CO2羽流地热（CPG）技术是一种将地热开发与CO2地质封存相结合的CCUS模式，利用CO2作为工质实现地热能开采与长期碳封存的双重目标。然而，CPG运行过程中持续注入低温CO2会显著降低地层温度，改变岩石润湿性，进而削弱盖层的毛管封堵能力，威胁CO2长期封存的安全。现有研究多聚焦于裂缝、断层及井筒等泄漏通道，对盖层作为多孔介质所具有的天然渗透性表征不足，缺乏对毛管封堵能力的精准刻画。
盖层是CPG系统中阻止CO2向上运移的主要屏障，作为多孔介质并非绝对不可渗透，其阻止气体进入的主要机制在于气–水界面产生的毛管压力，能够有效抵抗由压差和浮力驱动的CO2向上运移。传统储层数值模拟普遍采用仅与气相饱和度相关的经验毛管模型（如Brooks–Corey或van Genuchten模型），默认毛管压力不随温度变化。这一假设在常规封存条件下尚可接受，但在温度显著变化的CPG场景中将严重高估盖层的毛管封堵能力。大量实验研究虽已从孔隙尺度定性证明温度对接触角和界面张力的影响，但如何将这些微观实验结果转化为可嵌入储层尺度模拟的毛管模型，仍是制约该问题解决的关键难点。
针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所底超杰博士后，与田飞正高级工程师、赵亮研究员、陈掌星院士等合作，从界面机理出发，基于Young–Laplace方程和接触角和界面张力实验数据建立了温度–饱和度相关的毛管压力模型（TSPC）。该模型利用接触角与界面张力随温度变化的实验数据，对参考毛管压力曲线进行缩放，从而在实验数据的约束下，实现温度变化对毛管压力影响的定量描述。结果表明，当温度由453 K降低至353 K时，毛管压力降低幅度达到45%–87%（图1）。
图1 根据TSPC模型计算得出的不同温度、饱和度下的缩放系数和毛管压力
该模型被嵌入自主研发的CO2地质封存和利用数值模拟器（PRSI-GCUS）中，构建了热–流耦合的储层模拟框架。研究基于修改后的SPE11C三维CPG地质模型，包含具有真实非均质性与各向异性的地层与盖层结构。通过对80年的CPG运行过程和2000年的后期封存过程进行数值模拟，对比传统Pc(Sg)模型与考虑温度影响的Pc(T,Sg)模型的CO2运移路径差异（图2）。研究发现，在考虑温度效应后，气体进入盖层时所受到的毛管压力显著降低，使得CO2能够持续向上运移，最终突破盖层的封堵。
图2 两种毛管力模型在CPG封存过程中二氧化碳迁移情况以及毛管压力分布情况
在考虑温度效应后，CO2突破盖层发生泄漏，而在传统毛管压力模型预测下则完全无泄漏现象（图3）。这一对比揭示了冷却诱导润湿性改变所触发的一种此前未被考虑的CO2泄漏机制。该发现有助于提升对CPG及广义CO2地质封存泄漏问题的认识，为选址优化、运行策略调整以及压力管理方案设计提供了新的理论依据，避免对长期封存安全性的系统性高估。
图3 CPG运行结束后的长期封存阶段中二氧化碳泄漏区域分布情况及累计泄漏量
研究成果发表国际学术期刊ES&T（底超杰，田飞*，赵亮*，邓鹏，马浩铭，刘本杰明，彭龙，陈掌星*. Cooling Effects on Capillary Sealing in CO2−Plume Geothermal Systems: Capillary Pressure Modeling and Leakage Assessment[J]. Environmental Science & Technology，2026. DOI：10.1021/acs.est.5c08417.）。研究获得中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-020）资助。
底超杰（博士后）
