清華新聞網(wǎng)12月23日電 水合物法二氧化碳（CO2）封存作為一種潛力巨大的新型儲碳方法，旨在將液態(tài)CO2從近岸運輸?shù)胶Ｉ掀脚_，通過注入到海底沉積物中，利用低溫高壓原位條件生成水合物，實現(xiàn)長期、穩(wěn)定CO2封存。據(jù)初步估算，全球海底沉積物中約可以通過水合物的形式封存100萬億噸CO2，我國南海北部海域可封存約1800億噸CO2。因該方法具有封存儲量大、封存范圍廣和穩(wěn)定性強的特點，逐步成為研究熱點并受到全球關(guān)注。既往研究通過理論分析與室內(nèi)實驗驗證了水合物法CO2封存的可行性。但是，如何厘清封存過程中熱-流-化多場耦合影響機制并驗證實際儲層尺度下CO2水合物百年甚至千年的安全性與穩(wěn)定性，亟需開展深入研究。
圖1.水合物法二氧化碳（CO2）海底封存示意圖
近日，清華大學深圳國際研究生院海洋工程研究院殷振元副教授團隊基于國際主流水合物藏數(shù)值模擬TOUGH代碼，增加了液態(tài)CO2（密度、黏度、溶解度等）與CO2水合物（相平衡模型、動力學模型、相變焓等）熱物性相關(guān)模塊，通過改進主變量轉(zhuǎn)換法，成功開發(fā)出一套模擬海底沉積物內(nèi)液態(tài)CO2注入-水合物封存過程的熱-流-化多場耦合數(shù)值模擬器。此套代碼能夠精確描述海底多孔介質(zhì)內(nèi)多相（液態(tài)CO2相、水相、水合物相）、多組分（CO2、H2O、NaCl、CO2水合物）運移-擴散耦合相變-傳熱的強非線性過程，并進行了驗證。
圖2.水合物法二氧化碳（CO2）海底封存熱-流-化多場耦合機制示意圖
團隊利用該代碼首次建立了基于我國南海北部實際儲層的液態(tài)CO2注入-封存數(shù)值模型，解析了沉積物內(nèi)液態(tài)CO2注入與水合物封存的百年時空演化特性，厘清了CO2三種不同相態(tài)隨時間演化關(guān)系，驗證了水合物法CO2封存于南海沉積物長達100年的穩(wěn)定性。通過設計敏感性分析，進一步揭示了儲層關(guān)鍵地質(zhì)因素（滲透率、熱導率、鹽度）對長期封存的影響機制。結(jié)果表明，在100年的封存期內(nèi)，水合物作為CO2的主要封存介質(zhì)，以水合物蓋層的形式在注入點位上層逐步生成，有效限制了下部液態(tài)CO2向上運移和溶解態(tài)CO2的大規(guī)模擴散。100年內(nèi)水合物封存量逐步增長，最終占總注入量46%。開發(fā)的數(shù)值模擬器和研究結(jié)果可為水合物法CO2封存靶區(qū)選取與注入-封存方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)理論支撐。
圖3.二氧化碳（CO2）封存100年后儲層壓力、溫度、鹽度及多相飽和度空間分布
相關(guān)研究成果以“海洋固碳：解析沉積物內(nèi)液態(tài)二氧化碳注入與水合物封存的百年時空演化特性”（Feasibility analysis of liquid CO2 injection and sequestration as hydrates in South China Sea marine sediments over 100 years）為題，于12月15日發(fā)表于最新一期《應用能源》（Applied Energy）。
殷振元為論文通訊作者，深圳國際研究生院2023級博士生顧宇航為論文第一作者。論文合作者還包括廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局教授級高級工程師陸紅鋒、高級工程師許辰璐、高級工程師任金峰、中國石油大學（北京）教授陳光進、新加坡國立大學教授普拉文·林加（Praveen Linga）和太原理工大學副教授趙建忠。研究得到國家自然科學基金、廣東省科技廳、廣東省自然資源廳等單位和項目基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.125068
供稿：深圳國際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
