《Journal of Energy Storage》：A simulation method for gas-liquid seepage of lined caverns for compressed air energy storage considering groundwater influence
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本研究建立考虑温度和压力变化的气液两相流方程，构建热力水力耦合（THM）两相渗流模型，揭示地下水对地下储气 caverns 密封性能的影响机制。结果表明地下水可有效抑制气体泄漏（泄漏率降低36.8%，总泄漏减少47.7%），维持稳定变形（4-5mm），并促进气液界面非线性向线性迁移。
姜思琪|张宇|王慧|毛新英|刘枣宝
中国石油大学管道与土木工程学院，青岛，266555，中国
摘要
大规模压缩空气储能（CAES）系统为缓解可再生能源的间歇性问题提供了有效的解决方案，然而，在地下水影响下确保地下衬砌洞穴的密封性仍然是一个主要的技术挑战。本研究基于毛细压力与饱和度之间的关系，开发了一个气液多相流动的控制方程，考虑了温度和气压变化对饱和度的影响。在此基础上，建立了一个热-水-力（THM）耦合的两相渗流模型，用于模拟衬砌CAES洞穴中热、水和力学场的耦合演化。该模型能够综合分析压力、温度、饱和度和变形，揭示地下水影响系统密封性和稳定性的机制。模拟结果显示，地下水通过抑制气体泄漏、稳定运行压力和改善热-力学平衡显著提高了密封性。在地下水条件下，60个循环后，峰值泄漏率降低了36.8%，累计泄漏量减少了47.7%；五个循环后，日泄漏率降至1%以下，满足了密封要求。地下水延缓了孔隙压力的消散，引起了轻微的压力滞后，并保持了约4-5毫米的稳定变形幅度，处于允许范围内。气-水界面从洞壁向外径向迁移了最多8.2米，表现出由渗透性和毛细效应控制的非线性-线性过渡。所开发的THM框架为评估多场耦合过程以及优化富水地质环境中衬砌CAES洞穴的密封性和设计提供了一个强大的统一工具。
引言
压缩空气储能（CAES）作为一种大规模储能技术已经崭露头角[1]，[2]。储藏洞穴的密封性对于确保CAES系统的安全和高效运行至关重要[3]，[4]。先前的研究表明，即使日泄漏率为2%，也会导致显著的年能量损失[5]。空气泄漏会产生额外的渗流场，从而增加周围岩石的应力和变形，进而影响CAES洞穴的结构稳定性[6]，[7]。大规模的气体泄漏还可能引发爆炸或火灾，对环境和附近居民区构成严重威胁[8]，[9]。地下水会提高地层中的孔隙压力，可能部分抑制空气泄漏。然而，关于地下水影响下CAES洞穴密封性的研究有限，长期气体渗流机制仍不明确。
气体充注、储存和释放的循环过程会在洞穴内引起温度和压力的周期性波动，进而影响周围岩石中的气体渗流。在这些运行条件下，地质力学和热效应通过三种紧密耦合的机制影响气体泄漏[10]，[11]，[12]：1. 由应力和温度引起的孔隙压力梯度变化，驱动气体迁移；2. 由于有效应力重新分布和热膨胀或收缩导致的周围岩石和衬砌的渗透率动态演化；3. 孔隙结构的变形以及相关的毛细压力-饱和度关系变化，影响气-液界面稳定性和两相迁移行为。随着气体在周围地层中的迁移和泄漏，内部温度和压力分布进一步改变，导致复杂的热-水-力（THM）耦合过程。因此，理解这种耦合条件下的动态泄漏行为是一个重要的研究焦点。为了评估长期密封性，王等人[13]基于多孔介质理论建立了一个包含孔隙率和渗透率时间依赖性演化的渗流微分方程。然而，他们的模型忽略了渗流过程中的THM耦合。研究表明，水平和垂直渗流区随时间非线性扩展，而孔隙压力随距离增加呈指数衰减。夏等人[14]发现洞穴密封性与衬砌渗透率、储存压力和衬砌厚度密切相关，并指出厚度超过一定阈值后其影响减弱。陈等人[15]，[16]，[17]推导了盐洞中气体渗流的新流体-固体耦合方程，并确定了层状盐地层的临界渗透率为1×10^-18 m^2，尽管没有考虑热效应。方等人[18]使用实验和完全耦合的THM模型研究了CAES用盐洞，确定夹层是主要泄漏路径，并指出渗透率阈值（<1×10^-18 m^2）对密封性能至关重要。米等人[19]使用THM模型分析了衬砌岩石洞穴，发现气体迁移和密封性能下降共同受孔隙分形结构（Dλ, Dt）和温度-压力耦合的影响，循环运行会扩大泄漏区。这两项研究都强调了热-压力耦合在长期密封性中的主导作用，但在含水地层中简化了气-液共存现象。
叶等人[20]使用达西定律分析了全球气体泄漏，但忽略了热-机械相互作用。相比之下，庄等人[21]开发了一个非等温THM耦合模型来评估泄漏行为和机械响应。魏等人[22]采用种群竞争模型量化温度和压力对洞穴密封性的相对影响，并提出了一个主成分评估框架。王等人[23]研究了氢气注入频率，并确定夹层是盐洞中的主要泄漏路径。对于未衬砌的洞穴，周围岩石的渗透率是控制空气泄漏的主要因素，而洞穴半径和注入速率对泄漏率有显著影响[24]。在衬砌洞穴中，混凝土衬砌的渗透率决定了密封性[25]。库什尼尔等人[26]开发了一个动态温度-压力演化模型，而周等人[27]提出了一种迭代方法来估计未衬砌洞穴的泄漏量。然而，这些模型假设渗透率恒定并忽略了热传导效应。马等人[28]在不连续和不对称边界下引入了一个热-气体-机械（TGM）框架，显示渗流区随时间从扇形变为圆形。苗等人[29]为矿井隧道型LRCs建立了一个热-机械模型，确定初始衬砌应力是岩石稳定性的关键因素，并建议进行三维弹塑性损伤分析。赵等人[30]应用了蠕变-疲劳模型，表明较短的加压循环和较低的最小压力会加速变形和退化。韩等人[31]结合井筒气流细化了热-压力耦合，揭示注入的质量流量显著影响洞穴温度和压力。这三种模型都是单相模型，忽略了含水地层中的水饱和度、毛细效应和气-液界面演化。廖等人[32]开发了一个考虑雷诺效应和瑞利效应的混合对流热力学模型，纠正了传统CAES分析中的温度过高估计，并确定洞穴尺寸和流量是关键的热因素。杨等人[33]使用双工作流体建立了动态TS-CAES模型，实现了69.3%的效率，并确定节流阀是主要的能量损失源。魏等人[34]提出了一个等压空气-CO2双流体CAES系统，效率为61.4%，能量密度为3.73 kWh/m^3。这三种模型都关注宏观热传递和能量优化，但忽略了影响长期密封性和气-液迁移的微观THM耦合机制。
上述研究共同提高了对CAES洞穴中气体泄漏、渗流演化和机械稳定性的理解。然而，对于富水地层中出现的复杂多相过程关注较少。在这种条件下进行CAES运行时，会发生耦合的热-水-力两相流动过程[35]，但动态气体迁移和泄漏特性仍不够清楚。为了填补这些空白，本研究基于毛细压力-饱和度关系建立了一组两相流动的控制微分方程，考虑了温度和压力对饱和度的影响。为衬砌CAES洞穴的周围岩石开发了一个THM耦合的两相流动模型，为气-液渗流分析提供了新的模拟框架。该模型用于研究地下水对洞穴内气体泄漏量、孔隙压力分布和温度演化的长期影响。此外，还描述了泄漏气体在地下水中的迁移路径。本研究的结果为富水地质环境中CAES洞穴的设计、安全评估和密封性评价提供了理论支持（图1）。
部分摘录
基本假设
为了描述地下水位以下长期运行的CAES洞穴的气-液渗流行为，建立了一个洞穴空气的热力学模型，并结合了描述洞穴衬砌和周围岩石质量中渗流、热传递和位移的热-水-力（THM）控制方程。在此框架下，采用以下假设：
模拟过程
基于有限体积法（FVM）开发了一个数值程序，用于离散化和求解压缩空气储能洞穴的THM耦合模型，其中包含了气液两相流动。程序的计算工作流程如图2所示。
根据质量和能量平衡更新洞穴内的空气压力和温度
衬砌洞穴的有限体积模型
以一个假设的大型储罐CAES洞穴作为研究案例，为两种情况开发了四分之一对称模型：一种有地下水，另一种没有地下水。研究区域从洞壁向外延伸20米。洞穴长度为86米，位于110米深处。它用0.5米厚的低渗透率混凝土衬砌密封，并被花岗岩基岩包围（图8a）。地下水位位于洞穴轴线上方100米处。
初始洞穴压力
CAES洞穴中的热力学变化
图9显示了在地下水影响下，压缩空气储能洞穴内60天周期内的压力和温度变化。在一个操作周期内，压力和温度都呈现“上升-下降-下降-上升”的模式。每个连续周期后，峰值空气压力逐渐降低。由于空气泄漏，第60个周期的最大和最小空气压力分别为14.29 MPa和8.76 MPa，比
结论
本研究开发了一个热-水-力（THM）耦合的两相渗流模型，用于分析地下水影响下衬砌压缩空气储能（CAES）洞穴的气-液迁移和密封性能。该模型充分考虑了温度、压力和变形之间的相互作用，为长期密封性和结构稳定性提供了新的见解。主要结论如下：
作者贡献声明
姜思琪：撰写——原始草稿，软件，数据管理。张宇：撰写——审稿与编辑，方法论，资金获取，概念化。王慧：撰写——审稿与编辑，验证，概念化。毛新英：监督。刘枣宝：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国自然科学基金（编号：52179119）；辽宁省自然科学基金（编号：2024-MSBA-47）；以及山东省自然科学基金（编号：ZR2025QC486）的支持。作者感谢审稿人的宝贵意见和建议。
