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科研成果｜我院侯磊副教授团队发表关于天然氢气藏对人工地下储氢启示的研究论文

发布时间：2026-05-19

文章发表情况

发表在Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊，影响因子16.3，论文第一作者是侯磊副教授。

文章摘要

地下储氢是实现大规模、长周期氢能储存的重要方式，但氢气在地下储层中易发生圈闭、吸附、溶解以及微生物和地球化学反应消耗，导致采收率降低和氢气纯度下降。本文以天然氢系统为地质类比，系统分析了天然氢的赋存状态、迁移路径、消耗机制和富集条件，揭示其对人工地下储氢储层优化的启示。在此基础上，文章提出增强型地下储氢（EUHS）概念，强调在工程建设前通过储层类型、地质条件和地球化学环境优化，降低氢气损失、提升储氢安全性与经济性。研究提出低丰度天然氢系统和裂缝网络储层两类潜在储氢方案，并明确了储层深度、含水性、温度和盐度等关键控制因素，为地下储氢技术发展提供了新的研究思路。

图文导读

本文首先从地下储氢的核心瓶颈出发，系统归纳了氢气损失的主要路径：一类是由构造圈闭、吸附和溶解引起的物理滞留损失，另一类是由微生物作用和水-岩反应等引起的化学/生物消耗损失。

天然氢气藏的发现进一步印证了地质储氢的可行性，同时为人工储氢的地质条件优选提供了地质时间尺度上的天然参考。在天然氢系统方面，文章总结了全球天然氢的典型赋存形式和分布规律。天然氢主要以游离氢、包裹/吸附氢和溶解氢三种形式存在。其中，游离氢可在浮力和浓度梯度驱动下向浅部迁移；包裹或吸附氢可被黏土矿物、石灰岩等介质捕获；溶解氢则主要赋存在地下水中，并随深度和压力增加而增强。全球天然氢发现案例显示，高浓度天然氢常与断层、裂缝、蛇纹石化超基性岩、火山系统以及深部基底岩系相关。

图1 全球天然氢发现与勘探分布及其赋存状态

本文进一步指出，断层和裂缝在天然氢迁移与富集中具有双重作用。一方面，深部断层和裂缝可作为天然氢向上迁移的主要通道；另一方面，特定断裂结构和封盖条件也可能形成氢气保存空间。以马里 Bourakebougou 天然氢田为例，该地区浅部碳酸盐岩和砂岩储层中存在天然氢富集，深部裂缝系统持续供给氢气，长期开采过程中未出现常规油气藏式压力衰减，反而显示出动态补给特征。阿尔巴尼亚 Bulqizë 地区则显示出明显的断裂控制特征，矿山裂缝中氢气体积分数可达84.0%，估算年释放氢气超过200吨，表明裂缝网络可为氢气迁移和聚集提供重要空间。

图2 马里Bourakebougou地区天然氢储层特征及勘探图

在储层优化方面，本文提出了两类新型地下储氢策略。第一类是低丰度或未成熟天然氢系统。这类地质系统虽然尚未达到商业天然氢开发水平，但已经具备氢气生成、迁移、局部聚集和封存条件。若将其作为人工地下储氢场地，可利用既有天然氢勘探成果，降低选址风险，并通过天然氢系统本身的地质封存条件减少人工注入氢气的损失。第二类是裂缝网络型储氢系统。裂缝网络兼具盐穴储氢的高导流能力和多孔介质储层的结构稳定性，且氢气与岩石和地层水的接触面积适中，有助于降低滞留、吸附、溶解和消耗损失。

图3 低丰度天然氢系统示意图

图4 裂缝网络型储氢系统示意图

文章还对不同储氢候选储层进行了安全性、容量和效率综合评价。结果表明，未成熟天然氢系统在综合评分中表现突出，原因在于其同时具备天然氢勘探利用和降低氢气损失的双重优势；裂缝网络系统的综合表现也接近传统优势储层，体现出较强发展潜力。相比之下，常规多孔介质储层虽然容量较大，但由于氢气与岩石、地层水接触面积大，更容易发生圈闭、溶解和消耗损失。

表1 在安全性、能力和效率方面对候选的UHS进行特征比较

本文进一步综合考虑微生物活性、氢气吸附和氢气溶解规律。研究指出，浅部储层温度较低，微生物活性较强，可能持续消耗氢气；过深储层温度较高，又可能诱发氢气与含硫矿物反应，生成有毒且具有腐蚀性的硫化氢。综合分析后，文章提出：对于一般含水条件储层，适宜储氢深度为 800—2500 m，对应温度约 40—100 ℃；对于咸水层、富水油气藏、含水盐穴等富水储层，考虑到氢气溶解度随压力和深度显著增加，适宜储氢深度应进一步限制在 800—1000 m。