随着全球经济的快速发展和化石能源的大量消耗，CO₂排放量逐年增加，导致全球变暖并引发一系列生态环境问题。气候变化已成为全人类面临的共同挑战，Science 将其列为21世纪125个前沿科学问题之一。我国CO₂排放量世界第一，实现碳达峰碳中和目标，是我国重大战略决策。CO₂封存利用是实现“双碳”目标最有效的途径之一，也是化石能源低碳利用的托底技术。
CO₂封存利用发展前沿
目前化石能源仍是保障我国能源安全的“压舱石”，短期内很难摆脱对化石能源的依赖。作为能够实现化石能源大规模减排和低碳利用的技术，CO₂捕集、利用与封存技术(carbon dioxide capture utilization and storage, CCUS)不但是我国实现碳中和目标、保障能源安全的战略选择，而且是构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。CCUS 技术是将CO₂从大型排放源(发电站、水泥厂和钢铁厂等)通过物理或者化学方式进行捕获，然后利用管道、船舶等方式运输到封存利用地点，并储存到适合的地质结构中，以达到减少CO₂排放的目的。CO₂封存利用是CCUS技术的主要环节，其中常见的封存地点包括：①废弃的油气田；②CO₂开采煤层气、页岩气；③CO₂置换天然气、原油；④陆地或海底咸水层封存等。
大规模CO₂封存是实现“双碳”目标与碳循环利用的重要途径，我国CO₂封存利用理论容量为1.21 万亿～4.13 万亿t，可封存我国全部排放的CO₂(到2060 年仅需动用理论容量的10%～30%)。
CO₂海洋封存是实现CO₂减排的一项极具发展潜力的方法，海洋面积占地球表面积的71%，是陆地表面积的两倍多。海洋是自然界最大的碳汇，封存潜力在2 万亿t 以上，海洋封存多级吸纳能力强，其环境风险小于陆地封存，因此海洋在全球碳循环中具有相当重要的作用，对CO₂减排具有不可估量的潜力。近年来，水合物法固态封存CO2具有稳定性好、储量巨大、封藏地点分布广泛等优势，主要包括海洋CO₂溶解联合水合物盖层封存、CO₂置换开采天然气水合物封存。
海洋CO₂溶解联合水合物盖层封存是通过生成气体水合物实现海底地质封存的过程。当液态CO₂注入深海沉积物时，一方面在负浮力区域通过重力捕获稳定存在，另一方面在高压、低温区域形成CO₂水合物被捕获，并在水合物生成区域上部形成非渗透盖层，以两种CO₂捕获形态稳定封存。封存过程中，CO₂气体扩散占据主导地位，伴随着CO₂及其水合物相变、多相多组分渗流以及传热非等温效应的复杂物理过程，因此CO2水合物晶体盖层形成速率是实现CO₂长期稳定大量封存的关键。
CO₂置换开采天然气水合物在实现天然气开采的同时，也能封存CO₂减缓温室效应，具有利用地点广泛、储量巨大的优点。将CO₂(或CO₂/N₂ 的混合物)注入海底水合物赋存区域，将甲烷从笼形化合物中置换出来，并将CO₂进行固定封存，生成的CO₂水合物能够稳定储层，防止天然气水合物相变分解引起的地层塌陷失稳，从而保障我国海洋环境安全。目前沉积层多孔介质内CO₂置换开采天然气水合物进程的内在控制机制仍不清晰，因此提出高效置换的相态调控方法，是未来CO₂置换封存利用的发展方向。
CO₂封存利用研究已引起国内外广泛关注，并取得一系列研究进展，但因封存储层结构复杂、异质性强、存在多重物理化学作用等，导致储层选址困难、CO₂封存效率低、安全性难以预测等问题。
宋永臣教授长期从事CO₂封存利用研究工作，在日本工作期间参与了多项CO₂减排重大项目研究工作。回国后组建了大连理工大学CO₂封存利用研究团队，聚焦碳达峰碳中和国家重大战略需求，在973 计划、863 计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等支持下，针对CO₂封存利用过程中涉及的碳迁移机制、封存利用效率、安全性等难题，开展跨尺度系统研究，取得了系列突破与原创性研究成果，获教育部自然科学一等奖2项，并成功应用于我国CO₂驱油封存示范工程，有力推动了我国“双碳”战略的实施。
《二氧化碳封存利用》（宋永臣，张毅，刘瑜著. 北京：科学出版社，2023.3）一书是作者及其团队近20年在CO₂封存利用方面研究工作的总结，将有力促进工程热物理、化学工程、渗流力学等相关学科的交叉与融合发展，推进CO₂封存利用多相传质研究，为我国实现“双碳”目标提供重要的理论与技术支撑。
中国科学院院士
2023 年2 月
《二氧化碳封存利用》（宋永臣，张毅，刘瑜著. 北京：科学出版社，2023.3）围绕安全高效碳封存利用关键科学与技术问题，系统概括了CO₂封存储层特性、混合流体基础物性及多相多组分传质特性、资源化利用与封存等方面的理论与技术创新性成果。储层特性的表征是封存利用的前提条件，直接影响CO₂封存利用的潜力以及安全性；CO₂-地层流体物性及多相传质特性影响CO₂空间展布及稳定性，是CO₂安全高效封存利用的基础；提高油气采收率与深部咸水层封存利用，为实现“双碳”目标提供了技术保障。
全书共分为10 章，第1 章为绪论，概括介绍本书内容，第2 章介绍了封存利用储层孔渗特性，第3 章详细阐述了储层润湿性与流体界面张力，第4 章重点介绍了储层内流固微观相互作用，上述章节内容是CO₂封存利用的基础；第5 章主要介绍了CO₂混合流体密度特性，第6 章主要阐述CO₂-咸水多相传质特性，上述章节为储层内CO₂运移路径评价提供理论基础；第7～10 章介绍了四类CO₂封存利用方法，包括CO₂提高石油、天然气、页岩气采收率技术，咸水层封存技术等。
本书是团队成员共同努力的成果，涵盖了团队在CO₂封存利用领域的主要研究内容，期望能为CO₂减排从业人员提供参考。
本文摘编自《二氧化碳封存利用》（宋永臣，张毅，刘瑜著. 北京：科学出版社，2023.3）一书“前言”“序”“第1 章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-074160-8
责任编辑：吴凡洁 乔丽维
本书主要面向CO₂封存利用领域专业人士及CO₂减排从业人员，也可以作为地质封存利用相关专业本科生、研究生和科技人员的参考书。
（本文编辑：刘四旦）
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