日本公益财团法人地球环境产业技术研究机构（RITE）CO₂封存研究组曹金荣研究员、薛自求团队负责人等组成的研究团队，将分布式光纤应变传感、X射线CT成像及数值模拟相结合，解释了CO₂注入过程中压力扰动与饱和度前缘不同步推进的现象。研究表明，在结合压力、饱和度数据及物理模型进行综合分析后，分布式光纤应变监测记录的微小应变可为判断注入压力的影响范围提供沿光纤连续分布的间接线索。相关成果于2026年9月24日发表于Nature Portfolio旗下的首个工程领域期刊《Communications Engineering》。
CO₂地质封存被视为工业减排的重要技术路径。CO₂注入地下岩层后，会引起流体分布、孔隙压力和岩石变形的共同变化。评价地下封存的影响范围，不仅需要知道CO₂羽流到达哪里，还需要了解注入引起的压力扰动会传播到哪里。然而，要准确区分CO₂的迁移范围与注入压力的影响范围，仍面临一定挑战。困难在于CO₂还没有到达的地方，压力影响可能已经出现，两者并不总是同步前进。
压力影响可能先于CO₂羽流扩散
在二氧化碳（CO₂）地质封存过程中，通常通过监测CO₂羽流的位置来评估封存状态。然而，日本地球环境产业技术研究机构（RITE）的最新研究发现，在CO₂实际到达某一区域之前，注入CO₂产生的压力影响可能已经传递至更远的范围，并引发岩石变形。研究团队将分布式光纤应变传感数据与CT影像进行对照，清晰地呈现了这种“先导应变”的现象，并进一步揭示了背后的物理机制。
CO₂地质封存被认为是实现碳中和的重要技术路线。地下储层并不是空洞的“地下仓库”：岩石中布满细小孔隙，其中不少原本充满水。当地下储层接收注入的CO₂后，不仅会发生流体迁移，还会引起孔隙压力变化以及岩石力学响应。
在室内岩心实验中，压力计通常只能记录有限测点的信息，而CT则更擅长呈现CO₂的分布变化。为了获得更连续的地下响应信息，RITE研究团队尝试将分布式光纤应变传感（DFOSS）与X射线CT成像结合，对CO₂驱替岩心的过程进行了同步观测。
光纤提前捕捉到岩石变形信号
研究人员选取日本秋田县申川油田的砂岩岩心，在40℃、约10 MPa压力条件下进行超临界CO₂注入实验。研究人员在岩心表面螺旋缠绕光纤，就像给岩石装上一条感知细微伸缩的“感应带”，连续记录周向应变；同时通过不同时刻的CT扫描，观察CO₂在岩石孔隙中的分布变化。
图 1 螺旋粘贴光纤、岩心制备和高压CO₂驱替—CT联合实验系统（供图：日本地球环境产业技术研究机构，图源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
研究团队还先通过单相水流实验，对照光纤测得的应变与模拟结果（图2）。在随后的CO₂注入实验中，结果显示，随着CO₂从入口端逐渐向岩层内部推进，CT能够清晰观测到饱和度前缘的移动。但光纤记录到的应变变化却早于CT检测到的局部CO₂饱和度的增加。换言之，在当地尚未观察到明显CO₂进入时，岩石就已经出现了可测量的变形信号。
图 2 单相水流注入期间实验应变与模拟应变的时空分布及轴向剖面对比。（供图：日本地球环境产业技术研究机构，图源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
图 3 CO₂注入过程中CT显示的饱和度分布与DFOSS记录的岩心周向应变分布。（供图：日本地球环境产业技术研究机构，图源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
压力通过水相快速传播
为什么CO₂还没到，岩石就先有反应？为寻找答案，研究团队建立了以CT观测数据为约束的两相流—孔隙弹性耦合模型，同时分析水与CO₂的流动、压力变化和岩石的微小变形。
实验与模拟的综合结果支持这样的解释：实验早期的应变主要与压力扰动沿连通水相较快传播有关。虽然CO₂羽流推进速度相对较慢，但压力变化能够更快影响远端区域，使岩石骨架发生微小的弹性变形。随着更多CO₂进入岩石孔隙，水与CO₂之间的毛细压力及两相流动也逐渐影响局部变形。
图 4 实验与模拟得到的CO₂饱和度—应变时空热图对照。（供图：日本地球环境产业技术研究机构，图源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
图 5 CT饱和度、两相孔隙压力、毛细压力与周向应变的实验—模拟综合比较。（供图：日本地球环境产业技术研究机构，图源：Cao et al., Communications Engineering (2026), DOI: 10.1038/s44172-026-00783-5。）
需要注意的是，光纤并不是直接测出地下压力，而是感知岩石极其细微的变形。只有把光纤信号与压力记录、CT观察到的流体分布以及物理模型结合起来，才能据此间接推断CO₂注入造成的压力影响可能传播到哪些区域。
为CCS监测提供新工具
研究表明，仅关注CO₂羽流位置可能低估注入影响范围，而分布式光纤应变监测能够沿光纤提供连续的变形线索，帮助判断压力可能影响的范围，为地质封存安全评估提供新的观测手段。
除此次室内岩心实验外，RITE还在多个国际CCS（Carbon Capture and Storage：二氧化碳捕集与封存）研究项目中开展光纤监测相关研究，包括澳大利亚Otway试验场、西澳大利亚CSIRO In-Situ Laboratory现场实验平台以及美国北达科他州商业CCS场址。未来，随着现场验证和多源数据融合的发展，分布式光纤应变传感有望成为地下CO₂封存长期监测的重要组成部分。
图6 RITE薛自求首席研究员（画面中央）在西澳大利亚CSIRO In-Situ Laboratory现场进行讲解。（供图：日本地球环境产业技术研究机构）
研究团队指出，本次研究成果主要来自受控条件下的岩心实验。实际地质封存场地的岩石性质、温度条件及井筒结构更加复杂，可能影响光纤监测效果。未来还需结合更多现场试验和压力观测数据，进一步验证应变信号与地下压力传播之间的关系。
上述研究成果基于日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）及经济产业省（METI）委托实施的研究项目（项目编号：JPNP18006）。
文 JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Engineering
论文：Poroelastic strain precursors during laboratory carbon dioxide core flooding revealed by helically bonded fiber sensing
DOI：10.1038/s44172-026-00783-5
