一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法与流程

本发明属于盐穴储氢，具体涉及一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法。

背景技术：

1、随着可再生能源规模化开发和能源结构低碳化转型的推进，风能、太阳能等可再生能源在能源供应体系中的占比不断提高，由于可再生能源具有波动性、间歇性和地域分布不均等特点，仅依靠常规短周期储能方式难以满足大规模能源调节需求，而电力系统则在近年来对大容量、长周期和跨季节储能技术的需求逐渐增强；其中氢气作为一种清洁二次能源，能够通过电解水等方式与风能、太阳能等可再生能源相结合，实现电能与化学能之间的转换，并可在能源调峰、跨季节储能、工业脱碳和可再生能源消纳等场景中发挥作用，安全、经济、稳定的大规模储氢技术成为氢能产业发展的重要支撑。

2、地下盐穴储氢是大规模储氢的重要技术路线之一，盐岩地层因其极低的渗透率、微小的孔隙度以及良好的蠕变自愈合特性，被广泛认为是地下大规模储能的理想地质介质，现有技术中利用地下盐穴构建大规模地下储氢库，相比高压气态储氢、低温液态储氢，具有储存容量大、单位成本低、安全性高以及适合长期储存的优势，而盐穴储氢库通常处于深部地下高压环境，且氢气本身具有分子尺寸小、扩散能力强和安全敏感性高的特点，因此盐穴储氢库在建设、投运和运行前，需要对其密封性能和气体渗漏风险进行可靠评价，以保证储氢库长期安全运行。

3、所以当地下盐穴作为地下储氢库时，必须具备良好的密封性，目前现有技术多沿用天然气储气库的经验模型，在传统盐穴储气库的建设过程中，气密封性检测则通常采用氮气或空气作为试压介质，通过监测压力衰减趋势来定性或半定量评估腔体的密封性能，由于甲烷和氮气分子尺寸相近，渗透特性相似，该方法在天然气储库中具有一定适用性；然而将上述方法直接应用于盐穴储氢场景存在显著局限性，首先是氢气分子直径小于氮气和甲烷，其在相同压力梯度下具有更强的扩散与渗流能力，即使盐穴对氮气表现出良好密封性，仍可能存在不可忽视的氢气渗漏通道，会导致适用于天然气储库的盐穴储氢库密封性检测方法无法满足盐穴储氢库的密封性检测要求，其次是在现有技术中对盐穴储气库密封性检测以及对气体渗漏率进行测试时，未充分考虑氢气特有的物理化学性质，如高扩散性、低密度、强溶解性，也未充分考虑注气过程中盐穴腔体蠕变收缩、气体-卤水溶解、焦耳-汤姆逊效应等多物理场耦合作用对氢气压力响应的影响，导致渗漏率评估结果偏差较大，无法满足现有盐穴储氢库对密封性的要求。

4、亟需一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法，解决现有存在的测试介质与实际储氢介质不一致、对氢气扩散与渗流特性反映不足、对注气过程中多物理场耦合作用考虑不足以及渗漏率评估结果偏差较大的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法，应用于盐穴储氢技术领域，以解决现有测试介质与实际储氢介质不一致、对氢气扩散与渗流特性反映不足、对注气过程中多物理场耦合作用考虑不足以及渗漏率评估结果偏差较大的技术问题。

2、为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：

3、一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法，包括步骤如下：

4、s1、建立盐穴储氢库的注氢排卤测试结构，使注气管线与储氢腔体的上部连通，使排卤管柱与储氢腔体的底部连通，在储氢腔体对应位置设置压力传感器和温度传感器，在排卤管柱上设置流量传感器，压力传感器、温度传感器和流量传感器均与控制系统连接；

5、s2、获取储氢腔体的基础几何参数，基础几何参数包括储氢腔体在不同深度处的等效半径和排卤管柱外半径，将储氢腔体沿深度方向划分为多个深度区间，根据每个深度区间对应的储氢腔体等效半径、排卤管柱外半径和区间深度，计算每个深度区间对应的有效储氢体积，并将多个深度区间对应的有效储氢体积进行累加，得到氢气-卤水界面下降至目标深度时对应的目标有效储氢体积；

6、s3、根据目标有效储氢体积确定目标排卤体积，通过注气管线向储氢腔体内注入氢气，使储氢腔体内的腔内卤水经排卤管柱排出，通过流量传感器采集排卤管柱内腔内卤水的排出流量，控制系统根据排出流量累计获得实际排卤体积，并将实际排卤体积与目标排卤体积进行比较，使氢气-卤水界面下降至目标深度；

7、s4、在实际排卤体积达到目标排卤体积后，关闭注气管线和排卤管柱，使储氢腔体进入封闭监测状态，通过压力传感器和温度传感器按照预设时间间隔连续采集储氢腔体内氢气在不同测试时间下的压力数据和温度数据；

8、s5、根据目标有效储氢体积、不同测试时间下的压力数据、温度数据和对应的氢气压缩因子，计算不同测试时间下储氢腔体内的氢气密度，并根据氢气密度和目标有效储氢体积计算不同测试时间下储氢腔体内的氢气储存量，再根据相邻测试时间下氢气储存量的变化量和相邻测试时间的时间间隔，获得目标深度下的氢气渗漏率；

9、s6、改变目标深度并重复步骤s2至s5，使氢气-卤水界面分别下降至多个不同目标深度，获得多个不同目标深度下的氢气渗漏率随测试时间变化的数据，并根据多个不同目标深度下的氢气渗漏率随测试时间变化的数据评价盐穴储氢库的密封性。

10、进一步的，步骤s2中，预计采集储氢腔体内深度为hi处的氢气渗漏率随测试时间变化规律的数据，首先需推算出以上不同深度处的储氢腔体等效半径为rh i，则根据预设的深度、该深度处的等效半径以及排卤管柱外半径计算出预计注入储氢腔体内的高压氢气体积为vi，即储氢腔体内氢气-卤水界面下降至hi处预计排出卤水的体积为vi。

11、进一步的，步骤s2中，对每个深度区间 [hi-1,hi]，采用分段积分：

12、

13、式（1）-1中，i=1,2,3，....n，vh,i为第i个深度区间 [hi-1,hi]对应的有效储氢体积，r为排卤管柱外半径，δh i 为第i个深度区间 [hi-1,hi]对应的区间深度，ri为第i个深度区间 [hi-1,hi]对应的储氢腔体有效半径；

14、

15、式（1）-2中，vh,i为第i个深度区间 [hi-1,hi]对应的储氢有效体积，vi是氢气-卤水界面下降至hi处的总有效储氢体积，总有效储氢体积即氢气-卤水界面下降至hi处预计排出卤水的体积。

16、进一步的，步骤s5中，注入高压氢气使氢气-卤水界面下降至hi米深度处，预计需要排出卤水的体积为vi，结合理想气体状态方程：

17、

18、式（2）中，i=1,2,3,......,n，a=1,2,3,.....，ρhita-1为测试时间为ta-1时储氢腔体内的氢气密度，ρhita为测试时间为ta时储氢腔体内的氢气密度，phita-1为测试时间为ta-1时储氢腔体内的氢气压力，phita为测试时间为ta时储氢腔体内的氢气压力，thita-1为测试时间为ta-1时储氢腔体内的氢气温度，thita为测试时间为ta时储氢腔体内的氢气温度，m为氢气的摩尔质量，r为理想气体常数，zhita和zhita-1分别为测试时间为ta时和测试时间为ta-1时的氢气压缩因子，通过nist数据库或普遍化压缩因子图查得；

19、储氢腔体内的氢气储存量的计算方法为：

20、

21、式（3）中，mhita-1为测试时间为ta-1时的氢气储存量，mhita为测试时间为ta时的氢气储存量，ρhita为测试时间为ta时的氢气密度，ρhita-1为测试时间为ta-1时的氢气密度，vi为氢气-卤水界面下降至hi米深度处预计需要排出卤水的体积。

22、进一步的，步骤s5中，氢气的渗漏量等于开始测试时的氢气储存量减t时间后储氢腔体内的储存量，注入高压氢气使氢气-卤水界面下降至hi米深度处时氢气渗漏率为：

23、

24、式（4）中，mhita-1为测试时间为ta-1时的氢气储存量，mhita为测试时间为ta时的氢气储存量，联立（2）-（4）可得注入高压氢气使氢气-卤水界面下降至hi米深度处时，氢气渗漏率的表达式为：

25、

26、式（5）中，i=1,2,3,......,n，a=1,2,3,.....，vi为氢气-卤水界面下降至hi米深度处时预计排出卤水的体积，m为氢气的摩尔质量，r为理想气体常数，phita-1为测试时间为ta-1时储氢腔体内的氢气压力，phita为测试时间为ta时储氢腔体内的氢气压力，thita-1为测试时间为ta-1时储氢腔体内的氢气温度，thita为测试时间为ta时储氢腔体内的氢气温度，zhita和zhita-1分别为测试时间为ta时和测试时间为ta-1时的氢气压缩因子，通过nist数据库或普遍化压缩因子图查得。

27、进一步的，步骤s6包括子步骤如下：

28、s601、当氢气-卤水界面下降深度为h1，采集测试时间分别为t1、t2、......、ta-1、ta时腔体内氢气的压力与温度的实时数据，计算出不同测试时间时的氢气渗漏率分别为gh1t1、gh1t2、……、gh1ta-1、gh1ta；

29、s602、当氢气-卤水界面下降深度为h2，采集测试时间分别为t1、t2、......、ta-1、ta时腔体内氢气的压力与温度的实时数据，计算出不同测试时间时的氢气渗漏率分别为gh2t1、gh2t2、……、gh2ta-1、gh2ta；

30、s603、当氢气-卤水界面下降深度为hi-1，采集测试时间分别为t1、t2、......、ta-1、ta时腔体内氢气的压力与温度的实时数据，计算出不同测试时间时的氢气渗漏率分别为ghi-1t1、ghi-1t2、……、ghi-1ta-1、ghi-1ta；

31、s604、当氢气-卤水界面下降深度为hi，采集测试时间分别为t1、t2、......、ta-1、ta时腔体内氢气的压力与温度的实时数据，计算出不同测试时间时的氢气渗漏率分别为ghit1、ghit2、……、ghita-1、ghita。

32、s605、根据上述测试得出的氢气渗漏率数据，绘制在储氢腔体在不同深度处氢气渗漏率随测试时间变化的趋势图，全面评估盐穴储氢库的氢气密封性能，即当gh1ta 、gh2ta 、.....、ghi-1ta、ghita均接近于0时，盐穴储氢库的氢气密封性能为合格。

33、进一步的，步骤s2中，储氢腔体为水溶造腔形成的不规则地下空腔，储氢腔体在不同深度处的等效半径在体积等效原则下确定，采用声波成像测井或超声成像测井获取储氢腔体的横截面轮廓数据，根据横截面轮廓数据重建储氢腔体的三维几何形态，并根据重建后的三维几何形态推算储氢腔体在不同深度处的等效半径，排卤管柱外半径根据排卤管柱的标称外径值确定，并结合多臂井径仪检测数据、井下电视检测数据或地面实测数据进行校正。

34、进一步的，步骤s3中，控制系统根据流量传感器采集的腔内卤水排出流量，对腔内卤水的排出流量进行累计，得到实际排卤体积，并将实际排卤体积与目标深度对应的目标排卤体积进行比较，当实际排卤体积达到目标排卤体积时，判断氢气-卤水界面下降至目标深度，并停止向储氢腔体内注入氢气；步骤s4中，在氢气-卤水界面下降至目标深度后，关闭注气管线和排卤管柱，使储氢腔体进入封闭监测状态，在封闭监测状态下，控制系统按照预设时间间隔接收压力传感器采集的压力数据和温度传感器采集的温度数据，用于计算目标深度下不同测试时间对应的氢气渗漏率。

35、进一步的，步骤s1中，建立盐穴储氢库的注氢排卤测试结构时，使生产套管自地表向下延伸至盐层，使表层套管套设于生产套管外部并布置于土表层内，使储氢腔体位于盐层内部，在生产套管底部设置封隔器，并将压力传感器和温度传感器设置在封隔器处或靠近封隔器的腔体连通位置处，使压力传感器和温度传感器通过数据传输线与控制系统连接，并使控制系统接收压力传感器采集的压力数据、温度传感器采集的温度数据以及流量传感器采集的流量数据。

36、进一步的，步骤s1中，建立盐穴储氢库的注氢排卤测试结构时，使注气管线密封穿过封隔器并与储氢腔体上部连通，使排卤管柱密封穿过封隔器并伸入储氢腔体底部，使注气管线与氢气源连通，使排卤管柱与卤水接收装置连通，在注气管线上设置注气截止阀和止回阀，在排卤管柱出口处设置排卤截止阀，并在注气管线和排卤管柱上分别设置流量传感器，其中，位于排卤管柱上的流量传感器用于采集腔内卤水的排出流量。

37、本发明直接以氢气作为测试介质，通过注氢排卤使氢气-卤水界面下降至目标深度，并将目标有效储氢体积与目标排卤体积对应，使界面深度、排卤体积和储氢空间之间形成可计算关系，在封闭监测状态下，结合压力数据、温度数据和氢气压缩因子计算不同测试时间下的氢气储存量，并根据氢气储存量的变化量获得氢气渗漏率，不是单纯依据压力衰减判断密封性，而是将实际氢气介质、界面深度控制、有效储氢体积确定和氢气储存量变化计算结合起来，对不同目标深度下的氢气渗漏率进行定量评价，从而提高密封性检测结果与实际储氢工况的对应性和可靠性。

38、采用上述技术方案，本发明还能够带来以下有益效果：

39、1、本发明提到一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法，通过建立盐穴储氢库的注氢排卤测试结构，使注气管线与储氢腔体的上部连通，使排卤管柱与储氢腔体的底部连通，并通过压力传感器、温度传感器、流量传感器和控制系统获取测试过程中的压力数据、温度数据和腔内卤水排出流量数据，与传统采用氮气或空气进行试压的检测方式相比，直接以氢气作为测试介质，使测试介质与盐穴储氢库的实际储存介质一致，能够更真实地反映氢气分子尺寸小、扩散能力强条件下的渗漏行为，避免因测试介质不同导致密封性评价结果与实际储氢工况偏离的问题，通过注氢排卤使氢气-卤水界面下降至目标深度，再进入封闭监测状态，能够在实际储氢工况接近的条件下完成密封性检测，具有测试针对性强、检测结果真实性高和工程适用性好的优点。

40、2、本发明提到一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法，在获取储氢腔体基础几何参数的基础上，将储氢腔体沿深度方向划分为多个深度区间，并根据储氢腔体在不同深度处的等效半径、排卤管柱外半径和区间深度计算有效储氢体积，再将目标有效储氢体积与目标排卤体积对应，使氢气-卤水界面的下降深度能够通过实际排卤体积进行控制和验证，控制系统根据流量传感器采集的腔内卤水排出流量累计获得实际排卤体积，并将实际排卤体积与目标排卤体积进行比较，从而使氢气-卤水界面稳定下降至目标深度，将储氢腔体的几何体积、腔内卤水排出量和氢气-卤水界面位置建立对应关系，避免仅依赖井口压力变化进行笼统判断，提高了不同深度位置下测试条件的可控性和数据对应性，具有界面控制清楚、测试位置明确和数据来源可追溯的优点。

41、3、本发明提到一种盐穴储氢库密封性检测和氢气渗漏率测试方法，根据目标有效储氢体积、不同测试时间下的压力数据、温度数据和对应的氢气压缩因子，计算不同测试时间下储氢腔体内的氢气密度和氢气储存量，再根据相邻测试时间下氢气储存量的变化量和相邻测试时间的时间间隔获得目标深度下的氢气渗漏率，并通过改变目标深度获得多个不同目标深度下的氢气渗漏率随测试时间变化的数据，能够将盐穴储氢库密封性检测由单一压力衰减判断转化为基于储氢体积、压力、温度和压缩因子的定量渗漏率测试，能够反映不同深度位置处氢气渗漏率随测试时间的变化规律，为盐穴储氢库的密封性能评价提供更可靠的数据依据，具有检测精度高、操作可行、现场适配性强和安全评价可靠的优点。