孔隙尺度数值模拟揭示地质储层中氢气的流体动力学捕获机制

为揭示地下储层中氢气(H2)捕获机制，研究人员结合数字岩心技术与计算流体力学(CFD)方法，开展孔隙尺度数值模拟。研究发现裂缝结构可将驱替压力降低至1500 Pa，界面张力(IFT)降低和润湿性调整为中性润湿可显著提升H2封存效率，为可再生能源地质存储提供理论支撑。

　　

随着化石燃料大规模使用导致的温室气体排放激增，全球变暖引发极端天气、冰川融化等环境危机。氢能(H₂)作为清洁能源载体，其地下封存技术成为平衡能源需求与环境治理的关键方案。然而，当前对多孔介质中H₂-盐水两相驱替的微观机制认知仍存在空白，特别是裂缝结构对捕获效率的影响尚不明确。

青岛科技大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过高精度CT扫描构建均质与裂缝性数字岩心模型，结合计算流体力学(CFD)方法系统模拟了H₂驱替盐水及反向提取过程。研究采用ImageJ软件处理微CT图像，基于VOF(Volume of Fluid)方法追踪两相界面，并引入动态接触角模型量化润湿性影响。

均质与裂缝性岩心模型的构建
基于Bentheimer砂岩CT数据，采用中值滤波算法降噪，通过最大类间方差法(Otsu)分割孔隙结构。裂缝模型通过Delaunay三角剖分算法生成，孔隙度控制在23%以匹配实际岩心。

H₂驱替盐水行为分析
研究发现：1) 均质岩心中突破压力需达2250 Pa，而裂缝模型仅需1500 Pa，裂缝显著降低驱替能耗；2) 3000 Pa压力下两者驱替效率相近(78.6% vs 79.1%)，表明裂缝对波及系数改善有限；3) 水湿条件下H₂提取仅需1-50 Pa低压，残留气量低于10%。

储层性能优化策略
参数研究表明：1) 界面张力(IFT)降低可使毛细管数(Ca)提升3倍；2) 润湿性由水湿调整为中性润湿时，H₂饱和度高27.8%；3) 裂缝网络促进气体快速突破但易形成指进现象。

该研究首次在孔隙尺度阐明裂缝对H₂封存的双重作用，提出通过调控IFT和润湿性提升封存效率的工程路径。Zeguang Dong等建立的CFD-DRP耦合方法为多孔介质多相流研究提供新范式，对可再生能源规模化存储具有重要指导价值。