科研
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清华新闻网7月4日电 天然气水合物（可燃冰）是一种尚未开发、资源潜力巨大的非常规天然气资源，仅我国南海北部陆坡的资源量就达数百亿吨油当量。我国在南海成功实施了两次天然气水合物试采，实现了从“跟跑”到“领跑”的跨越，但如何实现安全、经济的商业化开采仍是重大挑战。二氧化碳（CO2）与天然气类似，可在特定温压条件下与水分子形成固态水合物，实现CO2的地质封存；同时，由于不同水合物在热力学条件上存在差异，CO2能够占据天然气水合物晶体结构，促使天然气释放。因此，开发天然气水合物开采与碳封存的一体化技术，有望同步实现清洁能源获取与温室气体封存。
图1.海洋天然气水合物开采耦合碳封存示意图
近期，清华大学深圳国际研究生院副教授訾牧聪团队针对天然气水合物开发难点，以逆向思维视其为封存CO2的潜在优势，系统阐明注入CO2可同步达成天然气水合物增产开采、海底碳封存与地质修复三重目标，为协同推进海洋资源开发与碳中和提供了创新路径。
团队通过综述全球最新研究，有了三方面的主要发现：首先，CO2可在天然气水合物沉积环境下稳定成藏，在典型海域天然气水合物储层的高压中温环境（11~16 MPa, 11~15 ℃）下，CO2能与储层中的残余/游离甲烷（CH₄）形成混合水合物，实现长期稳定封存，且其相变行为受温度、盐度、矿物成分及水饱和状态调控。这为“开采-固碳耦合技术”提供了热力学与动力学依据。
其次，团队发现了三种水合物开采-固碳耦合模式，根据水合物相平衡差异、CO2注入目的与时机的不同，开采-固碳耦合模式可分为：降压法联合CO2置换法（同步注入开采）：利用CO2分子置换天然气水合物晶格中的CH4分子，提升原位分解效率；CO2水合物盖层（先注后采）：在储层上方预先形成不透水层，阻止孔隙水流入上覆岩层，为后续降压开采创造相对封闭空间；枯竭天然气水合物藏封存CO2（采后注入）：CO2与孔隙中残留的CH4形成混合水合物，重新支撑地层并恢复能量，实现地质修复。
最后，研究发现水合物增产技术可同步强化碳封存，常规天然气水合物增产原理与碳封存具备一定适配性，主要体现在提高分解效率：降压产生的低温环境增强了CO2水合物形成的驱动力；扩大分解阵列面积：增大井筒与储层接触面积可扩大CO2扩散范围，进而增加CO2水合物生成面积；改善储层环境：CO2水合物盖层和水力压裂等技术能营造封闭封存空间并改善渗流条件，促进液态CO2扩散与水合物生成；多气源协同开采：构成多相、多层和多模式的海域CO2多相存储系统。
图2. 不同水合物类型的相平衡示意图：（a）压力-温度；（b）埋深-温度
最后，研究对领域的未来发展重点方向进行了展望。在精细化储层表征方面，可以结合深海、浅层与非成岩特性研究CO2/多元混合水合物形成机制，完善多组分理论模型，明确多元混合水合物相平衡规律及海水-泥沙介质的影响机理。在开发大型物理模拟装置方面，需要突破现有实验对Ⅰ/Ⅱ类储层及盖层场景的尺寸限制，真实还原地层应力条件；量化地质风险：建立THMC+S（热-流-力-化-固）多场耦合模型，精准评估开采-封存过程中的沉积物运移与地层稳定性。
图3.THMC+S多场耦合模型示意图
相关研究成果以“CO2注入强化海洋天然气水合物开采：综述与展望”（How injecting CO2 enhances marine natural gas hydrate exploitation: Review and prospect）为题，于6月28日发表于《可再生和可持续能源评论》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）。
清华大学深圳国际研究生院副教授訾牧聪为论文通讯作者，2023级博士生叶鸿宇为论文第一作者。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院教授陈道毅、博士后牛梦雅、2021级博士生姚远欣、2023级博士生段军、2022级硕士生董鹏，福州大学研究员吴学震，中国石油大学（华东）教授李大勇和日本长崎大学教授蒋宇静。研究得到国家自然科学基金和深圳市科技项目等的支持。
本文链接：http://knowith.com/news-3-3201.html深圳国际研究生院訾牧聪团队在海洋天然气水合物开采耦合碳封存领域取得新进展
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