综述：多孔介质中的地下氢储存：实验方法、研究进展及未来机遇的全面综述

《International Journal of Hydrogen Energy》：Underground hydrogen storage in porous media: A comprehensive review of experimental approaches, insights, and future opportunities

　　塔哈·扎林（Taha Zarin）| 西娜·沙库里（Sina Shakouri）| 莫杰塔巴·加埃迪（Mojtaba Ghaedi）| 哈梅德·阿加伊（Hamed Aghaei）
伊朗设拉子大学石油工程系，设拉子

**摘要**
在多孔介质中的地下氢储存（UHS）已成为大规模能源储存的有希望的解决方案，支持向可持续氢经济的过渡。氢储存和提取的有效性受到复杂的流体-流体以及流体-岩石相互作用的影响，特别是润湿性、界面张力（IFT）和地下条件下的多相流动行为。尽管实验努力不断增加，但对这些界面现象及其对氢储存和迁移性的影响的理解仍然有限。本综述全面分析了用于研究这些基本特性的实验方法，包括接触角（CA）测量、IFT研究、岩心注水测试以及在各种地下条件下的微流控实验。研究人员系统地比较了实验方法、操作条件和关键发现，强调了它们各自的优点、局限性以及对不同类型储层的相关性。特别强调了压力、温度、矿物组成和表面化学对润湿性变化、毛细管捕获和氢迁移效率的影响。通过整合多个实验尺度上的结果，本综述指出了与实验标准化、放大挑战以及孔隙尺度机制与岩心尺度流动行为之间的耦合相关的关键知识空白。最后，提出了未来的研究方向，以改进预测模型、提高储存效率并优化UHS选址。这项工作为在多孔介质中安全高效地部署UHS提供了结构化的实验框架。

**引言**
对化石燃料的持续依赖对全球气候造成了破坏，加剧了人们对全球变暖和气候变化的担忧[1]。这些挑战突显了寻找替代可持续能源的迫切需求。在这种情况下，对清洁能源解决方案的全球需求不断增加，使氢成为一种有前景的能源[2,3]。虽然氢可以以多种形式储存，但大规模和长期储存仍然是一个关键挑战[4,5]。在多孔介质（如枯竭的气体储层和含水层）中的地下氢储存（UHS）因其高储存容量、成本效益和季节性能量平衡潜力而成为一种有前景的方法。根据国际能源署（IEA）的数据，截至2023年10月，全球共记录了58个UHS项目（图1）。其中，只有5个项目进入了运营（示范）阶段，另有5个项目正在建设中。这些运营站点的累计储存容量仅为0.01 PJ，与全球报告的约109.48 PJ的总容量相比微不足道[6]。

如图1所示，目前大多数UHS项目集中在欧洲和北美。在可用的地质选项中，盐洞目前主导了工业规模的部署，有37个项目选择了这种储存方式。盐洞在氢储存方面有着悠久的运营历史，自1983年以来在美国德克萨斯州和英国蒂赛德（Teesside）一直持续运行。近年来，欧洲进一步扩展了盐洞项目，包括荷兰、法国和德国的项目，以及美国的先进清洁能源储存项目，该项目的钻探和机械完整性测试于2023年5月完成，估计储存容量约为1.32 PJ[6]。尽管盐洞在运营上占主导地位，但其地理分布有限，限制了其作为通用大规模氢储存解决方案的适用性。因此，像枯竭的碳氢化合物储层和深层咸水含水层这样的多孔介质越来越被认为是盐洞的重要补充，特别是在缺乏合适盐层或需要更大储存容量的地区。这些介质提供了巨大的储存体积和广泛的全球可用性；然而，它们储存纯氢的适用性在技术上仍不成熟且存在不确定性[7]。

与盐洞不同，多孔介质中的氢储存受到复杂的流体-流体和流体-岩石相互作用的影响，包括润湿性、界面张力（IFT）、毛细管捕获和多相流动行为，这些直接控制着氢的储存、迁移和回收。这些机制带来了诸如氢泄漏风险、回收效率降低以及潜在的地球化学或微生物相互作用等问题，而在盐洞储存中这些问题基本不存在或可以忽略。因此，不能仅凭盐洞的经验可靠地推断多孔介质用于UHS的技术可行性。尽管奥地利和阿根廷已有使用枯竭气田的示范项目在运行，匈牙利、西班牙和拉脱维亚还有其他项目正在建设或规划中[8]，但支持多孔介质安全高效UHS部署所需的实验理解仍然不完整。因此，对研究多孔介质中氢行为的实验方法进行重点综述对于填补这些知识空白、支持技术放大以及为未来的UHS项目进行明智的选址和风险评估至关重要。

UHS的有效性与回收率密切相关，回收率代表了可以成功回收用于未来使用的储存氢的比例[9,10]。实现高回收率对于UHS项目的经济和运营可行性至关重要。然而，这种回收受到岩石-流体界面上复杂多相相互作用的影响，包括毛细管捕获、润湿性变化和界面动力学，所有这些因素都控制着氢的保留、迁移性以及最终的回收率[11,12]。图2展示了影响回收率的主要因素的示意图，其中润湿性是控制UHS效率的关键因素之一，它决定了储层岩石在盐水存在下的亲氢性。润湿性影响毛细管捕获、相对渗透率（Kr）以及氢在地下介质中的整体迁移行为。与润湿性密切相关的是IFT，在定义毛细管压力（Pc）和氢置换驻留流体的能力方面起着关键作用。理解这些界面特性对于评估不同地质介质中氢储存的可行性至关重要[13,14]。

已经采用了多种实验方法来研究多孔介质中的氢润湿性、IFT和多相流动。接触角（CA）测量提供了在不同压力、温度和盐水组成下润湿性变化的直接见解。微流控实验允许在孔隙尺度上可视化氢的流动行为、迁移效率和捕获机制[15]。岩心注水测试通过模拟储层条件下的流体传输、评估氢的注入性和估计储存效率，提供了更大规模的视角[16],[17],[18]。尽管在这一领域取得了显著进展，但仍存在一些知识空白。储层异质性、储存氢中的杂质以及氢、岩石矿物和形成流体之间的长期地球化学相互作用的影响尚未完全理解[19,20]。此外，不同地质环境下的润湿性和IFT变化需要进一步研究，以改善氢的保留并最小化泄漏风险。

为了明确将本研究置于现有文献的背景下，表1总结了之前关于UHS的综述研究，并强调了它们的主要关注点和剩余的局限性。如所示，之前的综述从流体动力学、吸附-扩散过程、地球化学相互作用、建模和实验方法等角度探讨了UHS。然而，关于CA、IFT、微流控可视化和岩心注水的实验研究往往单独讨论，并且测试条件不统一。具体而言，本综述旨在提供关于UHS中氢润湿性、IFT和多相流动的实验研究的全面分析。通过比较方法、总结关键发现并识别研究空白，这项工作旨在推进对地下环境中氢行为的理解[21]。这里呈现的发现将有助于开发改进的预测模型，并为长期能源储存的UHS策略优化做出贡献。

**部分摘录**
现有的测量CA的实验方法
润湿性是控制多孔介质中流体分布、传输和多相流动行为的基本属性，在UHS中起着核心作用。在氢-盐水-岩石系统中，润湿性反映了氢或盐水对岩石表面的优先附着力，从而直接影响Pc、捕获机制、氢的迁移性和整体储存效率。根据流体-岩石相互作用的不同，多孔介质可能表现出水润湿、氢润湿或中间润湿状态。

**文献综述方法**
为了确保对多孔介质中UHS的实验研究进行全面和透明的综述，使用多个科学数据库（包括Web of Science、Scopus和ScienceDirect）进行了系统性的文献搜索。搜索重点是过去十年中发表的经过同行评审的期刊文章，反映了UHS实验研究的快速发展。

**相关出版物**
使用UHS、多孔介质、润湿性、CA、IFT等关键词组合识别了相关出版物。

**UHS中的润湿性和CA研究**
氢、盐水和岩石表面之间的复杂相互作用决定了UHS的效率。这些相互作用显著影响润湿性、IFT和氢的迁移效率。润湿性、IFT和氢的迁移性是密切相关的参数，控制着多孔介质中氢的行为[41],[42],[43]。润湿性反映了岩石对氢或水的偏好，通常通过CA来描述，CA源于表面张力的平衡。

**比较分析其他气体的氢IFT**
表5汇编了氢-盐水系统的IFT测量结果，并将其与CO2-盐水和CH4-盐水系统进行了比较，展示了氢相对于其他地下气体的独特行为。氢的IFT高于CO2，导致中等程度的毛细管捕获但迁移性更高，在设计储存站点时必须考虑这一点。

**岩心注水实验**
岩心注水是一种关键的实验技术，用于模拟储层条件下的氢注入、迁移和捕获。它提供了关于氢迁移性、Kr和残余捕获效率的见解，这对于评估UHS的可行性至关重要。

**微流控在UHS研究中的应用**
在异质多孔介质中，氢流动经常表现出指状和早期突破模式，这会降低迁移效率并影响整体储存性能。毛细管捕获的程度和有效性受到岩石的润湿状态和孔隙网络几何形状的强烈影响，这两者都影响氢在介质中的分布。此外，气体重新溶解到盐水相中的过程以及随后的扩散过程也会影响储存性能。

**未来的研究方向和知识空白**
随着UHS从概念可行性向大规模部署的发展，必须解决几个关键的研究前沿，以增强过程理解、提高预测准确性并确保安全和高效的地下操作。这些未来的方向反映了多尺度集成、长期实验和数据驱动方法学的日益需求，这些方法能够应对氢-盐水-岩石系统的固有复杂性。表12提供了结构化的结论。

**结论**
本综述强调了实验研究在地下氢储存（UHS）中的关键作用，特别是在理解岩石-流体相互作用方面，包括润湿性、接触角（CA）、界面张力（IFT）和岩心注水以及微流控研究。这些实验方法为了解地下环境中氢的行为提供了关键见解，这对于确保氢的安全高效储存至关重要。莫贾塔巴·加埃迪（Mojtaba Ghaedi）的职责包括：撰写、审稿与编辑、数据验证、项目监督、资源管理、调查研究以及进行形式化分析；哈梅德·阿加埃伊（Hamed Aghaei）的职责同样涵盖撰写、审稿与编辑、项目监督、资源管理、调查研究以及进行形式化分析。
伦理审批：不适用。
利益冲突声明：作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究结果的个人关系。
致谢：作者们衷心感谢彼此在研究过程中的支持、合作与专业知识共享，这些因素对完成本研究起到了至关重要的作用。