综述：海洋沉积物中水合物基CO2封存的地质力学稳定性研究综述

（编辑推荐）本综述系统探讨了水合物基CO2封存（HBCS）技术在海洋沉积物中的地质力学稳定性问题，聚焦CO2水合物与CH4水合物的力学特性差异、沉积物强化机制及三种典型海洋地质场景（海底地层、天然气水合物储层、枯竭油气田）的应用挑战，为碳中和目标下安全实施大规模离岸碳封存提供了关键科学依据。

水合物基CO₂封存的地质力学挑战

Hydrate-based CO₂存储的海洋地质场景

深海沉积物中CO₂水合物的热力学稳定性使其成为理想的碳封存载体。研究揭示了三种主要实施场景：未固结的海底沉积层通过CO₂水合物原位胶结增强强度；天然气水合物储层通过CH₄-CO₂置换实现能源开采与碳封存双赢；枯竭油气田则利用现有基础设施进行改造。其中，南海神狐海域的模拟显示单储层即可封存570-1140万吨CO₂，全球理论封存潜力高达221,000 GtCO₂，相当于5000年人为排放量。

纯水合物的力学特性差异

单晶尺度研究表明，CO₂水合物表现出与CH₄水合物显著不同的力学行为：其弹性模量（E=8.9 GPa）比甲烷水合物（E=11.7 GPa）低24%，但抗压强度（σ_c=21.3 MPa）却高出18%。这种差异源于CO₂分子与水分子的氢键相互作用模式改变。混合水合物实验更发现，当CO₂占比超过60%时，体系强度会出现跃升式增长，这对置换工艺优化具有重要指导意义。

水合物沉积物的力学响应机制

沉积物中水合物以四种赋存形态影响力学性能：孔隙填充型使刚度线性增长，胶结型可提升剪切强度达300%，荷载型改变颗粒接触应力分布，包裹型则可能引发脆性破坏。值得注意的是，CO₂水合物在饱和度为35%时可使砂质沉积物的内摩擦角从28°增至42°，而相同条件下CH₄水合物仅能提升至36°。这种强化效应在细粒黏土中更为显著，但过量水合物（>50%）反而会诱发剪切带局部化。

地质力学稳定性风险

甲烷开采过程中的水合物分解会导致沉积物体积收缩率达12%，引发海床沉降风险。数值模拟显示，在渗透率<10 mD的储层中，CO₂注入压力超过8 MPa可能诱发断层活化。日本南海海槽的现场监测数据证实，水合物饱和度每降低10%，波速比（V_p/V_s）下降0.15，这为稳定性预警提供了量化指标。

技术挑战与突破方向

当前研究存在三大瓶颈：缺乏CO₂-CH₄混合水合物的三轴试验数据、沉积物-水合物界面行为的分子动力学模拟精度不足、现场实时监测技术尚未标准化。解决方案包括开发多尺度耦合模型、应用分布式光纤传感（DAS）技术，以及建立类似"可燃冰"试采工程的长期观测网络。

结论

海洋水合物封存技术将碳封存与地质灾害防治有机结合，其成功实施需突破"相变-力学-渗流"多场耦合理论瓶颈。未来五年需重点攻关CO₂水合物本构模型、储层完整性评价体系及智能化监测装备研发，为实现"双碳"目标提供海洋解决方案。