考虑垫层气体和储层非均质性的盐穴储氢热-流-固耦合模拟与敏感性分析研究

本研究针对盐穴储氢(UHS)系统中热-流-固(THM)耦合过程的关键科学问题，通过建立完全耦合的THM模型，系统考察了CO2 、N2 和天然气等垫层气体对储氢效率的影响，揭示了储层非均质性对氢羽流运移的调控机制。研究发现CO2 因其高密度和高粘度特性，在小比例垫层气体条件下展现出最优的封存性能；通过22个参数的敏感性分析，确定了储层厚度、注入速率和渗透率等关键控制因素。该研究为盐穴储氢的工程优化提供了重要理论支撑。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体正受到前所未有的关注。然而，氢气的季节性储存难题始终制约着其大规模应用。地下盐穴储氢(UHS)虽被视为最具前景的解决方案，但复杂的多物理场耦合过程让工程实践充满挑战。储层中热-流-固(THM)过程的相互作用如何影响储氢效率？不同垫层气体对氢羽流控制有何差异？储层非均质性会带来哪些不确定因素？这些关键科学问题的解答，对保障能源安全、推动氢能经济发展具有重要意义。

来自德国达姆施塔特工业大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表重要研究成果。该研究创新性地建立了完全耦合的THM数值模型，系统考察了CO₂
、N₂
和天然气三种垫层气体在不同配比下的储氢性能，并通过22个参数的敏感性分析揭示了关键控制因素。研究采用COMSOL Multiphysics v6.2构建三维储层模型，通过顺序高斯模拟(SGeMS)生成非均质储层参数场，运用Plackett-Burman实验设计方法进行参数敏感性排序，结合Brooks-Corey方程描述多相流特征，实现了对盐穴储氢全过程的精确模拟。

在垫层气体影响研究方面，结果显示CO₂
因其较高密度(ρ_f
)和粘度(μ_f
)，在氢体积分数70%的工况下展现出最优的羽流控制能力，能将气体有效限制在井筒附近区域。相比之下，N₂
由于低密度特性，导致氢羽流扩散范围扩大30%，在薄储层(30m)中效率差异可达15%。研究还发现，当储层厚度增至120m时，所有垫层气体的效率均下降约25%，凸显储层几何参数的关键影响。

储层非均质性分析表明，渗透率(k)和毛细管压力(P_c
)的空间变异会显著改变氢羽流形态。五组随机实现模拟显示，非均质性使气体饱和度的空间变异系数达到0.35，导致局部毛细管滞留增加，最终使平均回收效率降低5-7%。值得注意的是，高渗条带的发育虽然会降低近井地带应力集中风险，但也会造成氢气的快速逃逸。

TH与THM模型的对比研究揭示了力学耦合的关键价值。传统TH模型高估井底压力达40%，而完全耦合的THM模型显示，渗透率(k)的应力依赖性变化会显著影响注采动态。在第八个循环周期，THM模型预测的氢气回收效率(94%)较TH模型低6%，更接近实际工况。

敏感性分析确定了六大关键控制参数：储层厚度(R_t
)对效率的影响系数达-3.186，位居首位；注入速率(I_r
)每增加0.2kg/s，效率提升1.8%；初始压力(P₀
)降低5MPa会使诱导应力(σ_in
)增加2.1MPa。特别值得注意的是，Young模量(E)增大到50GPa时，地表位移可减少35%，这对地表设施保护具有重要指导意义。

该研究通过创新的多物理场耦合方法，系统解析了盐穴储氢中的关键控制机制。CO₂
作为垫层气体的优越性能、储层非均质性的定量影响、以及THM耦合效应的揭示，为工程实践提供了重要理论依据。研究提出的参数敏感性排序，可指导现场优先测试关键参数，显著降低勘探成本。这些发现不仅推动了储氢技术的发展，也为多孔介质中多相流耦合过程研究提供了新范式。未来研究可结合现场试验数据，进一步验证模型预测精度，并探索循环载荷下储层参数的长期演化规律。