热扩散现象研究背景及意义

将CO2注入海底沉积物或深部咸水层进行封存，高速注入的CO2在压力下降时由于焦耳效应使得温度降低，CO2的溶解也是一个吸热过程，同时管道里输送的CO2相比注入井内的温度来说也低得多。计算表明，这些因素能够导致储层条件下很容易出现5～10℃／cm的温度梯度（Windisch et al，2012）。温度梯度将影响CO2在沉积层中的迁移速率：①影响其密度、黏度和表面张力等性质；②出现热扩散现象，从而对CO2在海底沉积物或咸水层中的分布运移有所影响。

分子受温度梯度驱动而进行的扩散现象便是热扩散效应，亦称索瑞特效应（Soret Effect）。这是瑞士科学家Charles Soret于1879年发现的，他在两端温度不一致的试管中装入盐溶液，发现盐溶液中组分的分布并不均一，在低温端，盐的浓度比高温端要高。人们逐渐认识到分子扩散可以因浓度梯度、温度梯度或压力梯度而产生，或者是因对混合物施加一个有向的外加电势或其他电势而产生（Guarino，2002）。

如果一个系统具有两种或者两种以上组分，并且这些组分的浓度在系统中连续变化时，系统内部将自发存在一种减少浓度差的传输扩散现象，这种某一组分从高浓度区域向低浓度区域进行传输的过程称为质量传输（Mass Transfer）／传质（张学文，1994）。质量传输的驱动力是化学位梯度。一般质量传输过程的化学位梯度由浓度差／浓度梯度产生，这类质量传输称为普通扩散（Ordinary Diffusion）／浓度扩散（Concentration Diffusion）。温度差、压力差以及重力场、磁场、电场等外部力场作用产生的力差都能够产生化学位（化学势）梯度。温度差产生的质量传输称为温度扩散（Thermal Diffusion）。同理，压差产生的质量传输称为压力扩散（Pressure Diffusion）／压强扩散，力差产生的质量传输称为强制扩散（Forced Diffusion）。

CO2注入海底时，由于地温梯度的影响，从海底到更深处，温度逐渐升高，在海底向上部分，受到太阳辐射等热能影响，温度也逐渐升高。所以在海底注入点附近温度最低，受到热扩散现象影响，CO2可能在海底附近发生浓集。同样，将CO2注入深部咸水层，注入点与储层其他位置会有浓度梯度存在，加之地温梯度的存在，CO2会在储层中发生运移扩散。除由浓度梯度引起的从高浓度向低浓度扩散之外，由温度梯度引起的CO2热扩散也不可忽略。