多孔介质储氢过程中盖层压裂与断层活化引发的氢气泄漏机制研究

本研究针对地下储氢（UHS）过程中氢气泄漏风险，通过建立三维流固耦合模型，揭示了盖层压裂与断层活化双重泄漏机制的相互作用。研究发现25%的注入氢气会通过盖层和浅层含水层泄漏，与捷克、奥地利现场观测数据吻合；尽管断层内氢气体积仅占0.1%，但其活化引发的地表抬升效应显著强于盖层压裂。该研究为储氢选址和泄漏监测提供了关键理论支撑。

　　

在全球能源转型背景下，可再生能源如风能、太阳能的间歇性供给问题日益凸显。氢能作为清洁能源载体，其大规模地下存储（Underground Hydrogen Storage, UHS）成为平衡供需的关键技术。然而，氢气因其低粘度和高流动性，在通过多孔介质存储时易引发盖层压裂（caprock fracturing）和断层再活化（fault reactivation）等泄漏风险，威胁存储安全性与经济性。目前，关于不同泄漏机制的协同作用及其对应力-流体分布的影响尚不明确，亟需定量化研究。

针对这一科学问题，研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，建立了代表真实地质与工程条件的三维流固耦合模型。该模型创新性地整合了应力依赖的Barton-Bandis盖层压裂模型与库仑摩擦（Coulomb frictional）断层渗透率模型，模拟了16年周期性注采过程中氢气的泄漏动态。关键技术包括：基于砂岩储层-页岩盖层的地质建模、耦合流动-地质力学（flow-geomechanics）数值模拟，以及针对捷克和奥地利现场数据的对比验证。

盖层压裂机制
研究发现，注氢导致的孔隙压力上升会降低有效应力，当最小主有效应力低于岩石破裂阈值时，盖层发生张性破裂或剪切扩容。通过Barton-Bandis模型量化显示，盖层泄漏始于注氢第4年，随后氢气逐步上移，最终15%的注入量渗入盖层。

氢气羽流演化
模拟显示，初始阶段氢羽流受低渗透率盖层和断层限制，仅分布于储层下盘区块（footwall block）。随着注采循环进行，储层膨胀产生的界面应力促使羽流突破封隔，形成垂向泄漏通道。

泄漏体积定量
累计25%的氢气（15%至盖层、10%至浅层含水层）发生泄漏，与欧洲现场观测一致。值得注意的是，断层内氢气仅占0.1%，但其活化引发的地表抬升幅度显著高于盖层压裂，凸显断层作为跨层泄漏导管的潜在危害。

结论与意义
该研究首次揭示了盖层-断层泄漏机制的竞争关系：盖层压裂主导泄漏量，而断层活化控制空间扰动。这一发现为储氢场地筛选提供了新标准——需优先评估断层稳定性而非仅关注盖层完整性。此外，模型预测的泄漏比例与欧洲实际数据的高度吻合，验证了该工具在泄漏预警和风险评估中的实用性，为全球UHS项目的安全实施奠定了理论基础。