在全球气候变化背景下，二氧化碳（CO₂）捕集与封存（CCS）被认为是实现碳中和目标的重要技术路径之一。与陆地封存相比，海底沉积物中以水合物形式封存 CO₂ 具有环境风险低、储存容量大、地质条件稳定等显著优势。然而，在实际封存过程中，CO₂ 是否会发生泄漏、泄漏能否被有效抑制以及如何实现长期安全封存，仍是制约该技术工程化应用的核心科学问题。水合物封存的关键安全机制之一，是在 CO₂ 注入后，沉积物中能否形成一层致密、稳定的 CO₂ 水合物盖层。该盖层通过显著降低地层渗透率，可阻断液态 CO₂ 的进一步扩散，从而实现“自封闭”“自修复”式的防泄漏效果。然而，目前对于砂质粉砂等高渗透性海底沉积物中，水合物盖层的形成过程、演化特征及其调控机制仍缺乏系统认识。

近日，华南理工大学樊栓狮教授团队基于首次建立了适用于中等水深南海沙质粉砂地层的多场耦合数值模型，系统模拟了CO₂注入过程中多相流动—水合物生成动力学—传热过程的协同演化行为，重点解析了CO₂水合物盖层的形成与自修复机制。

图1 (A) 海洋砂质粉土二氧化碳注入井储存示意图 (B) 储层中水合物饱和度、CO2饱和度、压力和温度的初始分布

研究结果表明，水合物盖层的形成是一个动态演化过程：在CO₂注入初期，液态CO₂在地层中扩散迁移；随后在CO₂–水界面发生水合反应，局部生成水合物并逐渐降低孔隙渗透率；最终形成一层连续的低渗透水合物盖层，有效阻止CO₂向上泄漏。即便在高渗透（100–400mD）沙质粉砂地层中，当盖层完全形成后，CO₂泄漏可被显著抑制并最终趋近于零。进一步的参数分析显示，地层初始渗透率和含水饱和度是影响封存效果的关键因素。在所研究参数范围内，初始渗透率约为 100 mD、含水饱和度约为0.3的地层条件最有利于形成稳定高效的水合物盖层；相比之下，孔隙度对最终封存量的影响相对较小。就注入参数而言，适度的注入压力（略高于地层压力）和接近平衡温度的注入条件，有助于在保证储量的同时降低 CO₂ 泄漏风险。此外，研究还发现，提高注入井埋深可显著增强封存安全性。随着注入位置由150 mbsf增加至400 mbsf，水合物盖层的横向扩展范围明显增大，液态CO₂的侧向扩散更加充分，从而在提高封存容量的同时有效降低泄漏量。这一结果为海底 CO₂ 封存井位优化提供了重要理论依据。

图2 在不同井注位置下，每千天储层基本完成（0-6000天）时，注入储层的液体、溶解物和水合物数量及比例之间的关系

相关研究成果以“优化二氧化碳水合物储存和避免泄漏：海底粉砂沉积物中水合物盖层自修复形成过程的数值分析”（OptimizingCO₂ hydrate storage and avoiding leakage: Numerical analysis of theself-restoring formation process of hydrate caps in submarine sandy silts）为题发表在能源与海洋地质领域国际期刊《Marine andPetroleum Geology》。论文第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士生李梦钖，通讯作者为樊栓狮教授。研究工作得到广东省海洋经济发展专项项目（六大海洋产业）（GDNRC[2024]33）、 广州市重点研发计划 （编号：202206050002）以及国家自然科学基金 （21736005 和 51876069）的支持

原文：

Mengyang Li, Shuanshi Fan, Yanhong Wang, Xuemei Lang, Gang Li, OptimizingCO2 hydrate storage and avoiding leakage: Numerical analysis of theself-restoring formation process of hydrate caps in submarine sandy silts, Marineand Petroleum Geology, 2025, 179, 107450

https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2025.107450