咸水层中液态与超临界CO₂运移特征和封存方式的学术研究报告
本研究由彭玺伊（成都理工大学能源学院）、王延永（成都理工大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室）、李嵩、王晓光、崔国栋（中国地质大学(武汉)工程学院）及何勇明合作完成，发表于《煤田地质与勘探》2025年第53卷第2期。研究聚焦于CO₂地质封存技术中液态与超临界态CO₂在咸水层中的运移规律及封存效率差异，旨在为离岸与陆上咸水层封存工程提供理论支持。
学术背景
CO₂咸水层封存是实现碳中和目标的关键技术之一。现有研究多集中于超临界态CO₂，而对离岸浅层咸水层中液态CO₂的运移与封存机制缺乏系统认知。离岸环境因低温高压条件，CO₂可能以液态存在，其密度、黏度及溶解度与超临界态存在显著差异，直接影响封存效率。本研究通过对比液态与超临界CO₂的运移特征，揭示相态对封存容量利用率的影响机制，填补了该领域的研究空白。
研究流程与方法
模型构建
- 数学模型：基于浮力与毛管力协同作用，建立CO₂-地层水两相渗流控制方程，引入Peng-Robinson状态方程计算CO₂物性参数（密度、黏度、溶解度）。
- 地质模型：采用序贯高斯模拟（SGSIM）生成非均质渗透率场，结合孔隙率-渗透率经验公式（(k = 7 \times 10^7 \phi^{9.61})）构建二维咸水层剖面模型，模拟离岸（海底800 m、1,200 m）与陆上（埋深1,200 m）三种情景。
数值模拟
- 参数设置：离岸咸水层温度3.5℃（液态CO₂密度903.76 kg/m³），陆上咸水层温度51.45℃（超临界CO₂密度561.53 kg/m³）。
- 模拟过程：注入CO₂后，追踪25年内羽流演化，分析局部毛管力封存、残余气封存及溶解封存的贡献率。
数据分析
- 封存量计算：通过网格化方法量化三种封存形式的CO₂质量（式15-17），结合Leverett J函数修正毛管力曲线。
主要结果
运移特征差异
- 液态CO₂：因密度高（与地层水差异小），浮力驱动弱，25年内垂向运移速率低，波及体积仅为超临界态的60%。
- 超临界CO₂：低密度特性使其在陆上咸水层中快速上浮，10年内即接近顶部，封存容量利用率提高30%。
封存方式占比
- 局部毛管力封存占主导（55%），残余气封存次之（40%），溶解封存最低（5%）。相态对封存方式贡献率影响较小，但液态CO₂的总封存量显著低于超临界态。
环境因素影响
- 地温梯度：梯度从0.020℃/m增至0.030℃/m时，液态CO₂波及体积扩大20%，封存量提升15%。
- 离岸与陆上对比：离岸条件下超临界CO₂受海水压力抑制，封存量较陆上减少25%。
结论与价值
科学价值
- 首次系统量化液态与超临界CO₂在咸水层中的封存效率差异，揭示了相态对封存机理的影响机制。
- 提出离岸浅层咸水层液态CO₂封存的经济性优势，为低温高压环境下的封存方案设计提供依据。
应用价值
- 指导离岸封存项目优化：液态CO₂虽运移慢，但毛管力封存占比高，安全性更优；陆上项目需优先考虑超临界CO₂的快速运移风险。
- 建议未来研究结合CO₂-地层水-岩石化学反应，完善矿化封存模型。
研究亮点
- 创新方法：融合地质统计建模与高精度两相渗流模拟，首次实现液态CO₂封存动态的可视化分析。
- 关键发现：离岸咸水层地温梯度每增加0.005℃/m，封存效率提升8%，为选址提供量化指标。
- 工程启示：离岸浅层液态CO₂封存可降低施工能耗，适合地质稳定区域；深部封存需考虑相态转变风险。
其他价值
研究指出，CO₂水合物形成可能增强封存安全性，未来可结合多相态耦合模型进一步探索。数据与代码开源（未明确提及但可推测需补充）将助力同类研究复现。