體積擴散

又稱“對流混和”。由於靜力或動力等原因引起流體產生對流運動，使質量、熱量、動量隨之混和。常見由水的密度差異所引起的垂直對流混合和由風力引起的水平對流混合。

基本介紹

• 中文名：體積擴散
• 外文名：Convection mixed
• 原由：湖水的密度差異引起對流運動
• 學科：自然地理學

簡介

對流混合是指海水對流引起的混合現象。當上層海水密度比下層海水密度大時，重力大於浮力，上層海水下沉，下層海水相應上升，發生垂直方向的對流，從而產生混合。取決於海水密度垂直分布，與海水的運動狀態無關。

主要特徵

對流混合又稱對流擴散、倒轉混合，是指由於湖水的密度差異引起對流運動，使質量、熱量、動量發生混合的現象。多發生在春秋季節，湖水具有不穩定的密度分層處。湖水溫度的垂直變化、河流攜入的含沙量變化、蒸發時含鹽度的增加以及湖底有溫泉流出等，都會影響湖水錶層或深處密度的變化，導致對流混合的發生。對流混合的深度及其傳播速度取決於水層的負穩定度。此值越大，對流混合越易產生，傳播也就越深越快。對流混合主要發生在垂直方向上。當不同湖區同一深度由於水溫不同導緻密度差異時，水平方向上也可發生對流混合。但與垂直混合相比，它對湖泊狀況的作用較小，而混合速度卻較快。

二氧化碳地質封存中體積擴散

在所有溫室氣體中，CO₂是僅次於水蒸氣的對溫室效應影響最大的氣體。因此，減少大氣中CO₂濃度對減緩全球氣候變化十分重要。目前，CO₂地質封存技術作為一種可行的方法正被廣泛研究。其中將CO₂注於沉積盆地中的鹹水層被認為是長期地質封存CO₂的最有效方法之一。由於CO₂地質封存過程中注入的超臨界CO₂密度低於儲層中水溶液的密度，注入的CO₂將在浮力的作用下向上遷移。在這一過程中，一部分超臨界CO₂在毛細管壓力和表面張力的作用下以“殘留氣體”的形式被封存於孔隙空間中而無法移動。一旦自由相超臨界CO₂積累於儲層上部低滲透性蓋層底部，此處的部分超臨界CO₂將溶解於儲層水中，增加了水溶液密度（ 密度變化取決於鹽度和溫度） ，因此引起“氣”－水界面間的重力不穩定。其中被溶解CO₂飽和的高密度水溶液在重力作用下向下遷移，伴隨著未被溶解CO₂飽和的水溶液的向上遷移，這一現象被稱為“對流混合”現象。

1996年，Weir等首次提出該現象對CO₂地質封存可能產生的影響，Lindeberg等則在1997年首次對這一現象進行了討論。在CO₂向上遷移過程中，由於其密度低於水溶液密度，以及地質介質中孔隙度和滲透率引起的儲層非均質性，重力超覆現象可能會使大部分有效孔隙空間被超臨界CO₂繞過，從而相比於理想條件下的均勻掃過，其有效儲存容量相對較低，增加了游離態CO₂通過蓋層中斷層、裂隙和廢棄井向上泄露的可能。但是，相比於純擴散過程，密度差引起的“對流混合”過程可增加注入CO₂的溶解速率和空間分布範圍（ 即加快超臨界CO₂向液相CO₂的轉換），最終將增加CO₂在深部鹹水層中的有效儲存容量和長期封存安全性。因此，研究CO₂地質封存中的“對流混合”過程對CO₂地質封存安全性和實際CO₂地質封存工程的準確評估將起到至關重要的作用。

“對流混合”過程的研究現狀

目前，對CO₂地質封存過程中“對流混合”現象的研究方法包括解析模擬法、數值模擬法、室內試驗法和天然類比法。

1、解析模擬法

Ennis King等、Ozgur等、Hassanzadeh等、Riaz等和Xu X等開展了一系列解析模擬，用於研究CO₂地質封存過程中的“對流混合”現象。但是基於穩定性分析的解析模擬只能用於確定“對流混合”現象的開始時間和初始波長，並不能用於對“對流混合”現象出現後混合行為的評估。因此，使用數值模擬方法對“對流混合”過程開展進一步研究，對補充、完善和證實解析穩定性理論是十分必要的。

2、水動力學數值模擬法

Hassanzadeh等研究了2個砂岩儲層中場地規模的“對流混合”過程。他們的模擬結果表明“對流混合”現象對CO₂在儲層水中的加速溶解主要取決於系統的瑞利數（Ra）和儲層非均質性，因此該過程在選擇用於CO₂地質封存的優先儲存場地上將起到至關重要的作用。Hassanzadeh等基於二維數值模型研究了不同儲層參數對“對流不穩定性”出現和強度的影響。模擬結果表明儲層非均質性對加快CO₂在水中的溶解有著重要的促進作用。

Hassanzadeh等基於數值模擬對“對流混合”過程開展了尺度分析，並獲得了“對流混合”過程的開始時間、初始波長和最大舍伍德數（ 該值對應的時間為早期“對流混合”階段結束的時間） 與瑞利數之間的標度關係。但是需要注意的是，當瑞利數大於600時，“指進”間的非線性相互作用（ 區別於“指進”間的交叉擴散作用） 延遲了“指進”的向下遷移，減緩了底邊界對“對流混合”過程的影響，從而影響了最大舍伍德數與瑞利數之間的線性關係。

根據以上的研究結果，他們將“對流混合”過程分為三個階段：①擴散階段，在該階段CO₂的溶解速率是緩慢的，取決於分子擴散係數，而該階段的持續時間則取決於系統的瑞利數；②早期“對流混合”階段，在該階段CO₂的溶解速率較擴散階段快，並且CO₂的無量綱（ 因次） 溶解速率與系統的瑞利數成正比，但是對於較大的瑞利數，由於“指進”間的相互作用，會對該階段中的CO₂溶解產生影響；③後期“對流混合”階段，在該階段，由於底邊界的影響，空間上密度梯度的減小使“對流混合”過程趨緩。Farajzadeh等研究了瑞利數和模型寬高比對“對流混合”作用的影響，模擬結果表明“對流混合”過程的開始時間隨瑞利數和寬高比的增加而減小。而對流開始後，隨瑞利數和寬高比的增加，“指進”間較少的相互作用促進了高密度“指進”的向下運移，從而加快了CO₂向水溶液的傳質速率。Yang等研究了深部鹹水層中密度驅動的“對流混合”現象中的多相流過程、運動機理和CO₂/鹹水相界面的變形。

3、反應溶質運移數值模擬法

以上的水動力學數值模擬研究只考慮了超臨界CO₂在水溶液中的溶解，但沒有考慮超臨界CO₂－水－岩石之間的相互作用 （ 地球化學反應） 對“對流混合”過程的影響。Audigane等的二維反應溶質運移模擬結果表明含有高濃度溶解態CO₂的鹹水向下遷移會加快CO₂在水溶液中的溶解。此外，較低的水平方向格線精度會低估對流開始後的CO₂溶解速率。Ennis-King等使用了解析和數值法調查CO₂溶解和地球化學反應對“對流混合”現象的影響。模擬結果表明地球化學反應所引起的離子濃度（ 如Ca²⁺和Mg²⁺） 增加，會進一步增加水溶液的密度，從而加速對流開始後的CO₂溶解過程。Zhang等基於二維反應溶質運移模型對長期CO₂地質封存中注入超臨界CO₂的“溶解—擴散—對流混合”過程開展了研究。根據模擬結果，他們將該過程分為四個階段：①溶解階段；②擴散階段；③早期“對流混合”階段；④後期“對流混合”階段。

他們的研究結果證實了地球化學反應和礦物組成對CO₂在水中的溶解和礦物中其他組分的溶解是十分重要的，這些都會增加水溶液的密度，從而對“對流混合”過程的形成和發展產生影響。此外，他們還指出，礦物變化所引起的孔隙度和滲透率的時空變化會改變流體的流動路徑特徵，從而影響“對流混合”過程的形成。

目前研究中存在的不足和問題

通過對國內外研究現狀和發展動態的深入分析，認為在對長期CO₂地質封存過程中“對流混合”現象的研究中所採用的研究方法存在以下幾點不足：

（1） 實驗研究在時間尺度上具有一定的局限性，因為“對流混合”現象的形成和發展是一個較為長期的過程（ 尤其在涉及地球化學反應時）。目前已開展的室內試驗主要包括“CO₂溶解－擴散－對流”過程的可視化和概念性理解，以及對傳質速率的測量，在調查研究長期CO₂地質封存過程中的“對流混合”現象這一方面仍顯不足。

（2） 天然CO₂氣藏類比研究對長期CO₂地質封存研究有著非常重要的參考價值。因為對天然CO₂氣藏的地球化學研究有助於我們了解CO₂對天然儲層（物理特徵、岩石礦物和水溶液的變化）的長期影響，這些是無法通過相對短期的室內和現場實驗獲得的。但是對天然氣藏的類比研究只能獲得長期地質過程後的儲層物理和化學變化，無法清晰準確地了解該長期地質過程。

（3） 前面已經提到解析模擬方法只能用於確定“對流混合”現象的開始時間和初始波長，並不能用於對“對流混合”現象出現後混合行為的評估。但是相關解析模擬研究獲得的模擬結果對格線精度的確定和考察因素的選取有著重要的指導意義。

（4） 目前針對“對流混合”現象的數值模擬研究主要使用水動力學模擬方法。相較於溶質運移模型，水動力學模型只考慮超臨界CO₂在水溶液中溶解後的密度變化對“對流混合”過程的影響，並沒有考慮CO₂溶解後發生的一系列物理化學變化所可能產生的影響，如CO₂溶解將使水溶液PH值降低，可引起儲層中初始礦物（ 尤其是易溶性碳酸鹽和硫酸鹽礦物） 的溶解和次生礦物的沉澱，從而引起地質儲層中孔隙度和滲透率的變化，並反之影響流體的流動路徑特徵。鑒於以上研究方法的不足，採用反應溶質運移數值模擬方法可能會更為深入、系統地研究鹹水層長期CO₂地質封存中的“對流混合”過程。

但是，目前關於“對流混合”現象的反應溶質運移模擬研究主要存在如下幾方面的問題亟待解決：

（1） 前人研究指出對流不穩定性的出現只能由孔隙介質的非均質性（如迂曲度、孔隙度和滲透率的變化）引起。但是，由於模型設定中空間和時間離散以及收斂標準的影響，數值模擬中“對流混合”現象的形成（開始時間） 和發展（超臨界CO₂在水溶液中的溶解速率）可能受到人為數值誤差的干擾，從而影響對該過程的準確評估。因此，在使用數值模擬方法研究“對流混合”過程前，確定人為數值誤差對模擬結果的影響和如何消除或最小化這些影響，成為準確模擬和刻畫該過程的基礎。

（2） 為了準確理解和描述CO₂地質封存中的“對流混合”過程，必須準確獲取該過程中的三個重要指標因素：

①“對流混合”現象的開始時間： 即溶解CO₂擴散層變得不穩定的臨界時間；

②對流開始後超臨界CO₂在“對流混合”不同階段的溶解速率： 前期研究成果表明，“對流混合”過程可主要分為兩個階段（ 第一個階段為早期“對流混合”階段，在該階段CO₂在水溶液中的溶解速率較擴散階段明顯加快，且保持相對穩定； 第二個階段為後期“對流混合”階段，在該階段隨著空間上水溶液密度梯度的減小，對流速度和CO₂溶解速率明顯減弱） ；

③由於對流活動出現，超臨界CO₂完全溶解所需要的時間。因此，如何確定不同因素對它們的影響和作用機理，成為準確刻畫“對流混合”過程所面臨的難題之一。

（3） 根據前面對目前“對流混合”現象研究進展的介紹，可以發現數值模型存在兩個主要問題：

①高格線精度（ 格線間距小於1m） 模型均為小尺寸（水平距離小於幾十米） 模型，只用於模擬積累於蓋層底部超臨界CO₂溶解引起的“對流混合”現象的形成和發展。但是，由於格線數量和精度的增加增大了模型計算的難度，可用於模擬CO₂實際注入和長期封存過程的大尺寸模型可能無法被有效使用；

②目前涉及CO₂實際注入和長期封存過程中“對流混合”現象的數值模擬研究，所使用的大尺寸模型均為低格線精度（格線間距大於十幾米）模型，前人的研究工作表明較低格線精度（水平方向和垂直方向）模型並不能準確模擬“對流混合”過程的形成和發展。因此，如何在大尺寸、低格線精度模型下，準確模擬“對流混合”過程中CO₂溶解速率的加快對其長期地質封存有效性和安全性的影響，成為準確評估實際CO₂地質封存工程中長期注入和封存過程所面臨的難題之一。