地下储氢驱动机制与氢气回收：基于物质平衡与模拟方法的优化策略研究

本研究针对地下储氢(UHS)中氢气回收效率的关键问题，通过3D异质地层模型和物质平衡方程(MBE)，量化了气体膨胀(GE)、水侵(WI)、解析(EX)及岩石/水压缩性(RC/WC)等驱动机制的贡献。研究发现封闭边界条件下GE和RC主导氢气回收，而开放边界中WI起核心作用；解析作用可忽略，而缓冲气体注入能显著提升初期回收效率。该研究为UHS系统设计提供了关键参数评估框架，对可再生能源储能技术发展具有重要意义。

　　

随着全球能源转型加速，氢能作为清洁能源载体成为解决可再生能源间歇性问题的关键。然而，地下储氢(UHS)在含水层或枯竭油气藏中的实际应用面临核心挑战——如何高效回收储存的氢气？传统油气藏驱动机制研究虽丰富，但氢气因其低粘度、高扩散性和独特物化性质，在孔隙介质中的流动规律尚不明确。更棘手的是，循环注采过程中多相流、溶解-解析和岩石变形等复杂相互作用，使得预测储层动态变得困难。

为破解这一难题，研究人员采用3D异质地质模型结合CMG-GEM^TM
模拟器，创新性地建立了适用于UHS的物质平衡方程。通过对比封闭边界(无水体补给)和开放边界(无限水体驱动)两种极端工况，首次系统量化了五大驱动机制的贡献：气体膨胀(GE)通过压力下降释放能量；水侵(WI)依靠外围水体推进；解析(EX)涉及溶解氢的释放；岩石/水压缩性(RC/WC)则反映介质变形效应。关键技术包括：(1)基于PUNQ-S3模型的网格优化(16,335个活性网格)；(2)采用Peng-Robinson状态方程描述H₂
-H₂
O相态；(3)Carlson滞后模型处理相对渗透率；(4)卡特-特雷西(Carter-Tracy)解析水体模型。

研究结果揭示出颠覆性发现：在封闭系统中，GE和RC共同贡献了约80%的氢气回收量。当压力从9MPa降至5MPa时，GE指数(I_GE
)稳定在0.4-0.6，而RC指数(I_RC
)因岩石孔隙变形可达0.3。开放系统则呈现截然不同的景象——WI指数(I_WI
)在首周期即突破0.7，成为绝对主导因素。令人意外的是，解析作用(I_EX
)在所有场景中均低于0.01，这得益于氢气在纯水中的低溶解度(约0.0016mol/kg)。

缓冲气体的选择展现出巧妙工程价值。当采用H₂
作为缓冲气体时，其高压缩性使GE贡献提升15%；而CH₄
因低压缩性仅带来8%增益。更关键的是，相对渗透率滞后效应的消除(案例A5/B5)使回收率骤增20%，这揭示了残余气饱和度(S_gr
)对循环效率的制约作用。

该研究建立了UHS性能预测的新范式：对于封闭储层，岩石压缩系数(c_r
≥7×10^-7
kPa^-1
)是核心评估参数；开放系统则需重点测定相对渗透率滞后特征。实践层面，建议优先选择高c_r
地层建设封闭储库，而活跃水体驱动场景应配套缓冲气体注入系统。这些发现为《International Journal of Hydrogen Energy》提供了里程碑式的研究成果，将推动UHS从实验室走向规模化应用。