综述：多孔介质中天然氢赋存对推进地下储氢的地质启示

本综述系统分析了全球天然氢储集层的地质特征，为人工地下储氢（UHS）提供关键选址依据。研究指出碳酸盐岩储层在浅层（<1300米）可实现80%以上高纯度氢储存，页岩与辉绿岩作为有效盖层，而温度（20-50°C）、压力（<400 bar）及微生物活动是控制氢损耗的核心因素。成果对筛选枯竭油气藏和咸水层储氢具有重要指导意义。

　　

引言

为实现国际能源署（IEA）2050年净零排放目标，氢能作为低碳能源载体备受关注。其不仅应用于燃料电池交通领域，更在化工（如氨合成）和冶金工业中扮演关键角色。近年地质研究发现，地下天然氢储量远超预期（估算约5.6×10⁶ Mt），且即使仅1%可采量也能满足全球近200年氢需求。然而，氢的储存面临微生物消耗、化学反应（如蛇纹石化、radiolysis）、溶解扩散及吸附损失等挑战，因此储层选址成为地下储氢（UHS）成功与否的核心。

天然氢储集层地质特征

天然氢主要赋存于沉积岩（砂岩、碳酸盐岩）及基性-超基性岩相关储层。碳酸盐岩储层表现出显著优势：氢浓度普遍超过80%，而砂岩储层通常低于70%。这一差异与岩石吸附能力、孔喉结构及矿物催化活性密切相关。例如，摩洛哥Tadla盆地碳酸盐岩储层在高温（>60°C）环境下仍保持高氢纯度，而美国堪萨斯砂岩储层因黄铁矿催化作用导致氢被大量消耗。

盖层性质直接影响氢封存效能。页岩与辉绿岩因其低渗透性和高毛细管压力成为有效封闭层，如马里Yeelirrie矿床的页岩盖层阻止了氢向上逸散。相反，断裂发育的盖层（如某些玄武岩区域）会引发氢渗漏。

温压条件对氢保存具有规律性影响：在深度小于1300米、压力低于400 bar的储层中，氢浓度较高；而高压环境（如俄罗斯科拉超深钻孔）则伴随氢浓度下降。温度范围20-50°C可抑制部分微生物活性，但嗜热菌仍可能在高硫矿物区（如黄铁矿）加速氢消耗。

对人工储氢的启示

基于天然氢研究，UHS选址需优先考虑以下因素：

1. 1.

   储层岩性：优先选择碳酸盐岩储层，其次为致密砂岩；

2. 2.

   盖层完整性：需开展断层扫描与渗透率测试，排除裂缝发育区；

3. 3.

   生物地球化学环境：避免高硫酸盐、铁氧化物含量区域，防止微生物（如产甲烷菌）及矿物催化耗氢；

4. 4.

   温压窗口：浅层低温（<50°C）、中低压（<400 bar）环境更利于氢储存；

5. 5.

   监测数据需求：需提前获取储层微生物群落、矿物组成、氢溶解度及扩散系数等参数。

结论

天然氢研究为UHS提供了地质类比范式。碳酸盐岩储层在适当温压条件下可实现高效储氢，而盖层质量与微生物活动控制是长期储氢的关键。未来需加强多场耦合（热-水-力-化学）模拟研究，并建立地质筛选数据库以支撑规模化储氢应用。