地下储氢模拟新框架：耦合微生物与地球化学反应的流动模拟研究

研究人员针对地下储氢（UHS）中微生物与地球化学反应的耦合效应，开发了新型模拟框架UGFACT，整合流体流动、地球化学平衡与微生物动力学。通过验证与商业软件（E300、CMG-GEM）的一致性，并模拟三种砂岩储层（Bentheimer、Berea、Grey Berea）的储氢循环，发现含白云石的储层因缓冲pH导致显著H2损失（高活性下达36%），而仅含方解石的Grey Berea砂岩因pH升高抑制微生物活性，H2损失可忽略。研究为评估储氢生物地球化学风险提供了关键工具，发表于《International Journal of Human-Computer Studies》。

　　

随着氢能作为清洁能源载体的快速发展，大规模地下储氢（Underground Hydrogen Storage, UHS）成为平衡可再生能源间歇性与能源需求的关键技术。然而，储层中的微生物（如产甲烷菌、产乙酸菌）会消耗H₂并产生副产物（如CH₄、H₂S），而矿物溶解-沉淀等地球化学反应可能进一步影响储层稳定性。现有模型多忽略微生物与流动的耦合效应，导致风险评估不足。

为解决这一问题，研究人员开发了"地下气体流动与耦合生物地球化学反应模拟器"（UGFACT），首次整合了PHREEQC地球化学软件与MRST（MATLAB Reservoir Simulation Toolbox）的流动模块。通过双Monod动力学模型描述微生物代谢（MET、ACE、SRB），并采用Peng-Robinson状态方程计算气体溶解度。模型在CO₂注入案例中与商业软件E300、CMG-GEM的饱和度、pH等参数误差小于5%，验证了其可靠性。

关键结果

1. 储层矿物学决定H₂损失：含白云石的Bentheimer和Berea砂岩中，微生物通过消耗HCO₃^-触发白云石溶解，同时方解石和氢氧镁石沉淀缓冲pH至8以下，维持微生物活性。高活性条件下H₂损失达34.82%（Bentheimer）和35.19%（Berea），消耗速率峰值达11 mmol/kg_w/day。
2. 无缓冲矿物的安全性：Grey Berea砂岩仅含方解石，微生物活动导致pH快速升至9以上，抑制代谢活性，H₂损失不足6%。
3. 空间异质性：H₂消耗峰值出现在气水共存区（距井筒5-15m），近井区因低含水抑制微生物，而远井区因H₂不足限制反应。

技术亮点
研究通过调整二元交互系数（BIC）协调PHREEQC（亨利定律）与MRST（状态方程）的溶解度差异，并采用Carman-Kozeny关系计算矿物溶解导致的渗透率变化。微生物动力学参数来自文献（如产甲烷菌μ_max=4.1 day^-1），并通过Strobel等实验数据验证（R²=0.9824）。

结论与意义
该研究揭示了储层矿物组成通过pH调控微生物活性的关键机制：白云石的存在可能加剧H₂损失，而纯方解石体系具有天然抑制微生物的优势。UGFACT模型为储层筛选和风险量化提供了新工具，但其准确性依赖微生物动力学参数的可靠性，未来需结合现场试验（如奥地利Underground Sun Storage项目）进一步验证。研究强调，UHS的可行性评估必须整合矿物学、微生物学与流体动力学多学科数据，这对实现碳中和目标下的氢能规模化储存具有战略意义。