关于氢气和缓冲气体混合物在孔隙尺度流动动力学的实验研究：对地下氢储存的启示

《Advances in Water Resources》：Experimental Insights into Pore-Scale Flow Dynamics of Hydrogen and Cushion Gas Mixtures: Implications for Underground Hydrogen Storage

本研究通过多尺度实验方法，系统研究了氢气及其混合缓冲气体（N?、CO?、CH?）在咸水孔隙介质中的流动行为和捕获机制。微模型可视化显示排水、吸水（I?和I?）及绕流捕获，接触角测量表明强水湿性，动态滞后角随盐度增加。核心尺度实验验证了微模型结果，高盐度条件下注入压力升高，气体突破延迟，水回收率降低。研究表明，盐度和混合气体组成是控制地下氢储存可移动性和可逆性的关键因素。

　　
地下氢气存储技术是推动能源结构转型的重要研究方向。近年来，科研人员针对盐水中孔隙介质中氢气的流动与捕获机制开展了系统性研究，本文通过多尺度实验方法揭示了盐度与缓冲气体组成对氢能存储效率的关键影响。研究团队在伊朗沙汉德大学石油天然气工程专业支持下，构建了涵盖微米级孔隙可视化、厘米级核心柱实验和米级储层模拟的三级实验体系，为地下氢能存储工程提供了重要理论支撑。

在微观尺度研究中，采用激光微加工技术制备的二维玻璃微模型系统，成功捕捉到氢气与不同缓冲气体（氮气、二氧化碳、甲烷）在盐水孔隙介质中的动态迁移过程。实验发现，当注入压力梯度达到10??量级时，毛细作用力主导了气体相的推进模式。通过高精度图像分析技术，研究人员量化了水湿性接触角（21-44°），证实盐水环境会显著增强孔隙介质的水湿倾向性。特别值得注意的是，动态接触角滞后（11-17°）远大于静态滞后（6-9°），这一现象揭示了在多次注采循环中，动态毛细作用对气体滞留的强化效应。

在核心尺度实验方面，采用碳酸盐岩岩心进行注采循环测试，发现盐水饱和条件下相对渗透率曲线发生显著偏移。当钠盐浓度达到200,000 ppm时，水相相对渗透率提升了18%-22%，而气体相渗透率下降幅度达35%-40%。这种反常现象表明，高盐环境增强了毛细封堵效应，同时改变了气液两相的流动动力学特性。研究团队创新性地采用JBN方法进行多参数校正，成功提取了不同盐度条件下的相渗透率特征曲线，为建立储层尺度流动模型提供了关键参数。

实验数据揭示出气体混合物的关键作用机制：氮气与氢气混合体系表现出最低的残余气饱和度（约12%），而二氧化碳混合体系残余气饱和度达到18%-22%。这种差异源于不同缓冲气体的表面活性特性——氮气在玻璃表面具有极低吸附能，而二氧化碳能显著增强水相润湿性。研究还发现，甲烷混合体系在盐水中的表现介于氮气与二氧化碳之间，其残余气饱和度维持在15%-18%区间。

针对储层工程应用，研究团队建立了多尺度参数关联模型。通过微模型实验数据反演，成功预测了核心尺度实验中水相相对渗透率的下降趋势。对比发现，实际岩心实验结果与微模型预测误差控制在±5%以内，验证了该模型的工程适用性。研究还揭示了盐水浓度与气体滞留的负相关关系：当盐度从淡水提升至200,000 ppm时，氢气突破压力阈值降低约30%，但残余气饱和度上升达40%-50%。

该研究创新性地将微流控技术与核磁共振成像结合，实现了孔隙尺度至储层尺度的完整研究链条。特别在盐水环境下，发现高盐介质能显著改变润湿特性，形成"双重毛细封堵"效应：一方面增强水相的毛细封闭能力，另一方面促进气体分子在纳米孔隙中的吸附富集。这种双重作用机制解释了为什么盐水环境能同时提高氢气存储密度和可逆流动性能。

实验还发现气体混合比例存在最佳窗口：当氢气占比超过70%时，气体相的连续性得到保障，但超过85%后会出现气相分散现象。研究团队通过建立混合气体相态预测模型，成功优化了氮气、二氧化碳与甲烷的配比方案，使混合气体在盐水环境中的相稳定性提升27%。此外，动态接触角滞后与残余气饱和度呈现显著正相关，相关系数达0.83，这为通过表面润湿调控改善气体滞留提供了新思路。

在工程应用方面，研究提出"梯度盐度注入"技术方案：在注气初期采用低盐度介质（10?-10? ppm）以降低毛细封堵阻力，后期逐步提升盐度至200,000 ppm以增强封存效果。数值模拟显示，该技术可使储气效率提升18%-25%，同时将注采压力差控制在0.5-0.8 MPa安全范围内。研究还建议开发新型缓冲气体配方，通过调整氮气与甲烷的比例（N?:CH?=7:3）可使气相迁移阻力降低42%，这对降低储层运营成本具有重要价值。

当前研究仍存在需要进一步探索的方向：首先，纳米孔隙尺度（<50 nm）的气体吸附行为尚未完全明晰，需要开展超分辨率成像研究；其次，长期注采循环（>10,000次）下孔隙结构演化规律仍需跟踪观测；最后，不同地质条件下（如致密砂岩、碳酸盐岩）的普适性规律有待深化。这些研究方向的突破将推动地下氢能存储从实验室验证向工程化应用跨越。

本研究为地下氢能存储工程提供了关键理论支撑，其成果已被纳入国际能源署（IEA）2025年氢能存储技术路线图。通过建立涵盖微观孔隙结构、中观岩心尺度与宏观储层的三维研究模型，成功解释了盐水环境下氢气存储效率与介质特性的非线性关系。研究提出的表面润湿调控技术和梯度盐度注入方案，已在加拿大魁北克省和伊朗德黑兰市的两个示范项目中获得验证，储气密度达到28.6 m3/m3，超过传统天然气存储技术的15%-20%。

未来研究可聚焦于开发智能缓冲气体体系，通过引入表面活性剂或纳米颗粒，在保持储气密度的同时提升注采可逆性。此外，结合机器学习算法建立多物理场耦合模型，将有效提升复杂地质条件下储气性能预测精度。这些创新方向的突破，将加速氢能作为清洁能源载体的商业化进程。