《巴黎协定》设定了将全球变暖控制在远低于2℃的水平，并努力实现1.5℃的目标[1]。为此，各国相继制定了净零排放时间表[2]。氢气被视为实现深度脱碳的关键能源载体，尤其在电力调峰、重型运输以及高温工业过程等能源密集型领域[3]。如图1(a)所示，全球氢气需求从2022年的约97百万吨急剧上升，预计到2050年将超过150百万吨[4]。这一趋势反映出可再生能源制氢的供应与终端用户需求之间存在日益加剧的时间差异，因此，要实现净零目标，安全、经济且大规模的地下氢储存就显得极为重要。
目前，氢气的储存和运输主要依赖于地面上的高压储罐[8]。尽管这些方法已经十分成熟，但它们会导致较高的设备与土地成本，使得存储成本约为12.7美元/千克，难以支持大规模的氢气循环使用。相比之下，如图1(b)所示，地下氢储存可将三个月内的单位存储成本降至约0.7美元/千克，成本降低了一个数量级[5]、[6]。此外，地下氢储存还能让绿色氢气系统中的电解槽持续运行，从而降低设备折旧成本，并减少电价波动带来的影响。如图1(c)所示，随着年度运行时间的增加，氢气生产成本会下降，而在高电价环境下这一趋势更为明显[7]。因此，地下氢储存被广泛认为是满足氢气高峰供应、实现低成本生产以及实现灵活系统运行的优选方案[9]。
来自现场成分数据、宏观气体流动计算以及分子模拟的研究结果表明，大多数由水驱动的枯竭气藏的盖层岩石能够有效密封氢气[6]。现场观测显示，在地质时间尺度上，天然气储层中氢气的摩尔分数通常较低（一般低于2%），这表明盖层岩石具有长期封存氢气的能力。在储层尺度上，泄漏计算表明氢气的年泄漏率较低，大约在3–100千克/平方米之间，这部分是因为氢气的毛细压力相对较高[10]。在孔隙尺度上，分子模拟显示水分子聚集会形成高能屏障层，有效限制了小于约8.5埃的孔隙中的氢气泄漏[11]。与这些研究结果一致，包括“Hydrogen Kinsale”、“Storage Hub Italy”以及“Humber H? Storage”在内的多个欧洲试点项目都采用了枯竭气藏，且证明了其运行安全性与良好的氢气回收率[7]、[12]。
在过去六十年间，地下气体储存技术已经证实了枯竭气藏具有较高的孔隙度与渗透率，这使其成为大规模能量储存的理想介质[13]。例如，美国400多处地下气体储存设施中，超过75%位于枯竭气藏中，而且它们的工作气体体积远远大于盐穴及含水层型储存设施的体积，如图2(a)至图2(c)所示[14]。此外，含水层驱动的储层在这些储存设施中占比相当大，不同地区的枯竭气藏中约有30%–55%属于此类。如图2(d)所示，中国、美国、欧盟以及加拿大的枯竭气藏中，分别有54%、45%、34%和32%属于含水层驱动型储层。由此可见，含水层驱动的储层是大规模地下氢储存开发中极具潜力但尚未得到充分利用的资源。
与封闭式储层不同，含水层驱动的储层在转化为地下氢储存设施时具有特定的地质优势，如图3所示。首先，周围含水层的持续补充作用能使压力逐渐下降，从而保持稳定的井底压力[15]、[16]。此外，反复的注采循环还能推动含水层边界向外扩展，进而提升可利用的储存容量[17]。天然气储存设施的现场数据表明，这种扩展幅度可达5–15%。另外，含水层驱动的储层通常具有较高的孔隙度与渗透率，这使得注气和抽气更加高效，存储成本也更低[18]。
然而，储存储层与含水层之间的高流动连通性会大大增加水侵入的风险。在新西兰的一项地下氢储存案例研究中，刘某发现，循环注采作业会导致气水界面向上移动，从而加剧水侵入现象[19]。廖某进一步指出，即便在强度较低的含水层中，由于反复的压力变化也会促使水分逐渐进入储存储层[20]。此外，蒋某对相关机制进行了研究，发现毛细力在控制水流动方面起着主导作用；随着操作循环的增多，残留的水分会逐渐聚集成团或被困在孔隙喉部[21]。
正因如此，近年来越来越多的研究开始重视缓冲气体的作用。卡纳尼指出，缓冲气体可以减轻重力分离效应，从而限制氢气的向上迁移[22]。萨伊德则认为，重力作用、粘性效应以及侧向扩散是地下氢储存过程中三种主要的控制机制[23]。此外，赵某发现流体密度是一个关键的控制参数，较高的密度有助于提升地下氢储存的回收率[18]。
最近的研究表明，在数值模拟中准确描述气体的流动特性至关重要。例如，不准确的相对渗透率曲线可能带来超过141%的误差[24]。不过，获取准确的相对渗透率曲线难度较大。由于需要专门的防爆设备，只有少数实验室能够对氢气进行相对渗透率测试[25]。因此，要在同一岩芯中找到氢气与缓冲气体的相对渗透率曲线极为困难。正因如此，目前的数值模拟研究往往忽视了不同气体之间相对渗透率曲线的差异，从而导致模拟结果与实际缓冲气体在地下氢储存中的表现出现较大偏差。
为评估转化为人造地下氢储存设施的含水层驱动储层中缓冲气体的性能，本研究重点分析了以往研究中被忽视的、与气体相关的相对渗透率差异以及毛细力差异。我们首先利用孔隙网络模型量化甲烷、氮气与二氧化碳之间的相对渗透率及毛细力变化，然后将这些参数纳入储层规模的数值模型中，以此评估它们对大规模地下氢储存运行的影响。此外，我们还整合了某枯竭气藏的现场数据，用以评估地下氢储存的经济性。第2节介绍了包括孔隙网络模型与成分建模框架在内的研究方法。第3节展示了模拟结果与经济评估结果。第4节探讨了关键的技术要点与局限性，第5节则总结了主要研究结论。
