地质流体存储中重力与热扩散输运的方向性

扩散输运对地下氢气（H$_2$）燃料和二氧化碳（CO$_2$）储存的长期状态具有影响，这些技术正被推行以缓解气候变化并推进能源转型。一旦注入地下，CO$_2$ 和 H$_2$ 将存在于多相流体-水-岩石系统中：由于具有部分溶解性，注入的流体可以以连通的羽流形式流过多孔岩石，在储存岩孔隙空间内被地下水包围而断开并作为孤立体被捕获，同时也会溶解并通过水相迁移。近期的分析集中在由流体孤立体之间不同毛细管压力引起的浓度梯度上，该梯度可驱动扩散输运（“Ostwald 熟化”）。然而，以往的研究忽略或过度简化了重要因素；即：地质条件下气体的非理想性、由溶解溶质的偏摩尔密度驱动的溶解 CO$_2$ 和 H$_2$ 的相反平衡态，以及由地温梯度引起的熵和热扩散效应。我们从热力学第一原理出发进行分析，并据此在与地下储层相关的条件下提供数值估计。我们表明，自由能中的熵贡献非常显著，足以在具有地温梯度的系统中导致扩散输运方向的反转。对于 CO$_2$，即使在小于 10 C/km 的地温梯度下，在与储存相关的深度处也会引发向下扩散。H$_2$ 的扩散输运受影响较小，但在典型梯度下仍会反转方向。与以往研究相反，我们发现扩散和对流很可能协同作用——在代表各自储层的条件下，两者均驱动 CO$_2$ 向下，且均驱动 H$_2$ 向上。