引言
工业革命通过扩大工业活动、改善生活水平和支撑人口增长，在过去三个世纪中改变了社会面貌[1,2]。自1750年以来，全球人口从7.9亿增长到超过83亿，极大地增加了能源需求[3,4]。满足这一需求主要依赖化石燃料消耗，导致大量温室气体排放，尤其是CO2[5,6]。这些排放加剧了全球变暖并加速了气候变化。因此，需要可持续且具有经济可行性的能源体系来支持脱碳努力[[7], [8], [9]]。
氢能因其燃烧不产生CO2而成为可持续能源体系的有前途途径[[10], [11], [12]]。氢能可作为能源载体，长期储存来自间歇性可再生能源所产生的能量[[13], [14], [15]]。因此，大规模地下氢储存（UHS）对于支持季节性能源平衡、增强能源安全以及促进现有天然气基础设施脱碳至关重要[14,16,17]。
潜在的地质储存构造包括盐穴、枯竭油气藏和深层盐水含水层[14,18]。盐穴可提供氢气储存，但受地理分布和高开发成本的限制[19,20]。枯竭油气藏是另一种选择，因为它们具有现成的盖层封隔和井设施[[21], [22], [23]]。深层盐水含水层提供大储存容量，在盐穴和枯竭油气藏不可用的地区可能尤为适合[[24], [25], [26]]。
近期研究利用数值模拟、地质建模和现场规模评估调查了UHS的可行性[24,27]。针对盐水含水层，研究人员涉及了选址可行性、井位布置、注入与产出调度以及储存循环设计[28,29]。对于枯竭气藏，关键考量包括盖层完整性、压力维持和气体混合[22,30]。缓冲气选择也影响可行性，因为氮气比二氧化碳更能维持储层压力同时限制氢气混合[22,28]。这些研究表明，储存构造的地质条件及其所采用的运营策略共同决定UHS性能。除选址可行性外，控制储层内氢气传输的物理过程对羽流迁移和回收具有关键作用。
在孔隙尺度，数字岩心分析和孔隙网络模型表明，孔隙几何、渗透率和润湿性控制不同岩性中氢气的驱替和毛细管捕集[31]。利用格子玻尔兹曼模拟、计算流体力学和微流控实验进行的孔隙尺度研究进一步表明，接触角、毛细管数、流态和相对渗透率各向异性控制氢气的驱替、捕集和回收[32,33]。由于这些孔隙尺度特性在注入和采出期间产生不同的驱替路径，从而在岩心和储层尺度产生观察到的相对渗透率滞后。
这种滞后影响氢气注入能力、采出效率、生产纯度及产水量[34,35]。忽视它会高估氢气回收率，因为它忽略了循环注入和采出期间的残余氢气捕集[36,37]。因此，准确捕捉这种滞后对于预测氢气回收至关重要，但滞后仅是影响羽流行为的储层尺度控制因素之一；地质非均质性是另一个因素。
储层尺度模拟表明，渗透率非均质性改变氢羽流迁移、优势流路径和储存效率[36,38]。层间渗透率、层厚和储层几何形状影响氢气向上迁移、回收率和不可采气量[39]。渗透率各向异性、岩相构型、空间相关长度和含水层结构进一步影响气体混合、羽流演化和氢气封隔[40,41]。
流体性质也影响UHS性能。数值模拟表明，盐度和溶解盐影响储存早期循环中氢气的溶解、分子扩散和回收，但这些效应的重要性低于滞后和地质非均质性[36,42]。盐度增加会降低氢气分子扩散，因为溶解离子增加盐水粘度并改变水分子结构，从而降低氢气扩散系数。离子水合也限制水分子流动性并减少可用于氢气迁移的自由水[42,43]。因此，随着盐度增加，水介质和溶解氢气分子的迁移率降低抑制了扩散传输。物料平衡和组分模拟研究进一步表明，氢气回收取决于流体性质[44]、地质特征[45]、运营策略[46]和储层驱动机制[47]之间的相互作用。这些相互作用过程增加了预测大规模储存操作期间氢羽流迁移的复杂性和计算成本。
尽管这些研究加深了对氢气流动行为、储存机制和回收性能的理解，但它们主要依赖计算密集型的全物理模拟。这种计算成本限制了不确定性分析、敏感性研究和快速选址筛选，因为评估多个地质模型需要反复模拟。因此，预测含水层中氢羽流迁移的计算高效方法仍然有限。
本研究开发了一种基于连通性的代理模型，用于在注入期（此时粘性力主导毛细管力）快速预测非均质盐水含水层中的氢羽流迁移。所提出的方法近似了浮力驱动的氢气迁移而无需求解控制压力方程和饱和度方程，从而大幅降低了计算成本。验证过程将代理模型预测与全物理模拟器MATLAB储层模拟工具箱（MRST）的结果进行了比较，使用跨越不同注入期、注入速率以及渗透率和孔隙度非均质性的90个非均质案例。这些验证案例量化了羽流迁移相对于注入器在东北、西北、东南和西南象限的方向性不确定性。该工作流提供了一种快速、物理信息的羽流预测、方向性不确定性分析和大规模UHS情景筛选工具。
Mahamudul Hashan|A. Sakhaee-Pour
