微流控技术揭示CO2注入冷含水层中水合物动态传播机制及其碳封存应用

本研究通过微流控系统模拟海底CO2封存过程，首次实现多孔介质中CO2水合物形成与传播的双尺度观测。研究发现水合物呈级联式传播，生长速率与过冷度(ΔT)呈二次方关系，提出注入速率优化策略，为海洋沉积物碳封存技术提供关键理论支撑。

　　

论文解读
在全球气候变暖背景下，碳捕获与封存(CCS)技术成为缓解温室效应的关键手段。海底沉积物因其巨大的CO₂封存潜力备受关注，其中CO₂水合物在低温高压条件下形成的"固态盖层"可有效阻止气体泄漏。然而，传统岩心驱替实验难以捕捉孔隙尺度动态，且水合物在多孔介质中的传播机制尚不明确，这严重制约了海底碳封存技术的工程化应用。

针对这一挑战，某研究机构团队在《Carbon Capture Science》发表研究，开发了低温高压(LTHP)微流控系统，首次实现45×30mm多孔介质区域内18,000余个孔隙的水合物形成全过程可视化观测。研究采用高精度背光成像与双摄像头同步采集技术，结合温度-压力协同调控装置，在6.9-13.8MPa、1.1-9.4°C条件下系统考察CO₂注入速率(5-100μL/min)对水合物动力学的影响。

3.1 水合物形成特征
通过芯片尺度成像发现，液态CO₂在毛细指进作用下形成81%饱和度的分散相，水合物成核后引发CO₂相灰度值从153降至115。压力监测显示，水合物形成25秒后孔隙压力显著下降，压差(ΔP)上升证实渗透率降低93%。

3.2 多孔介质中的级联传播
统计117次实验表明，76%水合物成核发生于注入端附近。当CO₂饱和度(S_CO2)>50%时，传播速度(v_h)稳定在0.8-7.1mm/s，遵循v_h∝S_CO2^1/2规律。研究提出"扰动传递"机制：初始成核产生的压力/温度场扰动触发邻近孔隙相继成核，形成多米诺效应。

3.3 注入速率的影响
诱导时间(τ_ind)随CO₂注入速率(Q)增加而缩短，但在Q=50μL/min出现最小值。值得注意的是，v_h与Q无关，说明水合物一旦形成即阻断流动，生长转为热力学控制。

3.4 动力学分析
建立v_h=0.14ΔT²经验公式，揭示水合物膜厚度约0.3μm。通过引入曲折度(τ_p≈1.3)校正，多孔介质中v_h与Uchida液滴实验数据吻合，证实生长速率主要由ΔT决定。压力影响通过改变T_eq(平衡温度)间接实现，液态CO₂的ρ_gc_p,gk_g^2/3值比气态高10倍，导致显著不同的生长动力学。

该研究首次阐明多孔介质中水合物级联传播的物理机制，提出分步注入策略可平衡成核效率与堵塞风险。建立的v_h-ΔT定量关系为海底碳封存数值模拟提供关键参数，而微流控双尺度观测方法为多相渗流研究树立新范式。未来需在三维孔隙结构、盐度效应等实际储层条件下验证结论，推动CCS技术从实验室走向工程应用。