CO2水合物在海底沉积物中的退化速率研究

CO2 marine sequestration in form of solid hydrate can be a promising approach to significantly reduce the emissions of CO2 into air and mitigate the greenhouse effect. However, its stability and risk of leakage are unclear at present. In order to solve this problem, this project will focus on the dissociation rate of CO2 hydrate in submarine sediments. The research contents include: the effect of temperature, pressure and salt concentration on the solubility of CO2 in the liquid which is in equilibrium with gas hydrate, the phase equilibrium model of hydrate-liquid, the influence of geological parameters of overburden, such as, geothermal gradient, interface characteristics of liquid-solid and thickness of seal layer etc., on the diffusion rate of dissolved CO2, a one-dimensional unsteady diffusion flux equation and quasi-steady diffusion flux equation are established to systematically evaluate the geological stability of CO2 hydrate for seabed carbon storage. The results are of great significance for predicting the life cycle of CO2 hydrate in submarine sediments, and providing scientific theory support for CO2 submarine sequestration and the development of natural gas hydrates.

将CO2以固态水合物的形式封存于海底沉积物中，可以实现CO2的大规模减排，缓解温室效应，但其稳定性和泄露风险尚不明确。针对此问题本项目将围绕CO2水合物在海底沉积物中的退化速率开展实验和理论研究。主要研究内容包括：CO2水合物周围液相中溶解气的浓度随温度、压力、盐浓度的变化规律及水合物-水溶液两相相平衡模型，覆盖层的地质特性参数（地温梯度、孔隙介质的液固界面特性、厚度）对溶解气扩散速率的影响，构建一维非稳态和准稳态（扩散外边界稳定到海底）扩散通量计算方程，系统计算评估CO2海底水合物封存的地质稳定性。研究结果对预测海底沉积物中CO2水合物的生命周期具有重要意义，同时为与其相关的两个技术领域——CO2海洋封存和天然气水合物开发提供理论依据。

水合物法固态封存CO2是一种新型的CO2地质封存技术，开展相关研究对实现“双碳”目标具有重要的现实意义。本项目针对海底沉积物中CO2水合物的退化速率，开展了大量的溶解度测定实验，系统地测量了气-液两相平衡体系、气-液-水合物三相平衡体系至气-液-水合物三相共存体系宽温/压范围内水溶液中CO2的溶解度。将CO2溶解度曲线从气-液两相体系扩展至气-液-水合物三相体系。测定了沉积物中CO2水合物与静态不饱和水长周期接触过程中的溶解速率和与不饱和流动水动态接触过程中的溶解速率，获取了不同工况条件下CO2的扩散通量，揭示了沉积物中CO2水合物溶解退化机制及退化速率的控制因素。针对海底沉积物中CO2水合物的溶解-扩散过程，建立了包括海水、上覆盖层、CO2水合物埋藏层，从非稳态扩散至稳态扩散全周期的传质速率模型，定量计算了不同封存周期内CO2通过上覆盖层的传质通量和CO2水合物的溶解速率，构建了海底沉积层中CO2水合物退化速率的计算方程。针对CO2水合物的溶解-扩散过程引起孔隙水中CO2浓度呈梯度分布，测定了含溶解气水溶液形成水合物的诱导时间，揭示液相中CO2浓度对水合物再生的促进机制，探究含CO2水溶液在运移过程中再生形成水合物盖层的可行性，全面评估海底沉积物中CO2水合物演变-圈闭机制。发表期刊论文8篇，其中SCI收录论文6篇，EI收录论文2篇；参加学术3次，特邀报告1次；申请国家发明专利3件（授权1件）。