Migration characteristics and storage forms of liquid and supercritical CO2 in saline aquifers
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摘要:目的
CO2咸水层封存是实现大规模温室气体减排的关键技术。对离岸浅部咸水层，海洋低温环境与上覆海水压力作用使其温度和压力条件相较于相同埋深陆上咸水层差异明显，地层内CO2可能以液态形式存在。与超临界态相比，液态CO2的密度、黏度及其在地层水中的溶解度更高，影响其运移和封存过程。现有研究以超临界CO2为主，液态CO2在咸水层中的运移和封存规律缺乏深入认识。
方法考虑液态与超临界态CO2特征，构建浮力与毛管力作用下CO2运移与封存的数学模型。基于高精度两相渗流数值模拟，对比注气结束后液态与超临界态CO2在咸水层中的运移特征和封存方式变化规律。
结果和结论结果表明：与超临界态相比，浮力主导下液态CO2垂向运移速率降低，波及体积减小。25 a后不同封存方式下液态CO2的封存量要明显低于超临界态，咸水层的封存容量更难被充分利用。局部毛管力封存占比55%，残余气封存约为40%，溶解气封存占比5%，相态对不同封存方式贡献的影响较小。地温梯度的增大有利于强化液态CO2的垂向运移，增加其波及体积，提高不同封存方式封存量及咸水层封存容量的利用效率。相同埋深条件下，超临界CO2在陆上与离岸咸水层中运移特征和封存量呈现明显差异。离岸咸水层中超临界CO2的垂向运移被抑制，降低了局部毛管力和残余气作用下CO2封存量，不利于咸水层封存容量的有效利用。研究成果可为陆上和离岸咸水层CO2高效封存提供一定指导。
Abstract:ObjectiveCO2 storage in saline aquifers serves as a critical technology used to dramatically reduce greenhouse gas emissions. Owing to the low-temperature marine environment and the pressure from overlying seawater, shallow offshore saline aquifers exhibit significantly different temperature and pressure conditions compared to onshore saline aquifers at equivalent burial depths, allowing CO2 to occur in a liquid state. Compared to supercritical CO2, liquid CO2 features higher density, viscosity, and solubility in formation water, which affect the CO2 migration and storage processes. Previous studies focus primarily on supercritical CO2, lacking a deep understanding of the migration and storage patterns of liquid CO2 in saline aquifers.
MethodsConsidering the distinct characteristics of liquid and supercritical CO2, this study constructed a mathematical model for CO2 migration and storage under the action of buoyancy and capillary pressure. Using the high-precision numerical simulations of two-phase seepage, this study compared the laws of changes in the migration characteristics and storage forms of liquid and supercritical CO2 in saline aquifers after gas injection. [Results and Conclusions] The results indicate that compared to supercritical CO2, liquid CO2 manifested reduced vertical migration rates and swept volumes under buoyancy-dominated conditions. After 25 a, the storage amounts of liquid CO2 in different storage forms were significantly lower than those of supercritical CO2, making it more difficult to fully leverage the storage capacity of saline aquifers. Among the different CO2 storage forms, local capillary trapping, residual gas trapping, and solubility trapping represent 55%, 40%, and 5%, respectively, with the CO2 phase states posing minor impacts on the storage forms. An increase in geothermal gradient enhanced the vertical migration and swept volume of liquid CO2, the CO2 storage amounts of different storage forms, and the utilization efficiency of the storage capacity of saline aquifers. At the same burial depths, supercritical CO2 displayed significantly different migration characteristics and storage amounts in onshore and offshore saline aquifers. The inhibited vertical migration of supercritical CO2 in offshore saline aquifers reduced the CO2 storage amounts of local capillary trapping and residual gas trapping, hampering the effective utilization of the storage capacity of saline aquifers. The results of this study can serve as a guide for efficient CO2 storage in onshore and offshore saline aquifers.
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Keywords:
- saline aquifer /
- CO2 geological storage /
- phase state /
- buoyancy /
- capillary force /
- storage form
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CO2地质封存作为一项大规模温室气体减排技术，是实现碳达峰碳中和(“双碳”)战略目标的重要手段[1-2]。研究表明，我国深部咸水层的CO2封存容量达0.16~2.42万亿t[3]，封存潜力巨大。目前已陆续在鄂尔多斯盆地、珠江口盆地开展了咸水层CO2地质封存工程[4-5]，验证了该技术的可行性和应用前景。随着CO2捕集利用与封存(CCUS)项目的规模化和集群化发展[6]，进一步厘清咸水层CO2封存过程中羽流演化规律和封存方式演变特征，对高效安全封存具有重要意义。
咸水层CO2封存一般通过水平井或大斜度井实施，以提高注气速率。在注气结束后，CO2受浮力作用向咸水层上部运移，浮力与毛管力控制着CO2的运移路径，影响其封存方式[7-9]。对离岸浅部咸水层，在其相对低温、高压条件下，CO2处于液态，密度、黏度与超临界态存在明显差别，影响CO2运移速率和封存方式。现有咸水层CO2封存的研究以超临界态为主[10-11]。S. T. Ide等[12]探究了重力和黏滞力对CO2封存的影响，通过重力数(重力与黏滞力之比)表示重力与黏滞力的相对大小，发现高重力数不利于CO2封存。S. L. Bryant等[13]研究了超临界CO2在毛管力与浮力共同作用下的运移特征，发现CO2羽流前缘的不稳定性主要受咸水层非均质性影响，毛管力会促进CO2横向运移。Wen Gege等[14]探究了层状咸水层非均质性对超临界CO2羽流的影响，利用高渗层和低渗层的渗透率比值量化层间差异，发现当层间渗透率差异较小时(比值介于1~5)，CO2运移主要受浮力控制，随着层间渗透率差异增大(5~50)，羽流范围逐渐减小，在极端非均质下(比值>50)，CO2羽流范围最小，几乎无法进入低渗层。K. J. Khudaida等[15]对比了均质和非均质咸水层中超临界CO2的封存效率及不同封存方式的效果，发现非均质性可以强化残余捕获机理，均质储层则会促进CO2的溶解。V. Vilarrasa等[16]模拟了深部咸水层液态CO2注入过程，发现相较于超临界态，液态CO2具有更高的能量效率，且超临界CO2运移主要受浮力影响，液态CO2运移主要受黏滞力影响，注入井附近液态CO2前缘明显滞后于超临界CO2。
液态CO2运移特征与超临界态存在明显差异，影响其封存容量利用效率和封存方式，进而影响封存安全。目前，对液态CO2运移规律和封存方式的认识尚不深入。为此，笔者构建浮力与毛管力协同作用下CO2运移与封存的数学模型，结合地质统计建模和高精度两相渗流数值模拟，对比液态与超临界CO2在咸水层中的运移与封存特征，明确液态CO2羽流演化特征，量化不同封存方式贡献的演变规律。
1 建模原理与方法
1.1 CO2−地层水两相渗流控制方程
在注气阶段结束之后，CO2在浮力作用下向咸水层上部运移，此时，CO2运移路径受黏滞力、毛管力和浮力共同影响。根据质量守恒定律，在不考虑源汇项条件下，渗流场的控制方程为：
$$ \frac{{\partial \left( {{\rho _i}\varphi {S_i}} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \cdot {\rho _i}{{\boldsymbol{u}}_i} = 0 $$ (1) CO2与地层水在咸水层中的运移速度满足达西定律：
$$ {{\boldsymbol{u}}_i} = - \frac{{K{k_{{\text{r}}i}}}}{{{\mu _i}}}\left( {\nabla {p_i} - {\rho _i}{{g}}} \right) $$ (2) 同时，咸水层孔隙内CO2和地层水的饱和度满足：
$$ \sum\limits_i {{S_i}} = 1 $$ (3) 在浮力主导下，CO2运移受毛管力的影响显著[7-8]。考虑毛管力作用时，CO2和地层水的流体压力满足：
$$ {p_{\text{c}}} = {p_{\text{g}}} - {p_{\text{w}}} $$ (4) 咸水层非均质性使毛细管入口压力呈现空间非均质特征，会显著改变CO2运移路径。考虑毛细管入口压力非均质性的影响，基于Leverett J函数，利用孔隙率与渗透率对不同网格的毛管力曲线进行缩放。缩放时不考虑孔隙表面润湿性、CO2−地层水界面张力的空间差异，得到每个网格的毛管力曲线，如下式：
$$ {p_{{\text{c}}2}}\left( {{S_{\text{w}}}} \right) = {p_{{\text{c}}1}}\left( {{S_{\text{w}}}} \right)\sqrt {\frac{{{K_1}}}{{{K_2}}}\frac{{{\varphi _2}}}{{{\varphi _1}}}} $$ (5) CO2的残余气封存通过Land模型[17]进行计算，考虑润湿性导致的相渗滞后效应，CO2最大残余饱和度设为0.286。
1.2 流体状态方程
状态方程，如立方型状态方程，或者微扰链−统计缔合流体理论状态方程，可用来精确预测流体的热力学性质及计算相平衡[18-21]。考虑矿化度、温度和压力的影响，CO2在地层水中的溶解度、CO2与地层水的密度通过Peng-Robinson状态方程[19,22]进行计算，并结合不同温度和压力条件下的实验数据拟合状态方程参数[22]，使其能够精确表征液态和超临界态CO2的物性。
$$ p = \frac{{{{R}}T}}{{{V_{\text{m}}} - b}} - \frac{{a\alpha }}{{V_{\text{m}}^2 + 2b{V_{\text{m}}} - {b^2}}} $$ (6) $$ a = \frac{{0.457\;24{{{R}}^2}T_{\text{c}}^2}}{{{p_{\text{c}}}}} $$ (7) $$ b = \frac{{0.077\;80{{R}}{T_{\text{c}}}}}{{{p_{\text{c}}}}} $$ (8) $$ \alpha = {\left( {1 + \left( {0.374\;64 + 1.542\;26\omega - 0.269\;92{\omega ^2}} \right)\left( {1 - \sqrt {\frac{T}{{{T_{\text{c}}}}}} } \right)} \right)^2} $$ (9) CO2和地层水的黏度通过Pedersen模型[23]进行计算，相对黏度${\mu _{\text{r}}} $通过相对压力$p_{\text{r}} $和相对温度$T_{\text{r}} $进行表示：
$$ {\mu _{\text{r}}} = f\left( {{p_{\text{r}}},{T_{\text{r}}}} \right) $$ (10) 进一步，不同压力和温度下的黏度可以表示为：
$$ \mu (p,T) = {\left( {\frac{{{T_{\text{c}}}}}{{{T_{{\text{co}}}}}}} \right)^{ - 1/6}}{\left( {\frac{{{p_{\text{c}}}}}{{{p_{{\text{co}}}}}}} \right)^{2/3}}{\left( {\frac{M}{{{M_{\text{o}}}}}} \right)^{1/2}}\left( {\frac{\beta }{{{\beta _{\text{o}}}}}} \right){\mu _{\text{o}}}({p_{\text{o}}},{T_{\text{o}}}) $$ (11) po和To表达式如下：
$$ {p_{\text{o}}} = \frac{{p{p_{{\text{co}}}}}}{{{p_{\text{c}}}}}\frac{{{\beta _{\text{o}}}}}{\beta } $$ (12) $$ {T_{\text{o}}} = \frac{{T{T_{{\text{co}}}}}}{{{T_{\text{c}}}}}\frac{{{\beta _{\text{o}}}}}{\beta } $$ (13) 1.3 咸水层地质模型
考虑渗透率非均质性对CO2运移和封存的影响，利用序贯高斯模拟(SGSIM)方法[24-25]，生成非均质渗透率场；在此基础上，根据典型咸水层孔隙率−渗透率Holtz关系[26](见式(14))计算得到孔隙率分布。基于Leverett J函数，进行其他孔隙率和渗透率条件下毛管力曲线的缩放。本文咸水层模型为垂向剖面的二维模型，未考虑三维空间的影响。模型采用的咸水层孔隙率、渗透率及毛细管入口压力分布如图1所示。其中，上述物理量的水平方向无因次相关长度为0.125，垂向无因次自相关长度为0.02，非均质程度为0.63。渗透率K与孔隙率$\varphi $之间的经验拟合公式如下：
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图 1 咸水层孔隙率、渗透率及毛细管入口压力分布Figure 1. Distributions of porosity, permeability, and capillary entry pressure in saline aquifers$$ K = 7 \times {10^7}{\varphi ^{9.61}} $$ (14) 1.4 物性参数
本文设计了3种典型的离岸和陆上咸水层封存场景，不同咸水层物性参数见表1。考虑海洋低温环境与上覆海水压力作用，离岸咸水层和陆上咸水层的地质模型所处的温度和压力环境存在明显差异。在数值模拟过程中，利用状态方程计算不同温度和压力条件下CO2的密度、黏度及在水中的溶解度等参数，在此基础上进行两相流动计算。
表 1 陆上与离岸咸水层物性参数Table 1. Physical parameters for onshore and offshore saline aquifers情景 恒温带
以下埋深/m海床
深度/m恒温带
温度/℃地温梯度/
(℃·m−1)压力梯度/
(MPa·km−1)渗透率/
10−3 μm2孔隙率 相态 密度/
(kg·m−3)黏度/
(10−5 Pa·s)1 800 1 266 3.5 0.03 9.8 500 0.278 液态 902.75~904.70 9.33~9.38 2 1 200 1 266 3.5 0.03 9.8 500 0.278 超临界态 874.63~876.67 8.68~8.72 3 1 200 0 15 0.03 9.8 500 0.278 超临界态 551.50~572.24 4.03~4.23 情景1和2为离岸咸水层，假设海底恒温带深度为1 266 m，恒温带温度为3.5 ℃，2个咸水层分别位于恒温带以深800和1 200 m处。情景3为陆上咸水层，恒温带温度为15 ℃，咸水层位于恒温带以深1 200 m。在模型中，咸水层的孔隙表面假设为水湿。未考虑不同相态CO2−地层水间相渗曲线及毛管力曲线的差异，忽略CO2−地层水−岩石之间的化学反应，即不考虑矿化封存机理。咸水层两侧为开放边界，顶部和底部为封闭边界。本文主要探究注气结束之后，不同相态条件下CO2在咸水层内的运移和封存规律。在初始时刻，将约1个孔隙体积的CO2置于咸水层模型最底层网格中。在模拟的25 a内，预置的CO2受浮力和毛管力的作用向咸水层上方运移。基于有限差分法对上述数学模型进行数值求解。
1.5 不同封存方式CO2封存量评价指标
本文主要考虑咸水层中CO2在局部毛管力、残余气及溶解作用下的3种封存方式。局部毛管力封存是指在局部区域内，因毛细管入口压力的差异而形成的封存，其主要出现在特定的地质结构或小尺度区域。局部毛管力封存形成的CO2饱和度高于残余气饱和度。为定量表征局部毛管力封存量，本文将孔隙中超过残余气饱和度的CO2相视为局部毛管力封存。基于数值模拟结果，由局部毛管力作用封存的CO2质量[27]可以表示为：
$$ {m_{\text{l}}} = \sum\limits_{j = 1}^{{{{N}}_{{\text{grid}}}}} {\left( {{V_{\text{b}}}{\varphi _j}\left( {{S_{{\text{g,}}j}} - {S_{{\text{gr,}}j}}} \right){\rho _{{\text{g,molar,}}j}}{Y_j({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})}{{{M}}({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})}} \right)} $$ (15) 残余气封存是指孔隙周围地层水重新侵入孔隙中驱替CO2，使其以不连续的小气泡形式困锁于孔隙内形成的封存。残余气封存作用存在于整个咸水层范围。基于数值模拟得到的CO2饱和度进行如下判断：当CO2饱和度低于残余气饱和度时，${S_{{\text{gr,}}j}}$取值为当前网格CO2饱和度，当CO2饱和度大于或等于残余气饱和度时，${S_{{\text{gr,}}j}}$取值为当前网格残余气饱和度，由下式计算区域内残余气封存CO2质量：
$$ {m_{\text{r}}} = \sum\limits_{j = 1}^{{{{N}}_{{\text{grid}}}}} {\left( {{V_{\text{b}}}{\varphi _j}{S_{{\text{gr,}}j}}{\rho _{{\text{g,molar,}}j}}{Y_j({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})}{{{M}}({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})}} \right)} $$ (16) 溶解封存是指CO2在地层水中溶解而形成的滞留。静态条件下，液态CO2在地层水中的溶解度高于超临界态。在动态运移过程中，CO2在地层水中的溶解量同时受其波及体积的影响。基于数值模拟得到的CO2在地层水中的溶解度，由下式计算区域内地层水中CO2的溶解总量：
$$ {m_{\text{d}}} = \sum\limits_{j = 1}^{{{{N}}_{{\text{grid}}}}} {\left( {{V_{\text{b}}}{\varphi _j}{S_{{\text{w,}}j}}{\rho _{{\text{a,molar,}}j}}{X_j({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})}{{{M}}({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})}} \right)} $$ (17) 2 结果与讨论
2.1 离岸咸水层液态与超临界CO2运移与封存特征
2.1.1 相态对CO2运移的影响
离岸咸水层中液态和超临界CO2在运移1、10及25 a后的羽流分布如图2所示。可以看出，在注气阶段结束后，CO2受浮力驱动向咸水层上部运移。受非均质毛细管入口压力的阻碍，CO2运移路径发生明显改变，致使具有高毛细管入口压力的区域未被波及，CO2羽流呈现分叉结构。处于海底800 m的咸水层，其孔隙压力为20.35~20.64 MPa，平均温度为27.95 ℃。在此条件下，CO2为液态，平均密度903.76 kg/m3。此时，CO2与地层水的密度差异较小，浮力驱动作用较弱，25 a后液态CO2尚未运移至咸水层顶部。位于海底
1200 m的咸水层，其压力为24.27~24.56 MPa，平均温度为39.95 ℃，该条件下CO2处于超临界态，密度为875.66 kg/m3。相较于液态，超临界CO2的密度更低，与地层水密度差异更大，所受浮力相对较大，提高了CO2的垂向运移速率和波及体积，咸水层封存容量利用率提高，25 a后CO2运移接近咸水层顶部。![]()
图 2 离岸咸水层液态与超临界CO2羽流时空演变特征Figure 2. Spatiotemporal evolutionary characteristics of liquid and supercritical CO2 plumes in offshore saline aquifers2.1.2 相态对CO2封存方式演变的影响
不同封存方式下离岸咸水层中液态与超临界CO2封存量和相对贡献如图3所示。可以看出，在模拟时间尺度内，随着时间的推移，液态和超临界CO2在不同封存方式下的封存量主要呈线性增加趋势。考虑到超临界CO2密度更小，垂向运移速率更大，不同封存方式的封存量较液态条件更高。因此，对于离岸浅部咸水层，当CO2处于液态时，其封存容量相较于超临界CO2更难被充分利用。从相对贡献看，局部毛管力封存的占比最高(~55%)，残余气封存次之(~40%)，溶解封存占比最低(~5%)，相态对不同封存方式的贡献影响较小。
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图 3 离岸咸水层液态与超临界态CO2封存方式演变特征Figure 3. Evolutionary characteristics of storage forms of liquid and supercritical CO2 in offshore saline aquifers2.1.3 地温梯度的影响
结合数值模拟，分析离岸咸水层在0.020、0.025及0.030 ℃/m 3种典型地温梯度条件下，液态CO2的运移与封存特征。不同时刻液态CO2羽流分布如图4所示。可以看出，随着地温梯度的增加，相同时刻CO2的波及体积逐渐增大。在0.030 ℃/m的地温梯度条件下，CO2密度更小，其垂向运移得到强化，进一步增大了CO2在水平方向和咸水层上部的波及范围。在0.020 ℃/m的地温梯度条件下，25 a后CO2在咸水层下部的波及范围有所增加，这在一定程度上能够降低CO2通过盖层泄漏的风险，有利于安全封存。
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图 4 不同地温梯度条件下离岸咸水层液态CO2羽流时空演化特征Figure 4. Spatiotemporal evolutionary characteristics of liquid CO2 plumes in offshore saline aquifers under different geothermal gradients基于数值模拟结果，计算不同地温梯度条件下液态CO2在3种封存方式下封存量及其贡献的演变曲线，如图5所示。可以看出，随着地温梯度的增加，通过局部毛管力、残余气及溶解封存的CO2量均明显提高，这是因为液态CO2波及范围随地温梯度的增大而增加。因此，高地温梯度有利于提高离岸浅部咸水层封存容量的利用效率。从不同封存方式的相对贡献看，地温梯度升高对3种封存方式的贡献率影响相对较小。
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图 5 不同地温梯度条件下离岸咸水层中液态CO2不同封存方式演变特征Figure 5. Evolutionary characteristics of different storage forms of liquid CO2 in offshore saline aquifers under different geothermal gradients2.2 陆上与离岸咸水层超临界CO2运移与封存特征
2.2.1 CO2运移规律
利用数值模拟对比了相同埋深条件下，陆上和离岸咸水层内超临界CO2的运移和封存特征，CO2羽流的时空演化过程如图6所示。陆上咸水层的压力为12.01 MPa，平均温度为51.45 ℃，CO2密度为561.53 kg/m3；离岸咸水层压力和温度条件与2.1.1节部分一致，受上覆海水的影响，CO2密度为875.66 kg/m3，高于陆上条件。相较于离岸咸水层，在陆上咸水层中，超临界CO2与地层水之间密度差异更高，CO2的垂向运移速率有效提升。由图6可以看出，陆上咸水层中超临界CO2在1 a后的波及范围明显大于离岸条件，10 a后CO2基本聚集于咸水层上部，波及范围较广，咸水层封存容量的利用效率相对较高，25 a后CO2羽流分布变化相对较小。在离岸咸水层，1 a后CO2仍集中于咸水层中下部；10 a后，超临界CO2在咸水层下部的波及范围更大；25 a后尚未运移至咸水层顶部，咸水层封存容量利用效率低于陆上条件。
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图 6 陆上和离岸咸水层中超临界CO2羽流的时空演化特征Figure 6. Spatiotemporal evolutionary characteristics of supercritical CO2 plumes in onshore and offshore saline aquifers2.2.2 CO2封存方式演变特征
基于数值模拟结果，计算陆上和离岸咸水层中超临界CO2不同封存方式封存量的动态演变曲线，如图7所示。可以看出，在陆上咸水层条件下，前10 a不同封存方式作用下超临界CO2的封存量随时间快速增加，15 a之后不同封存方式的封存量趋于平缓，这与CO2羽流时空分布的演化特征趋于一致；局部毛管力和残余气封存的超临界CO2明显高于离岸咸水层情景，陆上咸水层CO2封存容量的利用效率更高。在封存贡献方面，局部毛管力封存占主导，溶解封存的贡献最低，且呈先增加后降低的趋势，在初期占比相对较高。在离岸咸水层条件下，局部毛管力封存、残余气封存及溶解封存的CO2随时间增加均呈线性增加趋势，其相对贡献在初期基本趋于稳定。
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图 7 陆上和离岸咸水层超临界CO2封存方式演变特征Figure 7. Evolutionary characteristics of storage forms of supercritical CO2 in onshore and offshore saline aquifers2.3 液态和超临界CO2封存启示与建议
相较于超临界CO2，液态CO2的流动性差，会降低其在咸水层中的波及体积，致使咸水层的封存容量更难被有效利用；但液态CO2与地层水间的毛管力更高，有利于提高残余气封存量和安全性。在陆上咸水层中，CO2主要为超临界态，与离岸咸水层中超临界CO2在物性方面存在明显差异，其运移路径和封存规律差异明显。在离岸咸水层中，液态和超临界CO2的物性较为相似，CO2运移和封存特征的差异变小。对于离岸浅部咸水层，液态CO2封存的施工成本和能耗会明显低于深部超临界CO2封存项目。在地质体稳定的条件下，开展液态CO2封存经济性更优，是一种可行的选择。对于离岸深部咸水层封存，CO2在向上运移过程中，由于温压条件的变化，可能由超临界态变为液态，该过程在方案设计时需要加以考虑。此外，在合适温度压力环境下，在咸水层上部CO2与地层水可能形成固态水合物，一定程度上有利于提高封存安全性。未来可以进一步探究地层水与液态/超临界CO2体系的相对渗透率及毛管力特征的差异，从而更加精确地表征不同相态CO2的运移和封存过程。
3 结 论
(1) 对于离岸咸水层，CO2注入后可能以液态或超临界态赋存。与超临界态相比，浮力主导下的液态CO2垂向运移速率降低，波及体积较小。在25 a内，液态CO2在不同封存方式下的封存量要明显低于超临界态，咸水层CO2封存容量较难被充分利用。局部毛管力封存占比55%，残余气封存约为40%，溶解封存占比5%，相态对不同封存方式贡献的影响较小。
(2) 地温梯度的增大有利于强化液态CO2的垂向运移，增加其波及体积，提高不同封存方式下的封存量，提高咸水层封存容量的利用效率，但地温梯度对不同封存方式的贡献影响较小。
(3) 相同埋深条件下，超临界CO2在陆上与离岸咸水层中运移特征和封存量呈现明显差异。受上覆海水的影响，离岸咸水层中超临界CO2的密度明显高于陆上咸水层，抑制CO2的垂向运移和总体波及体积，降低局部毛管力和残余气封存量。
(4) 在离岸浅部咸水层地质结构稳定的条件下，开展液态CO2封存的经济性更优，是一种可行的选择。未来建议进一步探究地层水与液态/超临界CO2体系的相对渗透率及毛管力特征的差异，以更加精确地表征不同相态CO2的运移和封存过程。
符号注释：
a为物质常数，kg·m5/(mol2·s2)；b为物质常数，m3/mol；g为重力加速度，9.8 m/s2；i为CO2相或地层水相；K1和K2分别为参考网格和计算网格的渗透率，10−3 μm2；kri为i相的相对渗透率；K为咸水层的绝对渗透率，10−3 μm2；md为咸水层中地层水溶解的CO2质量，kg；ml为由局部毛管力封存的CO2质量，kg；mr为咸水层中通过残余气封存的CO2质量，kg；M为CO2的摩尔质量，kg/mol；Ngrid为网格数量，取值40 000；pc为临界压力，Pa；pc2(Sw)和pc1(Sw)分别为计算网格和参考网格在Sw时的毛管力，Pa；pg为CO2相的压力，Pa；pi为i相的流体压力，Pa；pw为地层水的压力，Pa；p为流体压力，Pa；R为通用气体常数，J/(mol·K)；Sg,j为第j个网格的CO2饱和度，小数；Sgr,j为第j个网格的残余气饱和度，小数；Si为i相的饱和度，小数；Sw,j为第j个网格的含水饱和度，小数；t为时间，s；Tc为临界温度，K；T为咸水层温度，K；Tr为相对温度；ui为地层水或CO2相的渗流速度，m/s；Vb为网格的表观体积，m3；Vm为摩尔体积，m3/mol；$ {X_j({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})} $为第j个网格内水相中CO2的摩尔分数；$ {Y_j({{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}})} $为第j个网格内气相中CO2的摩尔分数；α为与ω有关的函数表达式；ω为无量纲偏心因子；β为相关系数；$\mu $为黏度，Pa·s；μr为相对黏度；$ {\rho _{{\text{a,molar,}}j}} $第j个网格中水相的摩尔密度，mol/m3；$ {\rho _{{\text{g,molar,}}j}} $第j个网格中气相的摩尔密度，mol/m3；${\rho _i}$为i相的密度，kg/m3；$\nabla \cdot$为散度算子；$\nabla $为梯度算子；$\varphi $为咸水层的孔隙率，小数；${\varphi _1}$和${\varphi _2}$分别为参考网格和计算网格的孔隙率，小数；${\varphi _j}$为第j个网格的孔隙率，小数；下标c、o分别表示临界点相关性质和参考物质。
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图 1 咸水层孔隙率、渗透率及毛细管入口压力分布
Fig. 1 Distributions of porosity, permeability, and capillary entry pressure in saline aquifers
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图 2 离岸咸水层液态与超临界CO2羽流时空演变特征
Fig. 2 Spatiotemporal evolutionary characteristics of liquid and supercritical CO2 plumes in offshore saline aquifers
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图 3 离岸咸水层液态与超临界态CO2封存方式演变特征
Fig. 3 Evolutionary characteristics of storage forms of liquid and supercritical CO2 in offshore saline aquifers
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图 4 不同地温梯度条件下离岸咸水层液态CO2羽流时空演化特征
Fig. 4 Spatiotemporal evolutionary characteristics of liquid CO2 plumes in offshore saline aquifers under different geothermal gradients
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图 5 不同地温梯度条件下离岸咸水层中液态CO2不同封存方式演变特征
Fig. 5 Evolutionary characteristics of different storage forms of liquid CO2 in offshore saline aquifers under different geothermal gradients
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图 6 陆上和离岸咸水层中超临界CO2羽流的时空演化特征
Fig. 6 Spatiotemporal evolutionary characteristics of supercritical CO2 plumes in onshore and offshore saline aquifers
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图 7 陆上和离岸咸水层超临界CO2封存方式演变特征
Fig. 7 Evolutionary characteristics of storage forms of supercritical CO2 in onshore and offshore saline aquifers
表 1 陆上与离岸咸水层物性参数
Table 1 Physical parameters for onshore and offshore saline aquifers
情景 恒温带
以下埋深/m海床
深度/m恒温带
温度/℃地温梯度/
(℃·m−1)压力梯度/
(MPa·km−1)渗透率/
10−3 μm2孔隙率 相态 密度/
(kg·m−3)黏度/
(10−5 Pa·s)1 800 1 266 3.5 0.03 9.8 500 0.278 液态 902.75~904.70 9.33~9.38 2 1 200 1 266 3.5 0.03 9.8 500 0.278 超临界态 874.63~876.67 8.68~8.72 3 1 200 0 15 0.03 9.8 500 0.278 超临界态 551.50~572.24 4.03~4.23 
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