柏明星，宋考平，徐寶成，孫建鵬，馮福平，陳陣，劉天宇

1)東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，中國(guó)黑龍江大慶， 163318； 2)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué) 石油工程學(xué)院，德國(guó) Clausthal-Zellerfeld，38678； 3)大慶油田有限責(zé)任公司 第五采油廠，中國(guó)黑龍江大慶， 163513 4)大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠，中國(guó)黑龍江大慶， 163414

內(nèi)容提要: 氫能是一種非常便捷的且環(huán)保的可再生能源。本文從世界氫能利用及發(fā)展角度入手，闡述了地下儲(chǔ)氫的重要意義并對(duì)常規(guī)儲(chǔ)氫模式進(jìn)行了介紹，如枯竭油氣藏型、含水構(gòu)造型、鹽穴型及礦坑型等；通過氫氣和甲烷的物化特性比較，深入地分析了地下儲(chǔ)氫的可行性并總結(jié)地下儲(chǔ)氫可能存在的氣體擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)、采出純度等問題；最后從能源結(jié)構(gòu)、政策及技術(shù)發(fā)展等角度總結(jié)氫氣地下存儲(chǔ)的發(fā)展前景，為促進(jìn)我國(guó)氫氣地下存儲(chǔ)發(fā)展提供有益參考。

氫是自然界中含量最多的元素，來源十分廣泛，且氫能利用形式多種多樣，如交通運(yùn)輸、供暖、發(fā)電等方面，因此氫能將是21 世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。氫氣地下存儲(chǔ)的目的及意義主要體現(xiàn)在能充分利用地下空間、節(jié)約土地資源、有效降低氫氣的儲(chǔ)集成本、提高氫氣的經(jīng)濟(jì)效益，以及保障能源供應(yīng)和能源安全等。氫氣作為二次能源體系大規(guī)模存儲(chǔ)的重要手段長(zhǎng)期以來被各國(guó)不斷探索和研究。最早以50%～60%的比例混合于甲烷中形成人造煤氣，并被注入地下含水層和鹽穴進(jìn)行存儲(chǔ)。法國(guó)、德國(guó)和前捷克斯洛伐克均使用過該方法進(jìn)行了人造煤氣存儲(chǔ)以滿足城市燃?xì)獾男枨?。后期英?guó)的蒂賽德地區(qū)及美國(guó)的德克薩斯州成功建成了純氫氣地下鹽穴存儲(chǔ)庫(kù)(95%氫氣及3%～4%二氧化碳)，以滿足化學(xué)工業(yè)及石油化工產(chǎn)業(yè)的需要。近年來純氫氣地下存儲(chǔ)的實(shí)例并不多，其中比較著名的是歐洲的由德國(guó)、法國(guó)，英國(guó)等七個(gè)國(guó)家的12家參與單位所發(fā)起的利用氫氣地下能源大型存儲(chǔ)項(xiàng)目的HyUnder項(xiàng)目，周期為2012年6月到2014年6月。我國(guó)氫氣地下存儲(chǔ)研究相對(duì)較少，尚無地下儲(chǔ)氫實(shí)踐。針對(duì)我國(guó)已開發(fā)的部分油、氣田進(jìn)入高含水期的情況，可以考慮對(duì)局部油、氣枯竭區(qū)塊進(jìn)行地下儲(chǔ)氫礦場(chǎng)試驗(yàn)，研究氫氣地下存儲(chǔ)條件；而對(duì)于南方地下水豐富的區(qū)域以及含鹽采礦區(qū)，可以參考國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行氫氣地下存儲(chǔ)探索 (趙克烈，2009)，為未來我國(guó)氫氣地下存儲(chǔ)的推廣和應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 地下儲(chǔ)氣模式及機(jī)理

1.1 地下儲(chǔ)氣模式

按照儲(chǔ)層的地質(zhì)特征地下儲(chǔ)氫模式可分為：多孔介質(zhì)儲(chǔ)層，如枯竭油氣藏(占75.8%)、含水構(gòu)造(14%)、非可燃?xì)獾V，和空心儲(chǔ)層，如鹽穴(9.7%)、礦坑(0.5%)(舒萍，2005)。圖1為相應(yīng)的地質(zhì)剖面示意圖?？萁哂蜌獠貎?chǔ)氣庫(kù)是通過油、氣田原有的生產(chǎn)井或新建井注入氫氣。該儲(chǔ)氣庫(kù)必須具有良好的多孔、高滲透性的儲(chǔ)氣層；必須有可靠的蓋層，保證氣體不會(huì)垂向滲漏；儲(chǔ)層周圍密封性要好，保證氣體不側(cè)漏 (邢海濤，2011)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是地質(zhì)對(duì)象為已開發(fā)過的油氣田，地下構(gòu)造、儲(chǔ)層情況清楚，不用進(jìn)行地質(zhì)勘探，建庫(kù)周期短；油氣田開發(fā)用的部分氣井和地面設(shè)施可以重復(fù)用于地下儲(chǔ)氣庫(kù)，需要補(bǔ)充注入的墊層氣量不多，投資和運(yùn)行費(fèi)用低等。缺點(diǎn)為密封性要求高，注入氣體最好是經(jīng)過處理的干氣，對(duì)枯竭油田用作儲(chǔ)氣庫(kù)還應(yīng)裝有除油設(shè)備等。含水構(gòu)造儲(chǔ)氣庫(kù)是將地下含水層中巖層孔隙中的水排走，并在非滲透性的含水蓋層下直接形成儲(chǔ)氣場(chǎng)所，一般建在背斜構(gòu)造的含水砂巖儲(chǔ)層中(周道勇，2006)。目前，世界上建造在大工業(yè)城市附近的地下儲(chǔ)氣庫(kù)基本上都為含水層儲(chǔ)氣庫(kù)。此類型儲(chǔ)氣庫(kù)可以儲(chǔ)存幾十億立方米的天然氣，年注采循環(huán)約為 1 次。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造完整、鉆井完井一次到位。缺點(diǎn)是氣、水界面較難控制，投資和操作費(fèi)用較高，建庫(kù)周期較長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖1 各種氫氣地下存儲(chǔ)模式的地質(zhì)剖面示意圖Fig. 1 Geological profile of different ways of H2 underground storage

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是建設(shè)在鹽層上的，鹽層厚度一般要求為9～90 m，通過注入淡水進(jìn)行循環(huán)溶蝕，形成一定空間的洞穴，泵空鹽水，注入氣體。如美國(guó)德克薩斯州建了一個(gè)儲(chǔ)氣量為1.35×108m3的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，耗時(shí)22個(gè)月，井深150 m，最大日注氣量1800×104m3，最大日采氣量1300×104m3(任濤等，2012)。建造鹽穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)已是目前各國(guó)普遍采用的方法，優(yōu)點(diǎn)是物性極好，壓縮性好，可擴(kuò)大儲(chǔ)集體；操作機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，能快速完成抽氣注氣循環(huán)。缺點(diǎn)是鉆井完井難度大，溶蝕沖蝕較難控制。礦坑儲(chǔ)氣庫(kù)是利用廢棄煤礦等遺留的洞穴儲(chǔ)存氣體。由于這種儲(chǔ)氣庫(kù)具有一些嚴(yán)重缺陷，如原有井筒難以嚴(yán)格密封，存在氣體向地面泄漏危險(xiǎn)；儲(chǔ)存氣體抽出后，其質(zhì)量發(fā)生變化，熱值有所降低等，所以這種儲(chǔ)氣設(shè)施非常稀少，目前全世界只有3座，分布在美洲。

國(guó)外建造和經(jīng)營(yíng)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)表明，枯竭油氣田型和含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)適用于緩解天然氣消費(fèi)的季節(jié)不均衡性，為目前世界上最常見的儲(chǔ)氣庫(kù)存模式(Taylor et al., 1986)，而鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)適用于緩解天然氣消費(fèi)的日不均衡性。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，枯竭油氣田型儲(chǔ)氣庫(kù)是最好的，其單位有效庫(kù)容量的投資約為含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的1/2～3/4，為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的1/3，其運(yùn)行費(fèi)用約為含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的3/5～3/4，約為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的1/5(先智偉等，2004)。

1.2 地下儲(chǔ)氣機(jī)理

物理圈閉是指低滲透、非滲透的蓋層巖石形成的地層結(jié)構(gòu)物理圈閉，例如鹽巖結(jié)構(gòu)和頁(yè)巖結(jié)構(gòu)地層的蓋層圈閉。無論對(duì)于多孔儲(chǔ)層還是空心儲(chǔ)層，蓋層結(jié)構(gòu)在封閉地下儲(chǔ)層上部結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用。這種圈閉現(xiàn)象的產(chǎn)生原理為水的毛管作用。當(dāng)水充滿蓋層的全部孔隙且水被驅(qū)替走時(shí)，氣體必須要具有足夠高的壓力以克服強(qiáng)大的毛管阻力蓋巖的啟動(dòng)壓力或最小驅(qū)替壓力。當(dāng)氣體壓力低于毛管阻力時(shí)，蓋巖將會(huì)成為一個(gè)防止任何氣體向地層外滲透的有效屏障。當(dāng)氫氣在井下經(jīng)歷一系列的地球化學(xué)環(huán)境作用，如地層水環(huán)境、原生氣體環(huán)境后，氫氣可能被轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w礦物或者通過一段時(shí)間被巖石表面的微孔隙所吸附，這種通過溶解圈閉和礦物圈閉形成的一個(gè)更為穩(wěn)定的氣體圈閉機(jī)制就是化學(xué)圈閉?；瘜W(xué)圈閉主要利用了氫氣的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，通過吸附或氫化物的形式實(shí)現(xiàn)氫氣的轉(zhuǎn)型地下存儲(chǔ)。

2 氫氣地下存儲(chǔ)的可行性分析

2.1 氫氣與天然氣的特性對(duì)比

分析氫氣的地下存儲(chǔ)的可行性應(yīng)以氫氣(H2)和甲烷(CH4)兩種氣體的特性為突破口開展工作，在兩者的區(qū)別和聯(lián)系中尋找地下儲(chǔ)氫的一般性條件。表1列出了氫氣與天然氣的常規(guī)物理性質(zhì)的對(duì)比。相較于甲烷，氫氣的分子直徑和動(dòng)力粘度要小很多，這導(dǎo)致氫氣具有很強(qiáng)的流動(dòng)性和較高的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。與甲烷16 g/mol的分子量相比，氫氣的分子量?jī)H為2 g/mol。這意味著氫氣需要8倍于甲烷的壓縮能力實(shí)現(xiàn)兩種氣體的質(zhì)量平衡。針對(duì)氫氣流動(dòng)性較大和外界壓縮條件要求較高的特性，上述四種常用儲(chǔ)氣模式需滿足特定條件方可進(jìn)行儲(chǔ)氫實(shí)踐。

2.2 地下儲(chǔ)氫條件分析

為保證地下能夠存儲(chǔ)足夠量的氫氣，注入地下氫氣體積必須被盡量壓縮，這就要求儲(chǔ)氫空間必須具有足夠大的外在壓力?？紤]到多孔地層巖石的破壞強(qiáng)度和水力學(xué)要求，天然氣地下存儲(chǔ)的壓力范圍一般控制在水力壓力梯度和上覆巖層極限壓力梯度之間。根據(jù)世界各國(guó)的地下儲(chǔ)氫實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)儲(chǔ)氫的壓力范圍在8.0 ～10.0 MPa之間方能使地下儲(chǔ)氫具有合理的經(jīng)濟(jì)效益，且多孔隙儲(chǔ)層儲(chǔ)氫和空心儲(chǔ)層儲(chǔ)氫兩種模式中，鹽穴儲(chǔ)氫更容易獲得可靠的氣體外在壓力，保證氣體的經(jīng)濟(jì)高效壓縮(Foh et al., 1979)。

表1 天然氣與氫氣的物理和化學(xué)特性Table 1 Comparison of physical and chemical properties of H2 and CH4

對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行天然氣地下存儲(chǔ)的多孔儲(chǔ)層來說，因?yàn)榭紫吨械氖`水已經(jīng)被甲烷所飽和，氫氣已經(jīng)很難進(jìn)入被束縛水填充的上覆蓋層中。但是對(duì)于未進(jìn)行過地下儲(chǔ)氣的多孔儲(chǔ)層，其蓋層條件與預(yù)期注入壓力之間要進(jìn)行深入的試驗(yàn)分析，在保證良好氣密性及足夠儲(chǔ)氣壓力的條件下方能進(jìn)行儲(chǔ)氫實(shí)踐。對(duì)于空心儲(chǔ)層來說，致密的上覆巖層可以更好地保持儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)的氣密性。因此采用鹽穴進(jìn)行儲(chǔ)氣雖然先期開發(fā)成本較高且存儲(chǔ)空間有限，但是由于其良好的氣密性而不斷得到世界各國(guó)的不斷推廣和應(yīng)用(吳東平，2010)。

氫氣較低的分子量使其具更容易向上快速擴(kuò)散，當(dāng)氫氣的流通形成一定的通道后，氫氣要比天然氣更容易形成氣體指進(jìn)。在注入和采出速度較快的情況下，氣體的指進(jìn)現(xiàn)象愈加明顯，因此氫氣的地下存儲(chǔ)和采出要充分考慮氫氣的易擴(kuò)散性對(duì)速度的限制。在氣體快速注入時(shí)，氣體的粘性力(動(dòng)力粘度)作用超過了重力引發(fā)的垂向力作用，從而主導(dǎo)氣體的形成向上的運(yùn)移狀態(tài)，這使得氣體穿越蓋層滲透至地面的可能性大大提高。綜上所述，我們可以得出氫氣地下存儲(chǔ)的各種儲(chǔ)存模式應(yīng)滿足以下條件：

(1)多孔隙儲(chǔ)層儲(chǔ)氫除需具備良好的多孔、高滲透性的儲(chǔ)氣層外還應(yīng)具有相對(duì)較高的地層壓力條件、足夠厚的低滲透或不滲透蓋層；含水構(gòu)造儲(chǔ)氫中尤其要注意注入和采出氫氣的速度不宜過快，以防止氫氣指進(jìn)引發(fā)氣體逸散。

(2)鹽穴水洗造腔后腔內(nèi)殘余鹽水及蓋層巖石均飽和鹽水，氣密性很高，可以以較高的注入和采出速度實(shí)現(xiàn)氫氣的有效存儲(chǔ)；由于鹽穴埋藏深、上覆巖層結(jié)構(gòu)致密、地層壓力大，極其有利于流動(dòng)性好、所需外在壓力大規(guī)模壓縮的氫氣的地下存儲(chǔ)(Basniev et al., 2010)。

3 氫氣地下存儲(chǔ)的局限性

3.1 井身完整性條件

對(duì)于氫氣地下存儲(chǔ)，井身必須承受極端條件下聯(lián)合載荷作用并且能夠抵抗注入或者采出流體的漏失和腐蝕等(楊再葆等，2008)。井筒的漏失、腐蝕及脆裂問題都將導(dǎo)致氫氣地下存儲(chǔ)效果變差甚至導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的失敗，或者引發(fā)氫氣爆炸事故等。圖2展示了氫氣沿井筒及近井地帶的漏失通道，主要有沿水泥與套管接觸面、通過水泥基質(zhì)或水泥裂縫、通過破壞的套管、沿水泥和地層之間的接觸面、通過不完整的完井設(shè)備(封隔器、安全閥等)。為有效控制氫氣沿井筒的漏失，強(qiáng)化完井作業(yè)、改善屏障系統(tǒng)是重要前提?？紤]到氫氣的強(qiáng)擴(kuò)散性,我們需認(rèn)真研究固井后水泥的滲透率和孔隙度，以判斷氫氣是否能穿透水泥屏障滲漏至外部。

氫氣對(duì)金屬材料最不利的影響主要為氫爆皮、氫致裂紋(如圖3所示)和氫蝕脆化三種形式。其中氫爆皮是導(dǎo)致氫致裂紋和氫蝕脆化的主要誘因，而氫脆則是地下儲(chǔ)氫工程最為嚴(yán)重的事故。與天然氣地下存儲(chǔ)相比較，氫氣地下存儲(chǔ)施工的井身材料(金屬)要求更為嚴(yán)苛。如果套管受到的拉應(yīng)力或其內(nèi)部微孔隙不斷增大，氫致裂紋和套管斷裂將在沒有任何征兆的情況下突然發(fā)生。當(dāng)氫濃度和壓力很高時(shí)，氫致金屬脆裂所需的壓力要比常溫常壓條件下小很多。

對(duì)于預(yù)先處理過的鋼材，原有的氫致裂紋形態(tài)將變得更加復(fù)雜而且裂紋生成速度將是原速度的三倍。這是由于馬氏體轉(zhuǎn)變所引起的，即非平衡條件下，由于應(yīng)用應(yīng)力、塑性變形和溫度的增加導(dǎo)致鋼材料發(fā)生非擴(kuò)散的晶型轉(zhuǎn)變，其裂紋增長(zhǎng)率可達(dá)1 mm/s。馬氏體轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致裂紋尖端以及材料整體形成更快速的氫擴(kuò)散。國(guó)外許多學(xué)者通過對(duì)不銹鋼的大量實(shí)驗(yàn)觀察到，鎳含量較高(>12%)的鋼材以及存在氮?dú)獾沫h(huán)境下能夠有效阻止氫氣對(duì)金屬的滲透和擴(kuò)散，一定濃度的鉬和錳也對(duì)防止氫致裂紋有積極的作用，即降低氫致裂紋發(fā)生概率。

通過對(duì)氫氣在水泥及井筒金屬材料的擴(kuò)散現(xiàn)象以及機(jī)理的分析可以看出水泥材料無法對(duì)氫氣形成完全密封，即在任何溫度下想要通過水泥硬化阻止氫氣的運(yùn)移幾乎無法實(shí)現(xiàn)。在固井水泥和井身鋼材的使用中，溫度、壓力、誘導(dǎo)應(yīng)力、預(yù)制方法形成的金屬材料含氫量和含水飽和度等因素影響著氫氣的擴(kuò)散(滲透)形式及程度。目前，國(guó)外的部分專家正在對(duì)橡膠材料防氫滲透領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究。大量的地下儲(chǔ)氫實(shí)踐已經(jīng)證明，通過對(duì)水泥、完井金屬和橡膠材料的改進(jìn)可以改善井身的完井條件，為密封儲(chǔ)氫提供可靠屏障。具體完井要求為：

(1)水泥的使用：建議采用低二氧化硅濃度的粘結(jié)劑使水泥的滲透率降至最低，以避免高含水飽和度導(dǎo)致氫氣在水泥中滲透率的增加。

(2)完井金屬材料：采用高純度、高穩(wěn)定性的奧氏體不銹鋼，其屈服強(qiáng)度最大水平為80MPa，鎳含量不低于12%。盡管完井成本提高，但井筒使用壽命也會(huì)顯著提高。

(3)橡膠封隔器：高壓氫氣條件下封隔器采用氫化丁腈橡膠為基礎(chǔ)。

圖3 氫致金屬表面針形和變形帶微觀圖(Szummer et al., 1999)Fig. 3 Hydrogen-induced twins in the form of needles and deformation bands on the steel surface (Szummer et al., 1999)

3.2 氫氣的采出純度問題

各種儲(chǔ)氣模式的儲(chǔ)氣庫(kù)，在運(yùn)行過程中只有部分的儲(chǔ)氣量允許采出，而其余25%～75%的氣體要存留在儲(chǔ)氣庫(kù)中為氣體的采出提供必要的壓力，抑制地層水流動(dòng)，防止水體侵入和保證儲(chǔ)氣庫(kù)工作的穩(wěn)定性，這部分氣體被稱為墊氣。與天然氣地下存儲(chǔ)(UGS)相比，氫氣在多孔介質(zhì)中的地下存儲(chǔ)(UHS)的采出程度主要依靠?jī)?chǔ)氣庫(kù)運(yùn)營(yíng)時(shí)的墊層氣比例、供應(yīng)能力和持續(xù)周期，表2反映在同等深度條件下，氫氣較少的墊氣比例使氫氣的存儲(chǔ)和產(chǎn)出能力相對(duì)天然氣較高，儲(chǔ)集周期也相對(duì)較長(zhǎng)。

天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)使用的墊層氣通常為甲烷，由于墊層氣與天然氣成分相同，天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)采出階段幾乎不存在采出純度問題。與天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)形成對(duì)比的是，盡管氫氣儲(chǔ)氣庫(kù)的墊層氣也以甲烷為主，但氫氣和甲烷兩種氣體易形成氣體混合，采出氫氣時(shí)會(huì)同時(shí)采出一定量的甲烷，影響氫氣的采出純度。如不進(jìn)行氣體分離處理，氫氣的利用效率將會(huì)受到影響，同時(shí)混雜甲烷的氫氣燃燒后會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成污染。

表2 UGS和UHS墊層氣比例、供應(yīng)能力和持續(xù)周期的差異Table 2 Differences of cushion gas proportion, supply capacity, and duration between UHS and UGS

地下儲(chǔ)氫的一個(gè)局限便是氫氣在地層細(xì)菌的催化作用下易與其他氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氫氣混合物的氣體組成導(dǎo)致地下儲(chǔ)氣呈現(xiàn)較為特殊的物理和化學(xué)變化。1990年相關(guān)專家通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了多孔巖石中微生物的催化作用所引起的氫氣混合氣體間的天然化學(xué)反應(yīng)。這種化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致儲(chǔ)層中原有的氫氣和二氧化碳儲(chǔ)量變小，甲烷的含量增加。除氣體間化學(xué)反應(yīng)，在地層條件下，氫氣與地層的礦藏硫化物、硫酸鹽或碳酸鹽之間也可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并生成H2S、SO2、CO2等有毒有害的酸性氣體(Carden and Paterson, 1979)。一方面這部分氣體溶于水后生成的酸性溶液將對(duì)金屬、橡膠材料造成腐蝕，降低井筒壽命；另一方面氣體若隨氫氣滲漏至地面，則會(huì)對(duì)井周邊的土壤環(huán)境、水環(huán)境和大氣環(huán)境造成破壞。因此，除研究?jī)?chǔ)氫地層結(jié)構(gòu)外，分析儲(chǔ)層的礦物構(gòu)成也是實(shí)施氫氣注入之前的一項(xiàng)重要工作。對(duì)于硫酸鹽、碳酸鹽和硫化礦物的富集地層，一般不宜進(jìn)行地下儲(chǔ)氫。

4 氫氣地下存儲(chǔ)的發(fā)展前景及對(duì)我國(guó)的啟示

4.1 全球能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)為地下儲(chǔ)氫提供發(fā)展機(jī)遇

進(jìn)入21世紀(jì)以來伴隨全球能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，氫能的開發(fā)利用呈現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。與太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芟啾?，氫的可?chǔ)特性使其成為一種優(yōu)良的能源載體，太陽(yáng)能、風(fēng)能分散間歇發(fā)電裝置及電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差或大量廉價(jià)電能都可以轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存，供需要時(shí)再使用，這種分散而靈活儲(chǔ)能方式為地下儲(chǔ)氫創(chuàng)造了機(jī)遇。近幾年，以美國(guó)為代表的世界發(fā)達(dá)國(guó)家的地下儲(chǔ)氫技術(shù)快速發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)國(guó)家、區(qū)域能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的同時(shí)也創(chuàng)造了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。盡管我國(guó)的地下儲(chǔ)氫研究較少，但隨著我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，地下儲(chǔ)氫技術(shù)作為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要手段也將被逐步納入戰(zhàn)略日程。加強(qiáng)對(duì)國(guó)外先進(jìn)地下儲(chǔ)氫技術(shù)方法、經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)有助于我國(guó)地下儲(chǔ)氫工作的快速推進(jìn)。

4.2 各國(guó)政策及財(cái)政支持為地下儲(chǔ)氫創(chuàng)造條件

近年來歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼制定了適用于本國(guó)的氫能利用發(fā)展規(guī)劃，并加大了投資力度進(jìn)行氫氣的制取、儲(chǔ)存、燃料電池等方面的研究工作。德國(guó)、法國(guó)和英國(guó)等八個(gè)歐洲國(guó)家對(duì)氫能的總投資預(yù)計(jì)在2025 年達(dá)592.1億歐元。德國(guó)計(jì)劃在2015年之前，建1000座加氫站。歐盟2003年就制定了"歐盟氫能和燃料電池發(fā)展"路線圖(馬明軒，2012)。這些國(guó)外氫能技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，體現(xiàn)了在能源體系轉(zhuǎn)換的長(zhǎng)期過程中，立足當(dāng)前最新技術(shù)和最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，為走進(jìn)氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代從政策和財(cái)政上予以有力的扶持。近年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)制定的氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量并不多，導(dǎo)致氫能產(chǎn)業(yè)鏈遇到發(fā)展不完整等"瓶頸"。 我國(guó)由于缺少相關(guān)部門支持，許多建成的氫能設(shè)施因虧損而無法投入使用，地下儲(chǔ)氫技術(shù)研究領(lǐng)域至今空白。

4.3 技術(shù)水平的不斷提升為大規(guī)模氫氣地下存儲(chǔ)提供保障

大量的實(shí)踐暴露了地層構(gòu)造判斷難、儲(chǔ)層物化成分復(fù)雜、墊層氣與氫氣在地層細(xì)菌的催化作用下易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、完井條件及工藝復(fù)雜、材料的氣密性及強(qiáng)度水平要求高、采出氣體的純度低、儲(chǔ)氣庫(kù)開發(fā)運(yùn)營(yíng)成本高等諸多地下儲(chǔ)氫問題。為此世界各國(guó)相繼投入了大量的資金和人力致力于科學(xué)有效儲(chǔ)氫的技術(shù)研究，主要包括以下幾方面：新型水泥、不銹鋼及橡膠材料的研發(fā)；注采井固井工藝的改進(jìn)；儲(chǔ)層地質(zhì)構(gòu)造研究；惰性氣體作為墊層氣的應(yīng)用研究；氫氣的采集(制取)及提純工藝；安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警機(jī)制的建立；采鹽、儲(chǔ)氣雙贏型鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)開發(fā)模式研究(涂洋，2005)。

5 結(jié)論及展望

本文借鑒天然氣地下存儲(chǔ)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討了地下儲(chǔ)氫的可行性、局限性并綜合分析了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景，在此僅提出幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)，為我國(guó)將來實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)提供參考。氫氣地下儲(chǔ)氫需滿足地層多孔高滲、高地層壓力、蓋層低滲透或不滲透、合理的氫氣注入和采出速度等條件；地下儲(chǔ)氫受完井條件、地層化學(xué)反應(yīng)、采出純度等問題制約，應(yīng)避免選擇易于氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的儲(chǔ)層環(huán)境進(jìn)行儲(chǔ)氫開發(fā)。水泥中添加濃度和滲透率較低的二氧化硅粘結(jié)劑、完井金屬采用含鎳的奧氏體不銹鋼以及使用橡膠作為封隔材料可以改善井身的完井條件，有效防止完井造成的氣體漏失及套管開裂、腐蝕和脆化等問題。地下儲(chǔ)氫是一個(gè)需要政策、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)支持的系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化地下儲(chǔ)氫任重而道遠(yuǎn)。