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氢能存储稳定性与结构优化研究基于盐穴储氢技术，提出THM耦合模型分析渗流场、温度场及应力场对围岩 pillars 的影响。研究发现氢渗流显著降低层间围岩强度，温度扰动影响范围小于6米，而平行四边形布局可提升 pillar 稳定性。
王晓|张贵民|李景江|徐明楠|黄亚帅|刘玉轩|黄思|陈龙|洪阳|刘晓毅|史希林|李银平
中国科学院岩石与土壤力学研究所岩土力学与工程安全国家重点实验室，中国湖北武汉，430071
摘要
盐穴氢储存被认为是大规模氢能储存的一个重要发展方向。与其他储存气体（如天然气或压缩空气）相比，氢具有分子体积小、动态粘度低和化学反应活性高等特性，这些特性可能通过渗流影响周围岩石的稳定性，尤其是洞穴支柱的稳定性。此外，氢的高频率和高强度注入-抽出循环对储存洞穴的热扰动比天然气更大。因此，开发了一个热-水-力（THM）耦合模型，以定量阐明氢渗流、注入-抽出引起的温度波动以及周围岩石应力对洞穴群支柱安全性的影响程度和空间范围。基于这些发现，优化了氢储存洞穴群的布局方案。主要结论如下：氢渗流对洞穴支柱有不可忽视的影响，导致周围岩石（尤其是夹层）的强度降低；尽管氢注入-抽出循环引起的热扰动会导致周围岩石的温度重新分布，但其影响范围有限，对支柱的安全性不构成显著威胁；坚硬的夹层是洞穴支柱中主要的受损区域，渗流会进一步降低其强度，因此在工程实践中需要特别关注这些夹层；在单个盐穴的资源利用相同的条件下，采用平行四边形布局可以提高氢储存洞穴群中支柱的稳定性。本研究的结果可以为大规模氢能储存提供有用的参考。
引言
氢作为一种清洁、高效且应用广泛的能源载体，在促进清洁、低碳和高效的能源利用方面发挥着关键作用，并有助于异质能源的跨区域和跨季节优化分配（Zhang等人，2025年）。氢储存是上游氢生产与下游氢利用之间的重要纽带，但它仍然是限制氢能产业高质量发展的瓶颈（Liu等人，2023年）。盐穴氢储存（SCHS）因其显著的优势而被认为是大规模氢储存的有前景的技术，包括较大的储存容量（Kumari等人，2023年）、高安全性（Xinxing等人，2025年）、低储存成本（Zhu等人，2024年）和优异的密封性能（Liu等人，2022年）。
风能和光伏等可再生能源具有固有的间歇性、波动性和随机性（Elberry等人，2021年），因此需要具有高强度和随机注入-抽出操作能力的氢储存洞穴。与天然气相比，氢的体积能量密度显著较低；因此，储存相同质量的氢需要更大的体积（Raj Thiyagarajan等人，2022年）。因此，单个盐穴通常难以满足氢储存需求，这促使人们建造洞穴群。
全球许多学者广泛研究了盐穴群中支柱的稳定性。Staudtmeister和Rokahr（Staudtmeister和Rokahr，1997年）通过对德国地下气体储存（UGS）洞穴的实证分析，提出了洞穴形状和支柱宽度的计算方法和设计标准。Wang等人（2015年、2016年）建议层状盐层中的支柱宽度应为洞穴最大直径的2.0-2.5倍，并建议在新洞穴靠近现有洞穴建造时，支柱宽度应至少为洞穴直径的两倍。基于中国盐层中大规模气体储存的特定特征，Yang等人（2016年）提出了一种紧凑的布局方案，即每组包含四个洞穴，同一组内相邻洞穴之间的支柱宽度为0.7D，不同组之间的洞穴之间的支柱宽度为1.5D。然而，对上述研究的回顾表明，他们的核心策略主要集中在增加支柱尺寸（即扩大洞穴间距）以减少相邻洞穴之间的干扰，这实质上是以牺牲采矿土地使用效率来换取更高的安全性。相比之下，在每个单独洞穴占据的采矿面积固定的条件下，如何通过优化洞穴布局的几何/拓扑结构来进一步提高盐穴氢储存群中支柱的稳定性，至今尚未得到深入研究。
关于SCHS中的热效应，B?ttcher等人（2017年）进行了热-力耦合数值模拟，分析了短期氢储存期间周围岩石的热力学响应。他们发现，随着注入-抽出速率的增加，洞穴内的温度波动显著增大。对于0.5 MPa/d、1 MPa/d和2 MPa/d的内部压力变化率，洞穴内的最大温差分别为13 K、22 K和32 K。Tian等人（2025年）使用理论分析和数值模拟系统研究了盐穴氢储存60年运行周期内的热-力耦合响应。他们的发现表明，尽管氢注入-抽出引起的温度扰动重新分布了洞穴壁周围的温度场，但受影响区域有限，明显小于洞穴直径的一半。Liu等人（2024a）使用理论分析和数值模拟研究了循环频率和注入-抽出速率对SCHS中温度场的影响。他们报告称，储存洞穴内的最大温差约为70 K，而温度扰动仅限于洞穴壁周围约6米的范围内，远小于洞穴的最大直径60米。
与天然气或压缩空气等气体相比，氢具有分子体积小、动态粘度低和化学反应活性高等特性，这些因素可能影响渗流并可能影响周围岩石的稳定性，特别是支柱的稳定性。关于SCHS的密封性能，Chen等人（2022年）的研究表明，垂直气体泄漏主要发生在洞穴顶部和底部，而水平泄漏主要发生在洞穴周边和支柱夹层。夹层的密封能力通常决定了整个洞穴的紧密度。Wang等人（2022年）强调，夹层内的渗透性和微孔隙位置对其密封能力有重要影响，建议特别关注这些夹层。Li等人（Peng等人，2024年）构建了一个三维垂直腔体模型，使用达西定律分析了氢、氦、甲烷和二氧化碳在层状盐穴中的泄漏特性。他们的发现表明，氢的渗流范围最大，泄漏率最高。Liu等人（2016年、2024b）通过数值模拟和实验室实验分析了最小、最大和平均内部压力以及注入速率对垂直洞穴密封性能的影响。他们的结果强调了夹层的渗透性和孔隙度是影响密封性能的关键因素。
尽管已有许多关于盐穴的热-水-力（THM）研究，但当氢作为储存介质时，仍存在显著差距。首先，氢的强渗流能力如何定量削弱支柱强度（尤其是夹层的强度）仍不清楚。其次，对于高频氢注入-抽出引起的强烈热扰动，其有效影响范围尚未量化。第三，盐穴氢储存设施的整体布局需要进一步优化。
在这项研究中，开发了一个THM耦合模型，以阐明渗流、温度和应力场影响支柱安全性的机制和程度。在此基础上，优化了氢储存洞穴群的布局。这些结果为大规模地下氢储存提供了指导和参考。
假设
- (1)
地质构造是一种异质的、各向同性的多孔介质，符合孔隙弹性理论和有效应力原理；
- (2)
洞穴内充满干燥的氢，地质构造中的氢渗流始终满足低速达西流动，不考虑热渗透和热过滤；
- (3)
忽略氢与地质构造之间的化学反应；
- (4)
假设盐穴内的氢的压力、温度和密度
应力场计算参数
本研究以中国江苏省的一个盐矿作为工程背景。根据该矿区的地质数据和现场声纳洞穴测量数据，计划用于洞穴建造的地层段的平均不溶物含量约为44.3%，沉积物的累积高度约占洞穴高度的80%。基于此，可以估计沉积物的膨胀系数约为1.8（Zhu等人，2024年）。
渗流场对支柱稳定性的影响
为了研究氢渗流对支柱稳定性的影响，建立了一个热-水-力耦合模型，并使用COMSOL Multiphysics进行了求解。模型设置如下：注入-抽出操作压力的上下限分别固定在覆盖压力的80%和30%；周围岩石的初始孔隙压力为大气压（0.1 MPa）；注入-抽出周期频率为每年一次。研究了两种情况——低渗透性和高渗透性。
适用性和扩展性
本研究基于中国江苏省的一个盐矿，但其适用性不仅限于该特定地点。它也适用于其他具有类似地质条件的国家或地区的盐穴氢储存。虽然不同国家或地区的地层和岩石力学参数以及洞穴形状可能有所不同，但控制支柱稳定性的核心物理机制和演变模式高度相似。
结论
本研究以层状盐层中的氢储存洞穴为研究对象，通过热-水-力（THM）耦合，阐明了渗流、温度和应力场对支柱安全性的机制和相对贡献；在此基础上，进一步优化了氢储存洞穴群的布局。主要结论如下：
- (1)
氢渗流对周围岩石的影响显著，不能忽视，因为它显著降低了
作者贡献声明
王晓：撰写——原始草案，数据整理。张贵民：撰写——审阅与编辑，资源管理，方法论，资金获取，概念化。李景江：撰写——审阅与编辑，方法论，调查。徐明楠：撰写——审阅与编辑，验证，调查。黄亚帅：方法论。刘玉轩：方法论。黄思：方法论。陈龙：撰写——审阅与编辑。洪阳：撰写——审阅与编辑。刘晓毅：撰写——审阅与编辑。史希林：
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
本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFB4007100）、国家自然科学基金（项目编号：52374069）、武汉市自然科学基金（项目编号：2024040701010062）、国家自然科学基金（项目编号：42177124）、中国科学院岩石与土壤力学研究所岩土力学与工程安全国家重点实验室开放研究基金（项目编号：SKLGME022011）和前沿技术研发的支持。
