温度对含CO2水合物沉积层渗透率影响的实验与数值模拟研究

为解决海洋CO2封存中因温度变化导致渗透率演化的关键问题，中国科学院地质与地球物理研究所团队通过实验与流体-力学-热耦合模拟，揭示了温度对CO2水合物沉积层渗透率的二次方递减规律及其热膨胀机制，为海底碳封存泄漏风险建模提供理论支撑。

　　

随着全球气候变化加剧，大气CO₂浓度持续攀升，碳捕集与封存（CCS）技术成为缓解温室效应的关键手段。其中，深海沉积层中CO₂水合物封存因其稳定性和大容量备受关注。然而，温度波动——无论是工程注热还是气候变化所致——都会显著影响水合物储层的渗透率，进而威胁封存安全性。这一科学难题长期缺乏系统研究，特别是温度对渗透率的直接影响机制尚未明晰。

中国科学院地质与地球物理研究所（Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences）的Ruirui Li团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究，首次通过实验与数值模拟相结合的方式，揭示了温度影响CO₂水合物沉积层渗透率的物理机制。研究人员以南海神狐海域天然气水合物（NGH）储层为原型，构建人工样品进行CO₂水合物合成，并在269.65-285.65 K温度区间开展渗透率测试。同步建立流体-力学-热耦合（fluid-mechanical-thermal coupling）模型，采用直接数值模拟（DNS）解析孔隙尺度演化规律。

关键技术包括：1）多温阶稳态渗透率实验；2）基于CT扫描的孔隙结构表征；3）耦合热膨胀效应的DNS模拟；4）二次多项式回归模型构建。

研究结果

1. 渗透率-温度关系：在相变临界温度前，渗透率随温度升高呈二次方递减（R²>0.98），高水合物饱和度（hydrate saturation）加剧此效应。温度每升高1 K，孔隙喉道（pore throats）线性收缩1.2%，导致渗透率非线性下降。

2. 相变干扰机制：冰-水相变阶段（subset B），液态水的扰动掩盖温度效应；水合物分解后（subset C），渗透率变化转为无序波动。

3. 饱和度调控作用：水合物饱和度增加10%，温度敏感性提升37%，源于热膨胀系数增大和初始喉道尺寸减小双重效应。

4. 预测模型验证：建立的k-T-S_h模型能准确预测渗透率演变，误差<±5%。

结论与意义
该研究首次量化了温度对CO₂水合物储层渗透率的影响规律，揭示热膨胀导致的孔隙喉道收缩是核心机制。提出的耦合模型为评估海底碳封存泄漏风险提供工具，尤其适用于注热开采与气候变暖叠加场景。值得注意的是，渗透率降低可能抑制水合物分解前缘（decomposition front）扩展，形成"自密封效应"，这一发现为优化封存方案提供新思路。研究结果对实现《巴黎协定》温控目标下的海洋碳封存工程具有重要指导价值。