清華新聞網(wǎng)7月4日電 天然氣水合物（可燃冰）是一種尚未開(kāi)發(fā)、資源潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源，僅我國(guó)南海北部陸坡的資源量就達(dá)數(shù)百億噸油當(dāng)量。我國(guó)在南海成功實(shí)施了兩次天然氣水合物試采，實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越，但如何實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)的商業(yè)化開(kāi)采仍是重大挑戰(zhàn)。二氧化碳（CO2）與天然氣類(lèi)似，可在特定溫壓條件下與水分子形成固態(tài)水合物，實(shí)現(xiàn)CO2的地質(zhì)封存；同時(shí)，由于不同水合物在熱力學(xué)條件上存在差異，CO2能夠占據(jù)天然氣水合物晶體結(jié)構(gòu)，促使天然氣釋放。因此，開(kāi)發(fā)天然氣水合物開(kāi)采與碳封存的一體化技術(shù)，有望同步實(shí)現(xiàn)清潔能源獲取與溫室氣體封存。
圖1.海洋天然氣水合物開(kāi)采耦合碳封存示意圖
近期，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授訾牧聰團(tuán)隊(duì)針對(duì)天然氣水合物開(kāi)發(fā)難點(diǎn)，以逆向思維視其為封存CO2的潛在優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)闡明注入CO2可同步達(dá)成天然氣水合物增產(chǎn)開(kāi)采、海底碳封存與地質(zhì)修復(fù)三重目標(biāo)，為協(xié)同推進(jìn)海洋資源開(kāi)發(fā)與碳中和提供了創(chuàng)新路徑。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)綜述全球最新研究，有了三方面的主要發(fā)現(xiàn)：首先，CO2可在天然氣水合物沉積環(huán)境下穩(wěn)定成藏，在典型海域天然氣水合物儲(chǔ)層的高壓中溫環(huán)境（11~16 MPa, 11~15 ℃）下，CO2能與儲(chǔ)層中的殘余/游離甲烷（CH?）形成混合水合物，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定封存，且其相變行為受溫度、鹽度、礦物成分及水飽和狀態(tài)調(diào)控。這為“開(kāi)采-固碳耦合技術(shù)”提供了熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)依據(jù)。
其次，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了三種水合物開(kāi)采-固碳耦合模式，根據(jù)水合物相平衡差異、CO2注入目的與時(shí)機(jī)的不同，開(kāi)采-固碳耦合模式可分為：降壓法聯(lián)合CO2置換法（同步注入開(kāi)采）：利用CO2分子置換天然氣水合物晶格中的CH4分子，提升原位分解效率；CO2水合物蓋層（先注后采）：在儲(chǔ)層上方預(yù)先形成不透水層，阻止孔隙水流入上覆巖層，為后續(xù)降壓開(kāi)采創(chuàng)造相對(duì)封閉空間；枯竭天然氣水合物藏封存CO2（采后注入）：CO2與孔隙中殘留的CH4形成混合水合物，重新支撐地層并恢復(fù)能量，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)修復(fù)。
最后，研究發(fā)現(xiàn)水合物增產(chǎn)技術(shù)可同步強(qiáng)化碳封存，常規(guī)天然氣水合物增產(chǎn)原理與碳封存具備一定適配性，主要體現(xiàn)在提高分解效率：降壓產(chǎn)生的低溫環(huán)境增強(qiáng)了CO2水合物形成的驅(qū)動(dòng)力；擴(kuò)大分解陣列面積：增大井筒與儲(chǔ)層接觸面積可擴(kuò)大CO2擴(kuò)散范圍，進(jìn)而增加CO2水合物生成面積；改善儲(chǔ)層環(huán)境：CO2水合物蓋層和水力壓裂等技術(shù)能營(yíng)造封閉封存空間并改善滲流條件，促進(jìn)液態(tài)CO2擴(kuò)散與水合物生成；多氣源協(xié)同開(kāi)采：構(gòu)成多相、多層和多模式的海域CO2多相存儲(chǔ)系統(tǒng)。
圖2. 不同水合物類(lèi)型的相平衡示意圖：（a）壓力-溫度；（b）埋深-溫度
最后，研究對(duì)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)方向進(jìn)行了展望。在精細(xì)化儲(chǔ)層表征方面，可以結(jié)合深海、淺層與非成巖特性研究CO2/多元混合水合物形成機(jī)制，完善多組分理論模型，明確多元混合水合物相平衡規(guī)律及海水-泥沙介質(zhì)的影響機(jī)理。在開(kāi)發(fā)大型物理模擬裝置方面，需要突破現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)對(duì)Ⅰ/Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層及蓋層場(chǎng)景的尺寸限制，真實(shí)還原地層應(yīng)力條件；量化地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)：建立THMC+S（熱-流-力-化-固）多場(chǎng)耦合模型，精準(zhǔn)評(píng)估開(kāi)采-封存過(guò)程中的沉積物運(yùn)移與地層穩(wěn)定性。
圖3.THMC+S多場(chǎng)耦合模型示意圖
相關(guān)研究成果以“CO2注入強(qiáng)化海洋天然氣水合物開(kāi)采：綜述與展望”（How injecting CO2 enhances marine natural gas hydrate exploitation: Review and prospect）為題，于6月28日發(fā)表于《可再生和可持續(xù)能源評(píng)論》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授訾牧聰為論文通訊作者，2023級(jí)博士生葉鴻宇為論文第一作者。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授陳道毅、博士后牛夢(mèng)雅、2021級(jí)博士生姚遠(yuǎn)欣、2023級(jí)博士生段軍、2022級(jí)碩士生董鵬，福州大學(xué)研究員吳學(xué)震，中國(guó)石油大學(xué)（華東）教授李大勇和日本長(zhǎng)崎大學(xué)教授蔣宇靜。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市科技項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032125006847
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
