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| 地下储氢中氢-盐水相对渗透率的稳态测量及气体滑脱修正| MDPI Gases |
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论文标题：Underground Hydrogen Storage: Steady-State Measurement of Hydrogen–Brine Relative Permeability with Gas Slip Correction
论文链接：https://www.mdpi.com/2673-5628/5/4/26
期刊名：Gases
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/gases
一、引言
随着可再生能源占比不断提升，其波动性对大规模、长周期储能提出了迫切需求。地下储氢（UHS）作为一种将氢气注入地质构造（如盐穴、枯竭油气田、咸水层）进行存储的方案，因其潜在容量大、经济性较好而备受关注。其中，咸水层分布广泛、储集空间巨大，具有重要的应用前景。
然而，氢气在咸水层中的多相流动特性尚不明确。目前，储层模拟中常用的相对渗透率数据多沿用天然气或CO2的经验参数，而氢气具有低密度、低粘度、高扩散性等独特物性，可能导致其流动行为与传统气体存在差异。近年来虽有少量研究开始关注氢-盐水体系，但系统性的实验数据仍极为稀缺。为此，本文通过稳态共注实验，测定奥斯汀白垩岩心中氢气和盐水的相对渗透率，并首次在氢-盐水两相流中引入Klinkenberg气体滑脱修正，以获取更接近真实储层条件下的氢相对渗透率曲线。
图 1.核心注水装置的示意图
二、实验材料与方法
研究采用稳态共注法，在奥斯汀白垩（Austin Chalk）岩心样品上开展氢-盐水两相流相对渗透率实验。岩心孔隙度22%，盐水绝对渗透率13.2 mD。实验通过独立控制氢气和盐水的注入流量，在不同含水饱和度条件下达到稳态流动，并利用称重法确定岩心内剩余水量。在此基础上，针对氢气渗透率随压力降低而升高的气体滑脱效应，采用Klinkenberg方法进行修正，得到滑脱因子b=0.944 atm，进而获得消除滑脱影响后的氢气绝对渗透率（13.8 mD）及相对渗透率曲线。
三、核心实验结果与分析
1. 相对渗透率曲线特征
实验获得的氢-盐水相对渗透率曲线呈现典型强水湿系统特征：
• 氢气的流动在含水饱和度约0.84时才出现（krg ≈ 0.001）；
• 随着含水饱和度降低，氢气相对渗透率快速上升；
• 残余水饱和度（Sw,irr）为39%，此时氢相对渗透率达0.8（滑脱校正后为0.69）。
这一结果说明，在强水湿的碳酸盐岩中，氢气优先占据大孔道，水则滞留在小孔隙中，氢气需克服一定的毛细管压力才能形成连续流动通道。
2. 滑脱效应的影响
未经滑脱校正的氢相对渗透率在低含水饱和度段明显偏高。校正后的krg*曲线整体下移，尤其是在含水饱和度较低（氢气饱和度较高）时差异更为显著。这表明，若忽略滑脱效应，会高估氢气在储层条件下的流动能力，进而影响注入能力与采收率的预测。
3. 物性与孔隙结构的控制作用
奥斯汀白垩微孔发育（孔径0.5–2 μm），毛细管力强，导致残余水饱和度高。氢气分子小、粘度低，在低压条件下平均自由程与孔隙尺度可比，因此滑脱效应显著。此外，氢气在水中溶解度极低，基本不发生质量损耗，保证了实验过程中相分布的稳定性。
四、讨论与工程意义
1. 对UHS数值模拟的意义
本实验提供的滑脱校正后的氢-盐水相对渗透率曲线，可直接用于地下储氢的储层模拟。相比于以往使用甲烷或氮气数据的方法，本文数据更贴近氢气的实际流动行为，有助于提高注入性、采收率和垫层气需求的预测精度。
2. 对储层选择与密封性评价的启示
强水湿、微孔发育的储层虽然有利于氢气滞留，但也意味着较高的残余水饱和度和较大的垫层气需求。同时，氢气的高扩散性对盖层密封性提出更高要求。实验结果显示氢气在饱和条件下相对渗透率很高，意味着一旦存在裂缝或高渗通道，氢气将优先泄漏。因此，储层筛选时需重点评估盖层的封闭能力和扩散屏障性能。
3. 实验局限性
本次实验仅针对单一岩性、室温条件、排水过程，未涉及压力/温度变化、滞后效应、毛细管压力等因素。实际储层条件下，温度、应力、非均质性以及循环注采引起的滞后效应均会对相对渗透率产生影响，未来需要进一步拓展实验条件。
五、结论与展望
本文通过稳态共注实验，系统测定了奥斯汀白垩岩心中氢-盐水体系的相对渗透率，并首次在两相流条件下引入Klinkenberg滑脱修正。主要结论如下：
1. 氢-盐水体系在强水湿碳酸盐岩中表现出典型的强水湿流动特征，残余水饱和度为39%，滑脱校正后氢相对渗透率端点值为0.69。
2. 气体滑脱效应在氢气流动中不可忽视，未校正的渗透率会显著高估氢气的流动能力，校正后的数据更适用于储层模拟。
3. 所获得的相对渗透率曲线可为地下储氢的注入性、采收率及垫层气设计提供关键输入参数。
后续研究计划包括：
• 开展吸水过程（注采循环）的相对渗透率与滞后效应实验；
• 直接测量氢-盐水体系的毛细管压力；
• 在储层温压条件下对真实岩心进行测试；
• 开展氢气通过盖层岩样的扩散实验，进一步评估长期密封性。
通过上述工作，有望为地下储氢的工程化应用提供更完整的实验基础与模拟依据。
期刊介绍
主编：Prof. Dr. Ben J. Anthony来自克兰菲尔德大学
Gases（ISSN: 2673-5628）是一个国际性、跨学科的气体科学与工程领域同行评审开放获取期刊。本刊涵盖天然气、气体排放、气态污染物、（温室）气体控制及气体传感器等领域的应用科学与工程进展。
2024 CiteScore：5.4
Time to First Decision：30.9 Days
Acceptance to Publication：5.3 Days
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