清华新闻网12月23日电 水合物法二氧化碳（CO₂）封存作为一种潜力巨大的新型储碳方法，旨在将液态CO₂从近岸运输到海上平台，通过注入到海底沉积物中，利用低温高压原位条件生成水合物，实现长期、稳定CO₂封存。据初步估算，全球海底沉积物中约可以通过水合物的形式封存100万亿吨CO₂，我国南海北部海域可封存约1800亿吨CO₂。因该方法具有封存储量大、封存范围广和稳定性强的特点，逐步成为研究热点并受到全球关注。既往研究通过理论分析与室内实验验证了水合物法CO₂封存的可行性。但是，如何厘清封存过程中热-流-化多场耦合影响机制并验证实际储层尺度下CO₂水合物百年甚至千年的安全性与稳定性，亟需开展深入研究。

图1.水合物法二氧化碳（CO₂）海底封存示意图

近日，清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院殷振元副教授团队基于国际主流水合物藏数值模拟TOUGH代码，增加了液态CO₂（密度、黏度、溶解度等）与CO₂水合物（相平衡模型、动力学模型、相变焓等）热物性相关模块，通过改进主变量转换法，成功开发出一套模拟海底沉积物内液态CO₂注入-水合物封存过程的热-流-化多场耦合数值模拟器。此套代码能够精确描述海底多孔介质内多相（液态CO₂相、水相、水合物相）、多组分（CO₂、H₂O、NaCl、CO₂水合物）运移-扩散耦合相变-传热的强非线性过程，并进行了验证。

图2.水合物法二氧化碳（CO₂）海底封存热-流-化多场耦合机制示意图

团队利用该代码首次建立了基于我国南海北部实际储层的液态CO₂注入-封存数值模型，解析了沉积物内液态CO₂注入与水合物封存的百年时空演化特性，厘清了CO₂三种不同相态随时间演化关系，验证了水合物法CO₂封存于南海沉积物长达100年的稳定性。通过设计敏感性分析，进一步揭示了储层关键地质因素（渗透率、热导率、盐度）对长期封存的影响机制。结果表明，在100年的封存期内，水合物作为CO₂的主要封存介质，以水合物盖层的形式在注入点位上层逐步生成，有效限制了下部液态CO₂向上运移和溶解态CO₂的大规模扩散。100年内水合物封存量逐步增长，最终占总注入量46%。开发的数值模拟器和研究结果可为水合物法CO₂封存靶区选取与注入-封存方案优化提供基础理论支撑。

图3.二氧化碳（CO₂）封存100年后储层压力、温度、盐度及多相饱和度空间分布

相关研究成果以“海洋固碳：解析沉积物内液态二氧化碳注入与水合物封存的百年时空演化特性”（Feasibility analysis of liquid CO₂ injection and sequestration as hydrates in South China Sea marine sediments over 100 years）为题，于12月15日发表于最新一期《应用能源》（Applied Energy）。

殷振元为论文通讯作者，深圳国际研究生院2023级博士生顾宇航为论文第一作者。论文合作者还包括广州海洋地质调查局教授级高级工程师陆红锋、高级工程师许辰璐、高级工程师任金峰、中国石油大学（北京）教授陈光进、新加坡国立大学教授普拉文·林加（Praveen Linga）和太原理工大学副教授赵建忠。研究得到国家自然科学基金、广东省科技厅、广东省自然资源厅等单位和项目基金的支持。