储氢盐穴稳定性与密封性研究综述
(1. 天津大学建筑工程学院, 天津 300350
2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室, 天津 300350
3. 中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室, 天津 300350)
摘要: 盐穴储氢因其良好的密闭性、大容量和低运营成本等优势, 已成为具工程化前景的大规模地下储氢方式之一。然而, 盐穴在长期运行中受高频次注采循环、复杂地质条件及氢气强扩散特性影响, 面临围岩失稳与氢气泄漏等突出风险, 其稳定性与密封性直接关系到储氢系统的安全可靠性。本文从地质条件、洞室几何特性与运行参数三个维度, 系统梳理了影响盐穴长期稳定性的关键机制与评价方法, 综述了氢气在层状盐岩中的主要渗漏路径及密封性评价方法, 指出现有研究在多场 (流-固-化-热) 耦合、动态泄漏识别等方面的不足, 并对未来研究方向进行展望, 以期为储氢盐穴的安全设计与工程应用提供理论参考。
引用格式: 张经纬, 冯双喜, 马东宇, 等. 储氢盐穴稳定性与密封性研究综述[J]. 工程材料与结构, 2026, 5(1): 16-32.
文章类型: 综述
收稿日期: 2026-01-04
接收日期: 2026-01-16
出版日期: 2026-03-28
0 引言
随着全球能源结构向清洁化、低碳化转型加速，氢能因其能量密度高、利用过程零碳排等优势，被广泛视为实现碳中和与碳达峰目标的关键清洁能源载体[1-3]。国际能源署预测，到2050年，氢能在全球终端能源消费中的占比将显著提升，其中规模化储存技术是支撑氢能供应链稳定与电网调峰能力的关键环节[4]。在地下储氢技术中，盐穴储氢凭借其密闭性好、存储容量大、运营成本低及注采能力快等特点，已成为最具工程化应用前景的大规模储氢方式之一[5-7]。
储氢盐穴的稳定性和密封性是其安全运行的核心。为配合电网调峰，储氢盐穴需长期承受高频次注采循环，此类交变荷载易诱发围岩疲劳损伤并加速蠕变变形，长期可导致腔体收缩、顶板失稳乃至引发结构性塌陷[8];层状盐岩中因夹层与盐岩间的力学差异、断层的潜在活动性以及洞室几何形态不合理等因素，会进一步加剧应力集中与变形不协调，威胁整体稳定[9-11]。一旦发生失稳，可能引发腔体塌陷、地面沉降乃至工程整体失效。在密封性方面，相对于天然气，氢气分子尺寸小、扩散性强，易沿夹层界面、微裂隙及井筒缺陷渗逸[12-15];高压氢环境还会引发金属材料的氢脆效应，削弱井筒长期密封完整性[16]。氢气泄漏不仅造成能源损失，更可能在密闭空间内积聚形成爆炸性混合气体，严重威胁人员、设施及环境安全。因此，稳定性与密封性共同构成了盐穴储氢安全运行的关键，针对其内在机制与评价体系的研究具有至关重要的意义[17,18]。
本文从地质条件、洞室几何特性、运行参数三个维度，剖析影响长期稳定性的关键因素与内在机制，综述稳定性评价体系，分析盐穴储氢的主要渗漏路径，并梳理密封性评价方法。本文期望为储氢盐穴的优化设计、安全运行与风险管控提供参考。
1 储氢盐穴的长期稳定性
储氢盐穴的长期稳定性是保障其安全运行的核心问题，指其在复杂地下环境与高频循环储释条件下，抵抗围岩失稳、保持结构完整与有效容积的能力。相较于储存天然气，氢气的分子量小、扩散能力强，加之电网调峰所需的高频次循环特性，使得盐穴储氢的稳定性问题变得更为复杂与突出。以下从地质条件、洞室几何特性、运行参数三个核心维度，系统剖析其面临的挑战，并梳理稳定性评价方法。
1.1 多维度稳定性挑战
1.1.1 地质条件
地质条件是决定盐穴稳定性的先决基础。我国大规模储氢面临的直接挑战源于独特的盐矿地质特征，其主要形成于古代海相或湖相蒸发沉积环境，在气候干湿交替、水体盐度变化的条件下，盐类矿物与泥质、硫酸盐等非盐岩物质交替沉积，从而形成了典型的层状结构，导致盐矿层中含有多层非盐岩夹层(如泥岩、硬石膏)[19]。夹层对盐穴围岩力学稳定性的影响主要源于沉积过程中形成的夹层与盐岩在力学与流变特性上的差异，以及夹层空间分布与几何特征的影响。
梁卫国等[20]通过实验与理论分析指出，在层状盐岩体中，夹层与盐岩因弹性模量和泊松比差异，会在交界面产生显著附加水平应力，使应力状态由单轴(图1a)转为三轴(图1b)，应力发生重分布，导致盐岩部分易受拉劈裂、夹层部分更易发生压剪破坏，从而改变了复合岩体的强度、变形与破坏模式。
图1 夹层导致应力重分布示意图[20]
Fig.1 Schematic diagram of stress redistribution caused by interlayers[20]
周志威等[21]的试验研究表明纯盐岩与泥岩在蠕变特性上存在显著差异，盐岩的塑性变形能力与流变特性明显强于泥岩，其长期强度仅为短期强度的48%，远低于泥岩的约70%，可能导致在层状盐穴中，盐岩层与泥岩夹层之间出现变形不协调。盐岩更易发生持续蠕变，而泥岩夹层相对刚硬、变形能力弱，可能在二者界面处引发应力集中，促使损伤局部化发展，从而加速盐岩从稳态蠕变向加速蠕变阶段转变，影响盐穴整体的长期稳定性。
夹层的几何特征(如厚度、倾角、数量、位置等)则进一步影响不稳定性的具体表现形式。张华宾等[22]通过数值模拟研究了夹层几何特征对盐穴稳定性的影响，表明夹层与盐岩交界面处出现应力突变。随着夹层厚度和数量增加，应力突变范围扩大，围岩压应力增大，变形受到约束，体积收缩率也随之增加(如图2a、b)。夹层位置越接近腔体顶板，围岩压应力会先减小后增大，位移量增大，体积收缩率则减小(如图2c)。综合来看，夹层几何参数中厚度对稳定性影响最为显著，其次是夹层数量，最后是夹层位置。
图2 不同方案运行30a采气后最大主应力[22]
Fig.2 Maximum principal stress after 30 years of gas production under different schemes[22]
从姜德义等[23]的研究可知，夹层的几何特征如厚度、层数和层间距对含软弱夹层盐岩的力学行为具有显著影响。随着夹层厚度增加，盐岩的强度和弹性模量下降。夹层层数增多时，盐岩的承载能力有所提升，分布更为均匀。夹层层间距增大则导致强度逐渐降低，降幅趋于缓和。厚度、层数和层间距的变化直接影响盐穴围岩的稳定性，夹层越厚、层数越少、层间距越大，盐穴的变形与破坏风险相应增大。王同涛等[24]的研究指出夹层倾角增大会加速气体运移并提升泄漏风险，而顶部相邻夹层弹性模量提高有利于顶板稳定，夹层厚度的影响则相对有限。唐明明等[25]的试验表明，含夹层盐岩的蠕变特性严格取决于其中泥质夹层的体积分数，其宏观力学行为介于纯盐岩与泥岩之间，并以经典的伯格斯(Burgers)蠕变模型为基础，建立了可根据纯盐岩参数、纯泥岩参数及夹层体积分数，直接计算含夹层盐岩综合蠕变参数的本构模型。
除了盐岩层内的夹层外，断层是影响盐穴稳定性的另一类关键地质缺陷。断层对稳定性的威胁主要表现为其潜在的活动性可能引发围岩剪切滑移破坏，以及其破碎带作为高渗透通道加剧氢气泄漏风险。在储氢库工程实践中，对断层的考虑首要在于精细勘察与严格避让，在选址阶段即通过地质与地球物理手段查明断层分布，优先选择无大型活动断层的区块;对于无法避让的断层，则需详细评估其活动性、密封性及其与洞室的安全距离，并通过数值模拟分析其在长期运行中的力学与渗流响应，从而在设计阶段优化洞室布局与运行压力窗口，并在运营期布设微震监测网络，实时监测断层活动信号，构建相应的预警与应急预案。
图3 断层附近围岩应力与应变分布云图[26]
Fig.3 Cloud map of stress and strain distribution in surrounding rock near a fault[26]
对于特殊条件下如断层穿过盐穴的情况，王贵君等[26]针对断层对层状盐岩天然气储库稳定性的影响做了研究，其研究结果通过数值模拟直观呈现(图3)。从图中能够直观看到断层作为软弱结构面显著改变了储库围岩的力学响应。在运营期，断层附近出现显著的应力集中，表现为最小主应力与剪应力的局部高值区(图3a、b)。围岩应变也呈现明显的局部化特征，体积应变为正表明岩体发生扩容，孔隙结构发展，而剪切应变则集中于断层周边数米至十米范围内(图3c、d)。
黄孟云等[27]通过对江苏金坛盐矿区域的系统地质调查与分析，表明金坛盐盆的沉积边界受周边四条断层控制，断层自新生代以来均处于非活动状态，属于封闭性良好的压性断层，且断面已被盐岩和泥岩充填密实，在合理避让距离的前提下，断层对拟建储气库的稳定性影响较小。
综上来看，层状盐岩中夹层的存在是影响盐穴稳定性的首要地质因素。其影响不仅源于夹层与盐岩在力学及蠕变特性上的显著差异所引发的界面应力重分布与变形不协调，也受夹层自身几何特征(如厚度、数量、位置与倾角)的直接影响。其中，夹层厚度对围岩应力状态和腔体收缩行为的影响最为显著。断层的稳定性影响具有条件依赖性，对于新生代以来未活动、封闭性良好且断面充填密实的压性断层，在保持合理安全距离的前提下，其对工程稳定性的威胁相对可控。
1.1.2 洞室几何特性
洞室的高径比(H/D)是影响应力分布和变形的关键设计变量。寻找最优几何形态需要在稳定性、经济性和有效容积保持率之间进行多目标优化。井文君等[28]采用数值模拟与单因素敏感性分析方法，系统研究了盐穴储气库腔体收缩的宏观影响因素，其中洞室高径比被识别为关键设计参数之一，研究表明在静水压力状态下，腔体高径比直接影响围岩应力分布与盐岩蠕变速率;当高径比趋近于1(即腔体接近球形)时，腔体受力状态最优，体积收缩率最小;而高径比增大则会导致收缩率显著上升，对稳定性产生不利影响。梁光川等[29]对盐穴地下储气库溶腔形态变化进行了数值模拟，分析了盐岩蠕变对不同直径处溶腔变形量的影响，研究发现溶腔最大直径处变形量最大，且变形随直径增大呈非均匀增长，建议在储气库建设中严格控制溶腔高径比。
在当前工程实践中，盐穴储氢库普遍采用盐穴洞室群的建设形式，其安全性与经济性依赖相邻洞室间矿柱尺寸的合理设计。矿柱宽度过小会导致应力叠加，使洞室间塑性区连通，引发群腔协同大变形甚至连锁破坏;矿柱宽度过大则降低储库群的整体利用效率。部分学者针对矿柱宽度角度展开研究。
图4 不同矿柱宽度下盐穴双储库腔体稳定性参数随蠕变时间变化曲线[30]
Fig.4 Variation of stability parameters of twin salt caverns with creep time under different pillar widths[30]
薛辉等[30]基于变形稳定理论，采用数值模拟方法，系统分析了金坛盐穴双储库在不同矿柱宽度条件下的腔体稳定性。发现合理矿柱宽度宜为腔体直径的1.5~2.5倍，并进一步通过多参数演化规律揭示了矿柱宽度与腔体稳定性的内在联系(图4)。图4(a)展示了不同矿柱宽度下最大破损距离随蠕变时间的变化曲线，表明在合理范围内，矿柱宽度越大，破损区扩展越缓，即最大破损距离与矿柱宽度呈正相关，说明适当增加矿柱宽度可显著抑制损伤区域的扩展。图4(b)为无损宽度随蠕变时间的变化关系，可见无损宽度随矿柱宽度增大而增大，随蠕变时间延长而逐渐减小，说明较宽的矿柱能为腔体提供更长的“安全隔离区”，延缓双腔贯穿风险。图4(c)反映了腔体体积收缩率随时间的变化，矿柱宽度越小，收缩率越大，且随蠕变持续，收缩率逐渐上升，表明矿柱宽度不足会加剧腔体蠕变收缩，影响长期稳定性。综合来看，在合理矿柱宽度范围内，增大矿柱宽度可有效提升腔体的抗损伤能力和形态稳定性，而随时间推移，所有宽度下的腔体均呈现损伤累积与收缩加剧的趋势。
Wang等[31]通过开展单轴与三轴压缩、巴西劈裂、直剪及蠕变试验获取岩体参数并建立三维地质力学模型模拟新旧盐穴间不同矿柱宽度下的长期运行响应，分析变形、塑性区、有效应变、安全系数等指标，发现矿柱宽度对围岩变形、有效应变及安全系数影响显著而对塑性区体积与洞室体积收缩率影响较小，建议新旧盐穴间距应不小于新盐穴最大直径的两倍以保障储库长期安全。
此外，盖层厚度对盐穴的稳定性也有一定的影响。胡榕榕等[32]通过数值模拟研究高速侵彻下盐穴储气库的动力学响应，发现盖层厚度减少会导致围岩动态响应加剧、塑性变形区域扩大，且围岩积累的塑性应变更大、对侵彻扰动更敏感，揭示了盖层厚度对盐穴稳定性的影响。陈祥胜等[33]通过建立考虑损伤和渗透演化的流固耦合模型，对金坛盐岩储气库开展数值模拟研究，分析发现盐腔盖层厚度需大于气体垂直渗透范围(如运行50年后约为15.78米)以满足安全距离控制准则，并建议盐层保护层厚度宜控制在30米以上，从而确保盐穴长期稳定并防止气体泄漏。
综上，在洞室几何特性方面主要考虑高径比、矿柱宽度和盖层厚度对盐穴稳定性的影响。高径比趋近于1的近似球形腔体受力最优，体积收缩最小;矿柱宽度需在腔体直径1.5—2.5倍范围内取值，以平衡群腔应力干扰与土地利用效率;盖层厚度则直接关系围岩动力响应与气体垂向封闭能力。
1.1.3 运行参数
运行参数(尤其是注采频率与压力水平)对盐穴稳定性的影响机制是当前研究的焦点。盐穴储氢为配合电网调峰，常处于周期性注采气状态，这种交变荷载使围岩承受循环应力作用，进而诱发盐岩的疲劳损伤与蠕变变形的耦合效应。高频循环下盐岩以疲劳损伤为主导，低频循环则更易呈现蠕变-疲劳协同作用，两者均会加速围岩损伤的累积与演化。运行压力水平也是关键影响因素，上限应力的增大会显著提高盐岩的蠕变速率与不可逆变形，促使腔体体积收缩加剧;而最小运行内压的合理控制则对抑制围岩塑性区扩展、维持腔体形态稳定具有重要作用，尤其是在低压运行阶段，内压不足会显著增加失稳风险。张强等[34]通过开展高频(1Hz)与低频(0.017Hz)循环荷载下盐岩的疲劳与蠕变试验，表明高频荷载下盐岩以疲劳损伤为主，低频荷载下则呈现蠕变—疲劳耦合效应，同时研究了不同上限应力(8、14、20、23、26、30MPa)对盐岩蠕变速率、累计不可逆变形及稳态蠕变特性的影响，发现随上限应力增大盐岩蠕变变形显著增加。Chang和Ross[35]则通过建立场地尺度的通用数值模型，系统模拟了循环注采对不同操作频率、压力及多盐穴空间布置下盐岩蠕变与变形的影响，表明初始操作周期和多腔室的运行安排对由蠕变驱动的腔体体积损失与变形具有显著影响，高频次循环会加剧此过程。Fan等[36]通过不同循环气压条件下的实验，发现盐岩的轴向和径向变形会随气压变化呈现阶段性递增，其中径向变形对气压变化更为敏感，并基于此引入循环气压影响因子，发展了一个能同时考虑循环气压、围压和轴向应力影响的新型黏塑性本构模型。Liang等[37]通过对比盐岩、钙芒硝等不同夹层岩石在单调与循环加载下的力学行为，发现循环荷载会劣化大多数夹层岩石的峰值强度(降低19.1%至35.5%)，而盐岩的峰值应变则显著增加，揭示了在层状盐岩中循环运行可能加剧盐岩与夹层之间的变形不协调性，从而诱发局部失稳。Liu和Dai[38]总结了循环应力、频率、振幅等参数对岩石变形退化、损伤演化的影响规律，并评述了相关的疲劳本构模型。Wang等[39]通过水力压裂试验获取金坛盐穴储气库目标层的最小主应力和破裂压力，研究表明该盐穴最大允许气压可由17MPa提升至18MPa，现场微震监测验证了提高气压后盐穴围岩整体安全，此举可提升约10%的工作气量，相当于新增五个盐穴的储气规模，具有显著经济效益。Jiang等[40]通过室内物理模拟实验与数值模拟相结合的方法，针对大间距双井气垫层盐穴储气库，分析了不同长轴高比下储气气压对盐穴稳定性的影响，重点探究了最小运行内压(Pmin)的作用机制，发现增大Pmin能有效降低盐穴体积损失率(图5)、减少顶底板及井壁位移、缩小周围岩体塑性区范围并改善垂直应力分布，低压运行阶段是盐穴最易失稳的时期需严格控制Pmin的数值与持续时间，提出当长轴高比在1.60~3.10时，盐穴储气库的Pmin应取套管鞋处重力应力的33%~38%，以兼顾稳定性与经济性。
图5 不同最小内压下储存气体的体积损失率[40]
Fig.5 Volume loss rate of stored gas under different minimum internal pressures[40]
总体而言，运行参数对盐穴稳定性的影响主要表现为循环荷载诱发的疲劳损伤与蠕变变形的耦合作用。高频注采易引发盐岩疲劳损伤，低频循环则更突出蠕变-疲劳协同效应。运行压力水平不仅直接影响围岩应力状态与蠕变速率，其循环幅度与保压持续时间也是控制损伤演化的重要因素。尤其需要注意的是，维持合理的最小运行内压(Pmin)对抑制腔体收缩、控制塑性区发展和保持长期稳定具有关键作用。
1.2 稳定性评价
目前稳定性评价主要围绕多因素影响下的腔体变形机制、评价指标体系构建及定量化方法展开。研究者们综合利用数值模拟、理论分析、物理实验与现场监测等多种手段，深入探究了腔体几何形态(如水平腔、小井间距双井)、地质条件(如泥岩夹层)、运行工况(注采压力循环、疲劳效应)等关键因素对围岩变形、体积收缩和塑性区发展的影响。在此基础上，通过层次分析法、变权理论、模糊综合评价、突变级数法等系统科学方法，建立了多层次、多指标的综合稳定性评价模型与体系，旨在实现对盐穴储气库稳定性的科学预测、定量评估与风险管控。
Wang等[41]采用数值模拟方法，分析了不同因素对水平椭圆柱盐穴储气库长期稳定性的影响，确定了合理的腔体轴向长度、最小内压和矿柱宽度，通过结合CRITIC权重法(Criteria Importance Through Intercriteria Correlation)和突变级数法，构建了长期稳定性评价模型，评价结果与模拟结果一致，表明水平盐穴在30年运行期内处于稳定状态。Wang等[42]针对盐岩疲劳效应，对比分析了考虑与不考虑疲劳(仅考虑蠕变)条件下压缩空气储能电站的长期稳定性，研究发现疲劳效应显著增大了围岩变形和腔体收缩，基于数值模拟结果确定了储能电站的最小/最大压力和矿柱宽度，并运用层次分析法和模糊评价法建立了稳定性评价体系，评价得出双腔电站稳定性等级为Ⅱ级(稳定)。唐子茜等[43]针对小井间距双井盐穴，采用故障树分析法建立了涵盖建腔至运营全过程风险的稳定性评价体系，通过实验与模拟，明确了井口距和腔体长短轴之比对管柱位移和腔体形状的影响规律，并建立了相应评分模型，结合层次分析法确定了指标权重，形成了综合评价方法，并利用法国实例验证了其可行性。张新生等[44]基于层次分析法构建了包含内在特征、外界环境和运行状况的多指标盐穴储气库稳定性综合评价体系，结合实验和FLAC 3D数值模拟结果建立了指标评分模型，并利用模糊综合评判法进行定量评价，开发了相应评价软件，应用于江苏金坛储气库，评价结果与历史数据吻合，指出了需重点控制低压/高压运行等安全因素。王志荣等[45]聚焦于盐腔内遗留的泥岩夹层稳定性问题，提出了一种基于夹层垮塌时间的评价方法，该方法结合弹性板壳理论建立的力学模型和夹层蠕变实验建立的本构模型，构建了垮塌时间计算模型。通过计算平顶山储气库夹层不同厚度和跨径下的垮塌时间，反演了临界垮塌厚度，为夹层失稳风险评估提供了依据。安国印等[46]针对金坛某盐穴体积收缩率异常偏高的现象，建立了三维地质力学模型进行反演分析，分析得出异常高的收缩率主要源于复杂腔形导致的声呐测量误差，真实体积收缩率约为0.54%，腔体整体稳定性较好，但其顶部结构平直跨度大，存在局部失稳风险，建议加强运行监控。朱华银等[47]利用大型物理模拟实验装置，对盐穴储气库注采运行进行全周期模拟，研究了腔周应力-应变及腔体变形规律，表明降压采气时腔周应力与应变增大，腔顶易应力集中，腔腰和最大腔径处变形较大，结合数值模拟对金坛储气库的分析表明，当前运行阶段腔周均为压应力，安全系数满足要求，未发生损伤破坏。完颜祺琪等[48]从盐穴储气库建库全流程出发，系统总结了选址评价、造腔设计与控制、稳定性评价与库容参数设计、老腔筛选利用、运行监测等五项关键技术序列，完善了建库评价技术体系。该技术序列在金坛储气库的成功应用，验证了其对于提高造腔效率、保障腔体安全和指导工程实践的有效性。李浩然等[49]针对形态不规则的畸形溶腔，将变权理论和相对差异函数引入稳定性评价，建立了基于三维真实腔形数值模拟的评价模型，该方法以声呐数据构建仿真模型，将模拟结果作为评分依据，通过对金坛某腔体的评价证明了其适用性，并通过变权处理使评价结果更为合理。刘冰冰等[50]针对国内某水平腔储气库，开展了长期注采循环下的稳定性数值模拟研究，发现运行30年后腔体顶板变形量约为初始高度的10%，体积收缩率为19.8%，满足收敛准则，围岩虽有拉伸塑性区但未贯通，夹层不会整体垮落，且未发生扩容损伤，认为该水平腔满足稳定性要求。
目前研究普遍采用数值模拟、理论分析与现场监测相结合的方式，重点考察腔体变形、体积收缩率及塑性区发展等关键评价指标。在评价框架上，层次分析法、模糊综合评价等系统科学方法被广泛用于整合地质条件、洞室形态与运行参数等多维因素。现有评价模型多基于特定工况或简化地质条件构建，对长期循环载荷与复杂地质条件的刻画仍显不足。
2 储氢盐穴的密封性
密封性是盐穴储氢库安全运行的前提。任何形式的氢气泄漏都可能直接导致储存能量损失，并可能引发安全隐患与环境风险。系统识别潜在的渗漏路径，并建立可靠的密封性评价方法，是储氢盐穴设计与运行中必须解决的关键问题。
2.1 渗漏路径及对密封性的影响
盐穴地下储气库的密封性是其安全运营的生命线。然而，与国外巨厚盐丘相比，中国广泛分布的层状盐岩矿床具有夹层多、厚度薄、杂质含量高的特点，为储库的长期密封带来了独特挑战。气体泄漏不仅造成能源损失和经济损失，更可能引发严重的安全与环境事故，因此系统识别并理解主要的渗漏路径及其影响机理至关重要。气体泄漏主要受地质因素、工程因素及人为因素控制，潜在的渗漏路径复杂多样。其中，泥岩夹层及其与盐岩的界面因渗透性相对较高且分布广泛，常成为气体水平迁移的优势通道;井筒完整性不足(如固井质量缺陷、套管损坏)则提供了直接通往地表的快速渗漏路径;而盖层(包括盐岩顶板及上覆岩层)的完整性是防止气体垂向逃逸的最后屏障，其封闭能力受岩性、厚度及力学稳定性影响;此外，断层、裂隙网络以及因蠕变、损伤产生的围岩新裂隙也可能成为意外的泄漏通道。对于新兴的盐穴储氢技术，氢分子更小的尺寸和更高的活性还引入了扩散、溶解及化学反应等额外的损失路径，对密封性提出了更高要求。
Chen等[51]通过现场氮气泄漏测试、工程地质资料分析和CT扫描实验室实验，综合研究了层状盐岩中井筒的密封失效问题，研究表明，套管鞋下方裸眼段所穿过的泥岩夹层是导致井筒密封失效的根本原因，其内部发育的微裂缝构成了主要的渗漏通道，且泄漏类型以沿夹层的水平流动为主。唐玉华与施智玲[52]针对金坛储气库部分井筒的气密封测试失效问题，开展了现场分析和封堵技术探索，研究简要分析了井筒漏失的原因，并重点介绍了针对微渗漏地层的堵漏方法，在一口井中成功实施了封堵试验，为类似问题的处理提供了实践参考。Huang等[53]基于多孔介质渗流理论，建立了气体渗流演化方程，并对金坛盐穴进行了数值模拟，发现在层状盐岩中，受损的盐岩-夹层界面的渗流速度远快于完整的盐岩和泥岩夹层，是气体泄漏的主要路径;同时，较高的运行压力会显著加速初期气体的扩散。Chen等[54]建立了考虑启动压力梯度和滑脱效应的气体渗流理论模型，揭示了深部层状盐岩围岩中气体渗流的非达西规律，发现气体渗流范围与时间呈正幂函数关系，最终趋于稳定;压力梯度降至启动压力梯度是渗流停止的充分条件。Wang等[55]通过岩心测试获得了金坛盐矿夹层和盐岩的渗透性与孔隙度数据，并在此基础上建立了三维数值模型，得出夹层的渗透率是影响腔体周围气体渗流压力和密封性能的关键因素，同时，矿柱宽度和异步注采模式也会对渗流场产生不利影响。Zhu等[56]系统综述了盐穴储氢中的氢损失问题，将损失途径归纳为四类:化学损失、泄漏损失、溶解损失和吸附损失，研究详细阐述了各路径的机理和影响因素，指出泄漏损失和化学损失是需要重点关注和控制的主要途径。AbuAisha等[57]探讨了岩盐(包括完整和损伤状态)中氢的迁移机制，为理解储氢盐穴的潜在泄漏物理过程提供了理论基础。Zhang等[58]通过X射线衍射、扫描电镜、气体吸附和压汞实验，微观分析了战略石油储备盐穴围岩的孔隙结构，表明夹层和盖层中的大量微孔隙可能成为高压原油和卤水的泄漏通道，而水、岩相互作用会显著改变岩石微观结构，增加泄漏风险。Liu等[59]针对薄层状盐岩中储气库穹顶可能存在的密封失效问题，开展了数值模拟研究，研究表明若仅盐岩顶板受损，气体泄漏量有限;一旦其上的薄石膏层被突破，导致上覆泥质粉砂岩暴露，气体渗漏量将急剧增加，构成严重安全风险。陈祥胜等[60]指出，盐穴储气库的泄漏主要受地质、工程及人为失误三大因素影响，具体可归纳为四种泄漏类型:夹层泄漏、盖层失效、井筒泄漏及断层连通泄漏，并提出了相应的防治措施;为直观揭示储气库结构中夹层泄漏与盖层失效的潜在路径，该研究建立了多夹层盐穴储气库渗漏分析模型(图6)，展示了储气库的构成，包括盐岩体、多层泥质夹层、盖层及底板，其中泥质夹层因渗透性较高成为气体渗漏的主要通道，而盖层的完整性则直接关系到储气库的整体密封性能。
图6 多夹层盐穴储气库渗漏分析模型[60]
Fig.6 Leakage analysis model for a salt cavern gas storage with multiple interlayers[60]
尹洪武[61]针对我国盐穴储气库中出现的微渗透夹层泄漏问题，通过现场测试、室内细宏观实验与数值模拟相结合的系统研究，揭示了微渗层的漏失机理并提出了有效封堵方法，微渗层因内部发育直径10mm以上孔洞且孔隙连通性好，其渗透率较常规夹层高出约两个数量级，导致气体泄漏;提出了利用环氧树脂浇筑制备不规则破碎岩心渗透率试样的测试方法，并通过数值模拟明确了微渗层对储气库密闭性具有显著影响，其气体渗透范围可达其他夹层的三倍;基于室内卤水结晶联合超细水泥的封堵试验，研究成果在金坛储气库现场应用后气密封测试达标，验证了该封堵方案的有效性。刘元玺等[62]针对井筒裸眼段微渗地层的封堵问题，自主研发了试验平台，并开展了超细水泥注浆封堵可行性研究，证明超细水泥浆能有效充填岩心孔隙，使其渗透率降低95%以上，验证了该技术治理微渗漏路径的有效性。林潼等[63]通过膏岩、盐岩和白云岩的突破压力实验，探讨了盖层厚度对其封闭能力的影响，发现气体突破均质岩样的压力值与岩样长度(模拟厚度)相关性不明显，但突破时间与长度正相关，说明厚度主要通过增强稳定性和延缓突破时间来提升盖层的整体封闭效能。为系统梳理不同渗漏路径的机理、研究方法及主要结论，本文将相关研究按渗漏路径进行分类汇总(表1)。从表格中可看出不同路径的研究方法各有侧重:针对井筒泄漏，多采用现场测试与CT扫描等方法直接检测工程缺陷，适用于实际泄漏问题的诊断与修复验证;针对夹层及界面泄漏，数值模拟与岩心测试相结合，能有效揭示气体在层状结构中的运移规律，适用于渗流机理分析与长期风险预测;盖层泄漏研究则注重突破实验与微观结构表征，适用于评价盖层封闭能力与失效机理;断层与裂隙泄漏多依赖理论模型与地质分析，适用于宏观风险研判与选址评价;氢气特殊损失路径则通过系统综述与理论分析，聚焦于氢与其他气体差异化的输运机制。综合来看，各类方法相互补充，共同构建了对盐穴泄漏多路径、多机理的系统认识。
表1 盐穴主要渗漏路径分类及研究汇总
Table 1 Classification and summary of main leakage pathways in salt caverns
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渗漏路径类别 |
主要渗漏机理与关键发现 |
文献 |
研究方法 |
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井筒泄漏 |
固井缺陷、套管损坏、裸眼段泥岩夹层微裂缝发育，形成直接通往地表的快速通道;微渗漏地层渗透率高，泄漏风险显著 |
Chen等[51];唐玉华与施智玲[52];刘元玺等[62] |
现场测试与CT扫描;现场封堵试验;超细水泥注浆实验 |
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夹层及界面泄漏 |
泥岩夹层渗透性较高，其与盐岩交界面在受损后成为气体水平迁移优势通道;夹层渗透率是影响渗流场的关键因素 |
Huang等[53];Wang等[55];尹洪武[61] |
渗流数值模拟;岩心测试与三维数值模拟;现场测试、室内实验与数值模拟 |
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盖层泄漏 |
盐岩顶板及上覆岩层如被突破(尤其薄石膏层)，气体泄漏量急剧上升;盖层厚度主要延长突破时间，增强整体封闭稳定性 |
Liu等[59];林潼等[63];Zhang等[58] |
盖层突破数值模拟;突破压力实验;微观电镜扫描实验 |
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断层与裂隙泄漏 |
断层破碎带及因蠕变、损伤产生的新裂隙可作为高渗透通道;断层连通泄漏风险高，需评估其活动性与密封性 |
陈祥胜等[60] |
理论归纳与渗漏分析模型构建 |
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氢气特殊损失路径 |
除渗漏外，氢还存在扩散、溶解、吸附及化学反应等损失途径，小分子尺寸与高活性对密封提出更高要求 |
Zhu等[56];AbuAisha等[57] |
系统综述;氢迁移机制理论分析 |
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渗流理论与非达西规律 |
气体在层状盐岩中渗流具有启动压力梯度与滑脱效应，渗流范围随幂函数增长后趋于稳定;压力降至启动压力梯度时渗流停止 |
Chen等[54];Huang等[53] |
非达西渗流理论建模;渗流方程数值模拟 |
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综合评价与防治 |
泄漏受地质、工程、人为三类因素控制;需结合渗漏模型、监测技术与封堵工艺进行系统防控 |
陈祥胜等[60];尹洪武[61] |
多夹层渗漏分析模型;微渗层封堵一体化方法 |
盐穴储氢密封性研究逐渐从单一泄漏现象描述逐步转向对渗漏路径机理的揭示。学者们借助实验、数值模拟与现场观测，明确了夹层界面、井筒缺陷、盖层完整性及断层裂隙等关键泄漏通道，并初步揭示了气体在层状盐岩中的渗流规律与影响因素，为密封性评价提供了重要依据。当前研究仍多集中于静态或特定工况下的泄漏分析，对多场耦合作用、动态泄漏过程及氢气与围岩长期相互作用机制的认识尚显不足。
2.2 密封性评价
对储氢盐穴的密封性进行准确评价，是确保其长期运行安全、防止氢气泄漏导致能源损失与安全事故的核心环节。有效的评价需依托于能够定量表征泄漏风险的关键指标，如渗透压力、气体扩散范围、年泄漏率以及夹层渗透率阈值等。为此，研究多围绕多场耦合数值模型展开，包括描述气体在裂隙介质中渗流的流固耦合模型、考虑温度-应力-化学作用的热-流-力耦合模型，以及针对特定泄漏路径(如井筒微环隙、夹层界面、盖层)建立的专项渗流-力学分析模型。模型与现场监测技术相结合，共同支撑从机理研究到工程预警的密封性评价体系。以下系统梳理当前密封性评价主要研究进展。
He等[64]建立了预测微环隙气体渗流的数学模型，并开发了相应的可视化软件，该模型通过求解水泥环裂缝流动方程，并建立净压力与微环隙几何特征的映射关系，实现了对孔隙气体流动、水泥环脱黏范围及孔隙压力扩散过程的实时计算可视化。Chen等[65]建立了综合考虑压力、岩石变形与渗流参数相互影响的流固耦合渗流新模型，该模型应用于实际工程，揭示了运行压力对腔体收缩位移(稳定性)和气体渗流范围(密封性)具有相反影响，进而提出了一种盐穴储气库运行压力的安全分级方法。Liu等[66]针对不良地质条件下废弃盐腔改建为能源储库的可行性问题，提出了密封性与适用性评价的关键条件与阈值，包括“无拉应力准则”、“安全系数准则”和“泄漏量阈值准则”。通过三维数值模拟，研究评估了气体渗流演化，并建议储存天然气时夹层的渗透率上限应为10-17至10-18m2。Yin等[67]针对金坛储气库存在的微渗漏夹层，通过三维地质力学数值模拟，重点评估了其对盐穴稳定性的影响，研究确定了特定地质条件下盐穴的最小和最大极限运行压力(分别为6MPa和18MPa)，并分析了同步与异步注采模式下的力学响应。Liu[68]为评估层状盐岩储氢的密封性，建立了气-水两相多组分流动的数学模型，并对一个简化椭圆腔体进行了数值模拟，系统评估了储气策略、岩层渗透率及气体组分对氢泄漏的影响，提出了以厚度加权的层状盐岩平均渗透率(Kwa)作为关键评价指标，并指出若要求年泄漏率小于1%，临界Kwa值应低于3.02×10-17m。Liu等[69]以江苏金坛盐矿为例，研究分析了区域地质条件、腔体稳定性与密闭性，指出储气库密封性的关键在于夹层的渗透率，并估算出满足大规模储氢需求的盐穴体积，为储氢库的选址和规模规划提供了评估案例。Cheng等[70]通过热-流-力三轴耦合渗透试验，研究给出了不同温度下盐岩的扩容边界和破坏强度包络线，并建立了基于有效围压和非弹性体积应变的盐岩渗透率演化预测新模型。Liu等[71]针对中国薄层状盐岩中建腔困难的问题，提出了建设两井水平盐腔作为替代方案，并对其开展了可行性研究，确定了可行性评价的框架和准则，通过物理模拟和数值模拟优化了腔体形状，并系统评估了夹层、循环运行模式对腔体服务性、安全性及密封性的影响，通过与单井垂直腔对比，论证了两井水平盐腔的优越性与可行性。陈祥胜等[72]基于建立的多夹层渗漏分析理论模型，提出了用于储气库选址与密封性设计的定量评价指标，明确了气体渗漏范围、泄漏量与时间的关系，并利用该模型对储库距盐矿边界及断层的安全距离、相邻储气库所需的安全矿柱宽度等关键工程参数进行了适用性评价。王建夫等[73]针对常规监测手段难以检测微泄漏的难题，建立了基于高分辨质谱的SF6痕量气体示踪剂检测方法，并在金坛储气库开展了现场应用，该技术成功用于监测盐腔泄漏、腔间连通、井筒环空带压及地面管线微泄漏，证明了其作为一种高灵敏度、可定量的微泄漏监测与评价技术的有效性。王丹玲等[74]基于金坛储气库多年实践，整合单井参数监测、地面沉降监测、带压测腔和微地震监测等多种技术，建立了一套完整的盐腔稳定性现场监测体系，该体系能够多维度、常态化地评估盐腔状态，及时发现蠕变、沉降、片帮等失稳迹象。垢艳侠等[75]以安宁储气库为例，综合运用地质分析法和实验室测试(孔隙度、渗透率、突破压力)，从宏微观两个层面对盖层密封性进行了系统性评价，研究结果表明目标盖层具有良好的封闭能力，符合建库要求，展示了针对特定关键密封要素(盖层)的综合性、案例化的评价流程与方法。为系统呈现储氢盐穴密封性评价的研究体系，本文从评价指标与准则、实验与物理模拟、工程应用与案例研究、现场监测与技术应用四个方面对现有研究进行归纳(表2)。在评价指标与准则方面，研究多通过数值模拟与理论分析提出定量阈值，适用于密封性设计的理论依据与规范制定;实验与物理模拟则通过耦合试验与物理模型揭示渗透率演化规律与腔体可行性，适用于机理验证与新型腔体评价;工程应用与案例研究侧重结合具体地质与运行条件开展数值模拟与案例分析，适用于实际储库的密封性评估与运行优化;现场监测与技术应用则依托高灵敏度检测技术与多源监测系统，适用于泄漏实时预警与长期状态诊断。这些方法共同构成了从理论到实践、从室内到现场的密封性评价体系，为储氢盐穴的安全运行提供了多层次技术支撑。
表2 盐穴密封性评价研究体系汇总表
Table 2 Summary of the research framework for sealing evaluation of salt caverns
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研究类别 |
主要研究内容与贡献 |
文献 |
研究方法 |
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评价指标与准则 |
提出密封性评价的“无拉应力”、“安全系数”和“泄漏量阈值”准则;提出以厚度加权平均渗透率(Kwa)作为储氢密封性关键指标，并给出临界值 |
Liu等[66];Liu[68] |
三维数值模拟、阈值分析;气-水两相多组分流动数值模拟 |
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实验与物理模拟 |
通过THM三轴耦合试验，建立盐岩渗透率演化预测模型;通过物理与数值模拟，论证两井水平盐腔的可行性及优越性 |
Cheng等[70];Liu等[71] |
热-流-力(THM)耦合渗透试验;物理模拟、数值模拟对比分析 |
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工程应用与案例研究 |
针对微渗漏夹层，确定极限运行压力窗口;以金坛盐矿为例，分析区域密封性关键并估算储氢容积;提出多夹层渗漏定量评价指标与工程参数适用性评价方法 |
Yin等[67];Liu等[69];陈祥胜等[72] |
三维地质力学数值模拟;区域地质分析、案例评估;理论模型构建、参数评价 |
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现场监测与技术应用 |
建立高灵敏度痕量气体(SF6)示踪微泄漏监测技术;整合多种监测手段，形成盐腔稳定性现场综合监测体系;通过宏微观测试，对特定盖层进行密封性综合评价 |
王建夫等[73];王丹玲等[74];垢艳侠等[75] |
高分辨质谱检测、现场应用;多技术(微震、沉降等)集成监测;地质分析法、实验室测试(孔隙度、渗透率、突破压力) |
对盐穴储库密封性的准确评价，其核心在于构建一套能定量表征泄漏风险、预测长期演化并支撑工程决策的评估体系。现有研究围绕井筒完整性(微环隙与水泥环裂缝)、地质结构(夹层、断层与盖层)等具体渗漏路径，形成了融合数值模拟、理论模型、物理实验与现场监测的多方法体系，并提出了渗透率阈值、无拉应力准则等关键定量指标;现场监测技术亦向主动预警发展，融合痕量气体示踪、微震监测等手段，构建了从实时监测到长期诊断的综合系统。然而，当前评价标准多源于特定案例或单一机制，缺乏普适性统一框架，其可靠性需更多长期现场数据验证，且不同方法适用条件各异，例如夹层渗透率阈值评价主要针对水平渗流，而盖层评价侧重垂向封闭，需结合实际地质与运行工况进行针对性整合。
3 结论与展望
3.1 结论
本文围绕储氢盐穴长期稳定性与密封性两大核心问题，系统梳理了相关研究进展与关键挑战。
在稳定性方面，本综述揭示了中国层状盐岩储氢面临区别于巨厚盐丘的特殊挑战。地质条件方面，盐岩与泥岩等夹层间显著的力学与蠕变差异导致交界面应力重分布与变形不协调，其中夹层厚度是影响围岩应力与腔体收缩的关键几何因素，而封闭性良好的非活动断层在合理避让下风险相对可控。洞室几何特性方面，高径比趋近于1的近似球形腔体形态最优，矿柱宽度宜为腔体直径的1.5至2.5倍以兼顾群腔稳定与土地利用效率，足够盖层厚度对维持围岩动力响应与垂向封闭至关重要。运行参数方面，高频注采循环主要诱发疲劳损伤，低频循环则凸显蠕变-疲劳耦合效应，维持合理的最小运行内压是抑制腔体收缩与控制塑性区发展的关键。现有稳定性评价体系已综合运用数值模拟、理论分析、物理实验与现场监测等多种手段，重点考察腔体变形、体积收缩率及塑性区发展等关键指标，并通过层次分析法、模糊综合评价、突变级数法等系统科学方法，构建了整合地质条件、洞室形态与运行参数的多层次、多指标综合模型，在实际工程应用中为盐穴储气库的稳定性预测、定量评估与风险管控提供了有效依据。
在密封性方面，渗漏主要沿泥岩夹层及受损盐岩-夹层界面水平运移，井筒固井缺陷与裸眼段微裂缝构成直达地表的快速通道，而盖层中薄石膏层的突破将导致泄漏量急剧上升，断层及新生裂隙亦可能成为潜在的高渗透路径;氢气的小分子尺寸与高扩散能力使其除常规渗漏外，更易通过扩散、溶解及氢脆等特殊机制产生损失。当前密封性评价研究已建立了以渗透率阈值、无拉应力准则和泄漏量阈值等为核心指标的定量评价体系，并发展了涵盖流固耦合、热-流-力耦合的数值模型及气-水两相多组分运移模拟等分析方法;通过热-流-力三轴耦合试验揭示了盐岩渗透率演化规律，借助物理模拟与数值分析论证了两井水平盐腔等新型结构的可行性;工程应用方面，针对具体储库的微渗漏夹层确定了极限运行压力窗口，并利用多夹层渗漏分析模型对关键工程参数进行了适用性评价;现场监测技术亦取得进展，形成了融合痕量气体示踪、微震与沉降监测的综合体系，实现了从机理研究、设计评价到实时监测的多层次技术支撑。
当前研究在以下方面仍存在明显不足:多数成果基于单一物理场或理想化模型，对实际层状盐岩储氢库在多场(流-固-化-热)耦合作用下的长期行为尚缺乏系统性认识;针对氢与盐岩、夹层及井筒材料的相互作用机制，尤其是循环荷载与氢气渗透耦合作用下的损伤演化与泄漏识别，仍缺少充分实验与理论支持;现有密封性评价多侧重于静态或稳态分析，对动态泄漏过程的监测与预警技术尚不成熟。
3.2 展望
在稳定性研究方面，未来需重点突破高频循环荷载、氢气渗透与层状盐岩体疲劳损伤之间的多物理场耦合机理，例如亟待深入开展氢气-岩石-孔隙水-温度-化学(H2-岩-水-热-化)耦合作用下的长期力学行为实验与模拟研究，发展能够准确描述夹层界面滑移、盐岩蠕变与损伤累积交互作用的新型本构模型。同时，应研发适用于深部复杂应力与富氢环境的智能原位监测技术与传感材料，特别是基于光纤传感与分布式声波监测的新型实时、分布式监测技术，以获取围岩变形、应力与气体浓度的时空连续数据。在此基础上，构建融合微震、变形、渗流等多源信息的盐穴数字孪生系统，实现从建腔、运行到废弃的全生命周期动态仿真、安全状态实时诊断与运行参数智能调控，为腔群长期安全与经济运行提供前瞻性决策支持。
在密封性研究方面，应深入探究氢气在裂隙网络与多孔夹层中的动态运移规律，特别是交变压力与温度场耦合作用下渗流路径的演化机制与氢-水-岩化学反应效应。需系统研究氢脆、腐蚀等化学过程对井筒及围岩密封材料的长期劣化影响，研发抗氢脆、耐腐蚀的长效密封材料与自适应智能堵漏技术。监测预警体系应向智能化、高精度方向发展，积极发展基于分布式光纤传感、气体组分光谱实时追踪与微震监测联动的智能监测系统，形成从微观渗流模拟、泄漏实时感知到宏观风险预警的闭环管控方法。进一步，借助数字孪生技术构建密封性演化预测模型，整合地质、施工与运行数据，实现对泄漏风险的概率性预测与超前调控，从而全面提升储氢盐穴的密封可靠性全生命周期管理水平。
利益冲突: 作者声明没有利益冲突。
[③] *通讯作者 Corresponding author:冯双喜，shuangxi@tju.edu.cn
收稿日期:2026-01-04; 录用日期:2026-01-16; 发表日期:2026-03-28
基金项目:中国石油科技创新基金项目(2024DQ02-0129)。
参考文献(References)
[1] 孟翔宇, 陈铭韵, 顾阿伦, 等. “双碳”目标下中国氢能发展战略[J]. 天然气工业, 2022, 42(4): 156-179.
https://doi.org/10.3787/j.issn.1000-0976.2022.04.015
[2] 孙德强, 张俊武, 吴小梅, 等. 我国氢能产业发展现状、挑战及对策[J]. 中国能源, 2022, 44(9): 27-35.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1003-2355.2022.09.004
[3] 韩利, 李琦, 冷国云, 等. 氢能储存技术最新进展[J]. 化工进展, 2022, 41(201): 108-117.
https://doi.org/10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0674
[4] 田雪沁, 杨恒, 袁铁江, 等. 基于共享氢储能的电氢制充注一体站日前优化经济调度[J]. 高电压技术, 2025, 51(7): 3551-3561.
https://doi.org/10.13336/j.1003-6520.hve.20240271
[5] Tarkowski R. Underground hydrogen storage: Characteristics and prospects[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, 105: 86-94.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.01.051
[6] Liu W, Li Q H, Yang C H, et al. The role of underground salt caverns for large-scale energy storage: A review and prospects[J]. Energy Storage Materials, 2023, 63: 103045.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103045
[7] Bade S O, Taiwo K, Ndulue U F, et al. A review of underground hydrogen storage systems: Current status, modeling approaches, challenges, and future prospective[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 80: 449-474.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.187
[8] Huang S, Li Y P, Shi X L, et al. The Role of Underground Salt Caverns in Renewable Energy Peaking: A Review[J]. Energies, 2024, 17(23): 6005.
https://doi.org/10.3390/en17236005
[9] Zhang H B, Li Q E, Wang L G, et al. Study on the morphological expansion and stability of horizontal salt caverns under the influence of interlayer spacing[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2025, 247: 213694.
https://doi.org/10.1016/j.geoen.2025.213694
[10] Kumar K R, Honorio H, Chandra D, et al. Comprehensive review of geomechanics of underground hydrogen storage in depleted reservoirs and salt caverns[J]. Journal of Energy Storage, 2023, 73: 108912.
https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108912
[11] 闫怡飞. 深部地层盐穴储气库建库管柱安全分析[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2016.
[12] Ghaedi M, Gholami R. Characterization and assessment of hydrogen leakage mechanisms in salt caverns[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 185.
https://doi.org/10.1038/s41598-024-84505-x
[13] Du Z Y, Dai Z X, Yang Z J, et al. Exploring hydrogen geologic storage in China for future energy: Opportunities and challenges[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2024, 196: 114366.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114366
[14] Song Y J, Song R, Liu J J, et al. Evaluation on H2, N2, He & CH4 diffusivity in rock and leakage rate by diffusion in underground gas storage[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2025, 100: 234-248.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.12.299
[15] 杨福征, 杨昆. 高频注采条件下层状盐穴储氢密闭性分析[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(5): 2023-2031.
https://doi.org/10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.1147
[16] 纪文栋, 万继方, 贺育贤, 等. 中国盐穴储氢关键技术现状及展望[J]. 石油钻探技术, 2024, 52(4): 158-166.
https://doi.org/10.11911/syztjs.2024055
[17] 刘冰冰, 冯进千, 武志德, 等. 盐穴地下储氢库稳定性研究[J]. 盐科学与化工, 2023, 52(7): 8-12, 17.
https://doi.org/10.3969/j.issn.2096-3408.2023.07.003
[18] 张耀平, 曹平, 赵延林, 等. 双重介质固气耦合模型及含夹层盐穴储气库渗漏研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(1): 217-224.
[19] 王清明编著. 盐类矿床水溶开采[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.
[20] 徐素国. 层状盐岩矿床油气储库建造及稳定性基础研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2010.
https://doi.org/10.7666/d.d083106
[21] 周志威, 刘建锋, 吴斐, 等. 层状盐穴储库中盐岩和泥岩蠕变特性试验研究[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2016(201): 100-106.
[22] 张华宾, 高锴, 垢艳侠, 等. 夹层对盐岩储气库注采运行稳定性影响研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2022, 18(1): 29-35.
https://doi.org/10.11731/j.issn.1673-193x.2022.01.005
[23] 姜德义, 任涛, 陈结, 等. 含软弱夹层盐岩型盐力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012(9): 1797-1803.
[24] 王同涛. 多夹层盐岩体中储气库围岩变形规律及安全性研究[D]. 北京: 中国石油大学, 2011.
https://doi.org/10.7666/d.y1877051
[25] 唐明明, 王芝银, 丁国生, 等. 含夹层盐岩蠕变特性试验及其本构关系[J]. 煤炭学报, 2010, 35(1): 42-45.
[26] 王贵君, 李常皓, 刘朝鹏, 等. 断层对盐岩储库流-固耦合及稳定性的影响[J]. 河北工业大学学报, 2018, 47(3): 93-100.
https://doi.org/10.14081/j.cnki.hgdxb.2018.03.016
[27] 黄孟云, 刘伟, 施锡林. 金坛盐矿工程地质特性研究[J]. 土工基础, 2014, 28(6): 92-95.
[28] 井文君, 杨春和, 李鲁明, 等. 盐穴储气库腔体收缩风险影响因素的敏感性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2012(9): 1804-1812.
[29] 梁光川, 王梦秋, 彭星煜, 等. 盐穴地下储气库溶腔形态变化数值模拟[J]. 天然气工业, 2014(7): 88-92.
https://doi.org/10.3787/j.issn.1000-0976.2014.07.015
[30] 薛辉, 韩春元, 肖博雅, 等. 合理矿柱宽度下盐穴双储库腔体的稳定性分析[J]. 油气储运, 2021, 40(7): 753-760.
https://doi.org/10.6047/j.issn.1000-8241.2021.07.005
[31] Wang T T, Yang C H, Ma H L, et al. Safety evaluation of salt cavern gas storage close to an old cavern[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2016, 83: 95-106.
https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2016.01.005
[32] 胡榕榕, 范金洋, 杨帆, 等. 高速侵彻下盐穴储气库动力学响应的数值模拟研究[J]. 高压物理学报.
https://doi.org/10.11858/gywlxb.20251119
[33] 陈祥胜, 熊天恺, 李银平, 等. 层状盐岩地下储气库运行压力设定方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2024, 43(5): 1139-1151.
https://doi.org/10.13722/j.cnki.jrme.2023.0486
[34] 张强. 长期循环荷载作用下盐岩蠕变—疲劳特性及其工程应用[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2021.
[35] Chang K W, Ross T S. A. Cyclic loading-unloading impacts on geomechanical stability of multiple salt caverns for underground hydrogen storage[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2025, 102: 767-777.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.12.514
[36] Fan J Y, Tang L X, Marion F, et al. A novel viscoplastic model for salt rock deformation under internal cyclic gas pressure loading[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2025, 35(6): 989-1004.
https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2025.05.005
[37] Liang W G, Zhang C D, Gao H B, et al. Experiments on mechanical properties of salt rocks under cyclic loading [J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2012(1): 54-61.
[38] Liu Y, Dai F. A review of experimental and theoretical research on the deformation and failure behavior of rocks subjected to cyclic loading[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2021, 13(5): 1203-1230.
[39] Wang T T, Li J J, Jing G, et al. Determination of the maximum allowable gas pressure for an underground gas storage salt cavern-A case study of Jintan, China [J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2019, 11(2): 251-262.
[40] Jiang D Y, Wang Y F, Liu W, et al. Construction simulation of large-spacing-two-well salt cavern with gas blanket and stability evaluation of cavern for gas storage[ J]. Journal of Energy Storage, 2022, 48: 103932.
https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103932
[41] Wang J B, Wang X P, He M M, et al. Long-term stability analysis and evaluation of horizontal salt cavern gas storage [J]. Journal of Energy Storage, 2023, 66: 107413.
https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107413
[42] Wang X P, Wang J B, Zhang Q, et al. Long-term stability analysis and evaluation of salt cavern compressed air energy storage power plant under creep-fatigue interaction[ J]. Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105843.
https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105843
[43] 唐子茜, 姜德义, 陈结, 等. 小井间距双井盐穴储库稳定性综合评价研究[J]. 地下空间与工程学报, 2021, 17(6): 1997-2006.
[44] 张新生, 常晓云, 蒋丽云, 等. 盐穴地下储气库稳定性评价系统及其应用[J]. 天然气工业, 2015(11): 83-90.
https://doi.org/10.3787/j.issn.1000-0976.2015.11.013
[45] 王志荣, 王永春, 高志俭, 等. 平顶山地下盐穴储气库泥岩夹层稳定性评价[J]. 高校地质学报, 2019, 25(1): 116-124.
https://doi.org/10.16108/j.issn1006-7493.2018052
[46] 安国印, 王斌, 王超, 等. 金坛A盐穴储气库体积收缩率较大原因分析[J]. 石油钻采工艺, 2020,(4): 507-512.
https://doi.org/10.13639/j.odpt.2020.04.023
[47] 朱华银, 王粟, 张敏, 等. 盐穴储气库全周期注采模拟———以JT储气库X1和X2盐腔为例[J]. 石油学报, 2021, 42: 367-377.
https://doi.org/10.7623/syxb202103010
[48] 完颜祺琪, 丁国生, 赵岩, 等. 盐穴型地下储气库建库评价关键技术及其应用[J]. 天然气工业, 2018, 38(5): 111-117.
https://doi.org/10.3787/j.issn.1000-0976.2018.05.013
[49] 李浩然, 杨春和, 陈锋, 等. 变权和相对差异函数在盐穴储气库腔体稳定性评价中的应用[J]. 岩土力学, 2014(4): 1194-1202.
[50] 刘冰冰, 李德宁, 施金伶, 等. 水平腔型盐穴储气库注采运行稳定性分析[J]. 盐科学与化工, 2022, 51(11): 10- 14, 18.
https://doi.org/10.3969/j.issn.2096-3408.2022.11.003
[51] Chen X S, Li Y P, Liu W, et al. Study on Sealing Failure of Wellbore in Bedded Salt Cavern Gas Storage[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2019, 52(1): 215-228.
https://dx.doi.org/10.1007/s00603-018-1571-5
[52] 唐玉华, 施智玲. 盐穴储气库井微渗层封堵技术[J]. 中国井矿盐, 2016, 47(3): 22-24.
[53] Huang X L, Xiong J. Numerical Simulation of Gas Leakage in Bedded Salt Rock Storage Cavern[J]. Procedia Engineering, 2011, 12: 254-259.
https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.05.040
[54] Chen X S, Li Y P, Jiang Y L, et al. Theoretical research on gas seepage in the formations surrounding bedded gas storage salt cavern[J]. Petroleum Science, 2022, 19(4): 1766-1778.
[55] Wang T T, Ma H L, Yang C H, et al. Gas seepage around bedded salt cavern gas storage[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, 26: 61-71.
https://doi.org/10.1016/j.jngse.2015.05.031
[56] Zhu S J, Shi X L, Yang C H, et al. Hydrogen loss of salt cavern hydrogen storage[J]. Renewable Energy, 2023, 218: 119267.
https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.119267
[57] AbuAisha M S. , Billiotte J A. A discussion on hydrogen migration in rock salt for tight underground storage with an insight into a laboratory setup[J]. Journal of Energy Storage, 2021, 38: 102589.
https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102589
[58] Zhang N, Liu W, Zhang Y, et al. Microscopic Pore Structure of Surrounding Rock for Underground Strategic Petroleum Reserve(SPR)Caverns in Bedded Rock Salt[J]. Energies, 2020, 13(7): 1565.
https://doi.org/10.3390/en13071565
[59] Liu W, Zhang Z X, Fan J Y, et al. Research on gas leakage and collapse in the cavern roof of underground natural gas storage in thinly bedded salt rocks[J]. Journal of Energy Storage, 2020, 31: 101669.
https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101669
[60] 陈祥胜, 李银平, 施锡林, 等. 地下盐穴储气库泄漏原因及防治措施研究[J]. 岩土力学, 2019(201): 367- 373, 389.
[61] Zhang N, Yang C H, Shi X L, et al. Analysis of mechanical and permeability properties of mudstone interlayers around a strategic petroleum reserve cavern in bedded rock salt[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2018, 112: 1-10.
https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.10.014
[62] 刘元玺, 李银平, 施锡林, 等. 盐穴储气库微渗层注浆封堵试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(201): 23-34.
[63] 林潼, 王孝明, 张璐, 等. 盖层厚度对天然气封闭能力的实验分析[J]. 天然气地球科学, 2019, 30(3): 322-330.
https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2018.11.012
[64] He T, Wang T T, Yang X P, et al. Leakage path prediction model and gas tightness assessment method for gas storage salt cavern wellbores[J]. Computers and Geotechnics, 2024, 171: 106397.
https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106397
[65] Chen X S, Li Y P, Shi Y F, et al. Tightness and stability evaluation of salt cavern underground storage with a new fluid-solid coupling seepage model[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2021, 202: 108475.
https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.108475
[66] Liu W, Chen J, Jiang D Y, et al. Tightness and suitability evaluation of abandoned salt caverns served as hydrocarbon energies storage under adverse geological conditions[J]. Applied Energy, 2016, 178: 703-720.
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.086
[67] Yin H W, Yang C H, Ma H L, et al. Stability evaluation of underground gas storage salt caverns with microleakage interlayer in bedded rock salt of Jintan, China[J]. Acta Geotechnica, 2020, 15(3): 549-563.
https://doi.org/10.1007/s11440-019-00901-y
[68] Liu J J. Hydrogen tightness evaluation in bedded salt rock cavern: A case study of Jintan, China[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, 48(78): 30489-30506.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.04.197
[69] Liu W, Zhang Z X, Chen J, et al. Feasibility evaluation of large-scale underground hydrogen storage in bedded salt rocks of China: A case study in Jiangsu province[J]. Energy, 2020, 198: 117348.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117348
[70] Lyu C, Liu J F, Ren Y, et al. Mechanical characteristics and permeability evolution of salt rock under thermalhydro- mechanical(THM)coupling condition[J]. Engineering Geology, 2022, 302: 106633.
https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2022.106633
[71] Liu W, Jiang D Y, Chen J, et al. Comprehensive feasibility study of two-well-horizontal caverns for natural gas storage in thinly-bedded salt rocks in China[J]. Energy, 2018, 143: 1006-1019.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.10.126
[72] 陈祥胜, 李银平, 尹洪武, 等. 多夹层盐矿地下储气库气体渗漏评价方法[J]. 岩土力学, 2018, 39(1): 11-20.
https://doi.org/10.16285/j.rsm.2016.2869
[73] 王建夫, 张志胜, 安国印, 等. 气体示踪技术在盐穴地下储气库微泄漏监测中的应用[J]. 天然气工业, 2021, 41(12): 156-164.
https://doi.org/10.3787/j.issn.1000-0976.2021.12.017
[74] 王丹玲, 单保东, 王文权, 等. 盐穴地下储气库腔体稳定性监测体系的建立[J]. 天然气工业, 2022, 42(201): 139-145.
[75] 垢艳侠, 武志德, 祁红林, 等. 安宁盐穴储气库盖层密封性评价[J]. 中国井矿盐, 2013(4): 16-19.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-0335.2013.04.007
A Review of the Stability and Sealing Integrity of Salt Caverns for Hydrogen Storage
(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China
2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300350, China
3. Key Laboratory of Earthquake Engineering Simulation and Seismic Resilience of the China Earthquake Administration, Tianjin University, Tianjin 300350, China)
Abstract: Hydrogen storage in salt caverns, with advantages such as excellent sealing performance, large capacity, and low operating costs, has emerged as one of the most promising large-scale underground hydrogen storage methods with potential for engineering applications. However, during long-term operation, salt caverns are subjected to high-frequency injection-withdrawal cycles, complex geological conditions, and the high diffusivity of hydrogen, leading to significant risks such as surrounding rock instability and hydrogen leakage. The stability and sealing integrity of salt caverns are directly related to the safety and reliability of the hydrogen storage system. From three dimensions—geological conditions, cavern geometric characteristics, and operational parameters—this paper systematically reviews the key mechanisms and evaluation methods influencing the long-term stability of salt caverns. It summarizes the main leakage pathways of hydrogen in bedded salt rock and the corresponding sealing evaluation methods, points out current research gaps in areas such as multi-field coupling (fluid-solid-chemical-thermal) and dynamic leakage identification, and provides an outlook on future research directions, aiming to offer theoretical references for the safe design and engineering application of hydrogen storage in salt caverns.
Keywords: Hydrogen storage salt cavern, stability, sealing integrity, evaluation methods
Citation: ZHANG Jingwei, FENG Shuangxi, MA Dongyu et al. A review of the stability and sealing integrity of salt caverns for hydrogen storage[J]. Engineering Materials and Structures 2026, 5(1): 16-32.