氫氣勘探理論與技術(shù)研究迫在眉睫

氫氣，這種“綠色”燃料燃燒后只產(chǎn)生純水，并釋放出巨大能量，因而被認(rèn)為是最有希望的可持續(xù)能源載體。

在石油煉化產(chǎn)業(yè)中，生產(chǎn)氫氣主要通過催化重整產(chǎn)氫和以烴類物質(zhì)為原料的水蒸氣法及部分氧化產(chǎn)氫兩種方式。但受成本、工藝及環(huán)境等條件的限制，目前仍難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和利用。

那么，自然界中的氫氣能否像天然氣那樣，儲(chǔ)存于地下氣藏中呢?

2018年就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在形成于地下410~660千米深處的珍貴稀有的天然藍(lán)鉆石內(nèi)部包裹著氫氣和其他氣體。如今，在大洋中脊、板塊構(gòu)造邊緣和板塊內(nèi)沉積盆地中，也都發(fā)現(xiàn)了廣泛分布的氫氣資源。 因此，自然界中氫氣資源分布廣，資源潛力巨大。

自然界中氫氣的成因機(jī)制

在地質(zhì)體中，氫氣主要來自深部缺氧地層中。對于地球深部來說，幔源脫氣會(huì)伴生著大量氫氣的釋放;對于地殼淺部巖層來說，水巖作用、水受放射性粒子輻射作用、微生物作用、有機(jī)質(zhì)快速熱裂解，甚至巖層斷裂活動(dòng)產(chǎn)生自由基反應(yīng)等方式也可以產(chǎn)生氫氣。

深部地幔中氫化物釋放出的氫氣沿切穿盆地基底的深大斷裂，或伴隨巖漿活動(dòng)上涌進(jìn)入淺部地層，或以火山形式噴出地表。金剛石包裹體中分子氫的發(fā)現(xiàn)就說明了深部地幔中富氫組分的存在。

水巖反應(yīng)中，最主要的是蛇紋石化。蛇紋石化是基性—超基性巖發(fā)育區(qū)常見的一種低溫(<500℃)熱液蝕變反應(yīng)。蝕變過程中，橄欖石、輝石等礦物的Fe2+被氧化為Fe3+，同時(shí)水中的氫元素被還原為氫氣。

水受放射性粒子輻射作用生氫主要是地下α、β、γ粒子輻射導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氫氣。有科學(xué)家通過對比模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測結(jié)果后認(rèn)為，水的輻射分解是導(dǎo)致南非威特沃特斯蘭德盆地和加拿大蒂明斯盆地深部裂縫水中高氫氣含量的主要原因。

微生物作用生氫主要為還原性細(xì)菌通過對有機(jī)質(zhì)的分解產(chǎn)生氫氣。柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)的天然氣中發(fā)現(xiàn)了少量的氫氣。根據(jù)天然氣產(chǎn)出的地質(zhì)背景，該地區(qū)天然氣藏中的氫氣是有機(jī)質(zhì)在微生物作用下產(chǎn)生。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)在高溫高壓環(huán)境下發(fā)生自身脫氫反應(yīng)，含硅巖層機(jī)械斷裂自由基反應(yīng)也會(huì)生成少量氫氣。

總而言之，不同地質(zhì)背景賦存的氫氣具有不同的成因機(jī)制。大洋中脊、大陸裂谷帶等構(gòu)造活動(dòng)帶巖漿熱液活動(dòng)較為活躍，含F(xiàn)e2+礦物的水合反應(yīng)是該環(huán)境中重要的氫氣形成機(jī)制之一。古老地殼基底中的氫氣含量受到基底巖石中含鉀礦物的含量和放射性衰變時(shí)間的影響。盆地沉積物中的氫氣包含母源基底巖石中繼承的氫氣和沉積以來有機(jī)質(zhì)成熟演化過程及放射性元素持續(xù)衰變輻射作用形成的氫氣。

由于構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜，自然界產(chǎn)出的氫氣常為多種來源氫氣的混合，如何鑒別不同來源的氫氣是完善氫氣體系研究中需要解決的一個(gè)重要問題。以現(xiàn)有的分析技術(shù)和地球化學(xué)鑒別指標(biāo)很難對不同來源的氫氣做明確的鑒別。因此，在氫氣成因分析中，需充分考慮氫氣分布的構(gòu)造、沉積環(huán)境和巖相組合等因素，排除不符合實(shí)際地質(zhì)情況的成因模型，并結(jié)合其他伴生氣體的地球化學(xué)特征進(jìn)行綜合判斷。

最小分子氫氣如何遷移保存

與常規(guī)天然氣藏相比，氫氣的富集及保存對儲(chǔ)蓋圍巖及流體組分要求更高。由于氫氣的化學(xué)性質(zhì)活潑，氫氣一般在原位或運(yùn)移短距離至鄰近層位聚集。因此，氫氣儲(chǔ)存需要考慮基底巖體、潛在儲(chǔ)集體和相關(guān)斷裂帶所在的位置，綜合分析巖石孔隙度、滲透率、圍巖礦物地球化學(xué)、水體屬性、pH值、Eh值、溫度、微生物等特征，動(dòng)態(tài)評價(jià)可能的流體—巖石的物理化學(xué)反應(yīng)、氣體儲(chǔ)存與逸散。由于圍巖與流體的物理化學(xué)反應(yīng)對儲(chǔ)層孔隙度—滲透率演化具有重要影響，進(jìn)而影響氣體流動(dòng)過程和巖石的阻隔性。

氫氣最有利的存儲(chǔ)模式為自生自儲(chǔ)模式，以減少氫氣運(yùn)移過程中與流體組分或圍巖礦物組分反應(yīng)而被消耗，因?yàn)闅錃庾陨砘瘜W(xué)性質(zhì)活潑，在沉積含水層中易被消耗。深部基巖中的存儲(chǔ)空間自身裂縫發(fā)育，可以增大與反應(yīng)流體接觸面積，提供更大儲(chǔ)存空間，同時(shí)上覆地層為致密性良好的沉積巖層系，以有效地封存基巖裂隙中持續(xù)產(chǎn)生的氫氣，達(dá)到了供給大于逸散，使得氫氣富集形成氣藏。

因此，氫氣儲(chǔ)存主要考慮氫氣供給的潛在反應(yīng)、氫氣高擴(kuò)散系數(shù)、地層流體物理化學(xué)性質(zhì)、巖石礦物組成和儲(chǔ)蓋層物性等因素，以做綜合評價(jià)。

在氫氣聚集體系中，蒸發(fā)巖等所謂滲透性最低的蓋層也只是起到減小氫氣遷移動(dòng)力、降低氫氣散失速率的作用，難以完全阻隔氫氣的散失。而氫氣的聚集需要在氫氣充注量大于散失量的條件下，通過穩(wěn)態(tài)積累實(shí)現(xiàn)。因此，在氫氣聚集體系中，地表較高含量的氫氣散失同樣可以指示沉積盆地等構(gòu)造單元中存在一定規(guī)模的氫氣聚集。

考慮到氫氣賦存的媒介，以氣態(tài)氫的形式從液態(tài)水中和黏土礦物表面的解吸是兩種重要的方式。此外，巖石礦物顆粒的破碎使得包裹體中氫氣的釋放同樣是氫氣散失的一種可能途徑，散失的氫氣以擴(kuò)散或?qū)α鞯姆绞缴⒁莸酱髿庵小?/p>

地質(zhì)體中氫氣資源前景如何?

據(jù)國際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，在溫度變化控制在2℃情況下，到2050年全球氫能需求潛力可達(dá)5.5×108噸，這可以減少60×108噸二氧化碳的排放，屆時(shí)氫能在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的需求可達(dá)1.6×108噸。

目前監(jiān)測數(shù)據(jù)評估到的氫氣含量占比很低，在世界能源結(jié)構(gòu)中占比難以客觀評價(jià)。全球工業(yè)氫氣市場的發(fā)展需求與地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長密切聯(lián)系。由于中國和印度等發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)快速增長帶來的對氫氣的強(qiáng)勁需求，亞太地區(qū)工業(yè)氫氣生產(chǎn)量穩(wěn)居全球首位。2017年亞太地區(qū)工業(yè)氫氣的生產(chǎn)規(guī)模價(jià)值為1071.36億美元，北美為555.80億美元，而歐洲則為517.57億美元。這極大促進(jìn)了氫氣生產(chǎn)和存儲(chǔ)的發(fā)展。

目前，氫氣的生產(chǎn)還是以化工生產(chǎn)為主要方式，成本高、易于形成能源二次消耗和污染。因此，加強(qiáng)地質(zhì)體中氫氣資源的理論與相關(guān)技術(shù)研究迫在眉睫，特別是加強(qiáng)對地質(zhì)體中氫氣來源、運(yùn)移通道、聚集和保存的規(guī)律研究，預(yù)測高含量氫氣的分布區(qū)域，從而降低氫氣勘探風(fēng)險(xiǎn)，為氫能可持續(xù)、低成本發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。

隨著科技進(jìn)步，人們對地質(zhì)體中氫氣儲(chǔ)量規(guī)模的認(rèn)識(shí)將越來越清晰，發(fā)現(xiàn)和探明富氫氣藏的規(guī)模也越來越大，氫氣在能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的作用將更加重要。這對加快發(fā)展氫能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

(作者單位：中國石化石油勘探開發(fā)研究院)