[科普中国]-体积扩散

又称“对流混和”。由于静力或动力等原因引起流体产生对流运动，使质量、热量、动量随之混和。常见由水的密度差异所引起的垂直对流混合和由风力引起的水平对流混合。

简介对流混合是指海水对流引起的混合现象。当上层海水密度比下层海水密度大时，重力大于浮力，上层海水下沉，下层海水相应上升，发生垂直方向的对流，从而产生混合。取决于海水密度垂直分布，与海水的运动状态无关。1

主要特征对流混合又称对流扩散、倒转混合，是指由于湖水的密度差异引起对流运动，使质量、热量、动量发生混合的现象。多发生在春秋季节，湖水具有不稳定的密度分层处。湖水温度的垂直变化、河流携入的含沙量变化、蒸发时含盐度的增加以及湖底有温泉流出等，都会影响湖水表层或深处密度的变化，导致对流混合的发生。对流混合的深度及其传播速度取决于水层的负稳定度。此值越大，对流混合越易产生，传播也就越深越快。对流混合主要发生在垂直方向上。当不同湖区同一深度由于水温不同导致密度差异时，水平方向上也可发生对流混合。但与垂直混合相比，它对湖泊状况的作用较小，而混合速度却较快。1

二氧化碳地质封存中体积扩散在所有温室气体中，CO2是仅次于水蒸气的对温室效应影响最大的气体。因此，减少大气中CO2浓度对减缓全球气候变化十分重要。目前，CO2地质封存技术作为一种可行的方法正被广泛研究。其中将CO2注于沉积盆地中的咸水层被认为是长期地质封存CO2的最有效方法之一。由于CO2地质封存过程中注入的超临界CO2密度低于储层中水溶液的密度，注入的CO2将在浮力的作用下向上迁移。在这一过程中，一部分超临界CO2在毛细管压力和表面张力的作用下以“残留气体”的形式被封存于孔隙空间中而无法移动。一旦自由相超临界CO2积累于储层上部低渗透性盖层底部，此处的部分超临界CO2将溶解于储层水中，增加了水溶液密度（ 密度变化取决于盐度和温度） ，因此引起“气”－水界面间的重力不稳定。其中被溶解CO2饱和的高密度水溶液在重力作用下向下迁移，伴随着未被溶解CO2饱和的水溶液的向上迁移，这一现象被称为“对流混合”现象。

1996年，Weir等首次提出该现象对CO2地质封存可能产生的影响，Lindeberg等则在1997年首次对这一现象进行了讨论。在CO2向上迁移过程中，由于其密度低于水溶液密度，以及地质介质中孔隙度和渗透率引起的储层非均质性，重力超覆现象可能会使大部分有效孔隙空间被超临界CO2绕过，从而相比于理想条件下的均匀扫过，其有效储存容量相对较低，增加了游离态CO2通过盖层中断层、裂隙和废弃井向上泄露的可能。但是，相比于纯扩散过程，密度差引起的“对流混合”过程可增加注入CO2的溶解速率和空间分布范围（ 即加快超临界CO2向液相CO2的转换），最终将增加CO2在深部咸水层中的有效储存容量和长期封存安全性。因此，研究CO2地质封存中的“对流混合”过程对CO2地质封存安全性和实际CO2地质封存工程的准确评估将起到至关重要的作用。

“对流混合”过程的研究现状目前，对CO2地质封存过程中“对流混合”现象的研究方法包括解析模拟法、数值模拟法、室内试验法和天然类比法。

1、解析模拟法

Ennis King等、Ozgur等、Hassanzadeh等、Riaz等和Xu X等开展了一系列解析模拟，用于研究CO2地质封存过程中的“对流混合”现象。但是基于稳定性分析的解析模拟只能用于确定“对流混合”现象的开始时间和初始波长，并不能用于对“对流混合”现象出现后混合行为的评估。因此，使用数值模拟方法对“对流混合”过程开展进一步研究，对补充、完善和证实解析稳定性理论是十分必要的。

2、水动力学数值模拟法

Hassanzadeh等研究了2个砂岩储层中场地规模的“对流混合”过程。他们的模拟结果表明“对流混合”现象对CO2在储层水中的加速溶解主要取决于系统的瑞利数（Ra）和储层非均质性，因此该过程在选择用于CO2地质封存的优先储存场地上将起到至关重要的作用。Hassanzadeh等基于二维数值模型研究了不同储层参数对“对流不稳定性”出现和强度的影响。模拟结果表明储层非均质性对加快CO2在水中的溶解有着重要的促进作用。

Hassanzadeh等基于数值模拟对“对流混合”过程开展了尺度分析，并获得了“对流混合”过程的开始时间、初始波长和最大舍伍德数（ 该值对应的时间为早期“对流混合”阶段结束的时间） 与瑞利数之间的标度关系。但是需要注意的是，当瑞利数大于600时，“指进”间的非线性相互作用（ 区别于“指进”间的交叉扩散作用） 延迟了“指进”的向下迁移，减缓了底边界对“对流混合”过程的影响，从而影响了最大舍伍德数与瑞利数之间的线性关系。

根据以上的研究结果，他们将“对流混合”过程分为三个阶段：①扩散阶段，在该阶段CO2的溶解速率是缓慢的，取决于分子扩散系数，而该阶段的持续时间则取决于系统的瑞利数；②早期“对流混合”阶段，在该阶段CO2的溶解速率较扩散阶段快，并且CO2的无量纲（ 因次） 溶解速率与系统的瑞利数成正比，但是对于较大的瑞利数，由于“指进”间的相互作用，会对该阶段中的CO2溶解产生影响；③后期“对流混合”阶段，在该阶段，由于底边界的影响，空间上密度梯度的减小使“对流混合”过程趋缓。Farajzadeh等研究了瑞利数和模型宽高比对“对流混合”作用的影响，模拟结果表明“对流混合”过程的开始时间随瑞利数和宽高比的增加而减小。而对流开始后，随瑞利数和宽高比的增加，“指进”间较少的相互作用促进了高密度“指进”的向下运移，从而加快了CO2向水溶液的传质速率。Yang等研究了深部咸水层中密度驱动的“对流混合”现象中的多相流过程、运动机理和CO2/咸水相界面的变形。

3、反应溶质运移数值模拟法

以上的水动力学数值模拟研究只考虑了超临界CO2在水溶液中的溶解，但没有考虑超临界CO2－水－岩石之间的相互作用 （ 地球化学反应） 对“对流混合”过程的影响。Audigane等的二维反应溶质运移模拟结果表明含有高浓度溶解态CO2的咸水向下迁移会加快CO2在水溶液中的溶解。此外，较低的水平方向网格精度会低估对流开始后的CO2溶解速率。Ennis-King等使用了解析和数值法调查CO2溶解和地球化学反应对“对流混合”现象的影响。模拟结果表明地球化学反应所引起的离子浓度（ 如Ca2+和Mg2+） 增加，会进一步增加水溶液的密度，从而加速对流开始后的CO2溶解过程。Zhang等基于二维反应溶质运移模型对长期CO2地质封存中注入超临界CO2的“溶解—扩散—对流混合”过程开展了研究。根据模拟结果，他们将该过程分为四个阶段：①溶解阶段；②扩散阶段；③早期“对流混合”阶段；④后期“对流混合”阶段。

他们的研究结果证实了地球化学反应和矿物组成对CO2在水中的溶解和矿物中其他组分的溶解是十分重要的，这些都会增加水溶液的密度，从而对“对流混合”过程的形成和发展产生影响。此外，他们还指出，矿物变化所引起的孔隙度和渗透率的时空变化会改变流体的流动路径特征，从而影响“对流混合”过程的形成。

目前研究中存在的不足和问题通过对国内外研究现状和发展动态的深入分析，认为在对长期CO2地质封存过程中“对流混合”现象的研究中所采用的研究方法存在以下几点不足：

（1） 实验研究在时间尺度上具有一定的局限性，因为“对流混合”现象的形成和发展是一个较为长期的过程（ 尤其在涉及地球化学反应时）。目前已开展的室内试验主要包括“CO2溶解－扩散－对流”过程的可视化和概念性理解，以及对传质速率的测量，在调查研究长期CO2地质封存过程中的“对流混合”现象这一方面仍显不足。

（2） 天然CO2气藏类比研究对长期CO2地质封存研究有着非常重要的参考价值。因为对天然CO2气藏的地球化学研究有助于我们了解CO2对天然储层（物理特征、岩石矿物和水溶液的变化）的长期影响，这些是无法通过相对短期的室内和现场实验获得的。但是对天然气藏的类比研究只能获得长期地质过程后的储层物理和化学变化，无法清晰准确地了解该长期地质过程。

（3） 前面已经提到解析模拟方法只能用于确定“对流混合”现象的开始时间和初始波长，并不能用于对“对流混合”现象出现后混合行为的评估。但是相关解析模拟研究获得的模拟结果对网格精度的确定和考察因素的选取有着重要的指导意义。

（4） 目前针对“对流混合”现象的数值模拟研究主要使用水动力学模拟方法。相较于溶质运移模型，水动力学模型只考虑超临界CO2在水溶液中溶解后的密度变化对“对流混合”过程的影响，并没有考虑CO2溶解后发生的一系列物理化学变化所可能产生的影响，如CO2溶解将使水溶液PH值降低，可引起储层中初始矿物（ 尤其是易溶性碳酸盐和硫酸盐矿物） 的溶解和次生矿物的沉淀，从而引起地质储层中孔隙度和渗透率的变化，并反之影响流体的流动路径特征。鉴于以上研究方法的不足，采用反应溶质运移数值模拟方法可能会更为深入、系统地研究咸水层长期CO2地质封存中的“对流混合”过程。

但是，目前关于“对流混合”现象的反应溶质运移模拟研究主要存在如下几方面的问题亟待解决：

（1） 前人研究指出对流不稳定性的出现只能由孔隙介质的非均质性（如迂曲度、孔隙度和渗透率的变化）引起。但是，由于模型设置中空间和时间离散以及收敛标准的影响，数值模拟中“对流混合”现象的形成（开始时间） 和发展（超临界CO2在水溶液中的溶解速率）可能受到人为数值误差的干扰，从而影响对该过程的准确评估。因此，在使用数值模拟方法研究“对流混合”过程前，确定人为数值误差对模拟结果的影响和如何消除或最小化这些影响，成为准确模拟和刻画该过程的基础。

（2） 为了准确理解和描述CO2地质封存中的“对流混合”过程，必须准确获取该过程中的三个重要指标因素：

①“对流混合”现象的开始时间： 即溶解CO2扩散层变得不稳定的临界时间；

②对流开始后超临界CO2在“对流混合”不同阶段的溶解速率： 前期研究成果表明，“对流混合”过程可主要分为两个阶段（ 第一个阶段为早期“对流混合”阶段，在该阶段CO2在水溶液中的溶解速率较扩散阶段明显加快，且保持相对稳定； 第二个阶段为后期“对流混合”阶段，在该阶段随着空间上水溶液密度梯度的减小，对流速度和CO2溶解速率明显减弱） ；

③由于对流活动出现，超临界CO2完全溶解所需要的时间。因此，如何确定不同因素对它们的影响和作用机理，成为准确刻画“对流混合”过程所面临的难题之一。

（3） 根据前面对目前“对流混合”现象研究进展的介绍，可以发现数值模型存在两个主要问题：

①高网格精度（ 网格间距小于1m） 模型均为小尺寸（水平距离小于几十米） 模型，只用于模拟积累于盖层底部超临界CO2溶解引起的“对流混合”现象的形成和发展。但是，由于网格数量和精度的增加增大了模型计算的难度，可用于模拟CO2实际注入和长期封存过程的大尺寸模型可能无法被有效使用；

②目前涉及CO2实际注入和长期封存过程中“对流混合”现象的数值模拟研究，所使用的大尺寸模型均为低网格精度（网格间距大于十几米）模型，前人的研究工作表明较低网格精度（水平方向和垂直方向）模型并不能准确模拟“对流混合”过程的形成和发展。因此，如何在大尺寸、低网格精度模型下，准确模拟“对流混合”过程中CO2溶解速率的加快对其长期地质封存有效性和安全性的影响，成为准确评估实际CO2地质封存工程中长期注入和封存过程所面临的难题之一。2

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学