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地下储氢（UHS）是应对能源需求增长和净零碳排放转型的可行方案，其成功关键在于页岩盖层的地质力学完整性。本文综述页岩盖层在储氢条件下的力学行为、影响稳定性的关键因素（如氢扩散、循环载荷）及缓解策略，指出长期性能研究仍存空白，为提升 UHS 系统可靠性提供方向。
页岩盖层储氢的地质力学与地球化学行为研究
引言
氢能作为低碳能源转型的关键组成，其长期存储问题至关重要。地下储氢（UHS）通过盐穴、枯竭油气藏、深层含水层等地质构造实现存储。页岩盖层因低孔隙度和高毛细管压力成为重要密封层，但其在储氢条件下的表现需针对性研究。尽管二氧化碳（CO2）封存的经验可借鉴，但氢的低密度、高扩散性等特性使其封存挑战独特。
页岩盖层的矿物组成与地球化学反应
页岩盖层主要含黏土、方解石、石英和黄铁矿等矿物。研究表明，氢与方解石在 13 个月内无显著反应，pH 稳定，钙离子增加源于水而非氢，支持盖层长期力学完整性。黄铁矿在特定温压和碱度条件下可还原为磁黄铁矿，后者力学强度较低，可能影响盖层稳定性。但黄铁矿在页岩中浓度仅 2%-8%，且实验显示氢与硫酸盐或黄铁矿无显著反应，其他研究也表明氢与岩石地球化学反应有限。
润湿性对盖层密封性的影响
盖层矿物多为强亲水（如水云母、硬石膏、方解石、石英），形成水膜抑制氢与固体基质接触，增强毛细管密封。尽管高压或循环注入可能导致大孔道水被氢置换，产生局部脱饱和和泄漏路径，但强亲水特性使毛细管入口压力高，限制氢运移。实验显示氢在盐水环境中与矿物表面接触角近零，表现为非润湿相，且不同气体（CO2、CH4、N2、H2）的毛细管压力差异主要由界面张力和孔径决定，氢在方解石和盐水表面的吸附低于 CO2。此外，多项研究证实氢注入未显著改变页岩润湿性、渗透率和孔隙度。
地质力学挑战与储氢机制
页岩盖层的物理力学性质（孔隙度、渗透率、机械强度）是评估储氢适用性的关键。氢在页岩中的存储机制包括吸附、扩散等，其渗透率和扩散特性影响盖层稳定性。实验研究揭示岩石在单轴、三轴等载荷及循环载荷下的应变应力响应，但针对页岩盖层储氢的研究较少。数值模拟（如有限元法）可预测长期行为，但实验和模拟均存在局限性，如实验周期短于实际储氢时长，模拟难以完全复现复杂地质条件。
挑战与缓解策略
页岩盖层在储氢中面临应力变化、循环载荷、断层活化等挑战。尽管当前研究显示其在典型储氢条件下完整性较强，但长期性能，尤其是重复应力循环和不同工况下的表现仍不明确。缓解策略包括适应性管理、实时监测及工程加固（如灌浆、合成屏障）。实时监测可及时发现泄漏风险，工程措施则增强盖层力学稳定性。
未来研究方向
尽管已有进展，页岩盖层储氢仍存在科学、经济和环境方面的知识缺口。需进一步研究循环载荷下的长期地质力学稳定性、氢与多矿物体系的长期反应、微生物活动对盖层的影响等。新兴技术如高分辨率成像和多物理场耦合模拟或可提升研究精度。
结论
页岩盖层因高毛细管压力和低渗透率适用于储氢，但其长期完整性受非均质性、应力循环和氢反应性影响。当前研究为储氢提供了理论基础，但需填补长期性能研究空白，以确保地下储氢的安全高效，推动其在可持续能源存储中的关键作用。
