超低渗透盖层密封性能实验研究：氢气地下储存的关键评估与突破压力定量分析

本研究针对氢气地下储存(UHS)中盖层密封性能评估难题，开发了集成微毛细管流量计的新型岩心驱替装置，首次系统测量了渗透率低至9.98 nD的盖层阈值压力(PTH)和突破压力(PBT)。研究发现氢气因较低界面张力(IFT)表现出更易渗透特性，建立了盖层物性与密封能力的定量关系，为枯竭油气藏改造为储氢库提供了关键筛选依据。

　　

在全球能源结构向低碳转型的背景下，氢气因其质量能量密度高的优势成为关键能源载体。然而氢分子尺寸小、储存难度大，目前盐穴储存虽技术成熟但受限于高成本和地域分布。枯竭油气藏作为潜在替代方案备受关注，但其盖层能否有效密封氢气的科学评估仍存在重大技术空白——传统方法难以精确测量超低渗透盖层（渗透率<1 μD）的突破特性，且氢气与常规天然气在界面行为上的差异缺乏系统研究。更棘手的是，现有CO₂封存研究结论不能直接外推至氢气储存场景，因为氢气的界面张力(IFT)显著低于CO₂和CH₄，这种差异可能导致盖层密封性能被高估。

针对这些挑战，加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）化学与石油工程系的研究团队创新开发了高精度测试系统，首次实现了对渗透率低至10 nD盖层的氢气密封性能定量评估。他们通过对比N₂、CH₄和H₂三种气体的突破行为，建立了盖层物性参数与密封能力的定量关系，为枯竭油气藏改造为储氢库提供了科学筛选标准。这项突破性研究成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上，为大规模氢气地下储存提供了关键技术支撑。

研究团队采用三项核心技术方法：自主设计的微毛细管流量计系统（测量精度达10 nL/h）、标准岩心驱替装置（可施加30 MPa围压）、以及高分辨率成像系统（监测弯液面移动）。实验选用5种渗透率跨度达4个数量级的砂岩样品（159.12 mD至9.98×10^-6 mD），在22±0.5°C条件下系统测量了气体突破过程中的压力-流量动态。

【实验结果】

2.1 材料特性

制备的模拟地层水矿化度达74,000 mg/L，测得H₂-盐水IFT为71.57±0.28 mN/m，低于N₂(72.11 mN/m)和CH₄(72.03 mN/m)。岩样孔隙度从0.34%到21.51%不等，形成理想物性梯度。

3.1 压力动态特征

在超低渗岩样E（1.83×10^-5 mD）中，H₂的突破压力(2378.26 psi)显著低于N₂(2922.46 psi)，证实低IFT气体更易穿透盖层。压力增量实验表明，0.5 MPa与5 MPa步长测量的突破压力差异仅0.7%，验证了大步长方案的可靠性。

3.2 界面张力影响

所有岩样均呈现IFT与突破压力的正相关性（R²>0.98）。H₂因最低IFT始终表现出最优渗透性，其P_BT比N₂低18.6%，这一发现修正了沿用天然气封存标准评估储氢风险的传统认知。

3.3 物性参数关联

渗透率降至10 nD级时，P_BT急剧上升至4327.54 psi（N₂）。但相同渗透率下数据离散度达±15%，揭示超低渗区域孔隙结构复杂性成为除绝对渗透率外的关键控制因素。

【结论与意义】

该研究首次建立了涵盖10 nD-100 mD范围的盖层密封性能数据库，揭示三个核心规律：氢气因低IFT需要更严格的盖层筛选标准；渗透率<1 μD时物性参数与P_BT呈非线性关系；超低渗区域矿物组成可能超越绝对渗透率的主导地位。技术层面，微毛细管流量计实现了nL/h级流量检测突破，为地下储氢安全评估提供了"纳米尺度眼睛"。

这项研究对能源转型具有双重价值：科学上，填补了氢气-岩石-盐水三相作用机制的知识空白；应用上，提出的测试协议可直接整合至储氢库选址标准。特别是发现现有枯竭气藏约17%可能因氢气特殊渗透行为需要重新评估密封安全性，这一结论正在被多个国际储氢项目采纳为技术规范。随着氢经济规模扩大，该成果将为保障万亿立方米级储氢设施安全运行提供关键参数支撑。