综述：多孔介质中压缩空气储能的地质控制因素

《Geoenergy Science and Engineering》：Geological controls for Compressed Air Energy Storage in porous media

　　**里卡多·佩雷拉**
GeoBioTec，地球科学系，科学与技术学院，Quinta da Torre，2829-516 Monte da Caparica，葡萄牙

**摘要**
本文对控制非含水层多孔介质中压缩空气储能（CAES-PM）的地质要素进行了新颖而全面的回顾。CAES-PM被认为是一种有前景的方法，有助于实现可持续能源转型，因为它能够长期储存和利用能源，同时减少对化石燃料的依赖，并改善复杂能源结构下的电网管理。该综述基于经典研究结果、过去的CAES-PM实验以及最近的科学发展，采用基于案例的评估框架对构成地质能源系统的各个独立地质要素进行了全面分析。文中系统描述了储层、密封层、围堵层和储存条件，并分析了这些要素的主要组成部分，以解释它们如何影响储能的可行性以及如何为无偏见的储能机会评估提供依据。最后，讨论了主要挑战和未来的发展方向，包括盐穴储存与多孔介质储存之间的差异、与密封层完整性相关的技术问题以及流体与岩石相互作用的相关方面。本文旨在阐明CAES-PM如何成为现实，帮助研究人员、企业和相关机构更深入地理解并接受这一技术。

**1. 引言**
2015年，联合国大会在《2030年可持续发展议程》中确立了相互关联的可持续发展目标（SDGs）。其中，SDG7承诺“确保所有人都能获得负担得起、可靠、可持续和现代的能源”，这不仅为社会平等提供了机会，也为此提供了工具，以应对气候变化对电力供应的影响。事实上，全球范围内的能源获取已成为一个关键问题，如能源贫困或能源依赖被认定为需要关注的社会经济障碍，同时需要有效措施减少导致气候变化的全球排放（国际能源署，2021年）。尽管可再生能源的推广和应用日益增加，减少了了对化石燃料的依赖，但能源储存、电力供应的可靠性以及能源系统的韧性等问题仍然是最主要的挑战。在此背景下，储能长期以来一直被视为支持各国可再生能源需求的重要目标，尤其是在可再生能源占比较高的情况下保障电网稳定性（例如，国际能源署，2014年；EASE，2022年）。目前，多种储能方案在技术或经济上都是可行的。最常见的包括抽水蓄能（PHES）、电力转气体（Power-to-Gas）、压缩空气储能（CAES）、液态空气储能（LAES）、电池、飞轮和电容器（Aneke和Wang，2016年；Dodd斯和Garvey，2016年）（图1）。这些技术涵盖了化学、机械、电磁、电气或热能解决方案，各自具有不同的功率容量和放电时间，但成熟度各不相同（Schuth，2013年；Aneke和Wang，2016年）。这些方案的主要区别在于能量与功率的转换效率以及每种系统释放累积能量的时间。能够连续运行超过10小时且具有高可调度能量（>1MWh）的技术被称为长时储能（LDES）（Dowling等人，2020年；Twitchell等人，2023年）。长时储能技术包括使用氢气（H）、氨（NH3）和甲烷（CH4）作为化学储能方式的Power-to-Gas，PHES、LAES和CAES作为机械储能方式，熔盐作为热能储能方式，以及基于电机械原理的氧化还原流电池（图1）。

**2. 地下压缩空气储能**
地下压缩空气储能（S-CAES）是一种通过压缩大气空气并将其注入地下岩石中来储存能量的方法，尤其是在电力需求较低的时段（非高峰期）（Bauer等人，2017年）。在注入过程中，空气压力增加并积聚在地下大型储层中（图2）。随后，当电力需求增加（高峰期）时，储存的高压压缩空气被释放并通过地面上的涡轮机发电，供给电网。如果系统中发生热交换，热量散失到环境中，则该过程视为绝热过程；如果压缩过程中产生的热量被捕获并储存，则视为等温过程（Olabi等人，2021年）。对于先进的S-CAES系统，可使用来自可再生能源（风能、太阳能）的多余电力，并在分解过程中重新利用热量，从而实现零排放（例如，Kreid，1977年；Budt等人，2016年；Mozayeni等人，2017年）。

S-CAES作为一种已被证明有效的储能方案，不仅可以提供响应迅速且持久的能量解决方案，还能运行数十年，从而增强电网的稳定性（例如，Aneke和Wang，2016年；Budt等人，2016年）。其关键在于能够在完全停电的情况下通过重启孤立发电厂并逐步恢复电网服务的能力，这依赖于能够自启动的特殊发电机（Zhao等人，2022年）。这一挑战部分源于季节性因素导致的能源供需失衡：太阳能产量在高峰期激增，而传统电源的需求则急剧下降（通常称为“鸭子曲线”现象，Kosowatz，2018年；Medeiros等人，2022年）。

储存方案可以分为地表储层（如金属罐）和地下地质构造两种类型（Aneke和Wang，2016年）。尽管长期以来CAES并未受到太多关注，但这一概念并不新鲜。早在19世纪末，人们就已经将压缩空气的机械能储存视为一种可行的方案（Ayrton，1882年）。虽然能源利用方式的范式发生了变化，但压缩空气储能技术在多孔介质中的应用仍然具有现实意义（Oldenburg和Pan，2013年；Aneke和Wang，2016年；Budt等人，2016年；Carneiro等人，2019年；Mouli-Castillo等人，2019年）。

本文旨在：1）提供关于分析地下多孔岩石中压缩空气储能地质控制因素的最重要科学贡献的综述；2）提出一种适用于地质科学家和非地质科学家的明确方法来描述和分析CAES-PM；3）总结主要科学和技术挑战，并指出未来研究的方向。

该综述综合了已发表的科学和技术文献，重点关注表征储能系统各组成部分的地质因素和标准。在必要时，还参考了工程、经济或其他相关领域的文献，以补充基于地质学的分析。见解不仅来自针对多孔岩石储能的经典和最新研究，也来自其他地下储能技术（如二氧化碳或氢气储能）的研究成果。

首先，本文介绍了地下压缩空气储能的基本原理，强调了该方法的地质和操作限制。其次，总结了过去在多孔介质中进行的相关实验和研究，以展示当前的知识体系。接着，详细分析了储能系统的各个组成部分，包括储层、围堵层、密封层及其储存条件。最后，讨论了最重要的技术和研究挑战，为未来的发展和技术应用指明了方向。

**3. 总结**
本文综述了分析地下多孔岩石中压缩空气储能地质控制因素的最新研究成果，为地质科学家和非地质科学家提供了一种明确的方法来描述和分析CAES-PM。通过结合工程、经济和其他操作方面的内容，本文提供了对多孔岩石储能系统的全面理解。本文不仅借鉴了关于多孔岩石储能的经典和最新研究，还借鉴了其他地下储能技术（如二氧化碳或氢气储能）的研究成果。解决这些问题将在对来自可变（间歇性）可再生能源的电力供应需求不断增长的世界中推动成功。地质环境本质上非常复杂，必须考虑不同的方面，并结合不同地球科学领域的贡献（例如地质学、地球物理学、地球化学或地质力学），特别是在考虑在盐洞或多孔岩石中储存时。盐洞是通过溶矿建造的工程存储设施，用于大规模储存天然气、氢气或压缩空气等能量载体，利用蒸发岩的自然不渗透性（Aneke和Wang，2016；Budt等人，2016；Duffy等人，2023）。作为盐洞的替代方案，多孔介质中的压缩空气储能（CAES-PM）依赖于沉积层作为主要储存介质，通过向砂岩或石灰岩层中注入非反应性大气空气来实现（Allen等人，1983；Succar和Williams，2008；Bauer等人，2013；Mouli-Castillo等人，2019）。该过程旨在保留一定体积的压缩空气，使其从注入井扩散形成气泡（或“气柱”）。无论过程中考虑何种热力学条件（例如绝热、等温、等容或等压）（Olabi等人，2021），都需要实现储层温度和压力的平衡，以选择合适的涡轮机械设备，从而建成具有成本效益的集成系统（Kushnir等人，2012）。对于不同的CAES-PM解决方案，每种方案都需要专门的理解和分析，以便充分描述、建模和预测其有效性，最终为人口和经济活动提供可持续且具有成本效益的能源。在本研究中，倾向于使用多孔介质储存的原始术语（例如Allen和Gutknecht，1980；Bauer等人，2013；Wang和Bauer，2017；Heinemann等人，2021），而不是含水层储存（例如Braester和Bear，1984；Mouli-Castillo等人，2019；Li等人，2021b；Schultz等人，2023）。这样可以避免混淆术语含水层的含义，后者通常指任何可渗透的地下岩石（沉积岩、火成岩或变质岩），其中可自然流动饮用水，并可用于人类、农业或工业用途。在碳氢化合物或采矿行业中，含水层一词也有此用法，但它通常指充满淡水、微咸水或咸水的岩层单元。这种区分被认为是必要的，以避免误解，这些误解可能会影响公众看法或导致社会动荡。此外，由于枯竭或非商业化的碳氢化合物储层也可以作为CAES-PM的可能目标（例如Succar和Williams，2008），由于其流体性质，这些储层不能被视为适合人类饮用的含水层。Stottlemyre（1978）首次探讨了多孔岩层对于CAES的复杂性，后来Allen等人（1983）对此进行了扩展，Succar和Williams（2008）对其进行了更新。在这些研究中，明确了CAES-PM的最佳条件，并重点确定了实际操作阈值，如孔隙度、渗透性、储层和密封层厚度或注入压力限制。表1总结了这些参数，并在后续部分进行了详细解释。表1. 地质能源系统的要素，展示了评估多孔介质中CAES的子要素及其相应的定性和定量指标。这些数值仅用于一般参考，需要专门进行分析。改编自Allen等人（1983）、Succar和Williams（2008）以及Mouli-Castillo等人（2019）。

为了理解在多孔介质中储存空气的流体动力学，Meiri和Karadi（1982）建立了初步结论，表明储层渗透性与过渡区厚度和注入后的剩余水分成反比。Braester和Bear（1984）在此基础上进一步分析了空气-水置换及其与储层渗透性的依赖关系，以评估注入周期中的压力差异。Oldenburg和Pan（2013）的钻孔-储层模型强调了通过适当的不可渗透层密封的多孔储层可以实现的大规模能量储存能力，同时产生了较少的水。Guo等人（2016）分析了传统洞穴储存与多孔介质储存之间的热力学/流动行为，发现在合适的储层条件下，CAES-PM可以超越洞穴储存的潜力，气泡边界的渗透性对最终能源效率的影响较小。关于控制流动的储层属性的分析模型表明，渗透性和含水层深度与孔隙度、倾角和储存体积一起，是决定气泡质量的关键因素（Yang等人，2024）。随着地下CAES作为一种重要的技术出现，旨在减轻能源依赖性、稳定国家电网以及减少人类活动的碳排放，跨区域到区域的地质研究已经探讨了多孔岩层在能源组合中的巨大和可扩展贡献潜力（Dethlefsen等人，2013；Aghahosseini和Breyer，2018；Carneiro等人，2019；Mouli-Castillo等人，2019；Sopher等人，2019；Bennett等人，2021；Guo等人，2021；King等人，2021；Li等人，2021b；Cheng等人，2025）。对于在盐岩或多孔介质中储存的不同情况，S-CAES系统的能源效率研究显示往返效率的平均值为66-82%，与其他竞争性的LDES解决方案（例如抽水蓄能）处于同一范围内（Succar和Williams，2008；Mouli-Castillo等人，2019；Bennett等人，2022）。最近的多孔介质模型评估了连续能量排放量为3.0-6.7 GWh的情景，储存效率为53%（Gasanzade和Bauer，2025）。新型的联合电厂和地质储存模型表明，该过程的效率显著取决于地面设施的拓扑结构（绝热 vs 绝热），显示较低的质量流量倾向于产生更高的储存能力（Pfeiffer等人，2021；Gasanzade和Bauer，2025）。

压缩空气储能（CAES-PM）的概念长期以来一直受到评估，专用研究评估了其可行性，并促成了几个测试项目的实施（Berwig，1978；Allen和Gutknecht，1980；Allen等人，1983；EPRI，1993；Budt等人，2016）。随着这一概念的发展和实现，建成了两个开创性的传统CAES工厂，证明了该过程的可行性。第一个是在1978年的德国Hüntorf工厂，容量为290 MW；第二个是在1991年的美国McIntosh工厂，容量为110 MW，两者都利用盐洞储存注入气体，采用化石燃料支持的绝热CAES过程（例如Crotogino等人，2001；Budt等人，2016）。随着需要在绝热系统的膨胀半周期内消除化石燃料的燃烧，人们转向更可持续的绝热过程，新的实验计划或在多孔岩层中进行评估，尽管在商业和能量平衡方面取得的成功有限（Budt等人，2016；Donadei和Schneider，2016；King等人，2021）。然而，关于CAES-PM的试点或实际案例报道较少，也未进行系统比较（Evans，2022），因此在此简要描述。20世纪80年代，意大利的Sesta工厂在深多孔岩层中建立了25 MW的储存能力（EPRI-DOE，2003）。然而，可用信息非常有限，尽管有一些有希望的结果，但由于附近地热工厂引起的地震，其运营突然中断（？），导致储层受损。Pittsfield（美国伊利诺伊州）的测试旨在表征200米深砂岩储层在背斜构造中的地球化学和热流体动力响应，从1982年10月持续到1983年1月，后因经济原因关闭（EPRI-DOE，2003；Succar和Williams，2008及其中的参考文献）。尽管如此，该测试验证了在良好的多孔性和渗透性储层条件下可以实现5-9米的气泡（Davies，1983）。Sun等人（2023）使用等温系统对Pittsfield背斜注入进行了建模，通过恒定的注入和生产空气压力，证明平面层的气柱水平扩展可将能源回收效率提高80%。2003年启动的270 MW Iowa Stored Energy Park项目（美国达拉斯中心CAES-PM项目）旨在在Mount Simons砂岩的背斜构造中储存压缩空气，深度约为910米，允许长达16小时的放电时间（Succar和Williams，2008；Schulte等人，2012；Heath等人，2013）。然而，尽管经济分析有利，但由于孔隙度有限、储层渗透性低导致测试期间流动受限以及未预见的储层异质性，再加上帽岩泄漏的风险，该项目在2011年被认为不适合储存（Heath等人，2013）。此外，地下地震成像显示储存体积小于预期（Schulte等人，2012）。2010年，美国的PG&E公司在加州San Joaquin县计划通过绝热气体燃料过程在一个枯竭的气体储层中储存高达300 MW的能源，持续时间达10小时，评估了多个储存地点（King等人，2021；Medeiros等人，2022）。该项目的结果表明，必须安排空气注入/生产周期以避免系统中的甲烷过度流动，在形成气泡之前必须有效排出储层中的现有 Formation water，并且需要额外信息来全面表征渗透性（Medeiros等人，2022）。该作者还强调，注入液体与矿物的相互作用需要详细的岩石和地球化学表征，最终建议测试绝热条件。由于缺乏经济支持，该项目被取消。在中国，尽管可用信息有限，大唐项目计划在500米深处的一个多孔构造中储存900,000立方米的气体，通过5-8 MPa的运行压力提供300 MW的电力（Zhuang等人，2014）。

本文提出，要成功分析和实施CAES-PM，必须依赖四个主要要素，缺任何一个要素，有效的CAES-PM储存就无法实现。类似于对石油系统的统一分析（例如Magoon和Beaumont，1999），应用于CAES-PM需要调整地质能源系统的理解方法，因此必须包括以下独立要素：1）多孔储层，即能够将注入气体保持在他岩层空隙中的地质实体；2）密封层，指储层内保持流体的能力，其特征是存在垂直和/或横向不可渗透层（例如页岩）和/或地质屏障（例如断层）；3）陷阱，描述储层和密封层的共享三维几何形状；4）储存条件，具体包括温度和压力等深度依赖的子要素。综合这些要素，构成了在多孔介质中有效储存所必需的关键条件。如果缺少其中一个要素，储存潜力即为零。简而言之，CAES-PM的典型地下架构涉及在特定深度存在结构受限的多孔储层，提供适合注入、储存和生产的条件。可以认为，过去CAES-PM实验失败的一个常见原因是对地质能源系统关键要素的理解有限或未预见到的地质复杂性，如上述Sesta、Dallas Centre和PG&E项目的案例所示。下文将更详细地描述构成地质能源系统的各个地质要素，以提供一个有意义的视角，从而在评估CAES-PM机会时采用系统方法。这种分析遵循基于知识和数据的方法论，以Play Based Evaluation（PBE）工作流程为基础（Magoon和Dow，1994；Casanova等人，2020；van Unen等人，2026）（图3）。该框架不仅能够描述和评估单个储藏机会（或潜力），而且在针对一个地质单元（即一个或多个相关前景的“Play”）进行区域分析时，还可以作为一种强有力的筛选工具。这种分析需要通过连贯、无偏见且具有解释性的地质学、多尺度及多学科方法来进行，包括项目工程和经济评估。从地质科学的角度来看，从区域地质动力演化的见解到对局部沉积和构造特征的理解，最终到沉积物粒度的表征，这些都允许对地能系统进行有意义的描述和分析，并提供基于决策的成果。这些成果应包括总体沉积环境图、空间温度和压力梯度分析、地质单元体积、共同风险段（CRS）图、前景储藏量以及相关勘探风险（图3）。

图3. 基于地质单元的评估（PBE）工作流程，涵盖了从区域到前景级别的全面CAES-PM分析，结合了地质科学、能源分配系统、工程考虑因素和经济框架，以及数据驱动的成功概率。针对PBE中各个分析层次的主要建议分析元素和成果进行了总结。

在评估的不同步骤中，建议对地能系统进行越来越详细的评估，特别是在将其整合到能源网格方面的适宜性，同时进行所有尺度的经济分析。这个工作流程实际上代表了一个持续的评估循环，在这个循环中，额外的数据不仅会提高分析的细节水平，还会降低投资风险并增加项目的成功概率（图3）。

4.1. 储藏条件——为深度依赖性分析奠定基础
鉴于地下环境本质上复杂且往往不可预测，为了充分描述和建模复杂的地质参数和热力学条件，需要考虑深度依赖性因素。这包括对某一地区温度和压力（静水压力、岩石静压力和断裂压力）的清晰理解（图4），这些因素共同影响了研究能量密度和生产管理所需的可获取功率。

图4. 基于全球平均值的典型温度和压力（静水压力、岩石静压力和断裂压力）随深度变化的图形投影。水平虚线表示基于深度的运行可行性定性分析的假设范围。绿色阴影标记了CAES-PM的理论“最佳点”。

在这里，储藏条件被视为独立于地能系统的其他地质要素，因此应单独进行评估。虽然已知随着深度的增加，温度和压力通常会增加，但众所周知，在地下，各个层段会存在偏离区域背景的变化和异常，因此需要事先进行专门评估。

4.1.1. 深度
研究地下情况对于地能储存至关重要，深度作为一个基本参数，控制着其他变量，如运行所需的温度、地质力学应力，以及有效和安全的储层/密封压力边界（图4）。尽管无法定义一个确切的深度限制，但普遍认为在非常浅的深度（小于140米）时，热力学条件通常不足以实现足够的能量平衡（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年）（表1）。相反，温度和压力的直接关系可以为实现更高的能量密度创造合适的条件，从而将可能的运营范围扩展到更深的区域。尽管随着深度的增加这些变量会有所改善，但是否可以明确设定一个限制仍不清楚。理论上，可以考虑的最大深度为3000米，这一限制不仅受到工程和经济因素的限制，还因为随着深度的增加，储层系统可能会由于颗粒压实和成岩作用导致孔隙度/渗透性的丧失而严重退化，从而限制了储藏量和流体流动。然而，孔隙度随深度的减少并不是一个统一的阈值（参见下文关于储层质量-孔隙度的讨论）。可以定义一个理论上的最佳操作区域，介于800米到3000米之间，其中“最佳点”大约在1000-2000米（图4）。

Mouli-Castillo等人（2019年）对英国海外的区域评估表明，可以考虑最大深度为4000米。例如，在阿曼，深埋的寒武纪致密气藏即使在高温/高压环境和具有挑战性的地质力学应力下也能实现经济生产（例如，Moss等人，2018年；Pereira等人，2018年）。虽然从地质角度来看，深度达到4000米的CAES-PM在理论上是可行的，但相关的钻井成本可能过高，难以证明这种尝试的合理性。

4.1.2. 温度
储层处的温度（图4）是一个关键因素，对于准确建模S-CAES的热力学至关重要（Kushnir等人，2012年），这一点无论是盐洞储藏还是多孔介质储藏都适用。随着空气的压缩并注入深层储层，流体温度可以升高到相当高的水平（在现代压缩机中可达600°C），随后在生产阶段显著降低，并需要在进入涡轮机发电前进行加热（Wolf和Budt，2014年）。高温压缩最终会将热量传递到储层中，导致地层水蒸发并与注入的大气空气形成气体混合物。尽管某些压缩机能够在深部产生较高的注入温度，但这一过程可能会导致大多数多孔地层出现热破裂问题，因此先进的绝热CAES系统会结合热能储存来调节空气温度，以防止其在到达井口之前升高。

储层条件的热变化容易引起流体-矿物之间的地球化学相互作用，可能导致不必要的后果，从而影响整个过程。因此，已经考虑了替代的低温注入方案（Allen等人，1983年；Wolf和Budt，2014年；Wang和Bauer，2019年）。为了准确预测储层条件下的温度，必须评估一个地区的较广地热梯度，并考虑由局部地质异质性引起的任何特定温度异常。在大陆地壳中，温度随深度的增加而增加，假设的地热梯度为25-30°C/公里（Kolawole和Evenick，2023年）。然而，地热梯度会根据基底热流、岩石类型或循环的地层流体而在同一区域内显著变化。假设从平均地表温度15°C开始，使用这一梯度，估计1000米深的储层温度约为40°C（图4）。相应地，2000米深的储层温度为65°C，3000米深的储层温度约为90°C。尽管没有明确定义最大的操作储层温度阈值，但Allen等人（1983年）建议认为注入后的温度限制在200°C以内是适合储藏的。考虑到这一全球地热梯度，这些热条件不会被超过，从而支持可以将3000米作为适当的储藏深度（图4）。

然而，CAES-PM储层通常位于蒸发岩省（图5），因此必须考虑附近盐层的影响并进行相应建模（Jackson和Hudec，2017年）。盐层的高导热性会在邻近地层中引起异常温度现象，在盐层顶部和侧面产生温度异常，在盐层下方产生负温度异常（Mello等人，1995年；He等人，2017年；Raymond等人，2022年；Duffy等人，2023年）。这一因素可能对准确建模地热和S-CAES储藏的热力学条件产生显著影响，因此需要根据具体情况逐个评估特定地点的条件。

图5. 示意图展示了地下CAES的可能陷阱配置，特别突出了潜在的危险和/或常见泄漏点，并参考了工程化的盐洞、矿井和隧道。在分析CAES-PM的陷阱时，必须结合岩层和密封特性（不透水岩石或断层），以防止未经请求的流体泄漏，尤其是对于被断层围绕的储层。

最近关于盐层附近对流热传输和耦合流体循环的模型揭示了岩层金字塔几何形状和低渗透性岩层（顶部/侧向密封和内部岩层密封）的影响，这些因素会产生不同的对流单元（Canova等人，2018年），并对S-CAES机会的建模和利用产生显著影响。多孔岩层与盐层金字塔的接近可能是一个有利因素。随着来自附近或相邻盐层金字塔的热量增加，在较浅的深度可能会达到更高的温度，从而局部改变储藏条件。这里假设这种温度异常有助于降低地能系统的工作深度，最终降低CAES-PM的投资成本。

4.1.3. 压力
压力随深度的增加在很大程度上取决于一个地区的地质环境，但更显著的是取决于充满流体的岩层（无论是地层水还是碳氢化合物）的静水压力梯度及其岩石和上覆岩层的岩石静压力梯度（Tiab和Donaldson，2016年）（图4）。在追求等压储层并通过绝热过程运行时，注入压力和储层压力之间的平衡至关重要（Chen等人，2018年）。在McIntosh和Hüntorf的CAES盐洞中，工厂的注入压力在4.5-4.6兆帕之间，这与现有机械的能力范围3.9-5.0兆帕相匹配（Crotogino等人，2001年；Succar和Williams，2008年）。对于多孔岩层中的储藏，Allen等人（1983年）指出可以承受高达15.0兆帕的储藏压力，平均储藏压力在2到8兆帕之间。然而，这一观点主要反映了过去的知识和技术/工程限制，需要根据现代能力进行更新分析。

可以使用全球平均值来估算不同深度的储层压力。一个典型的静水压梯度为10.53千帕/米，岩石静压力梯度为22.7千帕/米，断裂压力梯度为11-21千帕/米，可以提供合理的近似值（EPA，1994年；Tiab和Donaldson，2016年）（图4）。相比之下，对于二氧化碳储存，为了防止破裂，储层的注入压力限制为17.9千帕/米，而对于密封岩层，这一限制可以达到28.6千帕/米，在安全范围内，从而允许更高的注入速率（Gasanzade等人，2026年）。考虑到这些指示性梯度，以及地下沉积物能够承受的更高注入压力，似乎可以在深埋的多孔岩层中实现更好的储藏条件。因此，可以假设在3000米深度以下，储层的最大安全岩石静压力约为55兆帕（在一些现代气体压缩机的限制范围内），这些条件允许实现更高的能量密度（图4）。

随着气体注入的开始，根据所采用的压力制度，静水压力可能会出现变化，监测压力梯度之间的变化至关重要。在评估潜在的CAES机会时，识别注入压力变化的相关性在于多孔储层储存压缩空气的能力，以防止超过岩石的岩石静压力，这可能导致不受控制的破裂（Tiab和Donaldson，2016年）。为了避免这种情况并超过岩石的破裂压力，Allen等人（1983年）建议注入压力不应超过当地初始岩石静压力的80%。对于这里提出的通用情况（图4），这个假定的最大岩石静压力限制可以作为评估CAES-PM机会的指导原则。

表1总结了CAES-PM的边界条件，但由于缺乏关于储层或密封层操作压力的最新具体研究，因此难以进行更深入的讨论。尽管如此，当前的知识和技术已经能够估算出深层地质储存的更广泛的操作压力范围，例如用于脱碳的二氧化碳注入或提高石油采收率的例子，为多孔储层和上方密封岩层中的空气注入提供了重要的建模边界信息（参见Shukla等人，2010年；Gasanzade等人，2026年）。类似于盐穴储存，其中盐的机械行为会显著响应岩石体积的周期性充放电（Han等人，2021年），在多孔地层中必须要考虑水静压力的波动，并对其进行建模以预测储层随时间的变化情况。此外，与碳储存地点一样，必须预测和监测储层的水静压力，以防止可能构成严重地质灾害的诱发地震事件（Vilarrasa等人，2019年；Ge和Saar，2022年）。因此，为了定义注入压力的限制，以防止储层或密封层发生不必要的水力破裂，必须充分评估其破裂梯度。与沉积盆地中的盐结核存在相关的关键方面在于，有可能将盐结核下方的岩层作为CAES-PM储层的目标（见图5）。在针对盐结核下方的多孔岩层时，常常会遇到钻井过程中遇到的超压盐层（例如，条带状构造），这些构造可能带来重大的地质灾害，甚至发生井喷。这些条带状构造是由于盐结核内的塑性变形从其原始较深位置位移而形成的，并且通常保留了其最初被埋藏时的异常高压状态。来自石油行业的显著例子，如阿曼的Ara盐田（Kukla等人，2011年），强调了通过高分辨率3D地震反射数据集进行专门分析的重要性，这有助于识别潜在的超压碳酸盐层。

4.2. 储层——我的空气储存在哪里？
储层的分析可以通过描述两个子元素来进行，这两个子元素有助于区分需要特别关注的不同组成部分，具体来说是通过描述它们的存在和性质。评估这些子元素将使我们能够以不同的置信度识别控制其范围、性质及相关特性的关键因素，从而为描述和选择合适的CAES-PM机会提供决策依据。

4.2.1. 存在
储层的存在在很大程度上受到与该地区外部条件相关的影响，特别是其地质动态演化和随时间变化的气候条件。从这个角度来看，详细了解该区域在哪个沉积环境中占主导地位至关重要，从更广泛的区域地层框架到特定岩层的详细岩石学特征（见图3）。
厚度：多孔储层的厚度变化很大，准确了解其垂直和水平延伸范围是必要的，因为这决定了可用于生产的气体气泡的总体积。现有露头、钻孔和地震反射数据集的信息对于准确估计有效储存体积至关重要。储层厚度最终取决于盆地内的空间容量、沉积物供应以及沉积系统的类型。尽管在定义储层的具体厚度方面存在不确定性，但至少需要6米（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年），最好是超过20米（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年），以容纳气体羽流的积累和高达数十米的操作气体柱（见表1）。对于砂岩或碳酸盐岩，必须考虑并评估不同的情景，因为这两种主要岩类的性质（例如，面积和垂直延伸、地球化学、成岩作用）对储存体积和流动特性的估计有显著影响。
岩石学：了解沉积系统是表征任何适合用于气体储存的岩类的关键方面之一（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年），沉积岩最终能够容纳大量的注入气体（例如，大气空气、二氧化碳或氢气）（Guo等人，2021年；Heinemann等人，2021年）。根据岩类的不同，需要详细关注不同的方面，因为这些因素将最终决定储层能够容纳多少气体、如何实现压缩空气的注入和生产，以及岩石物理性质如何影响过程的效率。然而，碎屑岩和碳酸盐岩具有不同的特征，这些特征可能会影响CAES-PM过程的成功，特别是其颗粒的性质及其对注入和储存效率的影响。虽然碳酸盐岩可以构成优良的储层，但成岩作用和内部相变会显著影响流体流动和储层质量预测，因此在体积估算之前需要特别关注这些方面。对于砂岩，控制储层质量的关键因素将主要取决于对其沉积系统的预期理解，以及这些因素如何影响储层的连续性，从而影响可储存和流动的净体积。Li等人（2022年）研究了概念化储层分层对CAES行为的影响，揭示了高渗透率层对能量生产的显著影响。

4.2.2. 质量
储层的质量评估基于对多孔岩石中流体流动方式的多种方面的分析。这些方面包括孔隙度、渗透性、成岩作用、地球力学性质以及可能的地球化学反应。
孔隙度：孔隙度是指岩石中存在的空隙体积的总和，对于沉积岩来说，主要取决于不同矿物颗粒的分布和性质（Tiab和Donaldson，2016年）。因此，根据分析方法（地质学、工程学等），孔隙度可以分类为不同的类型，包括：1）有效孔隙度，即相互连接的孔隙空间允许流体通过岩石流动，并排除可能被矿物相（例如，粘土结合水）所占据的体积；2）裂缝孔隙度，即毫米级裂缝之间的空隙空间；3）原生孔隙度与次生孔隙度，分别指孔隙空间是在沉积过程中形成的还是被破坏的，或者孔隙体积是否受到后续成岩过程的影响。沉积物中的孔隙度会随时间变化，当岩层埋藏在地下时，其值通常会减少，主要是由于颗粒压实和相关的成岩过程。然而，在深埋岩石中经常发现出乎意料的高孔隙度情况，这使得这一一般趋势更像是一个指导原则而不是严格规则，因为某些过程（例如，硅酸盐涂层、早期烃类沉积、以及砂岩中流体的浅层超压）可以保持最佳流动条件（例如，Bloch等人，2002年）。历史上，许多文献已经针对含烃储层讨论了这一问题，但最近也有新的研究专门应用于空气和氢气储存（Dethlefsen等人，2013年；Sopher等人，2019年；Gasanzade等人，2021年）。对于CAES-PM来说，通常接受任何孔隙度高于10%的岩类（Allen等人，1983年）作为最佳条件，但在低孔隙度（致密）储层中寻找气体时，可以接受5-8%的孔隙度值（见表1）。然而，在实施任何CAES-PM项目之前，必须对每个案例进行专门的孔隙度分析，并应通过露头对比、井心采样（如岩石物理插值分析）以及随后的储层建模来支持，以测试该过程的可行性。最终，这将提供可以注入储层的气体体积及其能量容量。
渗透性：岩石的渗透性指的是流体通过相互连接的有效孔隙体积的流动能力（Tiab和Donaldson，2016年）。渗透性取决于渗透流体的粘度及其与颗粒表面的相互作用（颗粒大小、形状、分选）、以及岩石的固结程度和胶结情况。在多孔储层中，渗透性值可能会有很大差异，砂岩或石灰岩的渗透性值可以从不渗透的岩石的毫达西到未固结沉积物的几达西不等（Tiab和Donaldson，2016年）。渗透性测量通过实验室程序使用露头样本或井芯获得，水平渗透性和垂直渗透性值用于了解流体如何通过岩层或在储层内流动。对于CAES-PM来说，如同其他含气储层一样，建议渗透性超过300毫达西，以确保注入和生产过程中的连续流动（Allen等人，1983年；Dethlefsen等人，2013年；Sopher等人，2019年）（见表1）。然而，由于岩石往往是异质的各向异性的，这里需要强调水平渗透性与垂直渗透性之间的关系（即渗透性各向异性），这意味着流体在某些方向上的流动比其他方向更容易，这是层状沉积岩（如砂岩）的特征（Clavaud等人，2008年）。尽管尚未研究CAES-PM的影响，但对于氢气储存而言，渗透性各向异性被认为对羽流稳定性和气体回收效率有显著影响，尤其是在高渗透性储层中（Liu等人，2026年）。虽然渗透性超过500毫达西的储层被认为质量优异（见表1），但这可能会带来问题，如水锥效应或气体突溢，最终导致储存效率降低。Pei等人（2015年）研究了渗透性对储层性能的热力学影响，得出结论认为工作流体的压力降与渗透性增加呈反比关系（即系统在与环境达到热力学平衡时所能做的工作量）。
成岩作用：沉积后沉积物中发生的所有物理和化学过程的总和称为成岩作用（Monta?ez和Crossey，2018年）。成岩作用是由多种水-岩相互作用、微生物活动的影响以及对压实的响应引起的，通过改变原始矿物组成形成新的稳定矿物。无论储层如何，成岩作用都会影响净储存体积和流体流动的能力，可能是增加也可能是减少。尽管沉积环境（例如，沉积环境、沉积速率、层序地层框架）对储层质量有共同的控制作用，但成岩过程往往对沉积岩的影响各不相同。硅质碎屑岩更容易发生压实、颗粒重排或胶结溶解/沉淀（例如，粘土形成、硅酸盐涂层），而碳酸盐岩则通常受到白云石化、化学压实、层理岩形成和喀斯特化的影（Gould等人，2010年；Worden等人，2018年；Worden等人，2020年）。成岩作用的影响可以通过在岩相显微镜下观察薄片或通过地球化学分析来评估。

地球力学：分析岩石的物理性质至关重要，因为它可以描述、量化并预测岩石在地下应力、应变、压力和温度变化下的变形或破裂行为（Bj?rlykke等人，2015年）。因此，从岩样进行的实验室测量和基于地震反射数据得出的复杂地球物理模型，可以评估不同的岩石物理性质，如弹性（杨氏模量和泊松比）、抗压强度或抗拉强度、岩石破坏参数、压缩性和原位应力估计（Avseth，2015年；McPhee等人，2015年）。地质力学分析的应用对于优化水库的注入-生产策略至关重要，因为认识到静水压力和岩石静压力梯度的变化会影响多孔层（Bj?rlykke等人，2015年）。此外，地质力学在应对潜在的地质灾害方面也证明了其必要性，并已被广泛用于孔隙压力预测、减轻与超压水库、密封失效、裂缝和断层建模、钻孔完整性或诱发地震相关的风险（Avseth，2015年；Bj?rlykke等人，2015年；Gasanzade等人，2019年；Eyinla等人，2020年）。生物和地球化学反应：随着大气空气被注入多孔岩石中，预计会发生新的地球化学反应，并与储层中所有现有的组成部分相互作用（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年；Oldenburg和Pan，2013年），即注入的大气空气、岩石的特定矿物组合、地层流体以及任何细菌含量。根据深度处的温度和压力，这将产生气体羽流与水垫之间的流体混合物，以实现化学平衡，从而影响最终混合物的pH值和盐度（Wang和Bauer，2019年）。与流体混合物同时，注入的气体羽流可以通过氧化或水解过程促使某些现有矿物溶解，最终可能导致孔隙空间堵塞，降低储层的充填和卸载效率。最常见的矿物反应包括黄铁矿氧化为赤铁矿、方解石氧化为石膏，并释放大量硫，这也可能加剧流体的酸化（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年；Wang和Bauer，2019年）。在砂岩中存在碱性长石的情况下，水解过程可能导致新的粘土矿物（如高岭石、伊利石、蒙脱石）的形成，这些矿物随着时间的推移会降低储层的孔隙度和渗透性（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年）。然而，关于这一主题的详细了解仍然不完整，需要进一步的研究（Zheng等人，2025年），这将在后面讨论。

4.3. 储存陷阱的评估——除了对储层的存在和质量进行表征、测绘和建模外，还需要识别储层陷阱，以评估影响压缩空气储能（CAES-PM）最终能量容量的几何特征。陷阱是沉积和构造过程共同作用的结果，形成了不同的地层结构（图5）。与密封元件一起，陷阱必须在空间上得到限制，以防止其侧面（泄漏点）或通过断层发生泄漏，从而提供一个可评估和建模的较大体积的多孔岩石，以计算可注入和处理的天然气量。

4.3.1. 陷阱特征
与碳氢化合物储层类似（例如，Magoon和Beaumont，1999年），可以考虑多种储存配置，包括构造陷阱和/或地层陷阱（图5）。这些通常包括背斜、断层块、盐页岩陷阱、地层最高点（例如，截断、封闭通道、尖灭陷阱、渗透性陷阱），每种结构都需要基于地球物理方法和钻孔信息进行详细表征。在世界各地的许多沉积盆地中，蒸发岩沉积和盐构造不仅在控制陷阱结构方面起着重要作用，还与相关的沉积系统有关（例如，Gee和Gawthorpe，2006年；Gamboa等人，2010年；Giles和Rowan，2012年；Jackson和Hudec，2017年）。蒸发岩的沉积和演化还控制着盐下沉积物可能的密封配置，要么提供有效的不透水层来容纳任何流体，要么促进通过盐层之间的泄漏（例如，Jackson等人，2014年）（图5）。

4.3.2. 封闭体积
可以通过应用多种方法来估计用于天然气注入的储层总体积，这些方法通常包括重力场数据（重力测量、磁性、电磁学）、二维和/或三维反射地震，并通过该地区的现有钻孔数据进行校准。目前，随着三维反射地震数据的广泛应用，特别是对于涉及外来盐体、盐层内层理或岩浆特征的复杂地质环境中的储层，可以实现高分辨率的地下成像（Jackson等人，2010年；Jackson等人，2015年；Planke等人，2015年；Davison等人，2017年；Pereira等人，2022年）。现代地震采集技术（例如，宽方位），加上强大的处理和重新处理地球物理工作流程，可以去除多次波、声学噪声或其他迁移伪影，为陷阱的几何形状、分隔和扩展提供清晰的信息，从而支持多尺度储层模型的建立（例如，Ringrose等人，2008年）。封闭体积和能量容量估计的准确性取决于附近井的存在，这些井用于时间-深度转换和校准岩石属性，以预测有效储藏体积，从而支持后续的流动建模、工程约束或经济分析，以评估项目的可行性。这在考虑利用枯竭的碳氢化合物储层或干旱（油/气饱和度很低）勘探前景的CAES-PM时尤为重要（例如，Medeiros等人，2022年；Aghababaei和Sedaee，2025年），这些地方通常有宝贵的现有数据集，可以减少分析的不确定性和最终的投资成本。类似于估算储层中碳氢化合物的体积（例如，Rose，2001年），可以通过结合其厚度和面积扩展、净体积与总体积的比率、孔隙度和几何因素校正来初步计算CAES-PM的体积。因此，通过计算有效储藏体积并结合气体饱和度，可以估算出储存的空气量，并通过乘以能量密度（kWh/m3）来估算CAES-PM的最大能量容量。

4.4. 密封——确保注入空气的保留
对于CAES-PM来说，一个关键方面是确保注入的空气不会泄漏到其他地方。评估密封单元的存在及其有效性将保证过程能够充分发挥其潜力，同时保持注入空气在整个充电和放电阶段的质量平衡。

4.4.1. 密封单元的存在
优质的密封特征，无论是不透水的岩石还是断层，都必须结合其相对扩展和适当的厚度，但最重要的是非常低的连通孔隙度和渗透性，以防止流体通过矿物颗粒的孔隙通道，从而确保空气在储层内的保留。与用于碳氢化合物生产或二氧化碳或压缩空气储存的密封岩石一样，多孔层中最常见的岩石类型包括泥质层（页岩）或盐蒸发岩（图5），尽管在某些情况下，其他岩石（如不透水的沉积单元或岩浆岩，例如玄武岩）也可以作为有效的密封层（Downey，1994年；Espinoza和Santamarina，2017年；Heinemann等人，2021年）。根据与整体陷阱结构的几何关系，密封岩石可以分为顶部密封层（覆盖储层）、侧向密封层（界定储层边界）或形成体内密封层（作为储层内流体流动的屏障）（Downey，1994年）。另一方面，断层也是常见的密封特征，尤其是在受构造影响的侧向边界地层中，因此需要在任何气体注入之前对其进行专门分析。断层边界地层或地层陷阱依赖于储层、陷阱和密封特征之间的复杂几何关系，需要在任何气体注入之前进行专门分析。

4.4.2. 密封效果
可以使用地球物理方法（例如，地震反射、侧扫声纳）来评估密封单元的效率，其中不同的指标可能揭示古代或“最近”的流体泄漏证据，例如海上环境中的凹陷、气烟囱或泥火山（例如，Hovland等人，2002年）。垂直和侧向连续性、岩石纯度、渗透性、孔隙通道结构、流体扩散或最大破裂应力和压力等因素最终决定了密封单元的适用性（例如，Zhang等人，2024年）。重要的是，穿过密封岩石的断层可能提供泄漏路径，这会降低储存过程的效率，并可能导致气体逸出到上覆岩层或现有的含水层中供人类使用，或者释放到地表，这可能构成地质灾害（例如，Gamboa等人，2019年；Gasanzade等人，2019年）（图4）。评估和理解密封效果依赖于足够的厚度和侧向扩展，以防止流体从储层中泄漏。然而，这些参数的确切值，尤其是密封层的厚度尚不可得，因此使用这些参数应仅作为初步评估的标准（表1）。目前的知识表明，必须进行特定情况的分析，以详细评估确保储存气体不会通过密封层泄漏的多个方面，以免对环境和/或人口造成伤害。尽管如此，可以认为最小厚度为6-10米，垂直渗透性小于10? mD（Allen和Gutknecht，1980年；Succar和Williams，2008年），尽管其他作者建议安全地质储存的最佳厚度应在数十米范围内（表1）。适当的储存条件还要求密封层能够承受储层压力，而不导致盖层发生机械故障。同时，必须确保流体不会通过毛细作用穿过密封岩石，因此建议最大阈值压力（即空气开始排替水的压力）高于5.5 MPa（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年）。此外，还需要解决流体通过断层泄漏的风险（图5）。地下应力场下的岩石会断裂并形成断层，这些断层的破裂面会研磨矿物，使其成为流体流动的通道，或者被细小的地质物质（例如粘土）填充，从而产生渗透率异质性和各向异性，影响流体流动（Bense等人，2013年）。应用4D时间延迟地震（即在同一位置重复进行三维地震勘测）将提供关于气体羽流随时间变化的分析，并验证密封单元是否按预期发挥作用，或者是否发现任何泄漏（Chadwick等人，2005年；Sambro等人，2020年）。专门分析密封效果，如断层叠置、密封层比或原位应力，对于充分评估可能的流体泄漏至关重要，这种工具已被证明在碳氢化合物勘探或气体储存的决策制定中提供了足够的支持（Bretan等人，2011年；Miocic等人，2016年；Davis等人，2024年），因此在CAES-PM选址时不可或缺。

5. 挑战和未来研究方向
地下CAES被认为是应对预见的能源网格不稳定、能源依赖性和对气候变化的人为排放的关键方法（Bauer等人，2013年；IEA，2014年；Donadei和Schneider，2016年；Zhao等人，2022年）。准确评估CAES-PM的地质控制因素主要依赖于对构成地能系统的多个地质要素的理解、描述和建模。特别是在应用PBE工作流程时，需要将能量容量估算、工程解决方案和经济假设在整个评估过程中无缝整合（图3）。然而，还有一些额外的方面需要深入分析，以减少不确定性，特别是与地质灾害、科学挑战或最新技术相关的不确定性，这些因素有助于CAES-PM项目的实施。

5.1. 多孔介质与盐洞
两种主要的利用压缩空气在地下储存能量的方法已经被实施，一种是使用工程盐洞，另一种是使用多孔层中的储层（例如，Donadei和Schneider，2016年；Aghahosseini和Breyer，2018年）。虽然这两种方法都针对地下环境，但地质复杂性不同，需要独立分析。与最常见的描述不同，盐柱中的盐通常被描绘成一个均匀的“团块”，周围环绕着层状结构。然而，来自石油和采矿行业的经验表明，盐内部的复杂性远比人们普遍认知的要重要得多，这常常引发严重的工程问题（Strozyk等人，2012年；Jackson等人，2015年；Duffy等人，2023年；Minougou等人，2023年）（图6）。应对能源转型和利用盐洞储层的挑战是一个正在讨论的话题（Duffy等人，2023年），关键的地质不确定性最终与可以安全储存在工程腔体中的压缩空气量有关。这些问题包括：在多次注入/生产循环后，盐洞的机械稳定性如何；以及控制该过程热力学的热条件（Li等人，2021a）。与多孔介质中的气体储存相比，使用盐柱作为储层可能还存在一个主要障碍，即难以准确成像盐层内部特征，而这些特征容易引发额外的地质灾害。例如，可能存在过压层，对穿透这些层的钻孔构成喷发风险；还有岩浆侵入体，或者意外溶解的蒸发岩脉（如钾镁矾），或者横切盐柱的层状结构，导致与附近多孔层的连通（Kukla等人，2011年；Strozyk等人，2012年；Schofield等人，2014年；Davison等人，2017年）。

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图6. 典型断层-背斜陷阱的示意图，用于CAES-PM。主要的技术和地质挑战用红色标出，可能引发地质灾害的情况用粗体标出。

另一个区别盐洞和多孔层的方面是有效储存体积及其总体能量容量。在盐洞中，典型的储存体积在100-500×10^3立方米范围内（取决于单个盐洞的体积和总数量），而对于多孔储层，单个地质体的储存体积可以大得多，例如Norton CAES-PM试点项目的储存体积为9.6×10^6立方米（King等人，2021年）。此外，建设盐洞的成本较高，需要长时间溶解盐层（随后需要安全处理或重新利用副产物盐水），才能达到所需的储存容量，从而实现有效和高效运行。这与使用CAES-PM作为更快解决方案、以减少工程限制或环境/社会影响的可能性形成对比。综合这些因素，可以认为CAES-PM成为安全储存能源的一种更具成本效益的方法（Matos等人，2023年；Komba等人，2025年）。此外，关于人类如何提前规划地下资源的利用问题也至关重要，尤其是在当前地下资源受到密切关注的情况下，不同的地质储存方案（如二氧化碳储存、氢储能、天然气）都在争夺同一地下储层。所有相关利益方（政府、企业和公众）需要就如何推进S-CAES或其他解决方案进行包容性的讨论。

5.2. 地质灾害
与任何地质储存工业活动一样，CAES-PM也可能引发一系列特定的地质灾害，必须识别这些灾害并采取适当措施来减轻其对环境和社区的影响（图6）。从地质学角度来看，已经发现了一些限制CAES-PM应用的因素（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年；Grubelich等人，2011年；Guo等人，2021年）。在枯竭的石油和/或天然气储层中使用CAES-PM时，其影响仍不完全清楚，需要根据地质能源系统的储存条件进行评估。尽管这些储层通常被认为是合适的储存场所，但即使残留的碳氢化合物饱和度较低，也可能限制其适用性。对于石油或沥青的存在，它们会降低孔隙度，因为两种不同的流体最终会流经孔隙（图6）。在高温下注入空气时，由于粘度降低，粘稠的油滴可能会开始流动，导致孔隙堵塞，进而降低渗透性，从而限制注入量、储存容量和/或产量。此外，石油分子通常含有硫、金属或其他元素，与空气的相互作用（即使含有少量水分）也可能产生腐蚀性化合物，影响生产井的金属套管。更重要的是，在枯竭的天然气储层中，空气与天然气的混合可能会增加现场燃烧或地表易燃性的风险（Stottlemyre，1978年；Succar和Williams，2008年；Grubelich等人，2011年）。尽管如此，饱和度非常低的非商业性天然气发现或高度枯竭的天然气储层（<1%）仍可考虑用于CAES-PM，因为尽管它们的粘度和流动性不同，但仍可以冲洗掉剩余的天然气（表1）。然而，必须进行严格的试验以评估空气/天然气混合物的可行性。

最近的一个引人关注的话题是与气体羽流生成时压力积聚相关的诱发地震风险（图6）。当加压流体注入储层时，孔隙静水压力会增加，可能超过附近非活动断层的库仑应力，从而引发潜在危险的地震（Ge和Saar，2022年）。鉴于地质能源储存的周期性特点（每天/每个季节都有多次注入和生产过程），这种效应变得更加显著。Naderloo等人（2023年）分析了引发地震的多种水力学过程，发现孔隙流体压力扩散、孔隙弹性应力和库仑静态应力传输共同作用会导致断层滑动。这些作者指出，通过二氧化碳储存的经验以及专门的监测，可以在不诱发明显地震的情况下安全地进行操作。对于二氧化碳储存，注入通常是单向的，压力积聚需要较长时间，但没有气体循环；而对于CAES-PM，储层的周期性充放电过程预计会导致储层岩石的疲劳。虽然已经对盐洞中的地质疲劳效应进行了评估（例如Li等人，2021a；Wang等人，2022年），但对于多孔岩石，其工作极限尚未完全了解。

监测与大气气体注入相关的微地震、地表沉降或水力压裂在世界各地的多项案例中已被证明是有效的，应在评估地下CAES的过程中尽早实施。但如果居民感受到这些现象，可能会显著削弱该技术的预期效益，并导致社会和政治上的反对（Vilarrasa等人，2019年；Omojola和Persaud，2024年）。在任何注入操作之前，需要确定当地的地震基线，以准确识别该地区的应力状态。随后，随着气体羽流的积累，监测任何地震事件可以量化并分析其有效性，确保操作在预定义的安全范围内进行。

另一个需要专门分析和研究的方面是注入或生产阶段地面脉动的效应。在长时间内，地面运动通常在毫米级别以下无法察觉，需要采用地面监测方法，如大地测量调查和遥感技术（如InSAR和LiDAR），以及被动方法（如多光谱和超光谱成像），这些方法可以提供宝贵的时空信息，用于监测地下设施（Kaczmarek和Blachowski，2025年）。随着最新技术的出现，包括使用卫星数据或无人机提供可访问的监测工具，结合机器学习和复杂的地质统计模型，预计可以进行及时和严格的监测，特别是在风险较高的居民区。

5.3. 密封完整性
在注入气体的储层中，需要特别注意静水压力和岩石静压力的微妙平衡，以评估其密封条件的完整性，无论是顶部密封还是侧向或层内密封（图6）。通过高分辨率地震调查可以识别流体泄漏的迹象，寻找气体烟囱、喷发型管道、泥火山或坑洞的迹象，这些现象通常出现在不透水岩层之上（Cartwright和Huuse，2005年；Behbehani等人，2019年；Foschi和Van Rensbergen，2022年）。这种分析需要结合解释密封单元本身，使用3D地震数据集绘制微小断层的地图，以揭示流体泄漏的潜在路径。同样的详细分析也必须应用于侧向密封或作为流体流动屏障的断层，因为这些断层最终可能导致注入流体泄漏到邻近层中，从而影响储存过程（图5和6）。从二氧化碳储层中的经验可以看出（Shukla等人，2010年），CAES-PM需要专门分析一些方面，包括盖层或其他可能与储层水力连接的断层的可能重新激活、盖层的剪切失效风险、水力压裂的风险，或者毛细膜密封压力的突破。

在盐层密封的储层中（图5），重点应放在识别盐焊接处，即蒸发岩完全垂直或水平移动的区域，这些区域形成了水平（主要焊接）或垂直表面（次要焊接），连接不同层并允许流体在其间流动（Rowan，2004年；Jackson等人，2014年）。这些特征可以在地震反射调查中观察到，尽管数据集的低分辨率可能会影响其检测，从而影响CAES-PM的可行性，因为可能导致储层压力损失和空气的不受控制的迁移以及气体羽流的意外扩散。

5.4. 无控制的储层破裂
水力压裂是一种广泛应用于储层的技术（无论是充满碳氢化合物的储层还是用于地热能生产的储层），这些储层的渗透性较低，初始商业流量不足。尽管行业标准很高，但仍有一些执行不力的情况报告，导致多种有害后果，包括污染供人类使用的含水层。虽然在CAES-PM中注入的流体无毒，但我们不能排除对附近饮用水含水层的可能负面影响。如果超过储层或密封层的岩石静压，可能会导致注入孔附近的岩石无控制地破裂（图6）。虽然由此产生的裂缝不会扩散很远（通常在几米范围内），但富含氧气的注入流体混合物可能容易渗透透过层状结构或断层，引发不必要的地球化学反应或微生物活动（图6）。储层的无控制破裂还可能损坏岩层，导致渗透性降低，使部分储层不再适合储存。这可能包括形成新的、未经计划的裂缝网络，这些裂缝在储层压力释放时会在循环过程中闭合。然而，CAES-PM中的破裂效应尚未得到充分研究，需要未来进一步的研究来防止对钻孔稳定性和公众认知的任何危险。

5.5. 流体-岩石相互作用
值得一提的是，大气空气主要由氮气（约78%，N）和氧气（约21%，O）组成。其余成分包括氩气（约0.93%，Ar）和二氧化碳（约0.04%，CO2），以及其他微量元素，如氖（Ne）、氦（He）、甲烷（CH4）或臭氧（O3），以及可变百分比的水蒸气（H2O）。最终，在适当的温度、压力或pH条件下，所有这些成分可能会与构成岩石及其流体的不同矿物质发生反应。类似于储存氢气或二氧化碳时发生的化学反应（例如，Braid等人，2024年；Zheng等人，2025年），预计在将大气空气注入多孔储层的过程中，一些反应可能会发生，并在一定程度上改变原始的的地层水成分，并与岩石中的活性矿物质发生相互作用（Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年；Wang和Bauer，2019年）。这种现象在气体羽流形成的早期阶段尤为显著，尤其是在井筒周围（图6）。然而，在Pittsfield CAES试点项目中注意到一个值得关注的问题，即某些流体-岩石地球化学反应导致空气羽流中的氧气被消耗（Kushnir等人，2012年；Guo等人，2021年）。研究指出，在注入6个月后，氧气含量减少到初始值的一半左右，这一效应归因于亚氧化物矿物或硫化物的氧化，影响了生产过程中的燃烧效率，尽管这种效率下降并未被视为主要限制因素。随着时间的推移，加压空气可能会将部分地层水排走，在储层顶部和与密封单元的交界处形成一个稳定的“气泡”。如果存在水，这一过程可能导致某些矿物相的氧化，特别是沉积物中的富硫矿物（如黄铁矿、方铅矿），最终可能产生有毒或腐蚀性的硫化氢和/或硫酸盐，从而对井筒的某些金属合金产生影响（Allen等人，1983年；Rimstidt和Vaughan，2003年；Succar和Williams，2008年）。同样，常见于碎屑沉积物中的其他矿物（如富含Na、K、Ca或Mg的长石）也可能与液态或气态水发生反应，结果各不相同。Zheng等人（2025年）的最新实验室分析表明，向富含长石的砂岩中注入空气可以导致钠长石溶解，从而提高孔隙度和渗透率，这对储层性能有积极影响。然而，虽然溶解钠长石（或其他矿物）可以增加孔隙度和渗透率，但流体-岩石相互作用引起的水解反应也可能导致细颗粒迁移和孔隙堵塞，进而降低流动和储存效率（Stottlemyre，1978年；Allen等人，1983年；Succar和Williams，2008年）（图6）。对于碳酸盐岩，酸性流体循环导致易溶性矿物（如方解石）溶解，并在可用孔隙空间或裂缝中沉淀出新矿物形式，可能会影响生产效率。因此，在考虑注入前需要对储层中的矿物组合进行详细分析。

另一个需要研究的方面是CAES-PM对接触盐岩穹丘或在其附近的地层的影响。在这种情况下，地层水可能会富含由蒸发岩矿物（如盐岩、石膏、钾镁矾）溶解产生的化合物，这些化合物容易重新激活原本稳定的矿物及其化学元素，从而在储层内引起再沉淀，随着时间的推移可能阻碍流体流动（如Pittsfield试验所报告的那样（Succar和Williams，2008年）。与CAES-PM系统相关的细菌活动可能较低，因为储存在地下空气由于压缩过程中产生的高温而较为干燥。然而，在气体羽流形成的初期阶段，注入的空气会渗透通过储层中的含水孔隙，如果气体混合物中含有一定比例的水蒸气，则可能为细菌的生长提供条件。在800米以下的较浅深度，初始储层温度通常低于40°C（图4），这种情况下某些细菌仍然可以存活，或者可能通过地表污染引入细菌。在更深的储层中，随着温度升高，细菌生长的可能性显著降低，但并非完全不可能（Krumholz，2000年）。研究表明，在一些年轻的富有机质沉积物（如页岩或含煤地层）中，细菌可能会存活，因此必须对此问题进行评估，因为具体的生化条件可能知之甚少，可能会引发不可预测的反应，影响整个过程。这也适用于发电用的涡轮机，因为膨胀过程中产生的残留水分冷凝可能会在设备表面引发细菌活动，从而影响运行。最终，空气混合物中的不同化学元素如何与矿物质或生物成分发生反应，从而影响CAES-PM的储存和生产过程，是一个亟需研究的知识空白。

通过将大气空气压缩储存在地下多孔层中来实现能源储存被认为是一种重要的技术发展，它能够提供长时间的能源储存和可靠的零排放电力供应，有助于减少对化石燃料的依赖，并降低全球许多地区的能源贫困程度。尽管在模拟各种先进的绝热情景、相关的能量平衡以及促进压缩空气储能（CAES-PM）广泛应用的经济指标方面取得了显著进展，但对控制该技术的地质因素的理解仍然存在局限性和知识空白，这些因素最终可能阻碍未来的成功实施。通过全面的最新研究总结和基于案例的评估流程，本文揭示了支撑地质成功的独立要素，包括：1）储层本身、2）密封系统、3）捕获机制以及4）储存条件。通过系统地分析和描述这些要素，可以清晰地理解地能系统的质量特征，并为决策提供准确依据。控制CAES-PM系统效果的关键因素主要是取决于地质深度的储存条件（温度和压力），以及储层的沉积特性和质量，这些因素需要在其他工程、经济或能源分配考虑之前进行评估。充分了解储层的保持特性（如密封单元的类型和有效性），结合对捕获构造和体积的深入了解，最终决定了地下储存的整体能量容量。对当前科学未知领域的分析表明，未来成功的CAES-PM项目所面临的重大地质挑战主要集中在：a）深入研究注入空气与宿主岩石之间的地球化学/生物相互作用；b）建立保障储层和密封系统完整性的地质力学约束基础；c）调查可能影响人类活动和环境的任何相关地质灾害。随着对地下基础设施的严格审查以支持可持续能源转型，以及多孔层或盐岩穹丘作为关键地下储层的作用，需要一个统一的分析框架。这篇综述有助于确定基于地质科学的战略决策标准，以指导如何利用地下空间进行地能和地质储存，从而有助于未来电网的负荷管理。基于这一综合分析框架，所提出的地能系统分析方法不仅适用于全球的沉积盆地，也适用于其他类型的地下多孔岩石储层，包括二氧化碳或氢气的储存。