随着风能和太阳能电力的日益普及，需要能够在大容量和季节时间内运行的能量储存技术[1,2]。从过剩的可再生能源电力中产生的氢气是一种有前景的能量载体[3]。由于可再生能源供需之间的长期不匹配，需要超出大多数地面设施容量的储存能力，因此地下地质构造对于大规模氢气储存至关重要，因为它们具有较大的储存能力、占地面积小，并且具有长期封存的潜力[4]。然而，专门的地下纯氢气储存的直接部署仍受到限于氢气专用基础设施、地下氢气迁移和封存不确定性的影响，以及开发或改造储藏设施的成本[5]。将氢气与天然气混合，并利用现有的管道网络和地下气储设施，提供了一种 practical 的过渡方案[6,7]。在可用的地质选项中，已枯竭的气体储层特别适合用于氢气混合天然气储存，因为它们的结构陷阱和盖层密封能力已经通过长期的气体积累得到了验证，而且井和地面设施可能来自甲烷生产和储存作业[8,9]。
氢气混合天然气储存是一种独特的多组分储存过程，它与传统天然气储存和纯氢气地下储存都有所不同。在传统的天然气储存中，气体成分相对稳定，操作评估主要集中在可输送性、压力维持和工作气体容量上。在纯氢气储存中，主要关注点是氢气的封存、回收效率以及与陷阱效应、溶解、扩散、微生物消耗和地球化学反应相关的污染[[10], [11], [12]]。相比之下，氢气混合天然气储存涉及注入的富含H2的气体与原位富含CH4的气体之间的反复相互作用[13,14]。产出的气体不仅仅是简单地从储层中回收的注入气体，而是通过在连续循环中的置换、混合、再分配和保留形成的可变混合物[15,16]。因此，产气纯度不仅反映了注入时的混合比例，还包括了地下传输的累积影响，包括储层规模的混合和循环间的氢气保留。
产气纯度的变化源于H2和CH4传输特性的显著差异。相对于CH4，H2具有较低的密度和粘度以及更高的分子扩散性，这有利于更快的迁移、浮力驱动的再分配和在储层内的更强的成分扩散[17]。在注入过程中，富含H2的气体优先沿着压力驱动的路径迁移，并可能在结构较高的区域积累[18]。在提取过程中，井样本会反映出当前循环和之前的循环所形成的局部成分场。不完全的回收会留下一个含有H2的成分场，这成为下一次循环的初始条件。随着循环的重复进行，储层背景从以甲烷为主变为以氢气为主，即使注入成分保持不变，产气纯度也会系统性地发生变化。这种对不断变化的储层成分的渐进依赖性导致了所谓的“循环记忆效应”。
这种机制与纯氢气储存中常见的纯度损失不同。在纯氢气储存中，甲烷、氮气、二氧化碳或残留的地质气体通常被视为稀释回收氢气的杂质。而在氢气混合天然气储存中，甲烷是目标产气的一部分，在已枯竭的储层中，它也构成了初始的富含甲烷的储层气体[19,20]。因此，同一气相同时参与了压力支持、置换、混合和产气成分的形成。产气纯度因此是通过当前注入-提取过程与从前循环继承的成分状态之间的相互作用而演变而成的。
先前的研究已经阐明了地下氢气储存的几个方面。数值模拟和实验室实验表明，分子扩散、重力分离、储层异质性、井配置、注入-提取速率和缓冲气体类型会影响氢气的迁移、回收效率和产气成分[21,22]。最近的研究还研究了氢气-盐水界面的行为、润湿性演变以及地下储存过程中的毛细作用[23], [24], [25], [26]]。此外，裂缝盖层的泄漏、井筒材料相互作用和矿物反应性也会影响封存和储存完整性[9,27,28]。这些研究表明，产气纯度受到储层性质和操作条件的影响。然而，大多数现有分析将注入的H2比例视为给定的输入，并将产生的成分视为前瞻性响应进行评估。这些研究通常报告回收系数、突破行为或生产历史，而注入-生产关系在重复循环中的演变尚未得到充分的量化。
本研究探讨了在已枯竭的气体储层中循环进行氢气混合天然气储存过程中产气纯度的控制机制。在DuMuX中实现了两相、三组分的可压缩流动模型，以模拟H2-CH4的注入和提取[29]。固定成分循环案例量化了注入H2比例与产气H2比例之间的偏差及其在连续循环中的演变。其他模拟研究了循环间成分变化的持久性，而单因素模拟则量化了注入-提取速率、渗透性、分子扩散和重力的影响。这些分析共同阐明了重复循环如何改变注入气体与产气成分之间的关系。
