盐穴氢储能中原位沉积物粒级分布及气体储存容量的预测模型

《Energy》：Prediction model of the in-situ sediment gradation and gas storage capacity for salt cavern hydrogen storage

氢能储存在盐穴沉积物孔隙中的潜力研究。通过建立基于盐层地质特征和溶腔发育过程的沉积物颗粒级配预测模型，结合气体等温膨胀法测定孔隙率，揭示了中国薄层高杂质盐矿沉积物的孔隙分布规律。模型预测与实际测量数据吻合度达92%，证实盐穴底部沉积物孔隙率达46.67%，可增加储气空间28244.73立方米，提升有效储气量25.58%。该成果为复杂地质条件下盐穴储氢工程提供了理论支撑。

　　

蒋婷婷|池子琪|谢东洲|何涛|廖有强|杨天福

武汉工业大学资源与环境工程学院，中国武汉430070

摘要：

在盐洞中储存氢气是大规模氢气储存的最佳选择。然而，中国盐洞底部会积累大量沉积物。为了未来氢气储存洞的发展，利用这些沉积物中的孔隙空间进行储存是不可避免的方法。了解原位沉积物颗粒大小分布及其气体储存能力对于实现这一目标至关重要。本研究开发了一个数学模型，该模型能够根据盐层的地质特征和淋溶过程准确预测原位沉积物颗粒的级配。进一步使用该模型探索了实际盐矿中沉积物的孔隙分布和气体储存能力。结果表明，所提出的数学模型具有很高的准确性。实际盐洞底部沉积物的级配和孔隙率随深度存在显著异质性。沉积物孔隙显示出显著的气体储存潜力，原位沉积物体的整体孔隙率为46.67%。利用沉积物孔隙预计可以将可用气体储存空间增加28244.73立方米，从而使有效储存容量比原始容量增加超过25.58%。这项研究为中国利用高杂质层状盐构造进行大规模氢气储存提供了理论基础。

引言

能源结构的转型是应对气候变化[1]、确保能源安全[2]和促进可持续经济和社会发展[3]的必然选择。以风能和太阳能为代表的清洁能源的大规模应用对于实现双碳战略[4]和优化能源结构[5]至关重要，有助于全球能源系统向可持续性[3]、环境友好性[6]和效率[7]转变。然而，风能和太阳能等清洁能源具有典型的时间和空间分布特征[8]，[9]，这对天然气管道和电网的稳定安全运行提出了重大挑战[8]。这导致了风能和太阳能的严重限制[9]，[10]，限制了清洁能源的有效利用和快速发展[10]。将风能和太阳能转化为可储存的形式（如压缩空气或氢气）是克服其区域和时间限制的必要选择[11]。氢是一种清洁能源，其燃烧仅产生水。通过水电解将多余的电能转化为氢能是解决可再生能源间歇性的关键方法之一[12]。氢的生产和运输技术已经成熟。大规模氢气储存长期以来一直是制约氢工业发展的瓶颈。盐洞由于其优异的密封性能和对氢的化学惰性[13]，被认为是大规模氢气储存的理想地点[14]。中国的盐岩通常具有不利的地质特征[15]，例如盐层较薄[16]、夹层多且杂质含量高[17]，如表1所示。

在使用层状岩盐建造气体储存设施时，不溶性沉积物会在洞穴底部形成并积累，占据洞穴储存空间的很大一部分，如图1(b)至(d)所示[18]，[19]，[20]。这导致盐洞的利用率非常低，并增加了地下气体储存盐洞的建造成本。不溶性沉积物所占的空间通常占总气体储存体积的30%到80%。如果能够利用沉积物孔隙来储存气体，工作气体体积和储存容量可以显著增加。此外，不溶性沉积物的堆积形态显著影响洞穴的空间利用率[21]。例如，法国Etrez的EZ16气体储存洞穴如图1(a)所示，其不溶性沉积物表面呈倒V形凸起。这种沉积物表面形态阻止了除盐过程中的管道到达溶解洞的最低点，从而导致两侧提取空间无法进行除盐，从而损失了大约10%的可用气体储存容量。在这种情况下，有效利用沉积物内的孔隙空间进行气体储存可以显著提高气体储存的整体效率。针对这一问题，许多学者对盐洞底部沉积物的利用进行了相关研究。

利用沉积物孔隙进行气体储存可以显著提高盐洞气体储存的储存能力和利用效率，使其成为中国高杂质层状盐矿中建造气体储存设施的重要发展方向。然而，目前国内外尚无成功的利用沉积物进行气体储存的先例。原位沉积物深埋在盐洞底部，难以获取。现有研究主要分析了通过实验室浸渍方法制备的沉积物样本。由于在制备沉积物样本过程中岩盐与夹层的比例不同，不同学者观察到了沉积物颗粒分布和孔隙率的显著差异[22]。例如，梁等人测得的沉积物孔隙率约为52%[23]，而姚等人的研究表明盐洞沉积物颗粒可以形成约47.6%的孔隙空间[25]。李等人通过实验室实验制备了盐洞沉积物，分析了其级配和孔隙率，并提出了一个级配分布模型[22]。他们提出了一种计算沉积物渗透性的方法，并在淮安盐洞气体储存中进行了除盐测试。结果表明，当盐水在沉积物孔隙中流动时会发生摩擦损失[26]。何等人通过浸泡测试获得了沉积物样本并进行了除盐模拟测试。他们的研究发现，沉积物的渗透性受孔隙率和级配的控制[27]。李等人提出了一种在沉积物孔隙中储存压缩空气的方法，定量分析了盐岩等级与沉积物之间的相关性[28]，并证明了在沉积物孔隙中储存空气的可行性[29]。李等人进行了盐洞气体储存的除盐现场实验。结果表明，沉积物的孔隙连通性良好，盐水流动过程中的压力损失约为1 kPa/m。沉积物的渗透率范围为10^-9 m²到10^-11 m²，沉积物的孔隙率可以达到40%[30]。梁等人提出了一种计算充满沉积物的盐洞有效体积的方法。这种方法只能估算洞穴的体积，无法估算沉积物的孔隙率[31]。刘等人探讨了在沉积物孔隙中储存气体的可行性，并推导出了盐洞形成的理论[32]。张等人通过数值模拟方法分析了使用沉积物进行气体储存时洞穴的稳定性。研究结果表明，沉积物的颗粒大小和孔隙率越大，在气体注入过程中沉积物的垂直位移越小[33]。现有研究主要讨论了在沉积物孔隙中储存气体的可行性，并估算了沉积物的孔隙率。然而，中国的盐构造具有岩盐和夹层的层状结构，且夹层的厚度和分布不均匀。这导致在洞穴淋溶过程中形成的沉积物级配存在显著差异，从而使得原位沉积物的颗粒级配和孔隙率随深度存在显著异质性。这些因素导致现有研究在准确预测原位异质沉积物的孔隙率和评估其气体储存能力方面存在不足，无法为除盐工程设计和容量评估提供技术指导。在实际情况的地质条件下，利用沉积物孔隙进行气体储存仍然是一个重大挑战，特别是在这些孔隙空间的定量分析研究相对缺乏的情况下。

在这项研究中，获取了原位沉积物样本以进行相关研究。首先，研究了层状盐构造中洞穴淋溶过程中沉积物的形成机制。建立了一个关联模型，该模型整合了盐层的地质特征、溶解洞的体积和沉积物颗粒大小的级配，从而开发了一种预测原位沉积物颗粒级配的方法，能够准确表征真实的沉积物级配和颗粒大小分布。随后，使用气体等温膨胀方法对沉积物进行了孔隙率测试，以确定不同级配的沉积物孔隙率。基于上述研究，建立了沉积物孔隙率和级配之间的关联模型，并提出了一种预测原位异质沉积物孔隙率分布的方法。使用获得的原位沉积物样本验证了该模型。最后，利用该模型探索了实际盐矿中沉积物的孔隙分布和整体孔隙率，评估了沉积物内的孔隙空间体积及其真实气体储存能力。这项研究提出了一种预测盐洞中沉积物级配和孔隙率的方法，为评估盐洞气体储存中原位沉积物的实际气体储存能力提供了理论参考。

章节摘录

材料获取

沉积物是由岩盐和夹层中可溶性成分溶解后剩余的不溶性物质积累形成的颗粒材料。盐层的地质条件和不溶性物质的含量显著影响盐洞气体储存建造过程中沉积物的形成和性质。本研究重点关注中国河南省平顶山市叶县盐洞气体储存的建造，使用了密封岩芯

级配预测模型的建立

为了验证利用沉积物孔隙空间进行气体储存的实际可行性，多年来国内外许多学者使用实验室制备的沉积物样本对沉积物孔隙率进行了广泛研究。孙等人[34]通过实验室实验发现，颗粒大小对沉积物孔隙体积有显著影响，不同颗粒大小导致孔隙体积变化约5-30%。这表明

孔隙率预测模型的建立

沉积物的孔隙率定义为沉积物堆积中未被固体物质占据的孔隙空间与沉积物总体积的比例。孔隙率的大小对于全面评估沉积物的气体储存能力至关重要，是评估盐洞气体储存除盐方案可行性和适用性的关键指标之一。因此，准确确定沉积物的真实孔隙率至关重要

模型应用

与欧洲和美洲的厚盐穹丘不同，中国的盐洞气体储存主要建立在湖泊沉积环境中形成的高杂质、薄层状盐构造中。因此，在洞穴淋溶过程完成后，大量不溶性沉积物残留在溶解洞底部，沉积物堆积厚度可能占据洞穴高度的一半以上，显著减少了

结论

本文基于层状盐矿的地质特征研究了沉积物的真实气体储存能力。通过沉积物颗粒筛分实验和孔隙率测试，确定了由岩盐和夹层形成的沉积物的颗粒级配，并测量了不同级配的沉积物孔隙率。建立了一个考虑地质因素的原位异质沉积物颗粒级配和孔隙率分布预测模型

CRediT作者贡献声明

谢东洲：可视化、形式分析。何涛：验证、监督。池子琪：撰写——初稿、方法论、调查、数据整理。蒋婷婷：撰写——审阅与编辑、项目管理、概念构思。廖有强：资源准备。杨天福：形式分析

未引用的参考文献

[24]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家科技重大项目（编号2024ZD1004300）、中国博士后科学基金会（编号2024M752503）和湖北省博士后项目（2024HBBHCXA081）的财政支持。