CEE：面向海底CO₂水合物封存的渗流——传热控制机制与储层适宜性评价

海底CO₂水合物封存是CCUS的前沿方向。CO₂注入低温高压的海底沉积层后，能够与孔隙水反应生成固态的水合物，从而把原本容易流动的CO₂固定在海底地层内（图1）。这种方法的优势在于，海洋面积广阔，且海底天然具备水合物稳定存在的低温高压环境，有望实现大规模且长期安全的碳封存。然而，CO₂水合物生成会释放热量，引起储层温度升高，并会抑制CO₂水合物的进一步生成；同时，CO₂注入引起的压力扰动和流体迁移，也会影响封存体的位置和安全边界。影响CO₂水合物高效形成的关键是：什么样的储层条件既能让CO₂有效进入并转化为水合物，又能及时耗散热量和压力扰动。针对这一基本问题，中国科学院地质与地球物理研究所深层油气理论与智能勘探开发重点实验室李守定、张召彬团队，联合加拿大阿尔伯塔大学和中国地质调查局等单位，从控制CO₂迁移的渗透率和控制热量耗散的热导率出发，建立了海底CO₂水合物封存效率与安全性的储层评价方法。

图1 （a）海底CO₂水合物封存的概念模型；（b）压力–温度曲线的深度剖面

研究团队基于自主研发的模拟器IGG-Hydrate (https://gitee.com/geomech/hydrate)，构建了海底CO₂注入-水合物生成数值模型，系统刻画了CO₂在海底沉积物中多相迁移、传热响应和相变封存过程。研究进一步从时间尺度上揭示了“渗透率主控短期迁移，热导率主控长期稳定”的作用机制，并提出了渗透率—热导率双参数耦合控制下的全球储层适宜性评价框架。

研究结果表明，注入CO₂在海底沉积物中经历液态CO₂、溶解态CO₂和CO₂水合物三种赋存形态的动态转化（图2），并依次表现为注入驱动、快速成壳转化和长期动态稳定三个阶段（图3）。在短期注入阶段，渗透率是控制CO₂羽状体形态、上浮速度和早期水合物生成位置的主控因素。低渗透率有利于抑制CO₂快速上窜并保持较大安全距离，但限制注入效率和反应范围；高渗透率可增强早期迁移和水合物生成，却可能压缩垂向安全缓冲。在长期演化阶段，热导率的作用更加突出，其通过调控水合物生成放热的耗散过程，决定储层温度场能否恢复至水合物稳定区间，从而影响最终封存效率和安全距离。

图2 三种CO₂赋存相的空间演化特征。（a1-a3）溶解态CO₂：5年、10年与20年；（b1-b3）液态CO₂：10年、400年与1000年；（c1-c3）CO₂水合物：10年、50年与200年

图3 基准注入情景下水合物态CO₂、液态CO₂及溶解态CO₂的时间演化

在单因素分析基础上，以安全距离和封存效率作为核心指标，构建了渗透率—热导率双参数储层适宜性评价图版。基于全球典型天然气水合物赋存区的物性资料，研究对不同海域和冻土区储层进行了适宜性对比（图4）。美国阿拉斯加北坡埃尔伯特山、加拿大麦肯齐三角洲、印度近海部分区域和墨西哥湾部分砂质储层处于较有利的封存区间，显示出较好的CO₂水合物封存潜力。日本南海海槽和韩国郁陵盆地部分区域受高渗透性与有限热传导能力共同影响，若直接注入CO₂，可能难以兼顾高效封存和长期安全。我国南海神狐地区总体位于安全但效率中等的区域，未来可通过注入制度优化、储层改造或水合物生成促进手段进一步提升封存效率。

图4 （a）安全距离随渗透率与热导率的变化；（b）封存效率随渗透率与热导率的变化；（c）典型水合物赋存储层的全球分布（底图由中华人民共和国自然资源部提供，许可号GS(2016)2968）；（d）基于不同海洋沉积物的渗透率–热导率特征划分的CO₂水合物封存适宜性分区

该研究从多场耦合机制出发，揭示了海底CO₂水合物封存过程中流动控制短期供给和传热控制长期反应的内在规律，提出了兼顾封存效率与长期安全性的双参数评价框架。该框架可为海底CO₂水合物封存靶区优选和深海碳汇潜力评价提供理论支撑，也为我国发展面向海洋地质碳封存技术提供了新的研究思路。

研究成果发表于国际学术期刊CEE（Li Y, Zhang Z, Mao Y, Zhang B, Chalaturnyk, R, Li S, He J, Bian H, Li X, Lu C. Coupled permeability–thermal conductivity framework for global reservoir suitability assessment of carbon dioxide hydrate-based carbon sequestration[J].Communications Earth & Environment, 2026. DOI: 10.1038/s43247-026-03527-7.）