作者:刘全有 刘佳宜 来源:中国科学报 发布时间:2020/10/22 10:19:05
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氢气勘探理论与技术研究迫在眉睫

 

氢气,这种“绿色”燃料燃烧后只产生纯水,并释放出巨大能量,因而被认为是最有希望的可持续能源载体。

在石油炼化产业中,生产氢气主要通过催化重整产氢和以烃类物质为原料的水蒸气法及部分氧化产氢两种方式。但受成本、工艺及环境等条件的限制,目前仍难以实现大规模生产和利用。

那么,自然界中的氢气能否像天然气那样,储存于地下气藏中呢?

2018年就有科学家发现,在形成于地下410~660千米深处的珍贵稀有的天然蓝钻石内部包裹着氢气和其他气体。如今,在大洋中脊、板块构造边缘和板块内沉积盆地中,也都发现了广泛分布的氢气资源。 因此,自然界中氢气资源分布广,资源潜力巨大。

自然界中氢气的成因机制

在地质体中,氢气主要来自深部缺氧地层中。对于地球深部来说,幔源脱气会伴生着大量氢气的释放;对于地壳浅部岩层来说,水岩作用、水受放射性粒子辐射作用、微生物作用、有机质快速热裂解,甚至岩层断裂活动产生自由基反应等方式也可以产生氢气。

深部地幔中氢化物释放出的氢气沿切穿盆地基底的深大断裂,或伴随岩浆活动上涌进入浅部地层,或以火山形式喷出地表。金刚石包裹体中分子氢的发现就说明了深部地幔中富氢组分的存在。

水岩反应中,最主要的是蛇纹石化。蛇纹石化是基性—超基性岩发育区常见的一种低温(<500℃)热液蚀变反应。蚀变过程中,橄榄石、辉石等矿物的Fe2+被氧化为Fe3+,同时水中的氢元素被还原为氢气。

水受放射性粒子辐射作用生氢主要是地下α、β、γ粒子辐射导致水分解产生氢气。有科学家通过对比模型计算结果与实际检测结果后认为,水的辐射分解是导致南非威特沃特斯兰德盆地和加拿大蒂明斯盆地深部裂缝水中高氢气含量的主要原因。

微生物作用生氢主要为还原性细菌通过对有机质的分解产生氢气。柴达木盆地三湖地区的天然气中发现了少量的氢气。根据天然气产出的地质背景,该地区天然气藏中的氢气是有机质在微生物作用下产生。同时,有机质在高温高压环境下发生自身脱氢反应,含硅岩层机械断裂自由基反应也会生成少量氢气。

总而言之,不同地质背景赋存的氢气具有不同的成因机制。大洋中脊、大陆裂谷带等构造活动带岩浆热液活动较为活跃,含Fe2+矿物的水合反应是该环境中重要的氢气形成机制之一。古老地壳基底中的氢气含量受到基底岩石中含钾矿物的含量和放射性衰变时间的影响。盆地沉积物中的氢气包含母源基底岩石中继承的氢气和沉积以来有机质成熟演化过程及放射性元素持续衰变辐射作用形成的氢气。

由于构造环境的复杂,自然界产出的氢气常为多种来源氢气的混合,如何鉴别不同来源的氢气是完善氢气体系研究中需要解决的一个重要问题。以现有的分析技术和地球化学鉴别指标很难对不同来源的氢气做明确的鉴别。因此,在氢气成因分析中,需充分考虑氢气分布的构造、沉积环境和岩相组合等因素,排除不符合实际地质情况的成因模型,并结合其他伴生气体的地球化学特征进行综合判断。

最小分子氢气如何迁移保存

与常规天然气藏相比,氢气的富集及保存对储盖围岩及流体组分要求更高。由于氢气的化学性质活泼,氢气一般在原位或运移短距离至邻近层位聚集。因此,氢气储存需要考虑基底岩体、潜在储集体和相关断裂带所在的位置,综合分析岩石孔隙度、渗透率、围岩矿物地球化学、水体属性、pH值、Eh值、温度、微生物等特征,动态评价可能的流体—岩石的物理化学反应、气体储存与逸散。由于围岩与流体的物理化学反应对储层孔隙度—渗透率演化具有重要影响,进而影响气体流动过程和岩石的阻隔性。

氢气最有利的存储模式为自生自储模式,以减少氢气运移过程中与流体组分或围岩矿物组分反应而被消耗,因为氢气自身化学性质活泼,在沉积含水层中易被消耗。深部基岩中的存储空间自身裂缝发育,可以增大与反应流体接触面积,提供更大储存空间,同时上覆地层为致密性良好的沉积岩层系,以有效地封存基岩裂隙中持续产生的氢气,达到了供给大于逸散,使得氢气富集形成气藏。

因此,氢气储存主要考虑氢气供给的潜在反应、氢气高扩散系数、地层流体物理化学性质、岩石矿物组成和储盖层物性等因素,以做综合评价。

在氢气聚集体系中,蒸发岩等所谓渗透性最低的盖层也只是起到减小氢气迁移动力、降低氢气散失速率的作用,难以完全阻隔氢气的散失。而氢气的聚集需要在氢气充注量大于散失量的条件下,通过稳态积累实现。因此,在氢气聚集体系中,地表较高含量的氢气散失同样可以指示沉积盆地等构造单元中存在一定规模的氢气聚集。

考虑到氢气赋存的媒介,以气态氢的形式从液态水中和粘土矿物表面的解吸是两种重要的方式。此外,岩石矿物颗粒的破碎使得包裹体中氢气的释放同样是氢气散失的一种可能途径,散失的氢气以扩散或对流的方式散逸到大气中。

地质体中氢气资源前景如何?

据国际氢能委员会预计,在温度变化控制在2℃情况下,到2050年全球氢能需求潜力可达5.5×108吨,这可以减少60×108吨二氧化碳的排放,届时氢能在交通运输领域的需求可达1.6×108吨。

目前监测数据评估到的氢气含量占比很低,在世界能源结构中占比难以客观评价。全球工业氢气市场的发展需求与地区经济增长密切联系。受中国和印度等发展中国家经济快速增长带来的对氢气的强劲需求,亚太地区工业氢气生产量稳居全球首位。2017年亚太地区工业氢气的生产规模价值为1071.36亿美元,北美为555.80亿美元,而欧洲则为517.57亿美元。这极大促进了氢气生产和存储的发展。

目前,氢气的生产还是以化工生产为主要方式,成本高、易于形成能源二次消耗和污染。因此,加强地质体中氢气资源的理论与相关技术研究迫在眉睫,特别是加强对地质体中氢气来源、运移通道、聚集和保存的规律研究,预测高含量氢气的分布区域,从而降低氢气勘探风险,为氢能可持续、低成本发展提供理论和技术支撑。

随着科技进步,人们对地质体中氢气储量规模的认识将越来越清晰,发现和探明富氢气藏的规模也越来越大,氢气在能源结构中发挥的作用将更加重要。这对加快发展氢能源、优化能源结构、保护环境和经济可持续发展具有重要意义。

 
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