在全球推进碳中和的背景下，碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）被视为不可或缺的减排手段。水合物法碳封存（Hydrate-based CO₂ Sequestration, HBCS）是离岸CCS领域的前沿方向：将液态CO₂注入海床沉积物中，在低温高压环境下形成的固态CO₂水合物，从而实现自封闭圈闭。

    然而，HBCS走向工程应用前须回答三个关键问题：

    1）封存机制是否可靠？

    2）封存规模是否达到工业化CCS要求？

    3）评估方法是否准确？

    北京天然气水合物国际研究中心近期发表于能源领域国际期刊《Energy》的研究成果，对此作出了系统回应。

    1）HBCS的封存机制是什么？CO₂能否被有效圈闭，长期去向如何？

    研究团队基于二次开发的TOUGH+Hydrate数值模拟框架，选取南海神狐海域大陆坡（水深约1300米）为研究区，开展了长达60万年的碳封存全周期模拟，完整覆盖了CO₂从注入到完全溶解的全过程。

    模拟结果揭示出"水合物盖层—密度泵"的耦合机制。注入的液态CO₂在正浮力驱动下上升进入水合物稳定带，迅速生成固态CO₂水合物，堵塞孔隙并形成自封闭盖层。该盖层有效拦截上升的CO₂羽流，为系统争取了约1000年的关键安全窗口期。在这一窗口期内，盖层下方累积的CO₂逐渐溶解于地层水中，使水溶液密度显著增大，触发密度驱动的下沉对流即"密度泵"效应。对流将溶解态CO₂由向上浮转为向下迁移，从根本上改变了碳的运移方向。

    定量结果表明，在完整模拟周期内，最终泄漏至海水的CO₂仅约占总注入量的 0.16%，几乎可忽略不计。研究据此确立了大陆坡环境下HBCS的两阶段长期安全封存机制：前期以水合物自封闭提供临时圈闭，后期以密度对流实现溶解态CO₂的向下清除。

    2）HBCS的封存潜力有多大？能否满足工业化CCS的规模要求？

    研究针对工程实际约束条件，开展了真实注入方案的数值模拟。在确保井底压力不超过地层破裂阈值的前提下，以4 kg/s的平均注入速率连续注入20年，南海神狐海域粉砂岩储层条件下，单井CO₂总注入量超过 250万吨（2.52 Mt），折算封存密度超过 400万吨/平方公里。

    客观而言，单井约12.6万吨/年的注入速率低于成熟深部盐水层CCS项目的典型值（通常100—500万吨/年/井），这是浅层未固结沉积物储层固有的工程特征。但HBCS策略的比较优势在于：以自形成水合物盖层替代对天然地质盖层的严格依赖，可降低前期勘探成本；同时较浅的目标深度（海床以下约300米）也大幅削减了钻井与完井费用。通过部署多井集群或水平井网，该技术路线具备向工业化注入规模扩展的可行性。

    3）模拟方法准确吗？模型和参数是否可靠？

   团队基于TOUGH+Hydrate框架自主开发了适用于多孔介质的CO₂水合物THC全耦合数值模拟器，可处理地质尺度下热-水-化多场耦合过程，通过以下三方面举措确保了模型的可靠性：

    第一，创新性相平衡模型。突破传统温度偏移法的局限，直接建立温度-盐度双变量CO₂水合物相平衡计算模型。基于CSMHYD热力学模型生成了含13,221个数据点的插值表后，采用深度学习技术训练了代理模型，解决了CO₂体系因相行为不连续导致的传统温度偏移法失效问题。

    第二，完善密度计算模型。集成基于偏摩尔体积加和法的CO₂-盐水密度算法，经实验数据验证平均误差约0.22%，准确捕捉了CO₂溶解引起的流体增重效应，为密度泵机制的触发奠定了物理基础。

    第三，多模块独立验证。液态CO₂密度、黏度、焓值等热物理性质模块均基于NIST和CoolProp标准数据拟合，多项子模型与实验数据及理论计算结果吻合良好。

    该研究是中心多学科交叉、协同攻关科研模式的集中体现。卢海龙教授负责全程指导与全局统筹，王磊承担核心算法开发与模拟器架构编写，古利娟负责CO₂物理性质算法实现与优化，詹林森完成地球物理属性系统分析与数据集成，蔡文久致力水合物物理性质精细计算与参数求解。

    未来中心将继续围绕水合物生成动力学、非均质储层封存效率及长期地质安全性等方向持续攻关，推动HBCS技术路线从基础研究向工程应用迈进，为服务国家"双碳"目标与全球气候治理提供科学支撑。

https://doi.org/10.1016/j.energy.2026.141131