论文基本信息

英文期刊：Energy & Fuels（封面论文）第一作者：顾宇航

通讯作者：殷振元

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6c00409

一、研究背景

水合物法CO₂封存（Hydrate-Based CO₂ Sequestration, HBCS）是极具前景的海洋碳封存技术。 液态CO₂注入海底沉积物后，在适宜温压条件下与孔隙水生成固态CO₂水合物，实现长期稳定封存。相较于枯竭油气藏、深部咸水层封存，HBCS具备封存密度高、自封堵效应强、封存适用区域广等突出优势。

我国南海陆坡发育大面积含水合物沉积盆地，地质条件优越，是开展CO₂水合物封存的理想靶区。

当前研究痛点： 海底沉积物中CO₂注入模式是衔接工程操作与封存安全、封存效率的关键，但长期缺乏系统定量研究；注入位置、注入周期如何影响水合物盖层发育、相态演化与泄漏风险，直接决定工程方案的经济性与安全性。

为此，本研究以南海神狐海域W19站位为地质原型，构建场地尺度热-流-化多场耦合数值模型，定量揭示不同注入模式下CO₂运移、水合物生成及长期封存演化规律，建立封存能力估算方法，为HBCS工程注入策略优化提供科学依据。

二、论文核心亮点

• 基于自研热-流-化数值模拟器，开展场地尺度水合物法CO₂封存全过程数值模拟；
• 系统厘清CO₂注入模式对短期液态注入、长期水合物封存行为的调控规律；
• 解析CO₂水合物、液态CO₂、溶解态CO₂时空演化特征，验证南海海域HBCS长期封存稳定性；
• 构建新型量化评价指标，定量表征水合物盖层对液态/溶解态CO₂运移的阻隔封堵效应；
• 提出兼顾多相态空间分布的水合物法CO₂封存潜力定量估算方法，支撑区域尺度储量评价。

三、图文导读

图1 模型区位与概念示意

(a) 南海神狐海域W19站位区位； (b) 液态CO₂注入-水合物封存概念示意图； (c) 研究区数值网格剖分。

研究采用自研多场耦合模拟器，依托W19实测地质参数，建立径向500 m、垂向300 m场地尺度模型；神狐海域CO₂水合物稳定区（CHSZ）底界约位于海床以下126 m。

图2 地层关键物性时空演化规律

涵盖不同时刻： (a) 地层压力、(b) 温度、(c) 水合物饱和度、(d) 液态CO₂饱和度、(e) 溶解CO₂质量分数、(f) 地层盐度空间分布。

核心规律：

1. 注入期超压随水合物生成与流体运移逐步衰减；
2. 水合物由初期块状分布，逐渐演化形成自封堵盖层；CHSZ底部因高盐度与放热效应出现水合物分解，上部低温区水合物持续生长，最高饱和度达0.62，显著降低储层渗透率；
3. 液态、溶解态CO₂受盖层阻隔，垂向迁移受限，以径向扩展为主；
4. 水合物生成排盐效应使局部盐度最高升至6.60%（初始值2.2倍），形成盐度-水合物生成-相态演化热力学负反馈机制。

图3 不同注入位置封存行为对比

(a) 水合物相CO₂质量及占比演化； (b) 溶解态CO₂质量及占比演化； (c) 最大/平均水合物饱和度与分布面积； (d) 液态与溶解态CO₂向上迁移距离。

关键结论：

1. 注入位置越浅，水合物相封存占比越高：105年上部注入达20.78%，远高于中部8.64%、底部1.52%；
2. 浅层注入可降低溶解态CO₂占比，减少潜在失稳泄漏风险，提升封存安全性；
3. 浅层注入水合物饱和度、分布面积更大，封堵抑制效果更强；上部注入105年垂向仅迁移27 m，安全裕度充足；
4. CO₂向上迁移主要集中在注入期，若无初期泄漏，长期封存期盖层持续生长可进一步规避风险；
5. 工程优选：水合物稳定区中上部注入，兼顾高转化率与强自封堵。

额外规律：

• 延长注入时长可提升封存总量，但水合物相转化效率下降；超压增大、潜热与排盐效应抑制局部水合物生长；
• 总注入量不变时，缩短注入段长度可使局部超压升高约22%，加大CO₂上移泄漏风险；
• 注入策略需在水合物转化率、地层超压、泄漏风险三者间协同平衡。

图4 区域CO₂封存潜力估算方法

(a) 水合物相+液态相封存质量估算原理； (b) GMGS3区域封存潜力定量结果。

首次建立水合物盖层覆蔽液态CO₂模式下的区域封存潜力估算方法，总封存能力由水合物相+液态相两部分构成，关键参数由数值模拟标定。

以南海GMGS3区域（128 km²）为例： 区域总CO₂封存潜力可达1245.48 Mt，其中水合物相封存201.00 Mt，为HBCS从单井模拟走向区域规模化评价提供工具支撑。

四、研究小结

1. 依托自研多场耦合模拟器，建立南海神狐海域场地尺度CO₂水合物封存数值模型，揭示注入模式调控封存演化内在机制；
2. 明确工程优选原则：注入井位布置优先选取水合物稳定区中上部，最大化水合物转化率与自封堵能力；
3. 厘清注入时长、注入段长度对超压、相态演化及泄漏风险的影响，为工程参数优化提供依据；
4. 创新构建区域封存潜力估算方法，量化南海靶区封存容量，为南海大规模海洋碳封存工程设计提供理论支撑与技术参考，助力国家双碳战略落地。

作者简介

通讯作者｜殷振元

清华大学深圳国际研究生院副教授、特别研究员、博导，天然气水合物与储碳实验室PI；全球前2%顶尖科学家、科技部引进青年人才、广东省珠江计划青年拔尖人才、深圳市高层次人才。

长期从事天然气水合物开采、CO₂捕集与海洋封存、水合储氢等研究；发表SCI论文70余篇，被引5300+，H指数40，含多篇ESI高被引、期刊封面论文；主持国自科、科技部重点研发等课题20余项，授权发明专利20余件，多项成果转化。

第一作者｜顾宇航

清华大学2023级环境科学与工程专业博士生，研究方向：水合物法海底碳封存多场耦合数值模拟；已发表SCI论文21篇（一作7篇），授权发明专利6项、软件著作权1项。

论文链接

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6c00409