关于H?-盐水体系中多孔砂岩和碳酸盐岩石表面润湿性变化及溶剂吸附效应的实验研究：对地下氢储存的启示

《Journal of Endodontics》：Experimental insights into surface wettability alterations and solvent adsorption effects on porous sandstone and carbonate rocks in H?-brine systems: Implications for underground hydrogen storage

氢气地下储存中岩石润湿性受压力、温度及有机溶剂吸附影响研究。通过倾斜板法测试砂岩和碳酸盐岩在不同温压条件下的接触角，发现砂岩润湿性随压力和温度升高而增强，而碳酸盐岩则随压力升高但温度降低而润湿性变化相反。研究揭示了矿物组成、表面粗糙度及有机酸（如硬脂酸）对吸附行为的调控作用，为优化储气能力与安全防护提供理论依据。

　　氢气经济作为一种潜在的清洁能源解决方案，正在全球范围内受到越来越多的关注。随着全球对减少二氧化碳排放和实现环境可持续性的承诺不断加深，氢气作为替代化石燃料的能源形式，具有显著的前景。然而，实现大规模氢气储存仍然是一个关键挑战，因为它不仅需要高效的储存系统，还必须确保储存过程的安全性和经济性。氢气的储存方式多种多样，包括地下储氢（Underground Hydrogen Storage, UHS）、液化氢气储存、压缩氢气储存以及材料吸附式储存等。其中，地下储氢因其巨大的储存潜力和相对较低的环境影响，被认为是一种极具前景的解决方案。然而，要实现这一目标，必须深入了解氢气在不同地质条件下的润湿性行为及其对储层性能的影响。

在众多地质储层中，砂岩和碳酸盐岩因其广泛分布和良好的渗透性，成为研究重点。然而，目前对氢气在这些岩石中的润湿性行为，尤其是在不同压力和温度条件下，仍存在许多未知。此外，溶剂的存在可能会改变岩石的润湿性，从而影响氢气的吸附和储存效率。因此，研究不同溶剂对岩石润湿性的影响，以及这些变化如何影响氢气的储存和提取过程，具有重要的科学和工程意义。

本研究的主要目标是系统评估不同溶剂对砂岩和碳酸盐岩润湿性的影响。通过实验，我们探讨了在氢气/盐水系统中，不同溶剂如何改变岩石表面的润湿性。实验采用了倾斜板法（tilted plate method）来测量前进接触角（advancing contact angle, θ?）和后退接触角（receding contact angle, θ?），这些接触角的变化可以反映岩石表面润湿性的变化。实验条件覆盖了从0.1 MPa到20 MPa的压力范围，以及从293 K到343 K的温度范围，以模拟实际的地下储层环境。为了研究溶剂吸附对润湿性的影响，我们将岩石样品在含有不同溶剂的十二烷基硫酸钠（Stearic Acid, SA）溶液中进行老化处理，包括正癸烷、乙酸乙酯、乙醇、甲醇和去离子水（DI water）等溶剂。通过对比老化前后岩石的润湿性变化，我们希望揭示不同溶剂如何影响氢气在岩石中的储存行为。

研究结果表明，砂岩的润湿性随着压力和温度的升高而增强，这可能意味着在高压高温的储层条件下，砂岩对氢气的吸附能力会提高，从而有助于提升氢气的储存效率。相比之下，碳酸盐岩的润湿性则表现出不同的趋势：随着压力的增加，其润湿性增强，但随着温度的升高，润湿性却有所下降。这种差异可能与碳酸盐岩的矿物组成及其表面特性有关，因为碳酸盐岩通常由碳酸钙等成分构成，而这些成分在高温下的物理和化学行为可能与砂岩有所不同。因此，理解不同岩石类型的润湿性变化规律，对于优化氢气储存系统的性能至关重要。

此外，本研究还强调了表面粗糙度和有机酸对润湿性的影响。表面粗糙度可能会改变液体在岩石表面的铺展行为，从而影响氢气的储存效率。而有机酸的存在可能会通过吸附作用改变岩石表面的化学性质，进而影响其润湿性。因此，在实际的地下储氢项目中，必须考虑这些因素，以确保储层的长期安全性和稳定性。

在实验设计方面，我们首先对砂岩和碳酸盐岩样品进行了详细的材料分析，包括X射线衍射（XRD）和X射线荧光（XRF）分析，以确定其矿物组成和元素分布。XRD分析结果显示，砂岩样品主要由石英（quartz）和少量的方解石（dolomite）组成，而碳酸盐岩样品则几乎完全由方解石构成。这些矿物组成差异可能对润湿性行为产生影响，因为不同的矿物具有不同的表面化学性质和吸附能力。XRF分析进一步确认了岩石样品中的元素分布，为后续的润湿性实验提供了基础数据支持。

为了评估不同溶剂对岩石润湿性的影响，我们采用了倾斜板法进行接触角测量。该方法能够准确地反映液体在固体表面的铺展行为，是研究润湿性变化的常用手段。在实验过程中，我们对老化和未老化的岩石样品进行了接触角测量，并比较了不同溶剂处理后的润湿性变化。实验结果表明，不同溶剂对岩石润湿性的影响存在显著差异，其中一些溶剂能够显著改变岩石的润湿性，而另一些则影响较小。这些发现对于理解氢气在不同地质条件下的储存行为具有重要意义。

本研究的实验结果不仅揭示了氢气在不同岩石类型中的润湿性变化规律，还为优化地下储氢系统的性能提供了理论依据。例如，研究发现，砂岩在高压高温条件下对氢气的润湿性增强，这可能意味着在这些条件下，氢气更容易被吸附在岩石表面，从而提高储存效率。而碳酸盐岩的润湿性则表现出不同的趋势，其在高温下的润湿性下降可能会影响氢气的储存和提取过程。因此，在实际的地下储氢项目中，需要根据具体的地质条件和储层特性，选择合适的溶剂和处理方法，以确保储氢系统的稳定性和安全性。

除了润湿性变化，本研究还探讨了溶剂吸附对储层性能的影响。溶剂的吸附可能会改变岩石表面的化学性质，从而影响氢气的储存能力。例如，某些溶剂可能会在岩石表面形成一层薄膜，改变其润湿性，进而影响氢气的渗透和扩散行为。此外，溶剂的吸附还可能影响储层的毛细管压力和相对渗透率，这些参数对于氢气的流动和储存效率至关重要。因此，深入研究溶剂吸附对储层性能的影响，有助于优化氢气储存系统的设计和操作。

在实际应用中，氢气的地下储存面临着一系列挑战，包括储层的长期稳定性、气体泄漏的风险、微生物活动对氢气的消耗，以及化学反应对储层材料的影响。这些因素可能会对氢气的储存和提取过程产生不利影响，因此必须通过实验和模拟相结合的方法，全面评估这些风险。本研究通过实验数据和理论分析，为这些挑战提供了新的视角和解决方案。例如，通过改变岩石的润湿性，可以增强氢气的吸附能力，从而提高储存效率并减少泄漏风险。此外，研究还表明，不同溶剂对岩石润湿性的影响存在显著差异，这为选择合适的溶剂和处理方法提供了依据。

本研究的结果对于推动氢气经济的发展具有重要意义。首先，它为氢气的地下储存提供了新的科学依据，有助于优化储层设计和操作策略。其次，研究揭示了润湿性变化与氢气储存效率之间的关系，这可以为开发新的储氢技术提供理论支持。最后，研究结果还为政策制定者提供了重要的参考信息，有助于制定更加科学和合理的氢能发展政策，以促进其在工业和能源领域的广泛应用。

总的来说，本研究通过系统实验和理论分析，揭示了不同溶剂对砂岩和碳酸盐岩润湿性的影响，以及这些变化如何影响氢气的储存和提取过程。研究结果表明，岩石的润湿性在不同压力和温度条件下会发生显著变化，这种变化可能对氢气的储存效率和安全性产生重要影响。因此，未来的研究需要进一步探索不同溶剂对岩石润湿性的影响机制，以及这些变化如何影响氢气的流动和储存行为。此外，还需要结合实际的地质条件和工程需求，开发更加高效的氢气储存技术和管理策略，以确保氢气经济的可持续发展。