“双碳”战略目标下，大力发展氢气储存和利用是实现我国CO₂减排和保障能源安全的重要手段，而如何实现有效的地下储氢成为氢大规模存储和利用的关键。枯竭页岩储层作为新的氢埋存场所获得了越来越多的关注，因为其地质构造明确、地表/地下基础设施齐全、盖岩致密，而且页岩构造在陆地和海洋盆地中分布广泛，同时还具有运营成本低、密封安全性高和存储容量大等优势。然而，在枯竭页岩层储氢过程中，氢在页岩多尺度介质系统中存在多种储存形式，包括自由气、扩散气、溶解气和吸附气，从多尺度角度表征页岩地层的氢传输机制并估计氢储存潜力具有挑战性。

针对上述科学问题，我校能源学院王焱伟讲师和孙骞教授，与中国石油勘探开发研究院、美国休斯顿大学合作，提出了枯竭页岩储层中氢气输运和储存的多尺度模型，考虑了气体扩散、吸附、滑移流和连续流的影响（图1）。综合采用Laplace变换、Pedrosa变换、摄动变换和边界元方法，获得了能够准确快速计算氢气注入动态的半解析解，并利用商业数值模拟器进行了验证；在此基础上，以阿巴拉契亚盆地典型枯竭页岩储层为工程案例，提出了枯竭页岩储氢能力评估的工作流程。研究取得的新认识如下：

1、所提出的方法与数值解之间的计算差异微乎其微（小于1.5%），这证明了多尺度模型的可靠性。与传统数值模拟软件相比，这种基于半解析解的方法具有计算效率高的显著优势，因此适合快速确定枯竭页岩储层的氢埋存潜力（图2）。

2、对地层参数和工程参数的敏感性分析表明，吸附系数、扩散系数、页岩成分、孔间流动系数和流动比率对注入性能和氢储量有显著影响，在选择储氢地质结构时应优先考虑。相比而言，压裂改造区域的大小在小范围内变化时对氢储量的影响可以忽略。同时，多数参数在注入后期（高约束压力）对氢埋存潜力有显著影响，而在低约束压力时，影响可以忽略不计（图3）。

3、该研究开发的页岩储层氢传输和储存的多尺度模型可以扩展到枯竭致密油藏和煤层的注氢动态预测和储量评估。同时，通过优化该多尺度模型，考虑多相运移机理以及氢气与岩石、流体和微生物的相互作用机制，可以更准确地描述页岩储层中的氢气输运和存储机制。

图1 不同尺度枯竭页岩储层氢运移与储存的物理模型

(a)无因次拟压力

(b)井底注入压力

图2 多尺度模型与数值模拟的压力动态对比结果

(a)注入动态

(b)储氢能力

图3 不同约束压力下干酪根吸附性能对储氢的影响

上述研究成果发表在国际石油工程领域国际权威期刊《SPE Journal》上。57365z线路检测中心能源学院王焱伟讲师为论文第一作者，孙骞教授为论文通讯作者。该研究受到国家自然科学基金（42202292，52104042）的资助。

论文信息：Yanwei Wang, Qian Sun*, Fangxuan Chen F, Meng Wang. Multiscale model for hydrogen transport and storage in shale reservoirs. SPE Journal, 2024, 1-27, SPE-219472-PA. [IF2022=3.6]

全文链接：https://doi.org/10.2118/219472-PA