为了实现2050年的净零排放目标，人们探索了新的低碳能源技术，如太阳能、潮汐能、风能、地热能、生物质能和氢能[1,2]。其中，氢（H?）因其同时作为燃料和可再生能源储能介质的能力而受到广泛关注。其高比能量（141.9 MJ/kg）超过了多种传统燃料，加上清洁的燃烧特性，使其成为降低碳排放能源系统的理想选择，适用于交通、工业应用和电力生产等多种领域，并且具有较低的温室气体排放率[3]。然而，尽管氢能具有巨大潜力，但其发展面临两个主要挑战：(i) 实现具有成本效益的氢生产；(ii) 确保安全、大规模的储存。
第一个挑战是氢生产的高成本和高能耗特性。传统的氢生产方法（如常规蒸汽甲烷重整）虽然效率很高，但碳强度很高，与长期脱碳目标不兼容。通过电解从可再生能源生产氢气可以实现接近零排放，但成本较高。其他技术（如甲烷热解和天然氢生产）虽然提供了低排放的解决方案，但尚未成熟到足以大规模生产氢气[2,4,5]。第二个挑战与大规模氢储存相关的技术和安全问题有关。由于氢在标准温度和压力条件下的密度较低，需要非常大的体积来储存氢气（每千克氢气需要11立方米的空间）[6]。虽然储存压力增加可以提高储存效率，但储存压力最终受到储存容器机械强度的限制，实际可行的压力范围为350至700巴[7]，这仅适用于小规模的氢储存。其他储存方法（如低温储存）成本极高且能耗大，因为氢的沸点非常低（-252.8°C），因此需要大量能量来液化和维持低温[7]，从而降低了其经济性。除了技术和经济挑战外，上述地表储存方法还存在重要的安全问题，包括氢泄漏、材料降解、高易燃性和爆炸风险，可能导致不良后果[8,9]。因此，包括盐洞、含水层和枯竭的碳氢化合物储层在内的地下储存方法变得越来越有吸引力，因为它们能够在较低成本下储存更大体积的氢气，并且相关的安全风险更低。
鉴于已证明的储存和containment能力、丰富的地下数据集以及现有的基础设施，枯竭的碳氢化合物储层成为地下氢储存（UHS）的一个特别有前景的替代方案。数十年的成功碳氢化合物储存经验证明了它们的储存能力和containment完整性，增强了人们对围岩天然密封能力的信心。此外，其地理灵活性以及全面的地质、岩石物理和运营数据的可用性，使得选址更加可靠，储层建模更加精确。同时，现有井、地面设施和基础设施的存在显著降低了UHS项目的成本[10,11]。然而，尽管这些结构在理论上具有储存氢气的潜力，但在重新利用之前仍需解决一些关键问题，例如氢气扩散导致的损失以及与地下岩石、流体、井筒材料和微生物反应过程中的消耗[6,12]，以及氢引起的材料降解和储存基础设施完整性的损害[6,10,13]。这些风险加上有限的运营经验，突显了进一步研究以支持氢能技术发展的必要性。
近年来，许多研究人员通过分析氢与各种储存介质之间的反应来探讨这些问题，从而发现了氢的损失[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]以及储层性质的改变[[20], [21], [22], [23], [24]]。还有研究致力于研究氢与井筒材料的相互作用，如表1所总结的，因为井筒的完整性在维持储层与地表的隔离中起着关键作用。这些研究主要关注基于水泥的材料，因为水泥是井筒内的主要物理屏障，其完整性的丧失可能导致流体迁移路径的形成，例如微裂纹、界面处的脱粘和多孔通道[13,25]。虽然这些研究提供了宝贵的见解，但它们涉及多个变量（暴露时间、压力和温度、样品饱和条件），并未系统地分离各个因素的影响。这种分离对于充分理解氢的具体影响并区分观察到的变化是否可以直接归因于氢的存在至关重要。此外，只有其中一项研究评估了样品的三轴强度，这对于理解在地下条件下水泥的行为至关重要，因为在地下环境中，井下的水泥会受到原位应力的影响。在单轴压缩（UCS）下，水泥通常会在轴向应变达到约0.2%时弹性变形，然后在其压缩强度达到时突然失效。相比之下，在具有代表性的地下应力条件下，水泥表现出更大的延展性和更高的压缩强度[26,27]。因此，评估这一特性对于改进对水泥力学行为的理解以及在实地应用前开发更稳健、更准确的模拟模型至关重要。
从文献回顾来看，氢和盐水对水泥完整性的长期影响仍不够清楚，特别是每个因素的孤立长期影响以及H?暴露条件下水泥的行为。因此，本研究旨在将水泥样品暴露于不同的控制条件下三个月，以评估长期影响，区分盐水和氢的具体贡献，并分析暴露后的水泥行为。这项工作补充了参考文献[28]中的短期研究，后者仅将水泥暴露于地质条件下较短的时间。了解短期和长期影响对于识别潜在风险和全面评估地下氢储存项目中井筒水泥的行为至关重要。
