盐层非均质性对CO2在咸水层中对流-反应溶解的影响机制研究

为解决盐层非均质性如何影响CO2溶解效率与对流-反应传输动力学这一科学问题，常州大学石油与天然气工程学院团队通过构建对流-反应耦合模型，系统研究了孔隙度、渗透率和反应物含量三种层状非均质性对CO2羽流混合行为及CaCO3化学溶解的作用规律。研究发现，孔隙度或反应物含量递减的层状非均质性显著促进CO2溶解，而渗透率非均质性会抑制该过程。该成果为筛选适合高效CO2封存的非均质咸水层提供了理论依据，发表于《Geoenergy Science and Engineering》。

　　

随着全球碳排放量持续增加，地质封存技术成为缓解温室效应的关键手段。其中，将CO₂注入深层咸水层被认为是最具潜力的解决方案之一。然而，咸水层固有的非均质性——包括孔隙结构、渗透率和矿物分布的差异——会显著影响CO₂的溶解效率和长期封存安全性。目前，学界对非均质性如何调控CO₂对流-反应耦合过程的认识仍不充分，特别是化学溶解与物理输运的协同作用机制亟待阐明。

常州大学石油与天然气工程学院的研究团队通过开发新型对流-反应传输模型，系统研究了三种层状非均质性（孔隙度、渗透率、反应物含量）对CO₂溶解动力学的影响。研究发现，与均质咸水层相比，孔隙度或CaCO₃含量递减的层状非均质性可显著加速CO₂与盐水的混合，而渗透率非均质性则会抑制这一过程。该成果为优化CO₂地质封存选址提供了重要理论支撑，相关论文发表在《Geoenergy Science and Engineering》。

研究采用COMSOL Multiphysics 6.0软件构建二维数值模型，耦合达西定律模块、稀释物种传输模块和反应工程模块。模型考虑CaCO₃溶解引发的孔隙度-渗透率动态演化（式9），通过临界波长（λ_c）确定网格尺寸以确保计算精度。设置12组对比工况（表2），分析不同非均质构型下CO₂羽流形态、Damk?hler数（Da）演化等关键参数。

孔隙度非均质性的影响
当上层孔隙度较低时（Cases #1/#3），对流起始时间提前38%，CO₂指进密度增加2.3倍（图5a）。孔隙度递减分布（Cases #2/#4）使CO₂饱和时间缩短58%，最终渗透率提升7.4%（图8b）。这种构型促进"压实流"发展，而孔隙度递增则导致"指进-通道流"混合模式。

渗透率非均质性的调控作用
上层高渗透率（Cases #6/#8）使早期对流强度提升45%，但CO₂进入低渗层后传输速率下降60%（图10）。渗透率递增构型（Cases #5/#7）形成"指状发展"，其溶解前锋面积比均质条件减少32%（图12c）。

矿物分布的关键效应
CaCO₃含量递减（Cases #10/#12）使CO₂饱和时间缩短72.9%，Da数始终低于基准值（图17），呈现"优先溶解-通道流"特征。而含量递增构型（Cases #9/#11）导致"簇状发展"，反应完成时间延长2.8倍（图18a）。

研究创新性提出综合评估指标（式12），融合到达时间、浓度和溶解量等参数，量化显示CaCO₃含量递减构型的优越性（f=0.21）。该工作首次阐明Da数演化与CO₂溶解效率的定量关系，证实层状非均质性能通过改变CO₂-H₂O-CaCO₃系统（式2）的反应-对流平衡来调控封存效能。这些发现为CCUS（碳捕集利用与封存）工程中咸水层筛选提供了新标准，即优先选择矿物含量向下递减、孔隙度均匀分布的储层。未来研究可拓展至多矿物反应体系和大尺度地质模拟，以进一步验证结论的普适性。