裂隙-孔隙介质中密度驱动反应溶质运移的特征：重力不稳定性与CO2 运移区域的定量表征

本研究针对咸水层CO2 封存中密度驱动反应溶质运移的复杂过程，提出了一种耦合裂隙-孔隙介质中流体流动、溶质运移与化学反应的数值模型。通过量化重力不稳定性和CO2 运移区域，揭示了Damk?hler数（Da ）和裂隙形态参数（如长度、角度、渗透率比）对运移行为的调控机制，为提升CO2 溶解封存效率提供了理论依据。

　　

全球变暖背景下，减少CO₂
排放已成为缓解气候危机的关键。咸水层因其巨大的封存潜力成为CO₂
地质封存的首选场所，但其中复杂的裂隙-孔隙介质结构使得密度驱动反应溶质运移过程充满挑战。现有研究多忽略化学反应对介质孔隙度、裂隙开度和渗透率的动态影响，且缺乏对重力不稳定性和CO₂
运移区域的定量表征，导致封存效率评估存在偏差。

为解决上述问题，中国的研究团队构建了裂隙-孔隙介质中密度驱动反应溶质运移的耦合模型，首次实现了流体运移-化学反应-介质演化的全动态模拟。通过引入重力不稳定性指数和CO₂
运移区域量化方法，系统分析了Damk?hler数（Da
）和裂隙形态参数（长度l
_f
、角度θ
₁
、渗透率比k
_f
/k
_p
）的调控作用。研究发现：Da
数增加会抑制重力不稳定性（最大降幅0.075）和CO₂
运移区域（最大降幅0.24），而裂隙长度和渗透率比则呈现正相关；45°倾角裂隙最易引发重力不稳定性，水平裂隙最弱。该成果发表于《Journal of Cleaner Production》。

关键技术包括：1）耦合孔隙度-裂隙开度-渗透率演化的反应运移模型；2）基于Elder问题改进的数值模拟方法；3）重力不稳定性指数（通过浓度梯度标准差量化）；4）CO₂
运移区域（通过浓度阈值划定）的时空统计方法。

研究结果
单裂隙模型：Da
数从0增至1000时，化学反应消耗CO₂
导致密度梯度减弱，重力不稳定性降幅达64%。裂隙长度增至0.8时，CO₂
运移区域扩大0.08，因长裂隙更易形成局部高浓度区。
裂隙网络模型：渗透率比（k
_f
/k
_p
）升至10⁴
时，裂隙主导运移路径使CO₂
扩散效率提升30%；网络密度增加会加剧流体指进现象。
角度效应：45°裂隙因最优浮力-阻力平衡表现出最强不稳定性，而垂直裂隙（90°）更利于CO₂
纵向扩散。

结论与意义
该研究首次阐明化学反应通过改变介质属性（如孔隙度下降20%）间接调控密度驱动运移的机制，提出裂隙形态优化可提升封存效率30%以上。建立的量化指标为咸水层CO₂
封存场地评估提供了新工具，推动从“经验预测”向“机理调控”的转变。未来需结合多场耦合（THMC）进一步验证模型在非均质储层中的适用性。