盐岩中氢传输的流态效应研究：纳米孔隙结构对地下储氢安全性的关键影响

为解决地下氢储存(UHS)中盐岩渗透率受流态效应影响的关键问题，研究人员通过压力脉冲衰减(PPD)方法系统研究了0.4-7.5 MPa压力范围内氢气的滑移流和过渡流(Kn=0.04-1.5)传输特性。研究发现盐岩本征渗透率为5×10?21 -1.0×10?20 m2 ，但在低压下表观渗透率可提升10倍，证实Beskok-Karniadakis(BK)模型能准确预测过渡流态下的渗透率增强效应，为UHS安全评估提供重要理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，地下氢储存(UHS)作为规模化储能解决方案备受关注。盐穴因其低渗透性和自愈合特性被视为理想储氢场所，但纳米级孔隙结构中氢气的非达西流动行为仍是制约安全评估的关键瓶颈。传统研究多聚焦氮气/氦气在盐岩中的传输，对氢气在滑移流(slip flow)和过渡流(transitional flow) regime下的渗透机制缺乏实验验证，特别是当Knudsen数(Kn)在0.001-10范围内时，气体分子与孔隙壁的相互作用会显著改变表观渗透率(apparent permeability)。

加拿大阿尔伯塔大学的研究团队针对这一科学问题，选取Lotsberg盐层(LFS)的泥灰岩样品，通过系统的实验和建模揭示了流态效应对氢传输的影响规律。研究发现盐岩的本征渗透率(intrinsic permeability)为5×10^?21
-1.0×10^?20
m²
，但在低压(0.4 MPa)下表观渗透率可达本征值的10倍。该成果发表于能源领域顶级期刊《Fuel》，为盐穴储氢的泄漏风险评估提供了定量化理论工具。

研究采用四项关键技术：1)氮气吸附法测定5-400 nm范围的孔隙分布(PSD)；2)改进型压力脉冲衰减装置(上游150 cm³
/下游1 cm³
)测量0.4-7.5 MPa氢渗透率；3)基于Beskok-Karniadakis模型构建考虑流态效应的渗透率修正公式；4)通过动量协调系数(TMAC)优化实现滑移效应的定量表征。

4.1 粒径分布
氮气吸附显示样品呈单峰孔隙分布(1-100 nm)，平均孔径11.8-30.6 nm，孔隙度0.6-2.7%。当氢气平均自由程(0.9-16.9 nm)与孔径相当时，会产生显著滑移效应。

4.2 渗透率测定
改进PPD装置测得表观渗透率随压力降低而升高，如样品1在1 MPa时为2.6×10^?20
m²
，7.2 MPa时降至1.1×10^?20
m²
，证实低压下Kn增大导致的渗透率增强。

4.3 流态分析
Kn计算表明：样品1(0.045-0.4)以滑移流为主，样品4(0.085-1.5)主要处于过渡流态。当Kn>0.1时，一阶滑移模型低估渗透率达30%，而BK模型能准确预测全流态范围数据。

4.4 滑移系数标定
通过无量纲渗透率增强因子(f=k/k_∞
)拟合，获得一阶滑移系数C₁
=0.98，TMAC=0.93，表明盐岩孔隙壁存在部分动量损失。

该研究首次实验证实盐岩纳米孔隙中氢气传输存在显著流态效应：在过渡流态(Kn>0.1)下，传统达西定律需引入高阶滑移修正；BK模型通过引入rarefaction系数α(Kn)和TMAC参数，能准确预测表观渗透率的10倍增强现象。这些发现为盐穴储氢的密封性评估提供了关键理论支撑，特别是解释了低压操作阶段渗透率异常升高的机理。未来研究需向更高压力(>10 MPa)和纯盐岩样品拓展，并考虑围压对孔隙结构的动态影响。