CO2在NaHCO3型地层水中溶解规律的分子动力学模拟

来源：石油科学通报杂志2026年第2期北京时间：

作者：郭红根, 刘晓强, 李美俊, 董素瑞, 连威, 冯冲, 赵晓东, 罗情勇

单位：1 中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院， 克拉玛依 8340002 中国石油大学(北京)克拉玛依校区新疆二氧化碳高效利用与封存重点实验室， 克拉玛依 8340003 中国科学院大学地球与行星科学学院地球系统数值模拟与应用全国重点实验室， 北京 101408

摘要：深部地层水因分布广泛、封存潜力大且与油气资源竞争性低，被普遍认为是CO2地质封存的理想场所。本研究系统揭示了在复杂温压条件下CO2于真实地层水中的溶解与扩散规律，对提高封存效率与安全性具有重要意义。本研究以准噶尔盆地侏罗系三工河组为研究对象，结合区域地质与水化学数据，构建含Na+、K+、Ca2+、Mg2+以及HCO3-离子的NaHCO3型的地层水模型。随后采用分子动力学方法，系统模拟了不同温压条件下CO2在地层水中的溶解规律、密度分布、分子间相互作用以及扩散机制。模拟结果表明，在恒温条件下，压力是影响CO2赋存与溶解的主控因素：低压阶段有利于CO2在地层水中的快速溶解；中压阶段可实现封存容量的有效利用；高压阶段有助于维持体系的长期稳定。恒压条件下，温度升高显著增强了CO2的溶解能力，尤其在高温区间，氢键作用被削弱、分子热运动增强，促进了CO2分子的均匀分布与溶剂化结构的形成。在温压耦合作用下，吸附量在常压段(约1000~4000 m)随埋深增加显著上升，说明压力的升高显著促进了CO2在地层水中的溶解；在高压段(>4000 m)，吸附量虽继续增加但增幅趋缓，反映出温度升高导致的脱附效应逐渐增强，部分抵消了压力的促进作用。此外，从扩散系数变化趋势来看，浅部温度升高可促进CO2分子迁移，而深部高压则显著抑制扩散，整体变化幅度较小。综合分析表明，1000~4000 m是CO2地质封存的最适宜深度区间，该区间兼具较高的溶解效率和长期稳定性。研究揭示了复杂温压条件下CO2在地层水中的溶解与扩散微观机制，深化了对深部CO2流体赋存与迁移规律的认识，为深部咸水层封存潜力评价、封存层位优选及注入方案设计提供了科学依据，对CCUS工程实践具有重要指导意义。

关键词：CO2地质封存,地层水,温压耦合作用,溶解和扩散机制,封存潜力评价,分子模拟

基金资助：新疆维吾尔自治区“一事一议”引进战略人才项目(XQZX20240054);新疆维吾尔自治区重点研发任务专项项目(2024B01012-1);新疆维吾尔自治区“天池英才”引进计划项目(JXDF02024)