一种用于含水层地下氢储存的耦合热-水-生物-化学模型：对生化效应的新见解

《Fuel》：A coupled thermo-hydro-bio-chemical model for underground hydrogen storage in aquifers: new insights into biochemical effects

本研究开发并实现了耦合热-水-生物-化学（THBC）多物理场模型，模拟了地下咸水层储氢过程中微生物种群动态、孔隙度演变及氢气回收效率。结果表明：微生物呈现先增后减趋势，生产期对流可降低微生物浓度；低温注氢有助于抑制高密度微生物群落形成，生产期低温区微生物富集导致显著衰变，有利于储氢；孔隙度初期因微生物吸附略有增加，后期矿物溶解沉淀使孔隙度下降，总体影响可忽略；生物地球化学反应导致氢气损失9.53%，回收效率降低5%。慢速与脉冲注氢策略可弱化微生物响应。

　　地下氢储存（Underground Hydrogen Storage, UHS）作为一项重要的能源储存技术，近年来受到广泛关注。其中，地下含水层氢储存（Underground Hydrogen Storage in Aquifers, UHSA）因其具备广泛的地理分布、巨大的储存容量以及地质稳定性，被认为是实现大规模、周期性氢储存的关键途径之一。然而，这项技术在实际应用中也面临诸多挑战，尤其是由于地层中天然存在的氢营养微生物可能利用氢气进行生物化学反应，从而导致孔隙堵塞和氢气损失等问题。这些微生物活动受到多种物理场的影响，如流体流动和温度变化，因此，深入理解其在不同条件下的行为对于提高氢储存效率和可靠性至关重要。

为了更全面地研究这些影响，本研究开发了一种耦合热-水-生化-化学（Thermo-Hydro-Bio-Chemical, THBC）多物理场模型，以系统分析氢储存过程中温度、流体流动、微生物活动和化学反应之间的相互作用。通过该模型，我们能够更准确地模拟氢气的传输行为以及微生物的生长和衰减动态。同时，我们还进行了数值模拟，研究了典型工况下微生物的时空分布、储层孔隙的变化以及氢气回收性能。此外，我们评估了不同注入策略对氢储存过程的影响，以期为实际工程应用提供有价值的见解和指导。

在研究过程中，我们首先分析了氢营养微生物的种类及其对应的生物化学反应。目前，已知有四种主要的氢营养微生物群：甲烷生成菌（Methanogens, MET）、乙酸生成菌（Acetogens, ACE）、硫酸还原菌（Sulfate-reducing bacteria, SRB）和铁还原菌（Iron-reducing bacteria, IRB）。这些微生物在厌氧条件下可以利用氢气作为代谢底物，进而影响氢气的储存和回收效率。例如，甲烷生成菌可以通过氢气和二氧化碳的反应生成甲烷，而硫酸还原菌则可能通过氢气与硫酸根离子的反应生成硫化氢。这些生物化学反应不仅在实验室条件下被广泛研究，而且在实际地质环境中也表现出显著的影响。

实验室研究主要关注氢气储存过程中气体成分的变化、微生物群落浓度的演变以及矿物学的变化，以阐明氢气消耗的机制。例如，Dopperton 等人通过使用血清瓶研究了在不同氢气分压条件下硫酸还原菌和甲烷生成菌对氢气的消耗情况。Schwab 等人则通过模拟盐水环境，探讨了盐度水平和不同碳源组合对氢气消耗的影响。Khajooie 等人进一步研究了岩石对微生物活动的影响，通过比较饱和氢气的岩石样本与无岩石的氢气溶液，评估了岩石孔隙大小和类型对微生物行为的影响。此外，Veshareh 等人利用 PHREEQC 软件对四种不同类型的盐水中的氢气消耗进行了量化研究，结果显示在实验室条件下，微生物的高生长速率可能导致显著的氢气损失。

这些研究虽然在一定程度上揭示了 pH 值、盐度和底物对反应速率、氢气损失和微生物动力学的影响，但它们主要是在静态条件下进行的，未能考虑动态的地层气-水流动过程。因此，这些模型在描述微生物在整个地层空间中的分布方面存在局限，难以准确预测储层尺度上的氢气损失。为弥补这一不足，一些研究人员开发了考虑生物地球化学效应的现场尺度数值模型。例如，Wang 等人使用 CMG 软件对氢气注入进行了反应流动模拟，将甲烷生成过程纳入模型，并利用阿伦尼乌斯方程简化反应动力学。他们的研究结果表明，较高的甲烷生成速率可能会显著降低氢气的纯度和回收效率。

Hagemann 等人则通过使用开源代码 DuMuX 耦合流体动力学和生物化学，开发了一个氢气储存的数值模型，旨在研究微生物活动对 UHSA 的影响。Gao 等人提出了一个多物理场模型，揭示了微生物活动主要集中在注入井附近，并且主要影响氢气储存的初期几个注入-生产循环。尽管已有研究在一定程度上探讨了微生物活动对氢气储存的影响，但温度因素在这些研究中往往被忽视。然而，氢气的密度和粘度、微生物活动以及反应动力学均与温度密切相关，因此，热-水-生化-化学耦合过程的相互作用仍需进一步研究。

本研究通过开发一种新型的耦合热-水-生化-化学（THBC）多物理场模型，系统分析了氢气储存过程中温度、流体流动、微生物活动和化学反应之间的相互作用。该模型集成了多种相互关联的物理现象，包括两相气-水流动、氢气在水中的溶解、微生物的生长和衰减动力学、吸附-解吸过程、底物消耗和产物生成、溶质传输、矿物溶解和沉淀以及热传导。通过该模型，我们能够更全面地理解氢气储存过程中生物地球化学反应对储层性能的影响，并为实际工程应用提供科学依据。

在研究过程中，我们进行了数值模拟，以分析典型工况下微生物的时空分布、储层孔隙的变化以及氢气回收性能。模拟结果表明，微生物群体通常表现出先增长后衰减的趋势。在生产阶段，由于对流流动的作用，微生物浓度可能降低。注入低温氢气有助于抑制高密度微生物群的形成。在生产阶段，微生物主要聚集在低温区域，从而导致显著的微生物衰减，这有利于氢气的储存。在氢气储存过程中，孔隙的变化主要由微生物吸附在早期阶段主导，而在后期阶段则由矿物溶解和沉淀控制，表现出先略微增加后逐渐减少的趋势。然而，总体孔隙的变化相对较小，对流体流动行为的影响也较为有限。

此外，生物地球化学反应导致氢气损失约 9.53%，并使回收效率降低约 5%。与其它注入策略相比，缓慢和脉冲式的氢气注入方式引起的微生物反应较弱。这些发现有助于加深对 UHSA 中生物化学影响的理解，并为实际应用提供技术参考。同时，本研究还评估了不同注入策略对氢气储存过程的影响，以期为工程实践提供有价值的指导。

本研究的模型不仅能够模拟氢气在地层中的传输行为，还能够预测微生物的生长和衰减动态。通过这一模型，我们能够更好地理解氢气储存过程中生物地球化学反应的复杂性，并为优化储存策略提供科学支持。研究结果表明，温度在氢气储存过程中起着关键作用，影响微生物的活动和反应动力学。因此，将温度因素纳入模型是提高预测准确性的必要步骤。

在实际应用中，氢气储存的效率和可靠性受到多种因素的影响，包括地层的物理性质、微生物的活动以及注入策略的选择。因此，开发一种能够综合考虑这些因素的模型对于优化氢气储存过程至关重要。本研究的 THBC 模型为这一目标提供了新的思路，通过耦合热、水、生化和化学过程，能够更全面地分析氢气储存的各个方面。

此外，本研究还对不同注入策略进行了分析，以评估其对氢气储存过程的影响。结果表明，缓慢和脉冲式的注入方式可以有效减少微生物的反应，从而降低氢气损失。相比之下，连续注入可能导致微生物的快速增殖，进而影响氢气的回收效率。因此，在实际工程中，选择适当的注入策略对于优化氢气储存过程具有重要意义。

综上所述，本研究通过开发一种新型的耦合热-水-生化-化学（THBC）多物理场模型，系统分析了氢气储存过程中温度、流体流动、微生物活动和化学反应之间的相互作用。研究结果表明，微生物活动对氢气储存具有显著影响，尤其是在注入和生产阶段。同时，温度因素在微生物活动和反应动力学中起着关键作用，因此，将温度纳入模型是提高预测准确性的必要步骤。此外，不同注入策略对氢气储存过程的影响也得到了评估，为实际工程应用提供了有价值的指导。这些研究结果不仅有助于加深对 UHSA 中生物化学影响的理解，也为实现大规模、周期性氢储存提供了科学支持和技术参考。