崔傳智 任侃 吳忠維 姚同玉 徐鴻 邱小華

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司

氫是自然界乃至宇宙中最多且最常見(jiàn)的元素，氫氣相比于其他燃料，其燃燒產(chǎn)物最清潔，基本只產(chǎn)生無(wú)污染的水，可用于循環(huán)制氫。因此，氫能被認(rèn)為是當(dāng)前最具吸引力的清潔能源之一，有效利用氫能可減少對(duì)化石能源的依賴。此外，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的波動(dòng)性可能導(dǎo)致需求和供應(yīng)之間的暫時(shí)不匹配，因此，為避免可再生能源的浪費(fèi)，需要將儲(chǔ)能技術(shù)與電網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合[1]，把剩余能源通過(guò)電解水轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存在地下，以達(dá)到平衡這一能源缺口的目的。從地質(zhì)學(xué)的角度來(lái)看，地下空間適合儲(chǔ)存氫氣，可以將其用作能源生產(chǎn)過(guò)剩時(shí)的儲(chǔ)存介質(zhì)，然后在能源需求高峰期時(shí)進(jìn)行利用[2]。儲(chǔ)存氫氣的主要地質(zhì)構(gòu)造包括鹽穴、枯竭油氣藏和含水層等[3]。其儲(chǔ)存方法為向地質(zhì)構(gòu)造中注入墊氣(緩沖氣體，如氮?dú)夂投趸?和注入氫氣。氫氣地下儲(chǔ)存的目的及意義主要體現(xiàn)在能充分利用地下空間、節(jié)約土地資源、有效降低氫氣的儲(chǔ)集成本、提高氫氣的經(jīng)濟(jì)效益，以及保障能源供應(yīng)和能源安全等[4]。

氫氣地下儲(chǔ)存的潛力已通過(guò)HyUnder項(xiàng)目所論證[5]，德國(guó)的InSpEE項(xiàng)目編制了鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)，并估算了北德盆地的儲(chǔ)存潛能[6]。此外，許多國(guó)家也進(jìn)行了氫氣地下儲(chǔ)存的地質(zhì)調(diào)查[7-27]，眾多的研究表明，全球正在開(kāi)啟氫能開(kāi)發(fā)和地下儲(chǔ)存的探索之路，因此，了解地下儲(chǔ)氫以及對(duì)此展開(kāi)研究是非常必要的。

在諸多地下儲(chǔ)氫研究中，大多為鹽穴型儲(chǔ)氫庫(kù)，含水層儲(chǔ)存純氫的現(xiàn)場(chǎng)案例暫未見(jiàn)報(bào)道，因此，需要論證其可行性，以期將多余能量轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存于地下含水層中。目前，在氫氣地下儲(chǔ)存的實(shí)例中，地下含水層儲(chǔ)存容量比鹽穴大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，位于美國(guó)Spindletop油田的一個(gè)鹽丘型儲(chǔ)氣庫(kù)，氣體中含有體積分?jǐn)?shù)為95%的氫氣，容積僅為906 000 m3，而位于法國(guó)Beynes的一個(gè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)，其儲(chǔ)存氣體由體積分?jǐn)?shù)分別為50%的氫氣和50%的甲烷組成，容積達(dá)到3.3×108m3[28]。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，主要對(duì)氫氣常溫常壓以及高溫高壓下的物理化學(xué)性質(zhì)和地下含水層儲(chǔ)存氫氣的影響因素進(jìn)行分析，總結(jié)了部分含水層儲(chǔ)存氫氣的模擬案例，為地下含水層儲(chǔ)存氫氣的實(shí)施提供參考依據(jù)。

1 氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)存的影響

在地球大氣中，氫氣的質(zhì)量濃度極低，大約為1 mg/L[29]。與甲烷和二氧化碳相比，氫氣具有不同的物理性質(zhì)。氫的相圖如圖1所示[30]，氫在-262 ℃下表現(xiàn)為密度為70.6 kg/m3的固體，圖1中陰影部分為液體，在地層條件和標(biāo)準(zhǔn)條件(20 ℃，101.325 kPa)下氫都是以氣體狀態(tài)存在。

表1列出了氫氣、甲烷和二氧化碳的物性參數(shù)[28，31]，在常溫常壓(20 ℃,101.325 kPa)下，甲烷和二氧化碳的密度分別為氫氣(0.083 75 kg/m3)的8倍和22倍，因此,儲(chǔ)存同等質(zhì)量的氫氣需要更大的壓力。由圖2和圖3可以看出[32]：與甲烷和二氧化碳相比，氫氣的黏度和摩爾質(zhì)量最小，這表明氫氣的流動(dòng)性更高；氫氣的密度和黏度隨溫度和壓力的變化甚??；三者中氫氣的擴(kuò)散系數(shù)最大，這可能是地下儲(chǔ)存氫氣損失的原因[33]。因此，地下儲(chǔ)存氫氣對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的要求更高，以防止氫氣逸散。

表1 氫氣、甲烷、二氧化碳的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)比

當(dāng)氫氣儲(chǔ)存在含水層中時(shí)，其溶解度的影響非常重要。與甲烷和二氧化碳相比，氫氣的溶解度較低，這可以看作是地下含水層儲(chǔ)氫的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槿芙舛a(chǎn)生的氫氣損失較少。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，氫氣在水中的溶解度要比在地層條件下小得多，如圖4所示。在319 K和0.678 MPa時(shí)，氫氣在水中的溶解度為0.000 085 6 g/100 g[34]；而在323 K和7.9 MPa時(shí)，氫氣在水中的溶解度為0.001 03 g/100 g[35]。

2 氫氣地下儲(chǔ)存模擬案例

充滿鹽水的深層含水層具有巨大的容量，廣泛分布在世界各地的沉積地層中，可以儲(chǔ)存大量的氣體，這是季節(jié)性氫氣地下儲(chǔ)存較好的方案。盡管沒(méi)有在含水層中儲(chǔ)存純氫的例子，但是有很多數(shù)值模擬的研究論證了地下含水層儲(chǔ)存氫氣的可行性。

Pfeiffer等[37-38]利用油藏?cái)?shù)值模擬軟件Eclipse E300對(duì)德國(guó)Schleswig-Holstein的一處背斜結(jié)構(gòu)中含水層儲(chǔ)氫進(jìn)行模擬，共布5口井。第1階段，以56 625 m3/d/井的速度注入緩沖氣體氮?dú)猓掷m(xù)710天；第2階段以155 000 m3/d/井的速度注入氫氣，持續(xù)210天；第3階段，模擬4個(gè)儲(chǔ)存循環(huán)周期，每個(gè)周期包括采出氫氣7天、注入氫氣50天以及關(guān)井30天。其中，采出和注入速度分別為1000 000 m3/d/井和150 000 m3/d/井。通過(guò)模擬得到平均每口井的采出速度由第1個(gè)周期的4 537 663.45 m3/d提高到第4個(gè)周期的4 937 376.33 m3/d，增幅為8.81%；平均每口井的采出氣體中的氫氣體積分?jǐn)?shù)也由最初的52%增至85%，可見(jiàn)效果較為理想。同時(shí)，從優(yōu)化結(jié)果來(lái)看，在儲(chǔ)層剛開(kāi)始填充緩沖氣體后到關(guān)井一段時(shí)間，可以提高氫氣的注入能力，進(jìn)一步提高儲(chǔ)存性能。

Luboń等[39]對(duì)波蘭Suliszewo地區(qū)一個(gè)深層含水層建立靜態(tài)地質(zhì)模型，并使用PetraSim TOUGH2軟件進(jìn)行氫氣注入模擬，以此評(píng)價(jià)季節(jié)性循環(huán)儲(chǔ)氫的可行性。先向地層中注入氫氣24個(gè)月(第1個(gè)月注入速度為0.34 kg/s，接下來(lái)23個(gè)月注入速度為0.51 kg/s)，接著注入和采出(采出流量為3 kg/s可使采出氣體中的氫氣流量約為0.51 kg/s)分別為6個(gè)月。第1個(gè)循環(huán)采出氫氣8 404.95 t，僅為注入氫氣的25.41%，但經(jīng)過(guò)5次循環(huán)后，采出氫氣41 807.43 t，占注入氫氣的59.19%。

通過(guò)上述數(shù)值模擬可以看出，雖然注入-采出循環(huán)初期采出氣體中的氫氣含量較低，但是經(jīng)過(guò)4～5次循環(huán)后，氫氣體積分?jǐn)?shù)均超過(guò)50%，有的甚至達(dá)到85%，取得了較好效果。

3 含水層儲(chǔ)氫影響因素分析

3.1 緩沖氣體影響

將地下含水層轉(zhuǎn)為儲(chǔ)氫庫(kù)時(shí)，由于地層壓力低，很難在短周期內(nèi)采出適量的氫氣，需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行加壓，一般是通過(guò)注入緩沖氣體(如氮?dú)夂投趸?來(lái)實(shí)現(xiàn)[40]。同時(shí)，緩沖氣體的注入可以降低重力偏析的影響，從而提高氫氣的回收率。緩沖氣體的作用是增加儲(chǔ)層壓力，使得工作氣體(氫氣)更易采出。在采氣過(guò)程中不采出緩沖氣體，而是將其保留在地層中。能否作為緩沖氣體，關(guān)鍵是看氣體的壓縮性強(qiáng)弱，壓縮性強(qiáng)的氣體作為緩沖氣體時(shí)效果越好[41]。氫氣儲(chǔ)存在含水層時(shí)，注入氣中大部分為緩沖氣體，其體積分?jǐn)?shù)可達(dá)80%，見(jiàn)圖5[42-43]。由此可見(jiàn)，緩沖氣體是影響含水層中氫氣儲(chǔ)存的關(guān)鍵因素。

從熱力學(xué)性質(zhì)和碳封存方面考慮，二氧化碳作為緩沖氣體具有很大的優(yōu)勢(shì)[44]，但其與氫氣的混合始終存在問(wèn)題[45]。Tek[46]認(rèn)為，氫氣和緩沖氣體之間的混合來(lái)源于擴(kuò)散，包括分子擴(kuò)散和機(jī)械擴(kuò)散。譚羽非[47]通過(guò)研究二氧化碳作為緩沖氣體的混合機(jī)理，指出影響二者混合的因素包括黏度差、密度差、注入速率和注入強(qiáng)度。Wang等[48]基于標(biāo)度理論，通過(guò)二維垂向數(shù)值流動(dòng)模擬，對(duì)緩沖氣體二氧化碳在氫氣中的流動(dòng)展開(kāi)研究，認(rèn)為氣體捕捉效應(yīng)和毛細(xì)管力不是影響氫氣采收率的重要因素。Mu等[49]從二氧化碳的較高壓縮性、二氧化碳和甲烷的密度差異導(dǎo)致分層從而減少兩者混合這兩個(gè)角度，論證了二氧化碳作為含水層儲(chǔ)氣庫(kù)緩沖氣體的可行性。氫氣密度較甲烷密度小，因此二氧化碳和氫氣的分層更明顯，二者的混合效果相應(yīng)減弱。由以上分析可以看出二氧化碳作為緩沖氣體的可行性。

Pfeiffer等[37-38]通過(guò)對(duì)5口井進(jìn)行含水層儲(chǔ)氫模擬得到，當(dāng)?shù)獨(dú)庾鳛榫彌_氣體時(shí)，第1個(gè)周期(每個(gè)周期包括采出氫氣7天、注入氫氣50天及關(guān)井30天)采出的氣體中，氫氣體積分?jǐn)?shù)最高為55%，最低僅為5%。經(jīng)過(guò)4個(gè)注采周期后，5口井的采出氣體中氫氣的平均體積分?jǐn)?shù)為85%。因此，一般需要經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)周期才可以達(dá)到理想的狀況。

Kim等[50]通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)氮?dú)夂投趸挤謩e作為儲(chǔ)氣庫(kù)緩沖氣體進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，氮?dú)獾纳a(chǎn)指數(shù)降低幅度大于二氧化碳，因此，二氧化碳作為緩沖氣體比氮?dú)庾鳛榫彌_氣體對(duì)含水層儲(chǔ)存氫氣更為有利。譚羽非等[51]通過(guò)計(jì)算得出：在5～13 MPa下用二氧化碳作為緩沖氣體，二氧化碳極高的可壓縮性允許更多工作氣體注入；同時(shí)，二氧化碳具有較高的黏度和黏度變化率，注采時(shí)可限制二氧化碳與工作氣體混合。但是，Iloejesi等[52]認(rèn)為，鹽水層中注入二氧化碳后，降低了pH值，導(dǎo)致碳酸鹽和鋁硅酸鹽礦物的溶解，為次生礦物的沉淀創(chuàng)造了有利條件，進(jìn)而改變儲(chǔ)層的滲透率，如果有大量二氧化碳參與反應(yīng)，采氣時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓力差降低，從而降低儲(chǔ)氫庫(kù)的工作效率。

Heinemann等[53]利用商業(yè)儲(chǔ)層模擬器GEM得到，在含水層儲(chǔ)氫庫(kù)的條件下，較高的儲(chǔ)層滲透率和較深的儲(chǔ)層所需緩沖氣體的量更少。

綜上所述，雖然在理論上二氧化碳和氮?dú)舛伎梢宰鳛榫彌_氣體，但是由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在實(shí)施工作前應(yīng)先進(jìn)行諸多數(shù)值模擬研究，以期達(dá)到理想狀況。此外，在中國(guó)進(jìn)行“雙碳”目標(biāo)重大戰(zhàn)略決策的當(dāng)下，應(yīng)著重進(jìn)行二氧化碳作為緩沖氣體方面的研究。

3.2 潤(rùn)濕性影響

由于黏土礦物的潤(rùn)濕性，氫氣可以吸附在黏土礦物中，從而有利于在富有黏土礦物的儲(chǔ)層中儲(chǔ)存氫氣[54]。Yekta等[55]通過(guò)半動(dòng)態(tài)毛細(xì)管力和壓汞法，測(cè)得氫氣-水系統(tǒng)中接觸角的余弦值分別為0.93和0.82；界面張力分別為0.051 N/m和0.046 N/m，進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)角度證明了地下儲(chǔ)存氫氣的合理性。

Al-Yaseri等[56]通過(guò)傾斜板法測(cè)量氫氣與高嶺石、伊利石和蒙脫石黏土礦物之間的潤(rùn)濕角[57]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，所有黏土礦物-氣體的接觸角都隨壓力的增加而增加，這是因?yàn)樵诟邏合?，黏土礦物表面和氣體之間的分子間相互作用增加，因此密度較低的氣體潤(rùn)濕角θ0也低(θ0,He≤θ0,N2<θ0,CO2)。總之，這3種黏土礦物在黏土礦物-氫氣-水系統(tǒng)中水濕都較強(qiáng)，θ0,H2基本低于40°，蒙脫石的潤(rùn)濕角大于伊利石，高嶺石的潤(rùn)濕角最小。

由于這3種黏土礦物都是水濕的，因此在黏土礦物存在的情況下，氫氣可以吸附在黏土礦物中，有助于抑制地下儲(chǔ)層中氫氣的逸散。其次，氮?dú)?、二氧化碳的?rùn)濕性都強(qiáng)于氫氣，可以作為緩沖氣體來(lái)穩(wěn)定儲(chǔ)層壓力。

Al-Yaseri等[58]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了玄武巖對(duì)于地下儲(chǔ)氫是有利的，并且同樣驗(yàn)證了氮?dú)庾鳛榫彌_氣體的合理性。Hashemi等[59]使用捕獲氣泡法對(duì)Bentheimer砂巖進(jìn)行潤(rùn)濕角測(cè)量，得出砂巖-氫氣-鹽水系統(tǒng)中的潤(rùn)濕性不受溫度、壓力和鹽度的影響，且潤(rùn)濕角為21.1°～43°。同時(shí)，Iglauer等[60]通過(guò)傾斜板法亦得到砂巖-氫氣-鹽水系統(tǒng)的潤(rùn)濕性，潤(rùn)濕角最大不超過(guò)48.3°。Ali等[61]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究云母(在頁(yè)巖、火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖中大量存在)-氫氣-鹽水系統(tǒng)的潤(rùn)濕性得到相同的結(jié)果，并提出為保證地下儲(chǔ)氫的有效實(shí)施和安全性，應(yīng)考慮有機(jī)酸的影響。

上述研究表明，在常見(jiàn)的礦物中，礦物-氫氣-鹽水系統(tǒng)都屬于親水的，且潤(rùn)濕角不超過(guò)50°。因此，就潤(rùn)濕性而言，地下儲(chǔ)氫是可行的。

3.3 微生物影響

微生物能夠在-15～121 ℃和pH值為0～11的非常極端條件下生存。地下的微生物多種多樣，主要包括細(xì)菌和古細(xì)菌這兩種單細(xì)胞群[62]。在地下2 000 m左右發(fā)現(xiàn)了微生物的存在，Dutta等[63]通過(guò)基于定量聚合酶鏈反應(yīng)(quantitative polymerase chain reaction,qPCR)的方法確定細(xì)菌和古細(xì)菌 16S rRNA 基因拷貝數(shù)，以此來(lái)描繪微生物的垂直分布，得到每克巖石中的細(xì)菌數(shù)和古細(xì)菌數(shù)各約為104個(gè)和108個(gè)[64]。Magnabosco等[65]估計(jì)整個(gè)地表以下有(2～6)×1029個(gè)微生物。

從以上分析可知，含水層中微生物含量豐富，既有地層中固有的，又有人類(lèi)地下活動(dòng)(如鉆井、注水或酸化處理等)引入的。為了保持自身活性，微生物需要特定的環(huán)境和維持生命的基本物質(zhì)，即水、能量和許多必需元素(碳化物、氮化物和無(wú)機(jī)鹽以及微量元素)。目前，氫氣被認(rèn)為是地下巖石自養(yǎng)微生物生態(tài)系統(tǒng)(即沒(méi)有光合作用參與的生態(tài)系統(tǒng))的主要能量來(lái)源[66-67]。氫氣與這些微生物反應(yīng)復(fù)雜(表2)[68]，這些反應(yīng)將不利于氫氣在含水層中的安全儲(chǔ)存。

表2 儲(chǔ)層微生物與氫氣發(fā)生的反應(yīng)

Eddaoui等[69]通過(guò)數(shù)值模擬軟件 DuMux建立了孔隙堵塞模型。利用該模型，向含水層中注入氫氣進(jìn)行模擬，最終認(rèn)為微生物堵塞孔隙雖不可避免，但并非十分嚴(yán)重，甚至可能是有益的。微生物在氫氣飽和度高的地方積累，迫使氫氣向不同的水平方向運(yùn)移，并且毛細(xì)管力增強(qiáng)了這種運(yùn)移，使得儲(chǔ)存在含水層的氫氣在各個(gè)方向上均勻分布。

由于地層中缺少氧氣和硝酸鹽，因此好氧氫的氧化、反硝化和氨化作用只有在含水層受到污染時(shí)(例如鉆井液的侵入)才會(huì)變得顯著。烴分子中的氫原子被鹵素原子取代后生成鹵代烴(如氟代烴、氯代烴等)，雖然鹵代烴在含水層中很常見(jiàn)，一般由污染物或沉積物中的自然過(guò)程引起，但是這些化合物的濃度極低，在170～1 000 m的含水層中，氯氟代烴(由氯、氟取代烷烴中的氫所形成的各種鹵代烴的總稱)的質(zhì)量濃度≤1.1 μg/L，對(duì)于原始含水層氯代烴質(zhì)量濃度為0.003～0.007 μg/L，因此，鹵代烴對(duì)于地下儲(chǔ)氫的影響可以忽略不計(jì)[70]。在消耗氫氣方面，捷克共和國(guó)Lobodice地區(qū)儲(chǔ)存在含水層中的城鎮(zhèn)天然氣中，有體積分?jǐn)?shù)為45%～60%的氫氣在35 ℃下被微生物轉(zhuǎn)化為CH4和H2S[71]。因此，氫氣在地下含水層的儲(chǔ)存需要著重考慮氫氣與微生物反應(yīng)所造成的消耗。

上述研究表明，微生物對(duì)于地下儲(chǔ)氫的影響不大；但實(shí)際案例表明，氫氣在微生物作用下的甲烷化程度非常明顯。因此，這些化學(xué)反應(yīng)(甲烷化、乙酸化、硫酸鹽還原等)都是影響氫氣地下儲(chǔ)存的因素，對(duì)不同地層既要考慮相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，還要進(jìn)行大量?jī)?chǔ)層環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，以最大程度降低微生物的影響。

3.4 地球化學(xué)反應(yīng)影響

注入地下儲(chǔ)層的氫氣會(huì)破壞地層水、溶解氣和巖石基質(zhì)之間的化學(xué)平衡。由此產(chǎn)生的地球化學(xué)反應(yīng)可能導(dǎo)致以下情況：①氫氣的大量損失；②產(chǎn)生其他氣體(如H2S等)污染環(huán)境；③礦物溶解或沉淀導(dǎo)致注入能力的減弱；④礦物溶解破壞蓋層的嚴(yán)密性。這些反應(yīng)均會(huì)影響地下儲(chǔ)存氫氣的安全性和有效性[33]。

在地下儲(chǔ)存期間發(fā)生的反應(yīng)為氫氣促進(jìn)的與含鐵礦物(如赤鐵礦、針鐵礦等)的氧化還原反應(yīng)，具體反應(yīng)如式(1)所示[72]。如果砂巖儲(chǔ)層中顆粒間的含赤鐵礦的膠結(jié)物減少，這種反應(yīng)可能會(huì)改變巖石基質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。蓋層中的礦物溶解可能會(huì)產(chǎn)生新的滲流通道，從而影響蓋層的密封性。

(1)

除了礦物溶解對(duì)孔隙度和滲透率的影響外，反應(yīng)中還會(huì)產(chǎn)生H2S，不僅對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)還降低了氫氣的質(zhì)量。由于天然氣行業(yè)在生產(chǎn)富含H2S的天然氣方面具備豐富的經(jīng)驗(yàn)[73-74]，因此地下儲(chǔ)氫過(guò)程可以解決H2S問(wèn)題。

Flesch等[75]通過(guò)模擬地下條件(40～100 ℃，10～20 MPa)對(duì)儲(chǔ)層砂巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，碳酸鹽和硫酸鹽膠結(jié)物的溶解，導(dǎo)致與氫氣接觸期間的儲(chǔ)層孔隙度增加。但是，石英和長(zhǎng)石等骨架礦物并不受氫氣的影響。因此，碳酸鹽和硫酸鹽礦物的溶解非常重要，這可能導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石或蓋層的密封性受到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致氫氣的逸散。

Yekta等[76]將法國(guó)Buntsandstein地層的砂巖作為測(cè)試樣本，分別在地層條件(①溫度100 ℃和200 ℃，壓力10 MPa；②溫度100 ℃和200 ℃，壓力1 MPa)下，測(cè)試氫氣在水存在下對(duì)砂巖的影響。結(jié)果表明，氫氣的存在與否對(duì)于石英、長(zhǎng)石和云母的溶解影響甚微。

Bo等[77]通過(guò)數(shù)值模擬得到：①溫度和壓力在氫氣損失中的作用可以忽略不計(jì)；②儲(chǔ)層和蓋層不含方解石的地質(zhì)條件更適合地下儲(chǔ)存氫氣。

上述研究表明，選取合適的地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于地下儲(chǔ)氫至關(guān)重要。蓋層中方解石的存在會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層的致密性受到破壞，研究認(rèn)為，儲(chǔ)層為砂巖是較為理想的選擇。

3.5 儲(chǔ)層溫壓系統(tǒng)及孔滲特性

儲(chǔ)氫庫(kù)一般包括鹽穴、枯竭油氣藏和含水層3種類(lèi)型，不同儲(chǔ)存環(huán)境下的儲(chǔ)層溫壓、孔滲特性各不相同，尤其含水層儲(chǔ)氫庫(kù)相較前兩者差別較大。

含水層作為儲(chǔ)氫庫(kù)，其深度建議為 500～2 000 m[78]，溫度為 17.5～70.0 ℃，壓力為 5.3～21.0 MPa，在含水層中還應(yīng)注意注入和采出速度，防止指進(jìn)現(xiàn)象的發(fā)生[79]。

含水層作為儲(chǔ)氫庫(kù)比鹽穴和枯竭油氣藏更為復(fù)雜，地下儲(chǔ)氫含水層的設(shè)計(jì)容積取決于孔隙體積，含水層必須具有高滲透率和高孔隙度，適合儲(chǔ)氫的含水層巖石滲透率應(yīng)大于100×10-3μm2，孔隙度應(yīng)大于10%[32]。

為了盡量減少氫氣沿著邊界擴(kuò)散和遷移產(chǎn)生的影響，需要低滲透率和低孔隙度的蓋層。因此，蓋層最好是不透水頁(yè)巖或碳酸鹽巖的背斜結(jié)構(gòu)或者穹窿結(jié)構(gòu)[32]，儲(chǔ)層可以是透鏡狀砂巖含水層[80]，最小蓋層厚度應(yīng)為6 m。

總之，與枯竭油氣藏型儲(chǔ)氫庫(kù)相比，含水層的篩選需要更為詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)考查，包括地球物理學(xué)、蓋層和儲(chǔ)集層的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估，以及地下水條件的物理和化學(xué)分析。

4 結(jié)論

(1)含水層儲(chǔ)氫庫(kù)大概需要體積分?jǐn)?shù)為80%的緩沖氣體，為適應(yīng)當(dāng)前碳減排要求，二氧化碳可以作為緩沖氣體。需要根據(jù)儲(chǔ)層的實(shí)際條件，優(yōu)化緩沖氣體與氫氣的注入質(zhì)量比和緩沖氣體用量。

(2)從潤(rùn)濕性的角度分析，在富有黏土礦物的儲(chǔ)層中儲(chǔ)存氫氣是有利的。碳酸鹽和硫酸鹽膠結(jié)物含量低的砂巖以及不含方解石的蓋層更適合地下儲(chǔ)存氫氣。

(3)不同區(qū)塊的地下微觀環(huán)境各不相同，地下含水層儲(chǔ)氫需要著重考慮氫氣與微生物反應(yīng)造成的氫氣消耗以及對(duì)儲(chǔ)集層或蓋層密封性的破壞，并且還需進(jìn)行大量的儲(chǔ)層環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，以保證將微生物的影響程度降到最低。

(4)目前沒(méi)有地下含水層儲(chǔ)存純氫的實(shí)例，但是相關(guān)的數(shù)值模擬研究和影響因素分析論證了含水層中儲(chǔ)存氫氣的可行性。