含水層壓縮空氣儲能過程中儲層滲流特性及地球化學過程研究進展

左 銳，潘明浩，劉嘉蔚，胡立堂，鄭世達，徐祚榮，王金生*

1. 北京師范大學水科學研究院，北京 100875

2. 地下水污染控制與修復教育部工程研究中心，北京 100875

在碳達峰、碳中和重大戰略目標推動下，我國致力于構建更加清潔、高效的能源體系[1]，使可再生能源這一有效降碳措施成為未來能源結構中的主導力量[2]. 風能、光能等可再生能源具有分散性、不穩定性等特點，隨著用電峰谷差距增大、電力系統轉型壓力大等問題涌現，化解可再生能源大比例并網的電力系統穩定性風險勢在必行[3]. 二氧化碳捕獲封存、地質儲能等技術均是實現“雙碳”目標的重要地質手段[4]，其中儲能技術對于提升可再生能源與發電-負荷動態平衡的匹配能力具有決定性作用[5].

壓縮空氣儲能(compressed air energy storage,CAES)是具備規模化應用潛力的物理儲能技術[6]，具有更高的儲存規模、場地選址靈活性[7]. CAES系統一般由壓縮機、膨脹機、儲氣庫等部分構成[8]，儲氣庫性質將直接影響儲能規模及運行成本. 常見的CAES地質儲氣庫包括天然鹽穴、含水層、廢棄礦井等，其中，含水層儲氣庫具有建設成本低、分布廣泛、容量可控等優勢[9-10]，其可行性已在美國匹茲菲爾德(Pittsfield)場地試驗等實踐案例中得到充分證明[11-12].

水-氣驅替多相流過程是利用含水層儲能時主要的微觀過程[11]，由于CAES系統以注入-開采循環方式運行，由此帶來頻繁的物質、能量變化將對儲層滲流條件產生不利影響[13]. 已有探索經驗表明，外界氣體參與的水-巖反應及其導致的儲層滲透性變化是影響儲能效率的關鍵不確定因素[12,14]，因此，對儲層滲流特性及地球化學過程的研究是進一步論證技術可行性、優化系統效率的關鍵環節. 通過梳理含水層壓縮空氣儲能 (compressed air energy storage in aquifer,CAESA)技術發展歷程及實踐案例，重點闡述決定儲層滲流特性的滲透性參數及其中的地球化學過程，以期為CAES技術發展提供儲層角度的研究參考.

1 CAESA技術進展

1.1 技術發展歷程

CAES的基本原理(見圖1)：將電能轉換為壓縮空氣勢能進行儲存，在用電時將其加熱釋放[15].CAESA系統運行時，首先將氣體注入儲層驅替原位地下水，通過氣-水界面運動產生壓力支撐，形成初始氣囊[16]，進行壓縮空氣的注-存-采循環[17]. 理想的CAESA地層結構通常由封閉性良好的蓋層和滲流條件適宜的儲層構成[18]，蓋層應具有較高的臨界壓力[19]，并能形成較大的自然圈閉范圍[20]，以美國Pittsfield場地為例，目標儲層選定為滲透性較好的St. Peter石英砂巖，上覆多組白云巖、灰巖地層[10,21]，蓋層封閉性、儲層滲流條件均較好.

圖1 CAES系統的結構示意[9]Fig.1 Configuration of CAES system[9]

CAESA這一概念借鑒于利用多孔介質進行天然氣儲存的相關實踐經驗[22]，20世紀60～70年代，由于全球電力系統峰谷負荷壓力不斷增大，學術界開始提出進行規模化的含水層儲能[6,23]. 20世紀70年代，美國太平洋西北實驗室等機構開始集中論證規模化CAESA的可行性，例如，Stottlemyre[24]通過數值模擬手段對枯竭天然氣儲層及含水層的儲能穩定性進行初步定性研究，分析了孔隙度、滲透率等選址參數標準；Wiles[25]于1979年通過數值模型對多孔介質CAES進行了熱力學過程分析. 為實際驗證技術可行性，美國能源部于1981年通過CAES研究計劃，在伊利諾伊州匹茲菲爾德(Pittsfield)附近的背斜結構砂巖含水層中進行注氣-抽提試驗，成功實現氣囊的構建、氣體的注采循環，驗證了儲層良好的流體遷移特性及上覆蓋層穩定性，初步證實CAESA的可行性[26-27].Allen等[28]于1981年對Pittsfield試驗進行了整理描述，并分析該區域適合進行CAES的場地條件；1983年，Allen等[10]進一步分析探討地質條件、運行參數等要素對儲能系統的影響；Wiles等[21]則通過數值模型探究了Pittsfield場地試驗中的氣囊形成、底水錐進等過程，以配合場地試驗的推進. 20世紀90年代以來，由于試驗成本原因及變負荷電站的迅速擴張[6]，CAESA研究逐步進入緩慢發展時期(見圖2).進入21世紀以來，隨著可再生能源發展及其利用效率問題的出現，規模化含水層儲能再次受到廣泛關注. 在此背景下，美國愛荷華州于2006年部署首個規模化含水層儲能電站建設計劃，設計裝機規模達到268 MW[29]. 經過詳細的地球物理探勘及數值模擬分析，發現目標儲層性質無法達到預期水平，實際儲能規模相比預期減小76%，于2011年暫停實施該項目[30].

圖2 CAESA的總體研究趨勢時間線[6]Fig.2 Overall timeline of CAESA development and research trends[6]

2010年以來，國內外學者以數值模擬為主要手段探究氣囊形成、儲能效率、熱循環過程等關鍵問題. Jarvis[31]通過TOUGH2程序構建美國南卡羅來納地區壓縮空氣儲層數值模型，并基于模擬結果解釋平直含水層作為壓縮空氣儲層的可行性. Guo等[13]于2016年基于TOUGH2程序EOS3模塊探究了地質結構、儲層滲透率等對初始氣囊、氣體循環的影響，定義了系統循環次數(system cycle time, SCT)作為評價系統性能的指標. 同年，Guo等[32]基于德國Huntorf鹽穴儲能電站分別構建鹽穴儲層、含水層儲層的二維模型，證實了含水層儲層相比鹽穴具有更高的儲能效率. 隨后，Guo等[33]又進行了含水層熱能儲存(ATES)耦合研究、儲能循環運行性能研究等一系列數值模擬研究. 為分析2010年以后CAESA的研究情況，在Web of Science核心合集中檢索并通過文獻計量學分析作圖(見圖3)發現，2010年后國內外關于CAESA研究熱度呈現出整體上升趨勢，研究主題主要包括系統(system)、模擬(simulation)、效率(performance)、優化(optimization)等.

圖3 2010—2021年CAESA的WoS文獻計量學分析Fig.3 CAESA development during 2010-2021 based on WoS bibliometric analysis

1.2 場地尺度探索

1.2.1 Pittsfield場地試驗

已實現商業化運行的CAES電站多采用天然鹽穴作為儲氣空間[34-35]，其弊端在于，儲能時產生的熱量可能導致鹽穴空間發生蠕變[36]，而天然鹽穴往往遠離電力負荷平衡需求較大的區域，由此可能帶來較高的輸電成本[37]. 世界首個CAESA場地試驗為美國能源部牽頭實施的匹茲菲爾德項目(Pittsfield Field Test)，該項目對于CAES技術發展具有里程碑意義.

美國能源部于1981?1984年在匹茲菲爾德附近選定由背斜結構所圈閉的適宜儲層，儲層巖性以砂巖為主(見圖4). Allen等[17]通過在匹茲菲爾德開展的200~300 m埋深場地試驗，評估了周期性注入-抽取壓縮空氣的可行性，分析了儲能過程對儲蓋層、井筒的物理、化學、礦物學影響，并同步進行數值模擬以對比分析試驗中的氣囊形成、底水錐進、熱循環過程. 場地設置1口注采井，在距離注采井2、8 m處設置2口傳感器觀測井，在距離注采井100~300 m范圍內設置多個觀測孔[21]. 試驗目標儲層為St. Peter組石英砂巖含水層，儲層埋深197~266 m，平均孔隙度為20%，水平方向平均氣體滲透率約為700 mD，具有良好的流體儲存、滲流條件[6]. 儲層平均初始壓力為1.144 5 MPa，初始溫度為14 ℃，臨界氣體、水飽和度分別為0.28、0.90[38].

圖4 匹茲菲爾德場地試驗蓋層-儲層剖面示意[9,17]Fig.4 Schematic section of caprock-reservoir profile in Pittsfield Field Test[9,17]

1982年10月，2.1×106m3空氣(溫度加熱至接近儲層溫度)被注入該目標儲層，開始進行為期6個月的初始氣囊形成作業[17]. 氣囊形成及后續循環注入-抽取試驗充分驗證了利用含水層進行壓縮空氣循環儲存的可行性. 在對壓縮空氣進行化學成分跟蹤時發現，由于儲層中的硫化物礦物(如黃鐵礦FeS2)發生氧化反應，導致工作氣體發生了O2成分損耗[17]. 此外，連續地底水錐進使井筒周圍的砂巖發生地球化學降解，最終導致孔隙堵塞，溫度越高，地球化學過程速率越快[21]. Allen等[10]在總結Pittsfield試驗時提出，熱膨脹、礦物溶解及其他化學反應將使儲層性質發生變化，且儲層中的氧化反應同樣不可忽視.

1.2.2 Iowa儲能工程

愛荷華儲能公園工程(Iowa Storage Energy Park,ISEP)是世界首個CAESA商業化工程規劃，該工程目標儲層為埋深3 000英尺(約914 m)的砂巖含水層[9]，預計儲能規模268 MW，計劃在投入商業運行后與附近風力發電站連接，以耦合其100 MW風力發電能力. 愛荷華州是美國風力發電能力較強的地區，應用儲能技術耦合其風電資源優勢可以有效彌補風能資源應用過程中的不穩定缺陷. 通過廣泛選址，項目確定于得梅因市附近的達拉斯中心(Dallas Center)西蒙山構造(Mt. Simon Formation)進行CAES工程建設[30].在論證了居民接受程度、經濟效益等諸多要素后，工程改名為“愛荷華儲能公園”，并于2010年開始進行鉆孔勘探. 通過對鉆孔進行巖芯分析，發現西蒙山背斜厚度相比預期厚度低67%，由此導致實際儲氣量相比2007年的預期儲氣量降低約50%. 為進一步確定該區域地層條件，工程后續開展3次鉆孔勘探，發現西蒙山背斜的圈閉范圍僅為2.4 km2左右，目標儲層存在滲透率較低的問題[31]. 最終，經過一系列地球物理勘探及數值模擬論證，認為即使該目標儲層孔隙度(16%左右)符合預期，但由于儲層滲透率較低，儲氣量僅能達到預期值的70%，儲能規模僅能達到65 MW[30]，故該儲能工程項目于2011年暫停實施.

2 壓縮空氣儲層的滲流特性

2.1 儲層關鍵滲流條件參數的確定

構建合理的儲層選址評價體系是推動CAESA發展的關鍵步驟，對儲層滲流條件參數的篩選則是其中最重要的環節. 美國太平洋西北國家實驗室對CAESA儲層的早期探索均以數值模擬為主，Stottlemyre[24]提出儲層的孔隙度、滲透率應分別盡量大于10%、300 mD，Wiles[25]補充指出，滲透率、蓋層條件分別作為控制氣體滲透速率、保證儲存空間的直接因素，是最為重要的儲層性質參數，儲層滲透率可能受到熱膨脹、顆粒堵塞、礦物沉淀等物理或化學過程的顯著影響，必要時需通過水力壓裂等手段人為提高滲透率[25]. 同時期的Smith等[39]通過一維單井井筒模型對儲層的幾何構型、巖性介質等要素進行了數值模擬分析，篩選出滲透率、孔隙度、儲層深度等參數，并認為含水層滲透率、單位厚度上的氣體滲流速度是最主要的儲層滲流條件參數. 綜合分析圍繞Pittsfield場地試驗進行的一系列研究，可以認為儲層關鍵滲流條件參數主要包括儲層厚度、儲層滲透率和孔隙度.

此后的儲層選址研究中，亦將孔隙度、滲透率列為CAESA目標儲層選址評價體系中最重要的滲流條件參數，如Succar等[9]于2008年對CAESA選址要素進行了細化評估，在其分析報告中指出，儲層滲透率是針對儲能效率及規模的決定性系統參數，其與孔隙度共同決定了單位面積儲層上能夠實現CAES的孔隙體積，并進一步決定了達到預計儲量所需的儲能規模. 近年來，儲能系統選址評價體系逐步得到完善，目標儲層滲透率、孔隙度、地質結構、儲層埋深等儲層固有要素構成了選址評價體系中主要的參數指標[6]. 董家偉等[20]利用AHP分級法構建CAESA分級指標體系時提出，儲層孔隙度、滲透率分別大于16%、500 mD時為最優，孔隙度、滲透率分別在13%~16%、300~500 mD范圍內時較為適宜.

2.2 儲層滲流條件對儲能效率的影響

滲透率是巖體的固有滲透特性. 早期研究認為較低的滲透率將對儲能效率與規模產生負面影響[22,40]，當儲層滲透率增大時，儲能熱循環效率將明顯提升，因此早期研究提出滲透率應大于300 mD[24]，最好大于500 mD[28]. 但此后有學者指出，高滲透率雖有助于后續滲流循環，但在運行間歇的封閉階段，則可能加速氣囊邊界壓力擴散及氣體逸失[11]，氣體驅替地層原位水形成氣囊空間的快慢主要與儲層水平滲透率有關，與垂直滲透性關系較小，垂直滲透率較小的儲層將有助于防止壓縮空氣抽出階段不必要的水分滲流返回氣囊區域[25]. Guo等[13]于2016年構建水平均質儲層數值模型，模擬研究了不同滲透率、孔隙度等參數對系統運行性能的影響. 由模擬計算結果(見圖5)可知，在不同的抽出速率條件下，當儲層滲透率處于100~300 mD這一較低范圍時，系統循環次數SCT較大，即系統效率較高，由此認為100~300 mD為最佳滲透率范圍. 研究同時指出，滲透率較低雖將減緩空氣流動，限制注入-抽出循環過程中的系統性能，但低滲透率儲層中氣囊壓力逸散較小，有利于氣囊工作的持續性；滲透率較高(>500 mD)時，氣囊邊界向井孔遠端擴展，工作氣體擴散較遠不利于維持氣囊的有效體積，反而將大大縮短儲能運行周期，降低儲能效率.

圖5 系統循環次數隨儲層滲透率的變化情況[13]Fig.5 Variation of system cycle time with reservoir permeability[13]

孔隙度是指礦物顆粒之間的空隙占巖石體積的百分比，作為儲層性質評價指標體系中另一重要參數，儲層孔隙度將影響壓縮空氣在介質中貯存的體積. 一般來說，儲層孔隙度不應過低，Stottlemyre[24]于1978年提出10%作為砂巖儲層孔隙的最小閾值. 此后研究發現，較低的孔隙度將可能使儲層中的氣-水-巖熱傳導接觸空間增大，加速能量散失，尤其當孔隙度低于某一閾值后，將降低含水層結構中的儲存空間，進而在宏觀上表現為儲能規模的降低. 如Li等[11]于2019年歸納總結含水層儲能眾多研究中關于孔隙度的論述，將孔隙度最低閾值范圍劃定為10%~13%.

2.3 儲能過程中儲層滲流條件的變化

在含水層儲能的循環注采過程中，壓縮空氣與儲層中的原位地下水將發生往復驅替運動. 如圖6所示，壓縮空氣進入儲層孔隙介質后，原位地下水被氣體驅替，水飽和度隨之減小，當減小至接近水殘余飽和度時，形成殘余水并滯留于孔隙結構中，使得孔隙介質中的氣體不會到達飽和狀態[21]. 反之，在空氣抽取階段，水將驅替壓縮空氣，但此時孔隙介質中亦存在少量殘余氣體[11].

圖6 氣體-水在注-采循環中的微觀驅替過程[11]Fig.6 Microscopic displacement process of water-air during the injection-production cycle[11]

孔隙度、滲透率是揭示孔隙空間特征、反映孔喉通道特征的參數，孔隙、孔喉作為儲層中的主要滲流空間，其大小、連通性等性質將直接決定儲層中的滲流過程，而由于儲能過程將給目標儲層帶來頻繁的物質、能量循環，孔隙度、滲透率可能隨之發生變化. 由溫度改變引起的壓縮系數增大是導致巖石滲透率、孔隙度減小的重要原因之一，美國洛斯阿拉莫斯實驗室從機械應力角度對砂巖巖樣進行試驗分析，發現靜水壓縮與熱膨脹條件下孔隙空間明顯減小，認為這是由于砂巖巖樣隨著溫度、壓力的增加發生致密化而導致的結果[41]. 更多的研究表明，在相對高溫高壓的儲層條件下，外界氣體參與的水-巖反應及其所引起礦物溶解、沉淀等過程亦是儲層介質微觀孔隙結構、宏觀滲透率等改變的重要原因[40]. 例如，長石砂巖中鉀長石礦物(KAlSi3O8)在有CO2溶于水的情景下，可能發生水解反應產生高嶺石等粘土礦物，阻塞孔喉結構，導致滲透率下降[42]；碳酸鹽礦物在CO2組分進入儲層后可能發生完全溶解；在沉積成巖過程中廣泛產生的硫化物礦物活性較強，對深部氧化還原環境的變化較為敏感，尤其對于黃鐵礦(FeS2)而言，其在氧化條件下較易分解為硫酸鹽和氫氧化物[9]. 在Pittsfield場地試驗中，太平洋西北實驗室Erikson等[43]通過流動循環試驗，對動態流動條件下的巖石滲透率變化給出初步解釋，即滲透率變化可能與巖石小顆粒的釋放有關，疏松的小顆粒進入孔隙喉道后將堵塞孔喉，進而導致滲透率下降. 1983年，Allen等[10]對可能影響儲層滲透率、孔隙度的因素進行歸納，首先提到了溫度對于硅酸鹽礦物水解反應的影響，即較高的溫度將加快反應速率，使得孔隙度、滲透率更易發生變化，并削弱硅-氧之間的化學聯系，導致裂隙產生. 其次，由于頻繁的熱循環，注入井附近的水可能逐漸蒸發，使地下水中的溶解組分(如CaCO3)達到飽和并沉淀，堵塞儲層中的小直徑孔隙、孔隙喉道.

3 儲層滲流條件的地球化學作用

如2.3節所述，應力場、溫度場變化以及地球化學作用均可能導致儲層滲透性改變，盡管目前對引起CAESA儲層滲透性變化的地球化學過程尚無清晰描述，但Pittsfield場地試驗、CO2咸水層封存[44]等相關研究經驗為認識CAESA儲層中的地球化學作用提供了重要研究依據.

3.1 CO2-水-巖反應對儲層滲透性的影響

在儲層的溫度、壓力條件下，壓縮空氣中的重要組分CO2進入儲層介質后容易與地層水、巖石等發生化學反應，改變地層水pH并形成弱酸性流體，進而破壞儲層原有的物理化學平衡狀態[45]. 一般認為，CO2-水-巖反應對儲層滲透性的影響主要通過不穩定原生礦物溶解或次生礦物沉淀而產生[46]，這些地球化學反應不僅可能影響孔隙水水質，還將改造孔隙、孔喉微觀形態，進而改變諸如孔隙度、滲透率等儲層的關鍵物理性質參數[47]. 地球化學數值模擬是了解中長期CO2-水-巖反應及CO2儲存安全性的重要途徑，能夠充分彌補試驗研究的長時間尺度缺陷. 21世紀初以來，諸多學者通過構建數值模型以探究CO2捕獲、儲蓋層CO2-水-巖反應等關鍵問題，White等[48]于2005年對美國科羅拉多Hunter電站附近的潛在CCS儲存砂巖地層進行了CO2地球化學捕獲行為的數值模擬，發現超70%的CO2能夠以溶解捕獲、礦物捕獲等方式長期儲存于儲層中. 不久后Gherardi等[49]及Okuyama等[50]先后利用TOUGHREACT對砂巖、碳酸巖儲層中的CO2地球化學行為進行多維度數值模擬，重點論述了礦物溶解、沉淀等過程對蓋層封閉性的作用. 對于高溫高壓條件下的CO2-水-巖反應，水巖反應試驗亦是較為有效的研究手段. 基于相關地球化學理論基礎及數值模擬結論，研究者主要關注碳酸鹽巖、砂巖兩類地層介質中的CO2-水-巖反應過程. 例如， Farquhar等[48,51]通過高溫高壓試驗研究證實了CO2-水-巖反應對碳酸鹽巖儲層滲透性的主要影響機制，即CO2溶于地層水形成的酸性流體溶蝕碳酸鹽礦物，產生次級溶蝕空隙通道，最終使儲層介質滲透性增加. 但CO2-水-巖之間的復雜作用在導致溶蝕礦物的同時，亦可能導致儲層介質滲透性的下降，例如，Liu等[52]、Zwingmann等[53]在CO2-地層水-砂巖反應試驗中均發現了方解石、白云石、菱鐵礦等膠結礦物的形成；于志超[54]通過高溫高壓驅替試驗研究CO2-水驅替過程中的水巖作用時亦發現，高嶺石等次生礦物的產生及碳酸鹽礦物溶解所釋放出來的黏土顆粒堵塞孔喉會導致巖芯滲透率下降. 李晨陽[55]總結了CO2-水-巖體系中的主要地球化學過程(見表1)，發現砂巖、碳酸鹽巖中常見的原生礦物及其與CO2-地層水的地球化學反應已經得到了較為詳盡的研究.

表1 CO2-水-巖體系中的主要地球化學反應過程[55]Table 1 Prominent geochemical reaction processes in the CO2-water-rock regime[55]

3.2 氧化作用對儲層滲透性的影響

利用含水層進行天然氣儲存的成功經驗是CAESA概念的重要來源. 但與含水層天然氣儲存相比，CAESA通常具有較短的運行周期，即相對較高的注-采頻率. 更重要的是，由于O2是空氣的主要成分，而深部含水層往往具有高溫、高壓、缺氧特點[55]，因此不同于氧化還原性質較穩定的甲烷，大量注入含有O2組分的壓縮空氣勢必頻繁擾動儲層中原有氧化還原狀態，并可能導致原生礦物發生反應[9]，導致儲層原有孔隙特征的變化，故氧化作用對儲層的影響不可忽視.

Pittsfield場地試驗的氧組分監測數據表明，儲層中的壓縮空氣發生了整體性的氧損失，在系統關井階段或遠離注采井的區域，單位體積的氧組分含量下降超過15%[6]，最終導致了儲能系統燃燒效率受損. 此后經分析認為，該現象是由于儲層中的碳酸鹽礦物、硫化物礦物發生了不同程度的氧化反應[38]. 石膏(CaSO4?H2O)是碳酸鹽礦物的氧化產物，其所形成的結垢沉積物將可能堵塞孔隙，進而造成孔隙度下降，最終影響儲庫的儲集性能. 硫化物礦物的氧化反應則是對儲層滲透率影響最為顯著的氧化作用過程[38]，例如，Pittsfield場地試驗砂巖儲層中的黃鐵礦(FeS2)與O2發生反應，當其中存在不完全的氧化過程〔見式(1)(2)〕時，將導致硫酸亞鐵(FeSO4)及堿式硫酸鐵〔Fe(OH)SO4〕等中間產物的生成，并進一步產生氫氧化鐵膠體及水綠礬等產物. 上述反應產物體積膨脹至原始礦物體積的500%，嚴重擠壓儲層介質中原有的孔隙空間，加之其在孔隙內部的聚集，最終造成儲層滲透率、孔隙度的顯著下降[9]. 同時，該過程中產生的膨脹應力還會對蓋層產生不利影響[11].

4 結論與展望

CAESA技術發展至今，其技術理論與實踐經驗已得到極大豐富，但在系統效率提升、地面設備優化、環境經濟影響分析等制約其規模化商業應用的重要環節方面仍存在較大研究空間. 對于儲能系統的關鍵構成?儲層而言，經多年數值模擬推論及場地實踐探索，已建立了較完整的儲層選址指標體系，確定了滲透率、孔隙度對儲能效率及規模的重要影響；已形成對儲層滲流條件影響儲能系統效率的階段性認識，得到儲層滲透率、孔隙度的建議適宜區間；已針對引起儲層滲流條件變化的應力及地球化學過程進行了初步判斷，分析了儲能過程中原生礦物溶解、次生礦物沉淀及礦物氧化等關鍵地球化學過程. 但在實施規模化含水層儲能工程的需求背景下，針對儲層滲流條件的研究仍有不足，對含水層中壓縮空氣儲存機制的認識仍待突破，應重點關注以下發展方向.

a) 儲層滲流條件研究. 儲層滲流條件對儲能效率具有決定性影響，應從儲層滲流條件響應及非均質性影響角度入手完善對于儲能滲流條件認識. 就儲層滲流條件響應而言，應著眼于儲能過程中物質、能量變化對儲層滲流條件的影響，通過設置儲能系統的注入速率、循環周期、巖性介質等要素作為滲流條件影響變量，對比分析各變量對儲層滲透率、孔隙度的影響程度，以期為工程應用提供運行參考. 就儲層非均質性而言，在進行儲層非均質性分類、評價及成因分析的同時，應靈活運用地質成因分析、生產動態分析、地質勘探非均質成像等方法分析儲層非均質特征，在此基礎上運用上升尺度模型等前沿方法刻畫區域尺度的空間非均質性，模擬儲層滲流條件空間變異性對壓縮空氣滲流過程及儲能系統效率的影響.

b) 壓縮空氣儲存機制研究. 對壓縮空氣儲存機制的完整認識是提升儲能效率、確保儲能安全性的基礎之一，其中主要包括對儲層中壓縮空氣動力學、熱力學、地球化學行為的研究. 對于動力學過程，應重點以壓縮空氣-地下水的驅替過程為切入點，結合物理模型與數學模型，通過高溫高壓多相滲流試驗、多相流數值模擬等研究手段分析儲層中壓縮空氣遷移行為，對高溫高壓條件下的氣-水驅替規律進行定量化分析；對于熱力學過程，應加強儲層熱循環效率的影響因素識別與分析，如通過非等溫多相流模型研究氣體溫度、儲層滲透性、巖石顆粒比熱等條件對儲能效率的影響，還可考慮與含水層熱能儲存等技術結合，尋求進一步優化儲能效率的突破口；對于壓縮空氣地球化學行為研究，應充分吸納CO2地質儲存、Pittsfield場地試驗等已有經驗，通過試驗、地球化學模型等手段，關注不同含水層礦物種類在高溫高壓條件下的CO2-水-巖反應、氧化反應等過程，明晰地球化學過程對壓縮空氣儲層滲透率、孔隙度的負面效應.