页岩中氢吸附机制及其对枯竭页岩气储层储氢的启示

　　为解决大规模氢经济中储氢难题，研究人员针对枯竭页岩气储层开展氢吸附机制研究。通过实验与简化局域密度(SLD)模型结合，揭示了氢在页岩狭缝孔隙中的吸附行为与密度分布规律，发现有机质(kerogen)吸附能力最强。该研究为地下储氢(UHS)提供了新思路，成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

　　

在全球气候危机与能源转型背景下，氢能作为零碳燃料的战略地位日益凸显。然而氢分子独特的物理化学性质使其储存成为制约氢经济规模化发展的瓶颈。传统地下储氢(UHS)技术如盐穴储氢存在提取量小(仅0.03×10⁸
Sm³
/循环)、深部含水层易引发氢-水反应污染等问题。相比之下，全球广泛分布的枯竭页岩气储层因其巨大储存容量(占天然气总量3/4)和已建成的开采基础设施，成为极具潜力的储氢新靶点。但页岩复杂多孔结构中氢的吸附机制尚不明确，制约着该技术的实际应用。

针对这一科学问题，来自贵州的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次系统揭示了页岩纳米孔隙中氢的吸附规律。通过整合Rock-Eval热解、X射线衍射(XRD)和低温氮吸附技术，团队建立了基于简化局域密度(SLD)理论的吸附模型，该模型创新性地将平均场近似理论(MFAT)与密度泛函理论(DFT)结合，成功预测了303.15-403.15K温度范围和0-30 MPa压力下的氢吸附等温线。

关键技术包括：(1)采用四川盆地龙马溪组页岩样本及主要组分(kerogen、高岭石、伊利石)进行氢吸附实验；(2)通过低温氮吸附表征页岩孔隙结构；(3)建立改进型SLD模型，采用Peng-Robinson状态方程(PR-EOS)修正排斥力参数；(4)对比Langmuir、BET等传统吸附模型验证SLD优越性。

材料与方法
研究选取中国页岩气储量最丰富的四川盆地龙马溪组页岩样本，通过Rock-Eval热解和XRD分析确定其主要组分为kerogen(有机质)和高岭石、伊利石(黏土矿物)。低温氮吸附测试显示页岩孔隙以纳米级狭缝型为主，为SLD模型建立提供结构依据。

结果与分析
实验数据表明氢吸附能力呈kerogen>高岭石>伊利石>页岩的层级关系，在高压高温条件下吸附量可达低压低温的9倍。SLD模型精准再现了狭缝孔隙中氢分子的密度分布特征：孔隙两侧密度高(吸附相)，中间区域密度低(体相)。密度分布曲线呈现典型的"双峰"形态，证实了纳米限域效应的影响。

讨论
与传统吸附模型对比显示，SLD模型对超临界态氢的预测误差小于5%，显著优于Langmuir(单分子层)和DA(微孔填充)模型。通过引入PR-EOS对流体-流体相互作用的修正，模型在2-50 nm孔径范围均保持高精度，突破了原SLD理论仅适用于大孔径的限制。

结论
该研究首次阐明页岩组分-孔隙结构-氢吸附能力的构效关系，证实kerogen的sp²
杂化碳骨架更利于氢吸附。所建SLD模型为评估枯竭页岩气藏储氢潜力提供量化工具，其预测结果显示龙马溪组页岩单循环储氢量可达4×10⁸
Sm³
，与盐穴储氢相比具有数量级优势。研究成果不仅为碳中和目标下的氢能战略储备开辟新路径，也为非常规油气藏绿色转型提供理论支撑。

创新意义
(1)揭示氢在纳米狭缝孔隙中的非均匀分布规律；(2)建立首个适用于页岩复杂孔隙的氢吸附预测模型；(3)提出"有机质主导吸附"的新机制，为储层优选提供标准。国家自然科学基金(No.52364004)等项目的支持凸显了该研究的战略价值。随着后续对蒙脱石等黏土矿物的深入研究，页岩储氢技术有望成为能源转型的关键支柱。