地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战.pdf

第 43 卷第 11 期2023 年 11 月 164 天然气工业Natural Gas Industry引文：潘松圻,邹才能,王杭州,等.地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战J.天然气工业,2023,43(11):164-180.PAN Songqi,ZOU Caineng,WANG Hangzhou,et al.Development status of underground hydrogen storages and top ten technical challenges to efficient construction of gas reservoir-type underground hydrogen storagesJ.Natural Gas Industry,2023,43(11):164-180.地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战潘松圻1邹才能1,2王杭州1熊 波1王子恒1,3王 珂1,3穆 英1王 珊1,4李周波5李国辉6崔少东6杨 轩1马 琳31.中国石油深圳新能源研究院2.中国石油勘探开发研究院3.英国曼彻斯特大学4.比利时根特大学5.宝鸡石油钢管有限责任公司6.中国石油天然气管道工程有限公司摘要：地下储氢技术利用地下构造空间实现氢气大规模高压气态储存，具有安全性高、成本低、规模大、周期长的优势，但中国地下储氢库研究起步较晚，尚无地下构造空间储氢实践，亟待形成完整的地下储氢库高效建库方案。为此，在总结国内外用于地下储氢构造空间的类型，回顾地下储氢技术发展历史与现状的基础上，系统梳理了气藏型储氢库高效建库亟待解决的十大技术挑战，研究结果表明：气藏型地下储氢库的潜在库址与新能源发电资源具有高度的空间重合，便于绿电就地消纳，最适宜我国大规模发展；气藏型地下储氢库高效建库需重点解决十大技术挑战，即完整性与选址地质评价、氢气与储层介质的反应机理、氢损耗及氢纯度对储氢效率的影响、垫层气类型与占比优选、注采渗流理论与库容设计、氢用特种管材及管道工程关键技术、建库及注采工程关键技术装备、运行期监测与动态分析、风险评估与应急处置方案、生命周期评估等。结论认为：中国发展地下储氢库具有潜在枯竭/衰竭气藏库址众多的资源优势，复杂地质条件储气库创新实践的技术优势，氢能产业链上下游协同发展的产业优势和未来市场应用前景广阔的规模优势，具备实现工业化发展的条件和基础；针对气藏型储氢库建库难题，需开展系统性技术攻关，构建地质综合选址评价体系，优化储库注采运行方案，研发氢用配套管材与设备，形成运营监测与风险管理系统，建立适应中国地质条件的综合建库理论技术体系。关键词：氢能；能源转型；新能源消纳；地下储氢库；枯竭气藏；盐穴；大规模储氢；长周期储氢DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.11.016Development status of underground hydrogen storages and top ten technical challenges to efficient construction of gas reservoir-type underground hydrogen storages PAN Songqi1,ZOU Caineng1,2,WANG Hangzhou1,XIONG Bo1,WANG Ziheng1,3,WANG Ke1,3,MU Ying1,WANG Shan1,4,LI Zhoubo5,LI Guohui6,CUI Shaodong6,YANG Xuan1,MA Lin3(1.PetroChina Shenzhen New Energy Research Institute,Shenzhen,Guangdong 518054,China;2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China;3.University of Manchester,Manchester M13 9PL,UK;4.Ghent University,Sint-Pietersnieuwstraat 25 Ghent,Belgium;5.CNPC Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji,Shaanxi 721000,China;6.China Petroleum Pipeline Engineering Co.,Ltd.,Langfang,Hebei 065000,China)Natural Gas Industry,Vol.43,No.11,p.164-180,11/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chinese)Abstract:Underground hydrogen storage achieves large-scale high-pressure gaseous hydrogen storage through underground structural spaces,and it has the advantages of high safety,low cost,large scale and long period.In China,however,the researches on underground hydrogen storage began later,and there has been no practice of hydrogen storage in underground structural space,so it is in urgent need to develop a complete scheme for the efficient construction of underground hydrogen storage.In this paper,the types of underground structural spaces for hydrogen storage domestically and internationally are summarized,and the development history and status of underground hydrogen storage technologies are reviewed.In addition,the top ten technical challenges to the efficient construction of gas reservoir-type underground hydrogen storages are systematically analyzed,and the corresponding suggestions are proposed.And the following research results are obtained.First,from the perspective of space,the potential sites of gas reservoir-type underground hydrogen storage coincide highly with the new energies for power generation,which is favorable for the local consumption of green electricity.Therefore,China has the most suitable conditions for the large-scale development of gas reservoir-type underground hydrogen storage.Second,the top ten technical challenges to the efficient construction of gas reservoir-type underground hydrogen storage include the integrity and geological site evaluation,the reaction mechanism between hydrogen and reservoir media,the influence of hydrogen loss and purity on hydrogen storage efficiency,the determination of cushion gas type and percentage,the injection-production flow theory and storage capacity design,the special pipe and key pipeline engineering technology for underground hydrogen storage,the key technology and equipment for the construction and operation engineering of underground hydrogen storage,the operation monitoring and performance analysis,the risk assessment and emergency response scheme,and the lifecycle evaluation.In conclusion,China has the following advantages in developing underground hydrogen storage,including the resource advantage of abundant depleted gas reservoir as storage sites,the technological advantage of innovative underground hydrogen practice storage under complex geological conditions,the industrial advantage of collaborative development of upstream and downstream of hydrogen energy industry chain,and the scale advantage of promising application prospect in the future market.And besides,it has the conditions and foundations for the industrial development of underground hydrogen storage.Whats more,to address the difficulties in the construction of gas reservoir-type underground hydrogen storage,it is necessary to carry out systematical technological researches to build a comprehensive geological site selection evaluation system,optimize the injection and production scheme,develop supporting pipes and equipment special for underground hydrogen storage,and establish an operation monitoring and risk management system,hence establishing the comprehensive theoretical and technological system suitable for the construction of underground hydrogen storage under the geological conditions in China.Keywords:Hydrogen energy;Energy transition;New energy consumption;Underground hydrogen storage;Depleted gas reservoir;Salt cavern;Large-scale hydrogen storage;Long-term hydrogen storage 基金项目：国家自然科学基金面上项目“基于微观油岩相互作用的陆相页岩油可动性定量表征”（编号：42172180）、中国石油天然气集团有限公司科技项目“制氢储氢机理、新材料与新方法研究”（编号：2023ZZ12）。作者简介：潘松圻，1986 年生，高级工程师，博士，本刊青年编委；主要从事地下储能与能源战略研究等工作。地址：（518054）广东省深圳市南山区南山大道 1110 号。ORCID:0000-0002-7408-7861。E-mail:通信作者：王子恒，1995 年生，博士；主要从事地下储能与岩土工程学研究等工作。地址：（518054）广东省深圳市南山区南山大道 1110 号。ORCID:0000-0002-7751-024X。E-mail:第 11 期 165 潘松圻等：地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战0引言目前全球能源生产结构正经历以化石能源为主向以新能源为主的转型，低碳能源的大规模推广应用是实现碳中和目标的首要任务。氢气作为一种清洁、高效、可再生的二次能源，单位质量能量密度高，可通过电解水、生物质转化、工业副产氢等多种途径生产，是化石能源向新能源转型的重要战略发展方向。储氢技术是氢能产业链中连接上游制氢与下游用氢的重要一环，主要包括高压气态储氢技术、低温液态储氢技术、有机物液体储氢技术和固态储氢技术 4 种类型。地下储氢是利用地下构造空间实现氢气大规模高压气态储存的技术，具有高安全、低成本、大规模、长周期的优势。地下储氢库技术始于 20 世纪 70 年代，英国、德国、美国、阿根廷等国家陆续开展了盐穴、枯竭气藏、含水层储氢的全尺寸实验以及工业示范。欧美等发达国家在地质选址评价、库容设计、建库工艺包以及储氢库运行监测等方面具有先发优势。我国地下储氢库研究起步较晚，在盖层密封性、储层生化反应机理等方面开展过相关研究，但整体处于计算机模拟与实验室测试阶段，尚无地下构造空间储氢实践，亟待形成完整的地下储氢库高效建库方案。我国盐层分布较少、厚度较小、夹层多，盐穴型地下储氢库库址资源有限。而我国风能太阳能资源主要分布于油气田资源丰富的“三北”地区，气藏型地下储氢库的潜在库址与新能源发电资源具有高度的空间重合，便于绿电就地消纳。笔者通过调研现有国内外地下储氢库研究文献，总结了国内外用于地下储氢构造空间的类型，回顾了地下储氢技术的发展历史与现状。结合我国地质条件及氢能产业发展规划，针对地下储氢库研究当前面临的问题，总结出我国实现地下储氢高效建库的十大技术挑战，并提出相关建议，为我国地下储氢库高效建库提供参考。1地下储氢库的类型与作用作为二次能源，氢气是一种清洁可再生的能量载体，氢能的综合利用是人类从资源型的“开发能源”向技术型的“创造能源”时代转变的重要节点1-2。如何将可再生能源生产的氢气大规模高效存储起来，以便在能源需求高峰时释放和转化，是全球范围内广泛研究的问题之一。氢气是自然界中最轻的气体，其密度分别为甲烷和二氧化碳的 1/8 和 1/22，常温常压下扩散速度为 5.13109 m2/s，显著高于甲烷的 1.85109 m2/s 和 CO2的 1.60109 m2/s3。因此，氢气存储需要更稳定的封闭系统才能提高储氢效率4。1.1地下储氢库构造空间类型相对化石能源，新能源的波动性更强，比如太阳能与风能存在明显的地区性与季节性差异，但氢气应用场景却需要连续稳定供应，制氢端与用氢端存在时空错配5。例如，对于煤化工领域 3105 t/a 合成氨项目，设计年运行时间一般超过 7 000 h，重点城市群的氢燃料交通依赖可靠的氢气供应网络，因此需要连续稳定的氢气供应以保证工厂和城市的持续用氢需求6。如图 1 所示，地下储氢库处于氢能产业中游，通过合理的规划和管理，可以实现跨季度、跨年度调节氢气的生产和消费平衡，填平季节性供需差异，确保氢气供应稳定，提升国家能源供应的稳定性和可靠性。地下储氢库通常位于数百米至数千米的地层中，建库选址地质评价是地下储氢库建库工程最关键、最核心的技术。根据地质构造的不同，地下储氢库通常包括盐穴、含水层和枯竭油气藏 3 种类型（图 2）。盐穴是在盐岩地层通过控制淡水循环注入而人工构建的构造空间，是目前世界上技术最成熟的地下储氢方式7。盐穴盖层渗透率低、力学性质稳定，氢气在盐岩中几乎不发生化学反应。含水层指多孔且可渗透的充满淡水或盐水的地下岩层，在沉积盆地中广泛分布。枯竭油气藏存储空间大，被认为是最具潜力的地下储氢地质构造8。我国枯竭油气藏分布广，主要在西北、华北、东北地区，地理上与油田、绿电产业匹配。这些油气藏已经过全面勘探开发，地质信息完整，地表和地下设施可重复利用，减少初期地质勘探和基础建设投资9。1.2地下储氢库在氢能产业链中的地位和作用电解水制氢可以作为电力负荷，拓展绿色电力大规模消纳。制氢过程的宽功率波动适应性和快响应速度等特点，适应新能源发电固有的波动性、间歇性和随机性，可大规模消纳弃风弃光，提升新能源利用率。氢气作为能量储存的载体，兼具大规模和长周期的先天优势，便于能量在时间和空间上的大跨度转移，有效提升能源供给韧性，提高电网系统稳定性，降低供应风险。氢能可以通过氢燃料电池和燃气轮2023 年第 43 卷 166 天 然 气 工 业机的掺氢燃烧等方式发挥电源的作用，降低碳排放，推动能源结构的优化。然而，我国绿氢来源与氢气需求的空间分布不匹配。在绿氢生产侧，大型风光电基地集中在西北和华北地区的内蒙古、甘肃、青海、新疆、陕西等省份，海上风电基地主要分布在东南沿海地区。在绿氢消费侧，化工领域以西北能源“金三角”地区和东部沿海地区七大石化产业基地为核心，交通领域以北京、上海、广东、河南、河北五大燃料电池汽车示范应用城市群为主6。地下储氢库的规模化储氢优势，是现阶段破解新能源制氢与用氢需求空间错配的关键举措。据预测到 2050 年，氢能源在电力调峰方面的应用将达到 4.39108 t，占总需求量的 27.7%，单项占比第一，超越整个家用车、公交车、轻型卡车氢气需求之和10。如图 3 所示，地下储氢库可将夏季多余的电能通过电解水转化为氢气进行储存，冬季新能源发电量下降、电力需求上升时，储存的氢气可再次转化为电能供应电网，有效改善新能源消纳，实现大规模跨季节电力调峰，成为绿电的“银行”和“粮仓”，促进绿电的大规模应用11。2地下储氢库发展历史与现状2.1国外储氢库发展历史国外对于地下储氢的建设开展较早（表 1），其中盐穴储氢技术目前发展最为成熟。早在 20 世纪 70年代，在德国的 Kiel 地区，混有 60%65%氢气的煤气就被存储在埋深 1 305 1 400 m、容量约为3104 m3的盐穴中12。1972 年，Sabic Petroleum 公司在英国的 Teesside 成功建设了世界上第一个存储纯氢的地下储氢库。该储氢库包含 3 个埋深约 350 m的浅层盐穴，每个储氢库的容量约为 7104 m3（95%的氢气和 3%4%的 CO2），运行压力在 4.5 MPa。由于未使用垫层气，工作气的体积几乎就等于注入氢气的体积。随后，美国陆续建成了 3 个含氢量达95%的地下盐穴储氢库。其中，ConocoPhillips 公司于 1983 年在 Clemens Dome 盐丘建设的储氢库深图1地下储氢库大规模长周期电力调峰和氢能供需调节作用图图2地下储氢地质构造示意图第 11 期 167 潘松圻等：地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战度为 850 1 150 m，容量约 58104 m3。2007 年，Praxair 在 Moss Bluff建设的储氢库成功运行，储氢库与该公司自己在墨西哥湾沿岸的氢管道网络系统直接相连，为德克萨斯州和路易斯安那州供应能源。自 2014 年以来，Air Liquide 公司在 Spindletop 建成了目前世界上最大的盐穴地下储氢库12，该储氢库埋深 1 500 m，容量达 90104 m3。目前，英国和美国的储氢库仍在正常运行。在世界范围内，利用枯竭油气藏进行储氢仍在探索阶段12-13。目前，仅在奥地利的 Molasse 盆地和阿根廷的 Diadema 地区有成功的案例。2013 年，RAG 公司在奥地利的 Molasse 盆地开展 Underground Sun Storage 试验项目。项目旨在通过室内实验和模拟研究探索注入氢气（10%）和天然气（90%）的混合物对枯竭气藏的影响。研究结果发现，10%的氢气对储层的密封性、力学性质和安装材料无显著影响，此外，由扩散导致的损失仅在第一个存储周期较为显著，注入氢气的 82%可以被回收。2015 年，Hychico 公司也开始在阿根廷的 Diadema 地区开展利用枯竭气藏进行储氢的先导性试验。项目分为以下 3个阶段：在储层通过循环注入和采出天然气控制压力达到 2.65 MPa（原始压力），同时设立几处监测点，注入少量的氢气作为示踪剂，以确定储层的性质和密封性；向储层注入氢气，直至达到中间压力和组分（即含氢量 10%，压力 1.0 MPa），研究储层性质的变化；通过再次注入天然气提高储层压力，图3地下储氢库改善新能源电力消纳实现跨季节调峰图表1世界范围内已成功运行的地下储氢项目地质构造地区国家作业公司运营时间深度/m工作条件/MPa容积/m3储库中流体组成盐穴Kiel德国1971 年1 305 1 4008.0 10.032 000约 60%氢气Teesside英国Sabic Petroleum1972 年3504.5370 00095%氢气+3%4%CO2Clemens Dome美国ConocoPhilips1983 年850 1 1507.0 13.5580 00095%氢气Moss Bluff美国Paraxiar2007 年820 1 4005.5 15.2566 00095%氢气Spindletop美国Air Liquide USA2014 年1 5006.8 20.2906 00095%氢气含水层Ketzin德国GFZ19642000 年250 4001.3108约 62%氢气Beynes法国Storengy1983 年4303.310850%氢气Lobodice捷克RWE2007 年400 5009.0（34）50%氢气+12%CO2+22%CH4枯竭油气藏Molasse奥地利 RAG Austria2013 年500 1 0007.8（30 80）10%氢气Diadema阿根廷 Hychico2015 年6001.0（50）10%氢气注：据本文参考文献 14 修改。2023 年第 43 卷 168 天 然 气 工 业检查储层在原始压力下对氢气的密封性。该试点项目的结果表明，在储氢过程中，由于氢气与储层岩石和流体的化学反应、微生物反应以及储层性质的改变会给氢气存储带来巨大挑战。目前，在含水层中尚未有存储纯氢的案例，但在欧洲一些地区，如德国的 Ketzin、法国的 Beynes和捷克的 Lobodice 已成功开展在埋深 200 500 m 的含水层中存储煤气的项目。煤气的主要成分包括25%60%的氢气，10%33%的 CH4，12%20%的CO2和CO，30%左右的N2以及少量碳氢化合物12，这些项目可为后续储氢研究提供重要参考。总体来说，含水层中储氢技术仍处于初期发展阶段，未来需要更多的实验和测试来解决实际应用过程中出现的技术难题，同时，针对在储氢过程中可能面临的因氢气泄漏而造成的环境和水资源污染问题也需要更全面的评估，以确保其安全性和环境友好性。2.2储氢库技术现状盐穴型地下储氢库的建设较为简单，通过在地面钻一个孔并配备特定的管材即可完成。每年多次循环注采只需要使用一口井，不需要其他复杂的地下工程装备，作业时的压力一般为静岩压力的30%80%15。在建造新盐穴的过程中大量水的供应和卤水的处置是需要考虑的重要问题。储氢盐穴需要通过气体的压缩和减压来维持运行，约 1/3 的气体需要留存在盐穴中作为垫层气维持盐穴的稳定性以确保正常运行。以美国和英国为首的地下盐穴储氢库约 50 年的平稳运行证明这一储氢库建设技术最为成熟可靠。含水层型地下储氢库通常选择具有构造和地层圈闭的地质体。为了在合适的地层中开发储氢库，常需要钻许多井，包括卤水处理井、储氢井、监测井等，在与储集层连通之前的密封性压力测试非常重要。目前世界范围内与含水层储氢相关的技术、工程、监测和风险评估的报道非常少，对于含水层地质特征认知的不全面，如未识别的沿断层产生的泄漏途径及微生物作用过程，均会为实际地下储氢库的建设与评估带来技术挑战。由于难以预测的勘探范围和所需钻井数，这种地下储氢方式的花费具有很大不确定性，成本也显著高于枯竭气藏16。枯竭油气藏中残余油、气、水及微生物的存在使储氢过程的生化反应更加复杂，加大了预测难度和实际操作成本，目前世界范围内尚没有纯氢储库工业化的案例。但枯竭气藏储氢在奥地利和阿根廷的成功试验为这一技术的可行性提供了范例。阿根廷Underground Sun Storage 2030 项目后续将探索枯竭气藏纯氢存储的可能性，爱尔兰的 Green HydrogenKinsale 项目和位于意大利的欧洲天然气电网运营商Snam 目前正在开展一系列测试进行枯竭气藏储氢的可行性评估与技术研发。迄今为止，世界已建立并运行的天然气储气库超过 700 余座，其中超过 6 成是位于枯竭油气层，丰富的储气库建设经验为枯竭气藏储氢库技术的发展打下了坚实基础，但想要实现大规模的工业应用，在地质研究、工程建设与提升经济效益等方面均有很长一段探索之路要走。3气藏型地下储氢库高效建库十大技术挑战我国主要含油气盆地分布于西北、华北、东北“三北地区”，风能、太阳能等可再生资源丰富，油区内枯竭/衰竭油气藏丰富，有利于建设气藏型地下储氢库，支持大规模绿电消纳就地制氢与存储。我国气藏储层地质条件复杂，要实现高效建库，需解决十大技术挑战（图 4），涉及前期选址评价、中期开发建设、后期注采运营与风险监检测。3.1地下储氢库完整性与选址地质评价地下储氢库的完整性评价对于确保储氢库安全高效运行具有重要意义。与常规的地下储气库的建库理念相同，可用于构建大规模地下储氢库的地质构造需做到“注得进、采得出、封得住、可监控”17。“注得进、采得出”意味着储层要具有足够的储存空间和良好的渗透性，以保证氢气的高效存储和采出。“封得住、可监控”则要求储盖层有较高的完整性和密封性，并配备完整的实时监测体系，确保氢气在长期存储和注采循环过程中的稳定性，防止因氢气泄漏而造成巨大经济损失和环境污染。地下储氢库储盖层的完整性评价需要综合考虑地质条件、岩石性质、储层流体反应机制等多方面因素。在油气成藏过程中，构造活动可导致断层、裂缝、褶皱等地质构造的形成。当储氢库循环注采运行时，原本封堵储层流体运移的断层可能会因地层压力的变化而被激活18，尤其是沿着裂缝会有大量连通和开放的裂缝分布，这些裂缝和断层将成为氢气扩散、泄漏的潜在通道。故在进行储氢库选址评价时，有学者提出，构造变形程度可参考，无断层单一断层多个断层断层跨越整个储层断层由储层延伸第 11 期 169 潘松圻等：地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战至上覆岩层，进行综合评分19。此外，由于氢气的分子直径非常小，扩散速度比甲烷等气体更快，在背斜构造（构造圈闭），特别是在带有层状隔层的背斜构造中存储氢气，可更好地抑制因黏性指进造成的气体过早泄漏、驱替效率低等不利因素。与 CO2地质封存和天然气的地下储存不同，研究表明，地下储氢库中的生物化学反应（特别是在硫酸盐还原细菌、产甲烷菌和醋酸菌普遍存在的地方）也是影响储盖层完整性的重要因素。例如，储层中微生物反应产生的酸性物质可能会对岩石结构产生影响。此外，岩石中黄铁矿溶解释放出的铁离子也可能与储层中的其他物质发生反应，形成沉淀或新的化合物，从而改变储层的孔隙度、渗透率，影响储氢的安全性。对于储层岩相的选择，目前普遍认为富含石英的砂岩最适合储氢。一方面，在氢气卤水的环境中，石英的润湿性随温度压力的增加变化很小20，展现出了较强的水湿性，使得氢气在强水湿的环境中可被大量存储（毛细管封闭），封闭的安全性也更高。另一方面，砂岩储层通常有较高的孔隙度和渗透率，有利于高效地进行季节性注采循环。对于盖层的物质组成，研究表明，高岭石、伊利石、蒙脱石等黏土矿物极少参与与氢气有关的反应21，因此对高含黏土矿物的泥质岩类盖层，可忽略化学反应对盖层完整性影响。通常，盖层密封性的评价可基于岩心资料、室内岩石力学实验以及现场地应力测试，获取盖层的突破压力、剪切破坏临界压力、拉张破坏临界压力等参数17，这些参数可为评估盖层孔隙的封闭能力、设计储氢库的运行压力提供参考依据。3.2氢气与储层介质的反应机理储层条件下的气水岩反应会引起矿物的溶解和沉淀，其中，黄铁矿的溶蚀在地下储氢过程中最易发生，反应过程如下：（1）黄铁矿溶蚀速率随着储层温压的升高而增大。该反应产生的 H2S 会降低氢气纯度并可能改变孔隙水中的 pH 值引发进一步的水岩反应，H2S 的腐蚀性也可能损害地下储氢设施，此外，靠近井筒的储层区域被硫化物沉淀堵塞也会导致储氢和注氢问题。实验研究表明砂岩中其他常见矿物如石英、长石、云母等在相对短的储氢周期（半年）内反应非常微弱22。另一方面，孔隙流体化学成分的改变可能导致硬石膏及碳酸盐等胶结物溶蚀、矿物沉淀，引起孔隙结构及渗透率改变23,储氢过程中可能发生的矿物学反应如表2所示。尤其是碳酸盐类矿物含量相对较多的岩石，图4气藏型地下储氢库高效建库十大技术挑战示意图2023 年第 43 卷 170 天 然 气 工 业在与氢气反应后，诱发的溶蚀作用对岩石力学性质和稳定性产生影响24。然而，当前很多实验时长并未达到完全平衡，碳酸盐溶蚀现象是实验误差还是储库真实情况尚无法判断。Henkel 等25认为在极端环境下（温度大于 100，压力大于 15 MPa，盐度大于 200 g/L）气水岩反应较为明显，在低于这一条件的储层中，氢气可被安全存储。相较于砂岩，氢气引发的地球化学反应在泥岩中相对明显26。但地下储氢库中作为工作气的氢气存储周期一般小于一年，显著的化学影响在这样短的循环周期内尚未被观察到27。表2矿物与在储氢过程中可能发生的地球化学反应表矿物地球化学反应石英SiO2 H2O HSiO3 H高岭石 Al2Si2O5(OH)4 6H+2Al3 2SiO2 5H2O叶腊石 Al2Si4O10(OH)2 6H+2Al3 4SiO2 4H2O钙长石 CaAl2(SiO4)2 8H+Ca2 2Al3 2SiO2 4H2O方解石 CaCO3 H+Ca2 HCO3蒙脱石Ca0.175Mg0.35Al1.65Si4O10(OH)2 6H+0.175Ca2 0.35Mg2 1.65Al3 4H2O 4SiO2黄铁矿 FeS2H2O 0.25H0.25SO42Fe21.75Hs绿泥石Mg5Al2Si3O10(OH)8 16H+2Al3 3SiO2 5Mg2 12H2O钾长石 KAlSi3O8 4H+Al3 K 2H2O 3SiO2 云母KAl3Si3O10(OH)2 10H+K 3Al3 3SiO26H2O注：据本文参考文献 8,28。除地球化学反应外，氢气可能吸附在黏土矿物含量较多的泥岩类盖层表面。黏土矿物中金属元素含量的差异以及不同矿物混合比例的差异都会影响对氢气的吸附能力28。目前，关于氢气在不同类型黏土矿物以及不同储盖层组合中的吸附特性的实验室研究相对较少，尚无统一的认识。在储层温压环境下，多组分气体工质竞争吸附作用机理不清，吸附解吸与其他相互作用的耦合机制不明确，长期储氢过程中氢气与地下其他流体的协同作用是否会改变岩石物理性质（如润湿性、膨胀性）等方面不明，有关储库中氢气吸附解吸机理的研究仍需进一步探索。地质力学条件是影响储氢库长期稳定性的重要因素。氢气循环注采过程中孔隙压力的变化及整个储氢地质体应力状态的周期性变化可能导致气体储集空间因压实而减少、流体流动状态的改变、裂缝或断层的延展、储库的沉降甚至地震。这些力学特征在其他地下能源存储的应用中已经有广泛研究和认识，然而氢气与其他气体相比有显著的物理性质差异，尽管储层尺度的数值模拟能够对储盖层力学稳定性和整体完整性做出预测，目前对储氢库全生命周期内热力学工况及传热传质过程仍知之甚少，氢气不同注采及存储阶段热水力化耦合作用的实验证据有待进一步加强。3.3氢损耗及氢纯度对储氢效率的影响氢气在注入储层初期，受孔隙中气体浓度梯度的影响会快速向周围扩散，在储层中由氢气扩散造成的损耗在存储一段时间后会随着周围孔隙逐渐饱和氢气而降低，由于大量的氢气聚集在盖层下，储库盖层的密封性和完整性影响着氢气的保存。盖层的毛细管力是重要控制因素，只要不超过毛细管力氢气就很难在盖层中因流动而泄漏。扩散是氢气通过盖层泄漏的另一个主要途径，氢气损耗速率与其在水中的溶解度密切相关29。虽然氢气在水中的溶解度远低于二氧化碳和甲烷等气体，当储层中的水尚未被氢饱和时会存在浓度梯度差异，进而会影响氢气向盖层的扩散。据氢气 Store 项目研究成果，氢气在卤水中的溶解度有可能高于甲烷，这有可能造成初次注入时氢气损耗增加的问题30。在地下储库中，微生物作用对氢气损耗的影响不容忽视。常见的消耗氢气的微生物包括甲烷菌、醋酸菌、硫酸盐还原菌和氢氧化细菌，如式（4）所示，其生长受温度、盐度、pH 值等因素的影响。通常情况下，当储层温度大于 55 且盐度大于 1.7 mol/L时，可以降低微生物作用对储氢的损耗。尽管在低温、低盐度的枯竭油气藏中，实验预测氢气损耗率介于0.01%3.20%31，但地下枯竭气藏尚无纯氢存储的案例。（2）（3）（4）（5）储库内存在的甲烷、氮气或二氧化碳等气体与氢气混合，增加了微生物反应的复杂性。奥地利Molasse 和德国 Ketzin 储氢试验显示，微生物作用对氢气损耗量在 2%4%32。而在捷克 Lobodice 富氢地下储气库中，甲烷菌在 7 个月的存储时间内导第 11 期 171 潘松圻等：地下储氢库发展现状及气藏型储氢库高效建库十大技术挑战致氢气损耗量高达 17%7,33，这可能与其低温、低盐度以及微生物生长适宜的 pH 值环境有关。法国Beynes 富氢城镇燃气地下存储过程中微生物造成的损耗存在争议，有报道显示储氢过程中几乎没有氢气损耗34，也有报道称该储气库中氢气与二氧化碳含量显著降低，而甲烷含量有所增加35。表 3 总结了主要微生物的氢气消耗量及生长环境。为了降低氢损耗，需要在选址和运行过程中，考虑储层的温度、盐度、pH 值等因素，对地层进行详细的调查和监测，评估微生物情况。对于已经建立的储库，定期对氢气损耗进行监测，以便及时了解微生物反应对氢气损耗的影响，采取相应措施。例如，可以采用化学抑制剂抑制微生物生长，降低氢气损耗，但该方法需要评估地下储层环境潜在的负面影响