碳封存深潛地下：用創(chuàng)新技術(shù)鋪就碳中和之路——記中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究員魏寧博士

全球氣候變暖的警鐘持續(xù)敲響，二氧化碳過量排放引發(fā)的環(huán)境問題日益突出。冰川加速消融、降雨格局變遷、極端天氣事件頻發(fā)、海平面持續(xù)上升等危機(jī)步步緊逼，對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成的深遠(yuǎn)威脅愈發(fā)清晰。在人類文明邁向工業(yè)化的進(jìn)程中，巨量二氧化碳排放已成為懸在可持續(xù)發(fā)展頭頂?shù)?“達(dá)摩克利斯之劍”，警醒著世人必須以更堅(jiān)定的決心守護(hù)共同的家園。在此背景下，中國主動(dòng)提出 “碳達(dá)峰、碳中和” 目標(biāo)，以大國擔(dān)當(dāng)擘畫綠色發(fā)展藍(lán)圖，一場(chǎng)關(guān)乎人類文明永續(xù)發(fā)展的減排攻堅(jiān)與產(chǎn)業(yè)升級(jí)戰(zhàn)役已然全面打響。在這場(chǎng)戰(zhàn)役的科技前沿陣地上，二氧化碳捕集利用與地質(zhì)封存技術(shù)被公認(rèn)為實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵 “托底技術(shù)”—— 它如同為地球構(gòu)筑起一座無形的地下 “碳倉庫”，將工業(yè)排放的二氧化碳安全、永久地封存于地層深處，為全球氣候治理注入堅(jiān)實(shí)的科技支撐。

 

中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所魏寧研究員，正是這一領(lǐng)域的執(zhí)劍破局先鋒。他長(zhǎng)期扎根于巖土材料多相滲流機(jī)理與二氧化碳地質(zhì)封存領(lǐng)域，深耕巖土材料多相滲流機(jī)理與二氧化碳地質(zhì)封存研究近20載，從孔隙-巖心-場(chǎng)地尺度多相滲流試驗(yàn)與模擬到國家尺度的減排路徑規(guī)劃，構(gòu)建起一套貫通基礎(chǔ)理論、技術(shù)裝備與工程應(yīng)用的完整體系。其研究聚焦于二氧化碳地質(zhì)封存的多相滲流-力學(xué)-化學(xué)耦合規(guī)律、CCUS系統(tǒng)評(píng)估方法開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，在碳咸水層封存、深井監(jiān)測(cè)、多相流體取樣等領(lǐng)域形成系統(tǒng)性創(chuàng)新成果。他的科研生涯，是中國CCUS技術(shù)從跟跑到并跑的縮影，更是“雙碳”戰(zhàn)略落地為科技行動(dòng)的生動(dòng)詮釋。

 

破題：碳鎖巖層問前路

 

“任何一項(xiàng)新技術(shù)的推廣都是一場(chǎng)全面競(jìng)爭(zhēng)，唯有不懈創(chuàng)新與細(xì)節(jié)完善才可能取得勝利。”魏寧常以此言自勉。這位1978年出生于湖北當(dāng)陽的科學(xué)家，到2006年獲得武漢大學(xué)巖土工程博士學(xué)位后，投身中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，便一頭扎入二氧化碳地質(zhì)封存的世界。他始終致力于在此領(lǐng)域探索與創(chuàng)新，從跟蹤國際知名學(xué)者到國內(nèi)本領(lǐng)域排頭兵，每一步都凝聚著他對(duì)科技研發(fā)的執(zhí)著追求與不懈努力。

 

魏寧的研究聚焦于二氧化碳地質(zhì)封存的多相滲流-力學(xué)-化學(xué)耦合規(guī)律，旨在揭示這一復(fù)雜過程中的科學(xué)奧秘。他深知要實(shí)現(xiàn)碳中和，必須解決二氧化碳捕集與地質(zhì)封存的核心命題——如何高效與安全地將二氧化碳封存于地下?同時(shí)確保封存地質(zhì)體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與安全性。要將年百萬噸量級(jí)氣體注入地下，既要“注的進(jìn)、封得住”，又要“用得起”。相較于歐美澳等國家主要依托大型克拉通海相沉積盆地的封存優(yōu)勢(shì)，我國碳封存適宜地層則以陸相碎屑巖層為主，具有顯著的非均質(zhì)性特征。加之我國地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)活躍，斷裂系統(tǒng)密集發(fā)育，這使得我國規(guī)?；挤獯婀こ堂媾R更為復(fù)雜的地質(zhì)條件考驗(yàn)，也對(duì)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新與工程實(shí)踐提出了更高要求。

 

為此，魏寧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，從基礎(chǔ)理論出發(fā)，深入探索多相滲流機(jī)理，為二氧化碳地質(zhì)封存提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。魏寧的破局之道始于一套獨(dú)創(chuàng)的“多尺度評(píng)估體系”。他和團(tuán)隊(duì)開發(fā)了從孔隙-巖心-場(chǎng)地-盆地尺度的全流程分析工具，首次構(gòu)建了覆蓋企業(yè)-行業(yè)-國家層級(jí)的CCUS系統(tǒng)評(píng)估框架。這一體系整合“工程-地質(zhì)-地理-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-政策”多維度、多種類與多精度的大數(shù)據(jù)與相應(yīng)算法驅(qū)動(dòng)的CCUS系統(tǒng)評(píng)估框架，可實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的高精度評(píng)估咸水層、油田的封存潛力與成本曲線，為企業(yè)、行業(yè)等不同主體開展CCUS決策體系賦能。研究揭示：中國陸上理論與有效封存容量高達(dá)2.5/1.5萬億噸，僅60美元/噸激勵(lì)或收益情景下，年封存潛力可達(dá)數(shù)十億噸，同時(shí)給出了不同企業(yè)開展CCUS減排的“5W2H”答案集合。

 

這一方法不僅涵蓋了碳源篩選、碳封存場(chǎng)地評(píng)估與篩選、技術(shù)鏈、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、源匯匹配、集群規(guī)劃等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，還首次對(duì)中國海陸咸水層、油田、煤電、鋼鐵、水泥等關(guān)鍵行業(yè)及國能、華能、國電投、中海油等企業(yè)的CCUS潛力與未來布局進(jìn)行了深入研究。該項(xiàng)成果為我國的CCUS技術(shù)發(fā)展提供了科學(xué)的評(píng)估框架與決策依據(jù)。

 

在通遼 200 噸級(jí)咸水層封存先導(dǎo)試驗(yàn)中，魏寧團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)掀開了二氧化碳地質(zhì)封存的微觀奧秘。當(dāng)含氮氧雜質(zhì)的二氧化碳注入咸水層后，巖層中呈現(xiàn)出 “多相流體多組分分層分帶遷移”的獨(dú)特現(xiàn)象 —— 氣體因密度差異自發(fā)形成垂向分離界面，這種分異規(guī)律不僅揭示了雜質(zhì)氣體的運(yùn)移特性，更為二氧化碳監(jiān)測(cè)反演提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為工業(yè)廢氣中高濃度或含雜質(zhì)二氧化碳的直接封存開辟了新思路。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)與美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)合作改進(jìn)微觀模型試驗(yàn)平臺(tái)，通過超低流速條件下的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，首次捕捉到二氧化碳驅(qū)替咸水過程中的“形態(tài)過渡”“干化效應(yīng)”與“界面波動(dòng)”等新現(xiàn)象;與美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)的聯(lián)合研究則發(fā)現(xiàn)，亞巖心尺度的層理結(jié)構(gòu)與孔隙網(wǎng)絡(luò)特征是控制多相流遷移路徑的核心因素。這些微觀尺度的基礎(chǔ)科學(xué)突破，如同精密齒輪般推動(dòng)著技術(shù)革新：從揭示雜質(zhì)氣體的封存規(guī)律，到優(yōu)化監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，再到指導(dǎo)工業(yè)廢氣的直接封存工藝，最終成為推動(dòng) CCUS 技術(shù)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵支點(diǎn)。

 

攻堅(jiān)：萬仞深井覓真章

 

理論突破的終點(diǎn)是成果落地。魏寧的科研成果，不僅體現(xiàn)在理論創(chuàng)新上，更在于實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用與顯著成效。迄今為止，他負(fù)責(zé)主持了多項(xiàng)科研項(xiàng)目，包括國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、科技部國際合作專項(xiàng)、中國科學(xué)院碳中和重大咨詢項(xiàng)目等。這些項(xiàng)目不僅推動(dòng)了我國CCUS技術(shù)的快速發(fā)展，也為解決企業(yè)面臨的科學(xué)與技術(shù)難題提供了有力支持。

 

在支撐關(guān)鍵科技突破項(xiàng)目中，魏寧博士作為核心技術(shù)負(fù)責(zé)人之一，發(fā)揮了舉足輕重的作用。在鄂爾多斯高原的荒漠上，國家能源集團(tuán)10萬噸/年煤制油CCUS項(xiàng)目轟鳴運(yùn)轉(zhuǎn)，這是中國首個(gè)全流程碳捕集與封存示范工程，而魏寧正是其背后的“技術(shù)心臟”。項(xiàng)目面臨的首個(gè)難關(guān)是場(chǎng)地篩選、超低滲地層注入性與碳煤空間沖突等問題。初選的場(chǎng)地與地下煤礦開采進(jìn)度沖突、目標(biāo)層平均滲透率遠(yuǎn)低于美國同類型項(xiàng)目(< 1mD)，工程面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。魏寧與支撐團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“時(shí)間換空間”與“地層篩選與多層統(tǒng)注”等工藝，使二氧化碳單井注入量大于設(shè)計(jì)數(shù)值;同時(shí)30萬噸封存項(xiàng)目完成后與后續(xù)煤礦開采完成接續(xù)。

 

深井監(jiān)測(cè)類似針灸，可探知地層對(duì)二氧化碳注入的反饋信息。國家能源集團(tuán)鄂爾多斯CCS項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，一套多相保真取樣裝置沉入地下(斜深2480米)。該設(shè)備突破傳統(tǒng)取樣技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)超低滲地層內(nèi)氣-水等多相同步保真取樣與高精度多參數(shù)監(jiān)測(cè)難題。監(jiān)測(cè)結(jié)果未檢測(cè)到二氧化碳泄漏跡象，驗(yàn)證了地質(zhì)封存的安全性。

 

而更大的挑戰(zhàn)則在海上，中海油計(jì)劃在南海建造千萬噸級(jí)封存集群，但海洋環(huán)境與地質(zhì)結(jié)構(gòu)與陸地存在較大差異，魏寧領(lǐng)銜開發(fā)的“中國海油CCUS評(píng)估系統(tǒng)模型”，創(chuàng)新引入多源數(shù)多精度數(shù)據(jù)融合算法、場(chǎng)地篩選與容量評(píng)估算法、考慮多種技術(shù)組合的源匯匹配算法。該成果支撐了中國海上CCUS集群設(shè)計(jì)，相關(guān)準(zhǔn)則與方法被集成進(jìn)入海域二氧化碳地質(zhì)封存容量、場(chǎng)地篩選等國家與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該模型也在被應(yīng)用于國家能源集團(tuán)“大氣象-大地質(zhì)綜合評(píng)估模型”中，為企業(yè)開展CCUS系統(tǒng)評(píng)估助力。

 

正是多年來，從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的鏈條上，魏寧的70余項(xiàng)專利技術(shù)支撐現(xiàn)有CCS項(xiàng)目的正常運(yùn)行，實(shí)實(shí)在在推動(dòng)了CCUS技術(shù)積累與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

 

寄望：共繪雙碳新藍(lán)圖

 

在碳中和與二氧化碳捕集與地質(zhì)封存的征途上，魏寧以巖土探微的執(zhí)著精神，實(shí)現(xiàn)碳中和的創(chuàng)新智慧，成為我國的綠色轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展宏偉藍(lán)圖中的綠葉。他的科研成果不僅在技術(shù)上取得了重大突破，解決了實(shí)際工程問題，更在行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，推動(dòng)了行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。

 

科研疆域的拓荒者，從來不止步于當(dāng)下?，F(xiàn)在，魏寧的愿景早已越出國界：他提出了構(gòu)建“一帶一路跨國碳封存走廊”，均面臨化石能源與工業(yè)的低碳可持續(xù)發(fā)展問題，地質(zhì)容量與碳排放源在區(qū)域、行業(yè)與行政區(qū)域的異質(zhì)性，均需要針對(duì)性的解決思路與方案。“企業(yè)、場(chǎng)地、成本、安全、政策、減排…… 這些問題的答案需要全人類共同書寫”。

 

正因?yàn)閮?yōu)秀成果和突出貢獻(xiàn)，他與合作單位獲省部級(jí)科技一等獎(jiǎng)6次、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，作為骨干支撐榮獲2017年國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，這些榮譽(yù)不僅是對(duì)他科研成果的肯定，更是對(duì)他科研精神的贊美。作為主筆或技術(shù)骨干，主編與參與科技部、生態(tài)環(huán)境部、國際能源署等路線圖與評(píng)估報(bào)告十余項(xiàng)，作為核心骨干制定了《中國CCUS技術(shù)路線圖》，為國家制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與政策提供了決策支撐。

 

回望耕耘路，展望新征程，魏寧始終堅(jiān)守科研初心，將持續(xù)深耕于巖土材料多相滲流機(jī)理與 規(guī)模化二氧化碳地質(zhì)封存關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題領(lǐng)域的研究。他正計(jì)劃進(jìn)一步拓展 “孔隙—巖心—場(chǎng)地—區(qū)域—國家” 多尺度 CCUS 系統(tǒng)評(píng)估方法的應(yīng)用邊界，不斷提升評(píng)估的精準(zhǔn)度與效率，為工程實(shí)踐提供更堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)支撐;同時(shí)聚力 CCUS 關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)與創(chuàng)新突破，加速推動(dòng)技術(shù)成果向產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化轉(zhuǎn)化，讓科技紅利更好賦能綠色發(fā)展。此外，他將主動(dòng)投身全球氣候治理領(lǐng)域的國際合作與學(xué)術(shù)交流，攜手各國科研力量共同應(yīng)對(duì)全球氣候變化挑戰(zhàn)，為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體持續(xù)貢獻(xiàn)智慧和力量。相信在魏寧等一批科研工作者的不懈奮斗與廣大科研同仁的共同努力下，我國 “雙碳” 戰(zhàn)略目標(biāo)必將加快實(shí)現(xiàn)，為全球氣候治理注入更強(qiáng)勁的中國動(dòng)力、貢獻(xiàn)更堅(jiān)實(shí)的中國方案。

 

碳封存技術(shù)從研發(fā)攻關(guān)、示范應(yīng)用到商業(yè)化推廣，仍有漫長(zhǎng)的征程需要跨越。但挑戰(zhàn)與機(jī)遇交織，堅(jiān)守初心、砥礪前行的信念從未動(dòng)搖。隨著碳中和目標(biāo)的穩(wěn)步推進(jìn)，人類與自然和諧共生的新平衡正在重塑，人與自然生命共同體的新篇章亟待書寫。

 

魏寧的腳步，始終堅(jiān)定地邁向深地空間——因?yàn)槟抢锓獯娴牟粌H是亟待調(diào)控的溫室氣體，更是守護(hù)人類文明可持續(xù)發(fā)展的希望。這份執(zhí)著探索，正是科研工作者為綠色發(fā)展矢志奮斗的生動(dòng)注腳，也必將為全球氣候治理與文明永續(xù)前行注入持久動(dòng)力。