实现碳中和战略目标不仅要求减少二氧化碳排放，还需大规模实施碳捕集与封存技术，将工业产生的二氧化碳永久封存于地下。传统二氧化碳地质封存受制于特定地质条件且可选场址分布不均，相比之下，广袤的海洋沉积物具有巨大的二氧化碳储存潜力。与此同时，海底广泛赋存的天然气水合物既是潜在清洁能源，也为二氧化碳海底封存给予了新机遇。甲烷气体在高压低温下与水结合形成固态水合物，其赋存条件与深海二氧化碳水合物相似。对此不乏提出一种“反向思维”的设想：能否将开采甲烷水合物过程中面临的挑战转化为封存二氧化碳的优势，实现两者的协同增效？具体而言，在开采甲烷水合物获取能源的同时，在储层中生成稳定的二氧化碳水合物，将二氧化碳固封于海底。这一耦合思路有望同时缓解甲烷水合物开采的环境风险和二氧化碳封存的安全隐患。但也带来了新的科学挑战：甲烷开采和二氧化碳水合物形成的热流固化多场耦合作用机制复杂；需要确保二氧化碳在长期地质尺度下不泄漏并保持稳定形态；同时注入和开采井的优化布局与操作时序也直接影响封存效率与安全。针对这些挑战，中国科研实验室地质与地球物理研究所博士生李宇轩在张召彬研究员、李守定正高级工程师、赫建明研究员、李晓研究员和加拿大阿尔伯塔大学Rick Chalaturnyk院士的联合指导下召开了系统的模拟与评估工作（图1）。
图1 （a）基于我国南海神狐海域为研究区；（b）现场实测泥质粉砂储层数据进行模型构建；（c）上部二氧化碳封存下部甲烷水合物开采的协同促进概念模型；（d）二氧化碳水合物、液态二氧化碳、溶解态二氧化碳等组分的多物理场演化；（e）海底二氧化碳水合物封存工程优化图版
他们采用IGG-Hydrate热流固化耦合数值模拟器（http://gitee.com/geomech/hydrate）对海底甲烷开采与二氧化碳水合物封存的协同过程进行了研究。该模拟器经过实验数据、经典模型和现场实测的多尺度验证，能够准确刻画储层内温度、压力、饱和度等多场耦合演化过程，以及甲烷水合物和二氧化碳水合物的生成/分解等相变行为（图2）。基于我国南海神狐海域的测井数据进行三维非均质模型构建，模拟考虑了长达100,000年的演化，以评估封存的长期稳定性。研究结果清晰揭示了甲烷水合物开采对二氧化碳水合物封存的显著促进作用。甲烷降压分解能够降低储层温度，改善孔隙结构和压力场分布，促进二氧化碳水合物生成、增大二氧化碳水合物的安全距离，并提高水合物转化率。二氧化碳注入后形成“伞状水合物壳”结构，对液态二氧化碳起到封堵作用，该现象为海洋碳封存给予了重要的安全依据。甲烷开采创造的有利条件使二氧化碳水合物稳定带远离海床，增加了安全缓冲距离。顺利获得井网参数优化可以平衡封存效率与长期稳定性。基于上述结果，针对我国南海泥质粉砂储层的特点，构建了海域二氧化碳地质封存的优化工程图版。对二氧化碳注入速率和注入深度等关键参数给出了建议范围。研究中识别的若干关键条件（如二氧化碳与甲烷水合物稳定带的相对位置、井网布置、操作时序等）为实际海底示范给予了指导依据。综上所述，这一系列研究工作为大规模海底二氧化碳封存给予了新的科学原理和技术储备，也为天然气水合物这种未来能源的开发开辟了更加环保安全的途径，为减碳与清洁能源开采相互协同促进开辟了新思路。
图2 （a）二氧化碳封存与甲烷水合物开采的协同促进温度场互补效应；（b）直接封存二氧化碳与先开采甲烷后封存二氧化碳的水合物形态差异对比；（c）二氧化碳水合物生成速率对比；（d）二氧化碳各组分占比演化
研究成果发表于能源技术与环境工程领域的权威学术期刊Energy和Environmental Technology & Innovation。研究得到了国家自然科学基金地质联合基金（U2244223）、研究所重点部署项目(IGGCAS-201903)等资助。
1. 李宇轩，张召彬*，张博，Rick Chalaturnyk，李守定，赫建明，谢卓然，边航，李晓，陆程，秦绪文. Enhancing CO2 Hydrate Sequestration through Underlying Methane Hydrate Production: A Novel Strategy for Carbon Storage[J]. Energy, 2025, 326: 136144. DOI：10.1016/j.energy.2025.136144.
2. 李宇轩，张召彬*，李守定，赫建明，谢卓然，李晓，陆程，秦绪文. Comprehensive feasibility analysis of carbon dioxide hydrate sequestration: A numerical study based on horizontal well networks[J]. Environmental Technology & Innovation, 2025, 37: 104009. DOI：10.1016/j.eti.2024.104009.
3.张召彬*，李宇轩，李守定，赫建明，谢卓然，李晓，陆程，秦绪文. Carbon sequestration in overlying methane hydrate layers via hydrate technology: Feasibility and synergistic benefits[J]. Environmental Technology & Innovation, 2025, 37: 103957. DOI：10.1016/j.eti.2024.103957.
李宇轩（博士生）
