海上-陆上集成能源系统中CO2-CH4混合气驱油与碳封存的孔隙尺度输运机制研究

针对海上-陆上集成能源系统(OOIES)中CO2驱油与封存(CCUS-EOR)的复杂多物理场耦合问题，研究人员构建了三维孔隙尺度全耦合模型，揭示了杂质气体含量、温度梯度和润湿性对CO2溶解封存效率的影响机制，为海上油气田碳循环系统优化提供了理论支撑。

　　

随着《巴黎协定》的推进，全球能源结构正经历深刻变革。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术作为核心减排手段，在海上-陆上集成能源系统(OOIES)中展现出巨大潜力。然而，实际应用中存在多重挑战：跨平台管道网络导致显著温差的传热效应，伴生气注入使驱替介质从纯CO₂变为含杂质气流，多孔介质非均质性加剧多组分输运复杂性。这些因素导致传统渗流模型预测与实际CO₂运移路径存在显著偏差，亟需建立微观尺度的多物理场耦合模型。

中国石油大学研究人员在《Fuel》发表研究，通过生成对抗网络(GAN)重构数字岩心，结合相场法和Maxwell-Stefan多组分扩散理论，建立了集成多相流、热传导和双向传质的三维孔隙尺度模型。研究采用有限元-计算流体力学(FEM-CFD)耦合方法，模拟了不同CH₄含量(20%-80%)、温度梯度(0-1000 K/m)和润湿性(10°-80°接触角)条件下的CO₂-原油相互作用过程。

3.1 含杂质CO₂驱替特征
模拟显示CH₄含量增加会同时加剧粘性指进和界面张力，当CH₄摩尔分数超过50%时，驱油效率下降12.7%。重力分异使CO₂在运移路径底部形成稳定气垫，而CH₄在窄喉道处富集形成界面屏障。

3.1.1 气体组分影响
在80%CO₂配比下，溶解主导的质量传递使原油中CO₂标准化溶解质量分数达到0.68，而20%CO₂组仅0.31。体积力分析表明突破后界面张力变化使溶解速率降低43%。

3.1.2 温度梯度效应
1000 K/m温梯度下，Soret效应使轻组分C₃H₈向高温区迁移，促进小孔喉动用，但重组分C₁₀H₂₂在界面累积抑制大孔道驱替，最终使宏观波及效率降低19%。

3.1.3 润湿性调控
强亲油条件(10°)下气体接触面积增加使CO₂溶解量提高35%，但突破时间延长3倍；中性润湿(80°)体系则表现出最佳的活塞式驱替特征。

该研究首次在孔隙尺度揭示了OOIES中温度-岩石-多组分耦合机制，建立了可扩展的多物理场仿真框架。创新性地采用动态界面张力模型，捕捉了组分迁移引发的σ_mix变化。发现10-50%CH₄的混合气既能维持驱替效率又可降低成本，为海上平台伴生气回注提供了关键参数窗口。研究提出的热扩散调控策略，可通过激活低渗区小孔喉流动能力，使最终采收率提升8-15%，对实现"捕集-驱替-封存"闭环具有重要指导意义。未来工作将纳入水相动力学和矿物吸附效应，进一步完善多尺度模拟体系。