《Fuel》：Numerical simulation of thermal-hydraulic-chemical multi-physical field coupling for large-scale experimental models of CO
2 hydrate sequestration
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hydrate-based CO2 sequestration技术实现长期稳定封存，开发 thermal-hydraulic-chemical (T-H-C)多场耦合数值模型，复现实验温度压力演化，揭示饱和度、渗透率、孔隙结构及渗流场的动态耦合机制，阐明不同阶段多物理场竞争与反馈规律。
王磊|严贤杰|葛阳|李瑞瑞|吴兆然|兰金燕|刘洁峰
中国山东省青岛市燕山大学亚稳态材料科学与技术国家重点实验室，邮编066004
摘要
基于水合物的二氧化碳封存（HBCS）技术是一种实现长期、稳定二氧化碳封存于海洋沉积物中以减缓气候变化的关键方法。然而，实验研究仅能测量单一物理场数据（例如温度和压力），难以揭示多物理场耦合的复杂机制。为了解决这一限制，本研究基于已发表的大规模二氧化碳水合物封存实验，开发了一个热-水力-化学（T-H-C）多场耦合数值模型。该模型不仅再现了实验观察到的储层温度和压力的时间演变，还阐明了整个封存过程中饱和度、渗透率、孔隙度和渗流场之间的动态耦合机制。主要发现如下：（1）在二氧化碳注入阶段，温度-压力场受井筒附近溶解放热与外部冷却的竞争控制；（2）在水合物积累阶段，水合物形成受到反应物扩散的限制，导致高温区从外部向内部收缩，从而驱动压力场的重新分布；（3）在二氧化碳注入初期，渗流场受压力驱动和浮力的影响，其渗透率响应与饱和度场协同演变；（4）在水合物积累阶段，非均匀的水合物生长重塑了孔隙度和渗流场，迫使流体流动路径发生偏移。
引言
随着全球平均温度的持续上升以及由此引起的气候系统变化日益明显，应对气候变化已成为国际科学界和世界各国政策制定者的核心关切[1]。IPCC的评估报告明确指出，自工业革命以来大气中二氧化碳和其他温室气体浓度的迅速增加是当代气候变暖的主要人为因素[2]。为了将全球变暖限制在2°C以下，报告强调全球社会必须在2020年至2100年间通过碳捕获与封存（CCS）技术累计封存约255-3350 Gt的二氧化碳[3]、[4]。这凸显了开发实用碳减排和封存技术的紧迫性。
作为关键的CCS策略，基于水合物的二氧化碳封存（HBCS）技术因其巨大的封存潜力和高长期安全性而受到广泛关注[5]、[6]。该技术的核心原理是在海底的高压低温条件下将液态二氧化碳转化为固态水合物，形成的水合物稳定地存在于海洋沉积物的孔隙中。这种方法具有多重优势：高存储效率（单位体积的水合物可以封装约184体积的气态二氧化碳）[7]；通过胶结作用增强储层稳定性[8]、[9]；即使在泄漏情况下，由于在海水中的溶解速度缓慢，环境风险也较低[10]。
为了探索HBCS的技术可行性，研究人员进行了从现场验证到实验室模拟的各种实验研究。早期的现场实验初步证实了该技术的物理可行性[11]。后续的实验室研究了储层形成机制和关键影响因素，包括气体接触面积[12]、流体流动效应[13]以及对储层渗透率的影响[14]、[15]。最近的大规模实验系统评估了温度、注入速率和井型等因素的影响，提高了水合物转化效率[16]、[17]。
尽管这些实验积累了宝贵的数据，但它们受到观测技术的限制——主要局限于监测宏观尺度的温度和压力场。获取关键内部物理场（如流体饱和度、孔隙结构、渗透率和渗流模式）的实时、非破坏性时空演变仍然具有挑战性。这种“单一物理场观测”的限制阻碍了对水合物积累动态和多过程耦合机制的深入理解。
作为实验研究的重要补充，数值模拟可以克服时空和观测上的限制，从机制角度再现和预测HBCS中的复杂多物理场过程。现有的数值模拟研究从多个方面推进了理解：一些研究阐明了水合物帽形成降低渗透率并限制二氧化碳迁移的关键机制[18]、[19]；其他研究探讨了储层性质和工程参数（包括孔隙体积[20]和渗透率各向异性[21]的影响；还出现了基于机器学习的渗透率预测等新方法[22]。最近针对南海的模拟突显了水合物帽在长期封存中的主导作用[23]、[24]，以及注入速率对短期效率的显著影响[25]。
然而，大多数现有模型在多物理场耦合完整性和内部场变量分辨率方面存在局限性。它们尚未系统地阐明整个封存过程中饱和度、孔隙度、渗透率和渗流场等关键内部变量的时空动态耦合和反馈机制。
鉴于此，本研究旨在基于已发表的大规模二氧化碳水合物封存实验[17]，建立一个完全耦合的热-水力-化学（T-H-C）高保真数值模型。核心创新在于系统地阐明无法通过实验直接观察到的内部多物理场之间的动态耦合规律和相互作用。具体而言，本研究包括三个核心方面：（1）验证模型再现实验温度和压力数据的能力；（2）系统分析二氧化碳注入和水合物积累两个阶段多物理场的协同演变特征；（3）阐明水合物形成对储层物理性质和流体迁移的反馈控制效应。这一努力旨在弥合宏观现象与微观机制之间的认知差距，从而为HBCS技术的机制理解和最佳设计提供更强大的数值工具。
章节摘录
热-水力-化学（T-H-C）耦合数学模型
基于二氧化碳水合物的封存涉及多个物理场之间的复杂相互作用，包括温度场、应力场、孔隙流体场和化学场。这些跨场相互作用决定了整个系统的封存效率和存储稳定性。在方法论上，多物理场耦合数值方法可以模拟热、流、机械、水力和化学场之间的耦合效应，并展现出明显的优势
温度-压力状态
图4和图5显示了监测点的温度和压力变化以及我们之前实验研究[17]的结果。在整个实验过程中，数值模拟和实验得到的温度和压力变化结果非常吻合。这表明我们的模型能够很好地再现实验现象。3600分钟之前对应于二氧化碳注入阶段，3600至7800分钟期间是
盐度对水合物形成的影响
为了评估孔隙水盐度对二氧化碳水合物封存的影响，使用第1.1节描述的改进模型进行了含盐度3.5 wt%（代表典型海洋条件）的对比模拟。图16比较了纯水情况（原始模型）和盐水情况下的总水合物质量的时间演变。
在水合物形成初期（2000–5000分钟），纯水和盐水的水合物生成曲线几乎
结论
基于大规模的海底二氧化碳水合物封存实验[17]，本研究建立了一个热-水力-化学多场耦合数值模型，并成功再现了实验观察到的储层压力和温度的演变过程。在此基础上，本研究突破了单一物理场观测的局限性，深入探讨了饱和度场的动态耦合演变机制
作者贡献声明
王磊：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、概念构思。严贤杰：撰写——初稿撰写、可视化、数据验证。葛阳：撰写——审稿与编辑、概念构思。李瑞瑞：撰写——审稿与编辑、可视化、数据验证、概念构思。吴兆然：撰写——审稿与编辑。兰金燕：撰写——审稿与编辑。刘洁峰：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42306241）的财政支持。
