海底CO?水合物封存是CCUS的前沿方向。CO?注入低溫高壓的海底沉積層后，能夠與孔隙水反應生成固態的水合物，從而把原本容易流動的CO?固定在海底地層內（圖1）。這種方法的優勢在于，海洋面積廣闊，且海底天然具備水合物穩定存在的低溫高壓環境，有望實現大規模且長期安全的碳封存。然而，CO?水合物生成會釋放熱量，引起儲層溫度升高，并會抑制CO?水合物的進一步生成；同時，CO?注入引起的壓力擾動和流體遷移，也會影響封存體的位置和安全邊界。影響CO?水合物高效形成的關鍵是：什么樣的儲層條件既能讓CO?有效進入并轉化為水合物，又能及時耗散熱量和壓力擾動。針對這一基本問題，中國科學院地質與地球物理研究所深層油氣理論與智能勘探開發重點實驗室李守定、張召彬團隊，聯合加拿大阿爾伯塔大學和中國地質調查局等單位，從控制CO?遷移的滲透率和控制熱量耗散的熱導率出發，建立了海底CO?水合物封存效率與安全性的儲層評價方法。

圖1 （a）海底CO?水合物封存的概念模型；（b）壓力–溫度曲線的深度剖面

研究團隊基于自主研發的模擬器IGG-Hydrate (https://gitee.com/geomech/hydrate)，構建了海底CO?注入-水合物生成數值模型，系統刻畫了CO?在海底沉積物中多相遷移、傳熱響應和相變封存過程。研究進一步從時間尺度上揭示了“滲透率主控短期遷移，熱導率主控長期穩定”的作用機制，并提出了滲透率—熱導率雙參數耦合控制下的全球儲層適宜性評價框架。

研究結果表明，注入CO?在海底沉積物中經歷液態CO?、溶解態CO?和CO?水合物三種賦存形態的動態轉化（圖2），并依次表現為注入驅動、快速成殼轉化和長期動態穩定三個階段（圖3）。在短期注入階段，滲透率是控制CO?羽狀體形態、上浮速度和早期水合物生成位置的主控因素。低滲透率有利于抑制CO?快速上竄并保持較大安全距離，但限制注入效率和反應范圍；高滲透率可增強早期遷移和水合物生成，卻可能壓縮垂向安全緩沖。在長期演化階段，熱導率的作用更加突出，其通過調控水合物生成放熱的耗散過程，決定儲層溫度場能否恢復至水合物穩定區間，從而影響最終封存效率和安全距離。

圖2 三種CO?賦存相的空間演化特征。（a1-a3）溶解態CO?：5年、10年與20年；（b1-b3）液態CO?：10年、400年與1000年；（c1-c3）CO?水合物：10年、50年與200年

圖3 基準注入情景下水合物態CO?、液態CO?及溶解態CO?的時間演化

在單因素分析基礎上，以安全距離和封存效率作為核心指標，構建了滲透率—熱導率雙參數儲層適宜性評價圖版。基于全球典型天然氣水合物賦存區的物性資料，研究對不同海域和凍土區儲層進行了適宜性對比（圖4）。美國阿拉斯加北坡埃爾伯特山、加拿大麥肯齊三角洲、印度近海部分區域和墨西哥灣部分砂質儲層處于較有利的封存區間，顯示出較好的CO?水合物封存潛力。日本南海海槽和韓國郁陵盆地部分區域受高滲透性與有限熱傳導能力共同影響，若直接注入CO?，可能難以兼顧高效封存和長期安全。我國南海神狐地區總體位于安全但效率中等的區域，未來可通過注入制度優化、儲層改造或水合物生成促進手段進一步提升封存效率。

圖4 （a）安全距離隨滲透率與熱導率的變化；（b）封存效率隨滲透率與熱導率的變化；（c）典型水合物賦存儲層的全球分布（底圖由中華人民共和國自然資源部提供，許可號GS(2016)2968）；（d）基于不同海洋沉積物的滲透率–熱導率特征劃分的CO?水合物封存適宜性分區

該研究從多場耦合機制出發，揭示了海底CO?水合物封存過程中流動控制短期供給和傳熱控制長期反應的內在規律，提出了兼顧封存效率與長期安全性的雙參數評價框架。該框架可為海底CO?水合物封存靶區優選和深海碳匯潛力評價提供理論支撐，也為我國發展面向海洋地質碳封存技術提供了新的研究思路。

研究成果發表于國際學術期刊CEE（Li Y, Zhang Z, Mao Y, Zhang B, Chalaturnyk, R, Li S, He J, Bian H, Li X, Lu C. Coupled permeability–thermal conductivity framework for global reservoir suitability assessment of carbon dioxide hydrate-based carbon sequestration[J].Communications Earth & Environment, 2026. DOI: 10.1038/s43247-026-03527-7.）