日本公益財團法人地球環境產業技術研究機構（RITE）CO₂封存研究組曹金榮研究員、薛自求團隊負責人等組成的研究團隊，將分布式光纖應變感測、X射線CT成像及數值模擬相結合，解釋了CO₂注入過程中壓力擾動與飽和度前緣非同步推進的現象。研究表明，在結合壓力、飽和度資料及物理模型進行綜合分析後，分布式光纖應變監測記錄的微小應變可為判斷注入壓力的影響範圍提供沿光纖連續分布的間接線索。相關成果於2026年9月24日發表於Nature Portfolio旗下的首個工程領域期刊《Communications Engineering》。
CO₂地質封存被視為工業減排的重要技術路徑。CO₂注入地下岩層後，會引起流體分布、孔隙壓力和岩石變形的共同變化。評價地下封存的影響範圍，不僅需要知道CO₂羽流到達哪裡，還需要了解注入引起的壓力擾動會傳播到哪裡。然而，要準確區分CO₂的遷移範圍與注入壓力的影響範圍，仍面臨一定挑戰。困難在於CO₂還沒有到達的地方，壓力影響可能已經出現，兩者並不總是同步前進。
壓力影響可能先於CO₂羽流擴散
在二氧化碳（CO₂）地質封存過程中，通常透過監測CO₂羽流的位置來評估封存狀態。然而，日本地球環境產業技術研究機構（RITE）的最新研究發現，在CO₂實際到達某一區域之前，注入CO₂產生的壓力影響可能已經傳遞至更遠的範圍，並引發岩石變形。研究團隊將分布式光纖應變感測資料與CT影像進行對照，清晰地呈現了這種「先導應變」的現象，並進一步揭示了背後的物理機制。
CO₂地質封存被認為是實現碳中和的重要技術路線。地下儲層並不是空洞的「地下倉庫」：岩石中布滿細小孔隙，其中不少原本充滿水。當地下儲層接收注入的CO₂後，不僅會發生流體遷移，還會引起孔隙壓力變化以及岩石力學響應。
在室內岩心實驗中，壓力計通常只能記錄有限測點的資訊，而CT則更擅長呈現CO₂的分布變化。為了獲得更連續的地下響應資訊，RITE研究團隊嘗試將分布式光纖應變感測（DFOSS）與X射線CT成像結合，對CO₂驅替岩心的過程進行了同步觀測。
光纖提前捕捉到岩石變形信號
研究人員選取日本秋田縣申川油田的砂岩岩心，在40℃、約10 MPa壓力條件下進行超臨界CO₂注入實驗。研究人員在岩心表面螺旋纏繞光纖，就像給岩石裝上一條感知細微伸縮的「感應帶」，連續記錄周向應變；同時透過不同時刻的CT掃描，觀察CO₂在岩石孔隙中的分布變化。
圖 1 螺旋黏貼光纖、岩心製備和高壓CO₂驅替—CT聯合實驗系統（圖片提供：日本地球環境產業技術研究機構，圖源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
研究團隊還先透過單相水流實驗，對照光纖測得的應變與模擬結果（圖2）。在隨後的CO₂注入實驗中，結果顯示，隨著CO₂從入口端逐漸向岩層內部推進，CT能夠清晰觀測到飽和度前緣的移動。但光纖記錄到的應變變化卻早於CT檢測到的局部CO₂飽和度的增加。換言之，在當地尚未觀察到明顯CO₂進入時，岩石就已經出現了可測量的變形信號。
圖 2 單相水流注入期間實驗應變與模擬應變的時空分布及軸向剖面對比。（圖片提供：日本地球環境產業技術研究機構，圖源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
圖 3 CO₂注入過程中CT顯示的飽和度分布與DFOSS記錄的岩心周向應變分布。（圖片提供：日本地球環境產業技術研究機構，圖源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
壓力透過水相快速傳播
為什麼CO₂還沒到，岩石就先有反應？為尋找答案，研究團隊建立了以CT觀測資料為約束的二相流—孔隙彈性耦合模型，同時分析水與CO₂的流動、壓力變化和岩石的微小變形。
實驗與模擬的綜合結果支持這樣的解釋：實驗早期的應變主要與壓力擾動沿連通水相較快傳播有關。雖然CO₂羽流推進速度相對較慢，但壓力變化能夠更快影響遠端區域，使岩石骨架發生微小的彈性變形。隨著更多CO₂進入岩石孔隙，水與CO₂之間的毛細壓力及二相流動也逐漸影響局部變形。
圖 4 實驗與模擬得到的CO₂飽和度—應變時空熱圖對照。（圖片提供：日本地球環境產業技術研究機構，圖源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
圖 5 CT飽和度、兩相孔隙壓力、毛細壓力與周向應變的實驗—模擬綜合比較。（圖片提供：日本地球環境產業技術研究機構，圖源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
需要注意的是，光纖並不是直接測出地下壓力，而是感知岩石極其細微的變形。只有把光纖信號與壓力記錄、CT觀察到的流體分布以及物理模型結合起來，才能據此間接推斷CO₂注入造成的壓力影響可能傳播到哪些區域。
為CCS監測提供新工具
研究表明，僅關注CO₂羽流位置可能低估注入影響範圍，而分布式光纖應變監測能夠沿光纖提供連續的變形線索，幫助判斷壓力可能影響的範圍，為地質封存安全評估提供新的觀測手段。
除此次室內岩心實驗外，RITE還在多個國際CCS（Carbon Capture and Storage：二氧化碳捕集與封存）研究項目中進行光纖監測相關研究，包括澳大利亞Otway試驗場、西澳大利亞CSIRO In-Situ Laboratory現場實驗平台以及美國北達科他州商業CCS場址。未來，隨著現場驗證和多源資料融合的發展，分布式光纖應變感測有望成為地下CO₂封存長期監測的重要組成部分。
圖6 RITE薛自求首席研究員（畫面中央）在西澳大利亞CSIRO In-Situ Laboratory現場進行講解。（圖片提供：日本地球環境產業技術研究機構）
研究團隊指出，本次研究成果主要來自受控條件下的岩心實驗。實際地質封存場地的岩石性質、溫度條件及井筒結構更加複雜，可能影響光纖監測效果。未來還需結合更多現場試驗和壓力觀測資料，進一步驗證應變信號與地下壓力傳播之間的關係。
上述研究成果基於日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）及經濟產業省（METI）委託實施的研究項目（項目編號：JPNP18006）。
文 JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Engineering
論文：Poroelastic strain precursors during laboratory carbon dioxide core flooding revealed by helically bonded fiber sensing
DOI：10.1038/s44172-026-00783-5
