美国、澳大利亚等先行项目为国际标杆，以中国胜利、恩平、神华、吉林等示范工程为本土主线，开展国际对比与本土化分析。

读者范围：面向管理层/决策者（提供战略判断与行动路径）、投资方/甲方客户（提供风险与价值评估依据）、技术人员（提供机理与参数级深度内容）三类读者的"多入口"阅读需求。

1.4 调研方法说明

本报告采用多源信息融合的研究方法，定性与定量相结合，数据支撑观点、案例佐证结论：

一是权威机构报告与标准文件梳理，包括全球碳捕集与封存研究院（GCCSI）、国际能源署（IEA）及其温室气体计划（IEAGHG）、美国国家能源技术实验室（NETL）、IPCC 等机构的最新报告，以及 ISO 27914、美国 EPA UIC Class VI、欧盟 CCS 指令 2009/31/EC 等标准法规。

二是学术文献深挖，重点参考《International Journal of Greenhouse Gas Control》等期刊关于盖层突破压力、水泥碳化、井筒泄漏的实验与建模研究。

三是工程项目复盘，对全球与中国代表性封存项目的完整性经验、事故与处置过程进行案例分析。

四是产业与政策调研，覆盖主要技术服务商产品线、市场规模数据、中外政策法规与激励机制。

需要说明的是，受公开信息所限，CCUS 专属的井筒完整性细分市场缺乏统一权威口径，本报告以相关代理市场（井下作业、完井、钻井液等）数据近似呈现，并在相应处明确标注；部分中国项目运营数据来自企业披露与行业报道，时点不一，引用时以官方年报为准。

*图1-1｜本报告分析框架逻辑图*

02 · CCUS 与 CO₂ 地质封存全景

2.1 全球发展现状：从示范走向规模化

全球 CCS 正经历由"少数旗舰示范"向"区域集群放量"的结构性跃迁。据全球碳捕集与封存研究院（GCCSI）《Global Status of CCS 2024》（数据截至 2024 年 7 月）：全球 CCS 项目管线已达 628 个，较上一年度新增 236 个，增幅约 60%；项目管线累计捕集封存能力约 4.16 亿吨/年（416 Mtpa），七年复合增长率达 32%。其中，处于在运状态的设施约 50 个，在建约 44 个；在运设施年捕集封存能力约 51 Mtpa，随在建项目陆续投产，这一能力将在数年内翻倍至超过 100 Mtpa。从国别看，美国以 276 个项目居全球之首，得益于其 45Q 税收抵免与两党基础设施法案的强力驱动。

市场预测方面，行业研究机构 Rystad Energy 预计，到 2030 年全球 CCUS 年捕集能力将超过 5.5 亿吨/年，CCUS 行业的年度市场价值有望达到约 550 亿美元量级。这一增长曲线意味着，未来五到十年间将有大量新井被钻入封存场地、大量老油气田被改造为封存库——封盖完整性的工程需求与风险敞口都将随之同步放大。

中国 CCUS 同样进入加速期。据国家能源局《中国油气勘探开发发展报告 2025》，截至 2024 年底，中国油气行业运营中的 CCUS 项目达 94 个，累计注入 CO₂ 约 1473 万吨。中国石油、中国石化、中国海油三大石油公司均已建成或在建百万吨级 CCUS 示范工程，并将 CCUS 与提高采收率（EOR）深度耦合，形成兼具减碳与增产双重效益的中国特色路径。

*图2-1｜全球 CCS 项目地理分布与能力分布图*

2.2 CO₂ 地质封存的技术路线分类

CO₂ 地质封存按储集体类型与利用方式，主要分为以下几条路线，其完整性风险特征各异：

深部咸水层封存：将 CO₂ 注入地下数百至数千米、含高盐度地层水的多孔砂岩或碳酸盐岩层中。咸水层分布广泛、理论封存潜力最大，是全球封存的主力路线，代表项目包括挪威 Sleipner、Snøhvit，阿尔及利亚 In Salah，加拿大 Quest，以及中国神华鄂尔多斯项目。咸水层封存通常采用"少井多注"策略，对盖层封闭性与注入压力管理要求极高。

枯竭油气藏封存：利用已开采殆尽的油气藏作为封存库，其优势在于地质构造与封闭性已被长期油气聚集所证实、地质资料完备；劣势在于历史钻井（生产井、注水井、废弃井）数量众多，井筒完整性隐患突出。

CCUS-EOR（CO₂ 驱油提高采收率）：将 CO₂ 注入在产油藏以驱替原油、提高采收率，同时实现部分 CO₂ 的地质封存。这是当前中国乃至全球最具经济可行性的规模化路线，国内以胜利、吉林、大庆、长庆等油田为代表。其完整性管理需兼顾驱油效率与封存安全，注采井数量多、井况复杂，对腐蚀防护与井筒完整性监测的要求尤为突出。

玄武岩矿化封存：将 CO₂ 注入富含钙镁铁的玄武岩中，通过加速矿化反应将 CO₂ 固化为碳酸盐矿物，实现"永久"封存，代表项目为冰岛 CarbFix。其完整性逻辑与前几类不同，泄漏风险随矿化进程快速下降。

海洋地质封存：在海底之下的地层中封存 CO₂，中国恩平 15-1 项目即为代表，将 CO₂ 注入海床下约 800 米的穹顶构造。海上封存的井筒腐蚀与海底井口完整性面临特殊挑战。

表 2-2｜五类 CO₂ 地质封存路线对比表

2.3 长期完整性的核心意义：为何"百年"是关键门槛

CO₂ 地质封存与一般工业注入的根本区别，在于其目标不是"暂存"而是"永久隔离"。气候有效性要求封存的 CO₂ 在足够长的时间内不返回大气——主流标准与文献通常以千年尺度泄漏率低于 0.01%/年或百年累计封存率高于 99% 作为有效封存的门槛。这意味着，封存系统必须在远超常规油气工程设计寿命的时间窗口内保持密封。

从封存机理的时间演化看，CO₂ 在地下的圈闭方式随时间逐步由"易泄漏"向"难泄漏"转化，形成四级圈闭安全性递增的格局：

构造/地层圈闭（数年至数十年主导）：依靠盖层物理阻隔超临界态 CO₂ 的浮力上浮，是注入早期的主要圈闭机制，也是泄漏风险最高的阶段，高度依赖盖层与井筒完整性。

残余圈闭（数十年）：CO₂ 在孔隙中以不连续气泡形式被毛细力束缚。Sleipner 相关研究预测注入 20 年后残余圈闭比例可超过 30%。

溶解圈闭（百年尺度增强）：CO₂ 溶解于地层水形成密度略高的含碳酸盐水，向下沉降，泄漏风险显著降低。

矿化圈闭（千年尺度）：CO₂ 与地层矿物反应生成稳定碳酸盐矿物，实现最安全的永久固化。Sleipner 长期模型预测约 10000 年后矿化圈闭比例可达约 22%。

这一演化规律带来一个关键的风险管理启示：封存系统的安全性随时间增强而非衰减，泄漏风险高度集中于注入期及注入后早期数十年。因此，完整性管理资源应当向选址、建井质量与运营—关闭后早期监测倾斜，而非均匀分摊于整个封存周期。

*图2-3｜CO₂ 四级圈闭机制随时间演化曲线*

2.4 国际监管与认证框架

长期完整性的制度保障，依托于一套日益完善的国际监管与标准体系。三大框架最具代表性：

ISO 27914（CO₂ 捕集、运输与地质封存——地质封存）：国际标准化组织于 2017 年发布首版，2026 年 3 月发布第二版。该标准覆盖选址、可行性勘察与地质表征、井建设、运营、风险管理、场地关闭与监测核查（MRV）全生命周期，其结构在相当程度上对应美国 Class VI 注入法规与温室气体报告 Subpart RR 的叠加。业界预期，ISO 27914 有可能成为美国 45Q 税收抵免中 Subpart RR 报告机制的替代路径之一（此为分析预期，尚待美国财政部/IRS 正式采纳）。其配套标准包括针对 CO₂-EOR 封存核算的 ISO 27916 与温室气体量化的 ISO 14064-2。

美国 EPA UIC Class VI：美国环境保护署依据《安全饮用水法》（SDWA）设立的专门针对 CO₂ 地质封存的地下注入控制（UIC）井类别，核心目标是保护地下饮用水源（USDW）。其关键完整性要求包括：多层耐蚀套管与水泥的井身结构；界定审查区（Area of Review, AoR），通过计算 CO₂ 羽流与压力锋的扩展范围确定监管边界；对 AoR 内的既有井（特别是老井与废弃井）实施纠正措施（corrective action）；以及注入后场地维护（PISC）期的长期监测与责任安排。相关联邦要求规定于 40 CFR §§144—146。截至目前，北达科他、怀俄明、路易斯安那等州已获得 Class VI 的主导权（primacy），可自行审批封存井。

欧盟 CCS 指令 2009/31/EC：欧盟关于 CO₂ 地质封存的核心立法。其完整性相关条款规定：运营者在场地关闭后须继续负责监测、报告、纠正措施以及泄漏配额缴回，直至责任正式移交主管机构；责任移交一般在场地关闭满 20 年后、且有证据表明封存 CO₂ 将长期完全封闭时进行；运营者须提供财务担保，覆盖至少 30 年的监测成本，并可涵盖纠正措施、配额缴回与环境损害责任（依据环境责任指令 2004/35/EC）。

这三套框架共同确立了一个核心制度逻辑：长期完整性不仅是工程问题，更是被法律强制约束的、跨越数十年的责任承诺。完整性失效将直接触发碳信用回收、配额缴回、纠正措施与法律责任，从而将技术风险转化为可量化的经济与法律风险——这正是后续章节技术经济性分析的制度基础。

表 2-4｜三大监管框架完整性要求对比表