0 引言
全球变暖在推动世界各国快速实现能源转型,对节能减排的要求日愈增强,对化石能源的限制日趋严格,对清洁能源的需求迫在眉睫。作为零碳排放的清洁能源,氢能越来越受到重视,是发展新质生产力的重要引擎。然而,目前对于氢气的获取方式主要通过人工制氢,在制氢过程中仍需消耗化石燃料,不可避免地造成碳排放。寻找地质源氢气是解决该问题的一个关键突破口。
传统观点认为,天然氢气在地表难以赋存。然而,勘探结果表明,天然氢气在地表的分布远超预期,与复杂的地质构造环境密切相关(
图1)
[1]。近年来,大陆地区的天然氢气发现广布于俄罗斯、美国的北卡罗来纳州、巴西等地,另外在一些火山岩区也发现了氢气的异常分布
[2]。天然氢气的主要形成方式包括橄榄岩蛇纹石化作用、水的辐射分解、深度脱气、海底黑烟囱中的铁还原和硫氧化、有机物的热分解和生物活性作用等
[3-4],而橄榄岩的蛇纹石化作用是产生天然氢气的主要地质过程。橄榄岩是地幔的主要岩石组成,关键矿物是橄榄石。有学者认为,地球深部蛇纹石化反应可能产生了地球80%的氢
[4]。例如,早期地球在岩石圈分异之前,超基性岩出露可能比现在更普遍
[5]。整个太古宙地壳比现代地壳具有更多的超基性岩,更有可能经历了长期的蛇纹石化作用
[6],例如,西格陵兰Isua带出露的变质岩系(约3.8 Ga)和芬兰Kuhmo太古宙绿岩带的科马提岩(>2.5 Ga)均明显发生了蛇纹石化作用
[7-8]。特别值得重视的是,在现今广阔的海底,蛇纹石化作用尤为普遍,大量的氢气在橄榄石与水的接触面上形成,因此,海底(准确应当表达为洋底)是天然氢气(氢能的一种,也称地质氢)勘探的有利前景区。但是,目前对天然氢气的关注主要在陆地上(
图1)。2024年美国能源部高级能源研究计划署(ARPA-E)设定了16个项目,投入巨资,用于研究陆上地质氢储层改造和储层管理,加快地下天然制氢。所针对的技术涉及刺激地下氢气生成的方法,如强化蛇纹石化作用或其他氢气生成作用,以及重点对预测或监测经过储层改造的产氢量建模和表征方法进行研究,开发识别、管理和监测氢储层的方法,以及评估开发氢储层的风险。但是,目前人们对海底氢能的形成、分布及勘探开发的认知十分有限,主要原因是海底深层地质流体取样的固有挑战,以及缺乏针对潜在海底氢能储层的探测方法和开采技术。
1 海底氢能的形成原理和分布特征
海底氢能专指天然的海底氢气能源。蛇纹石化作用是海底氢能的主要形成过程。蛇纹石化是指基性岩和超基性岩中的橄榄石和辉石等镁铁质矿物在相对低温条件下发生水热蚀变产生蛇纹石等矿物的过程
[9],基本反应式为:Mg
1.8Fe
0.2SiO
4(橄榄石)+1.37H
2O→0.5Mg
3Si
2O
5(OH)
4(蛇纹石)+0.3Mg(OH)
2(水镁石)+0.067Fe
3O
4(磁铁矿)+0.067H
2[10]。在正常海底环境下,地幔橄榄岩和海水之间被洋壳分隔而难以直接接触并发生反应。然而,板块构造过程导致现今海底脆性的洋壳广泛发育裂缝和断层,成为二者充分接触发生水-岩反应的理想场所
[11]。当水沿着这些裂缝渗透到岩石圈地幔顶部时,就会发生蛇纹石化反应生成氢气,这个过程成为海底氢能产生的主要来源。海底氢能因后期裂隙封闭而保存在洋壳内或其底部,进而成为海底氢能勘探对象。
蛇纹石化过程通常发生在俯冲消减系统和洋中脊
[12],包括慢速-超慢速洋中脊拆离断层、海洋核杂岩、转换断层、俯冲带地幔楔和外缘隆起带、洋陆转换带等构造环境。这些地带的水化超基性岩是活跃的热液源区,为蛇纹石化及非生物成因氢能的产生提供了良好物质基础
[13]。例如,在大西洋洋中脊、Rainbow、Logatchev/Ashadze、Lost City和Saldanha热液区等地,蛇纹石化产生的流体中富含氢气,其体积分数可达20%~80%
[14⇓⇓⇓⇓-19]。综合运用二维热力学模型与蛇纹石化反应过程,学者计算了大西洋陆缘张裂过程释放的氢气总量高达8.6×10
12 t
[20]。洋壳玄武岩样品中亦富含氢
[21],据此计算,全球洋壳玄武岩层的氢气年通量为(7.5~12.6)×10
6 t
[22-23]。实际上,海底氢能可能无处不在,包括在广阔的深海洋盆底部
[11]。因此,现今洋壳之中储存了极具前景的海底氢能。
基于以上海底氢能分布特征,有必要建立针对性的勘探方法,研发专门的勘探传感器或探测设备,开发相应的处理软件和方法,且针对目标所处海底构造部位差异,采用不同的探测和开发技术体系。
2 海底氢能探测技术
2.1 多波束探测
在海底张性断裂处,其下伏氢气藏通常会有部分气体泄漏,游离态的氢气渗漏到海水中,会导致海水的声波速度与周围海水的不同。声波在海水中传播遇到气泡时,会产生强烈的散射。通过船载高精度多波束测深系统对水体进行成像(
图2),可以检测到类似于“耀斑”的水声图像,并揭示游离态氢气羽状流在海底-水体连续空间中的迁移过程。因此,通过海底多波束测深系统可以对可能的氢气储藏开展目标检测和识别,同时还可对氢气藏的泄漏进行检测预警
[24]。如配合使用陆地勘探中较为成熟的氢气检测传感器,则在洋陆转换带可区分是水合物分解泄漏还是氢气泄漏。在广阔的洋盆区,如发现上述多波束异常中的“耀斑”水声图像,则无疑是氢气泄漏所致,因为洋盆极少出现水合物。以往多波束探测技术多用来探测海底精细地貌,从未用来开展海底氢气探测,但多波束探测海底氢气的原理是合理的,且是一种直接探测天然氢气的优先技术。
2.2 磁力测量
海底蛇纹石化过程伴随着大量磁铁矿的生成,几乎所有暴露在陆地和洋底的蛇纹石化橄榄岩中都存在磁铁矿
[25-26]。磁铁矿是一种强磁性矿物,其磁化强度高达92 A·m
2/kg,常分布于蛇纹石边缘,呈网格状构造
[9,27]。这些新形成的磁铁矿会有效响应地磁场变化,其磁矩沿着地磁场方向排列,记录稳定的剩余磁化强度,对海底磁异常做出贡献。蛇纹石化橄榄岩是海底磁异常的一个重要来源。因此,航空磁力测量、船载磁力测量或近海底磁力测量是寻找氢能的一个必不可少的手段。可以先通过适宜大面积测量的航空磁力测量在各海域进行测量,粗略判定高磁异常区后,利用船载磁力仪进行精细测量,而采用近海底拖体磁力测量,则可更精准地圈定可能的蛇纹石化区域,以往称为的海底“牛眼”构造,类似陆地上的“仙人圈”构造,即潜在的储氢场所(
图2)。
2.3 重力测量
与天然气藏类似,氢气藏的储集层与围岩之间可形成负密度差,因此产生明显的重力负异常。如果气藏规模大、埋藏浅,这种负异常更加明显,因此重力异常探测是一种寻找氢气藏圈闭的有效方法
[28]。除了寻找氢气藏圈闭以外,类似于微重力技术在常规油气藏开发中的应用
[29],通过持续监测氢气藏开采过程的重力异常变化,可有效描述剩余气分布,并对开发井井位以及剩余气开发潜力进行评价。
目前,随着勘探仪器的改进,高精度重力仪的精度达微伽数量级,更易于识别单一构造的氢气藏重力异常信息。但实际情况下,海底岩性、地层及构造起伏非常复杂,氢气藏产生的重力异常可能淹没于强背景异常,或各种干扰下很难直接识别。尤其在俯冲带和洋中脊的蛇纹石化生氢区,因板片俯冲或者深部物质上涌,并伴随强烈的物质能量交换和相态转变,导致密度在水平和垂向空间上不均匀分布,重力异常空间变化较大,在这种情况下更难以识别到氢气藏重力异常信息,因此,重力异常处理新技术或许是将来氢气藏勘探值得关注的研究点。
2.4 海底多分量地震勘探
通过重、磁等勘探方法大致圈定研究靶区或潜在储藏区后,可再通过地震勘探等技术落实海底构造地层的具体分布,在地震剖面上识别生氢层、储层及运移通道,分析氢气资源量和开采潜力(
图2)。受蛇纹石化的生氢机理和含氢储层的特性限制,可同时采集纵横波信息的海底多分量地震勘探技术,在海底氢资源探测中有明显优势,主要体现在氢气藏覆盖下的构造成像方面。氢气层的体积模量小,纵波速度很低,而且高频衰减快,使得常规纵波剖面的氢气层及氢气层以下的岩层产生畸变和散焦等一系列现象,纵波剖面出现弱相干、弱振幅和杂乱反射的模糊带,通常称为“气云区”,严重影响对含氢气构造的解释
[30-31]。相反地,因多分量地震勘探包含横波信息,而横波传播特性主要取决于剪切模量,速度和频率基本不受气层的影响,能量不会被屏蔽,同一地点的横波剖面就没有这些失真现象,构造可以得到很好地落实。例如,墨西哥湾的含气构造纵横波成像对比
[32],可见受氢气层的地震波散射屏蔽等效应影响,纵波剖面气云区成像模糊,地震资料品质差,构造形态难以确定;而同一位置的转换横波剖面基本不受气层影响,可以清晰地观察到构造形态。
海底多分量地震勘探技术在海底含氢储层勘探中的另一重要优势是,其能更好地刻画海底生氢、储氢岩层的地震各向异性特征。理论上可预见,海底生氢、储氢岩层应该存在很强且复杂的地震各向异性。一方面,大量研究表明
[33⇓-35],作为蛇纹石化过程的生氢岩石,水化橄榄岩中,橄榄石和蛇纹石等因矿物晶格优选方位(Lattice-preferred orientation, LPO)会形成很强的LPO型各向异性。橄榄石的各向异性因子接近20%,而原位置换的蛇纹石的各向异性可达橄榄石的2倍以上,可以据此判断水化程度和生氢潜力;蛇纹石化也是目前在日本俯冲带等俯冲系统观测到的平行于海沟的强地震各向异性的一个可能成因
[36]。另一方面,蛇纹石化需要海水下渗参与,通常发生于俯冲带、洋中脊或转换断层的大型断层周边,这种大型断层往往伴随多尺度的平行断层,形成较强的形状优选型各向异性
[33];同时,这些断层也是氢气从深部生氢层到浅部储层的主要运移通道,断层走向、密度、尺度等发育特征决定着含氢储层的可开采价值和开采方案,因而对其准确刻画十分重要。
因此,可以综合多分量地震得到的纵横波信息,精细刻画海底生氢层和储氢层的地震各向异性特征,分析生氢层水化程度以及储氢层的资源开采潜力。在海底氢气资源勘探和开采的不同时段,利用重复放炮或被动震源开展四维多分量地震观测,观察分析储层和裂缝随时间的发育过程。
2.5 海底氢能区环境原位观测
与天然气水合物类似
[37-38],对于潜在的氢能富集区,在试开采之前,必须对其海底环境变化规律和试开采的环境效应进行先验测试。因此,有必要构建海底环境长期原位监测系统,由坐底式潜标(海底观测基站)、锚系浮标(海上观测基站)、综合海底观测网(海底基站群)和AUV水下机器人(定点观测)构成(
图2)。该系统可用于采集海底边界层长期连续的环境参数,评估氢气开采过程可能引发的环境影响,为安全有效地采集海底氢气资源提供参数保障。
2.6 海底大地电磁探测
与陆架和陆坡寻找油气类似,海底大地电磁技术是一种间接的寻找海底氢能的手段。其核心技术通常用来寻找地壳中的水分布,但海底氢能形成往往与水分布密切相关。因此,海底大地电磁技术的应用也可拓展到海底氢能的探测中。
以上所有这些探测技术都相对成熟,但相关探测数据的处理软件,需要根据海底氢能的地质特点,针对性作出改进,以便准确识别海底氢能的赋存状态。
3 海底氢能开采技术
海底氢能的开采平台,可基于海底油气资源开采平台进行改进,主要包括水下生产系统和浮动生产储存卸载,集开采系统、井口气水采集系统、海底系统、系泊系统、卸船系统、供电供热系统、生产指挥系统和生活系统为一体。开采平台系统组成的复杂性、功能的完备性和环境的特殊性决定了平台的能源消耗很高,这对深远海氢能开采是一个挑战。另外,不同储层结构和水深对钻井平台的要求不同。对于洋中脊、转换断层、俯冲带或深海洋盆地区,水深基本大于4 000 m,此时基础固定于海底的开采平台,如塔架式平台或顺应塔平台,无法满足开采条件。半潜式钻井平台或钻井船漂浮于水面,通过动力定位系统进行定位,目前虽适应于3 000多m的水深环境,通过改进升级,对于海况恶劣的更深海域,有望可以发挥主导作用
[39]。而对于水深相对浅的洋陆转换带,可采用系泊式平台、塔架式平台、固定式平台(顺应塔平台或张力腿平台)(
图3),尤其是张力腿平台漂浮于水面通过张力腿系泊于海底,在海洋环境荷载作用下,平台围绕中心有较小偏移。
蛇纹岩化产生的氢气形成后会被后期顶部裂缝中的碳酸盐脉体或上层深海沉积物封存。因此,在海底氢气开采过程中,实施水平井或多分枝井,并配合储层压裂增渗技术,可以提高油气资源的开采效率。对于氢气藏分布层位较薄的海底壳层,需要借助水力压裂法在非常高的压力下向岩石中注入液体,使岩石的裂缝或薄弱面打开,继续注入携带支撑剂的液体,裂缝逐渐向前拓展,形成具有一定尺寸的高导流能力的填砂裂缝,使氢气轻松地通过裂缝流入开采井中,达到增产增注效果。由于岩层的非均质性,氢气聚集带或聚集层并不一定与井底相连通。通过压裂形成的人工裂缝,可以将这些孤立聚集带同井底连通起来,增加新的供气区(
图3)。另外,为了减少开采过程中的环境污染,提高开采效率,也可通过微波加热方法进行氢能开采。在现场结合钻井穿透深度,选择合适的微波发生频率对储层进行加热。温度升高会使储层结构和性质发生变化,产生热和机械应力的效应,在原有裂缝的基础上形成扩展,产生新的气体通道,从而提高氢气的扩散能力;同时温度升高会加速分子的热运动,有利于氢气的赋存状态从吸附态向自由态转变,更多的氢气得以释放,从而增大氢气的产量。目前,日本已经尝试从蛇纹岩的含水层中提取氢气,通过脱气处理,实现了氢气提纯
[40]。另外,在氢气开采过程中,可以将热水通过开采管道注入目前不产生氢气的富铁岩石中,进一步刺激蛇纹石化作用,增加氢气产量。因此,在已知蛇纹石化的海底构造区域(洋中脊和弧前),海底氢能前景是可持续的。
4 海底氢能勘探与开采展望
海底氢能是极具开采前景的清洁能源,是海底资源开发的海洋新质生产力,可以为缓解各国能源压力和“双碳”压力提供新途径。海底多波束测深、磁力测量、重力测量和多分量地震勘探、海底大地电磁等综合地球物理探测方法,有助于探明海底可能的氢能储层,同时借助水力压裂等方法,可对储层中氢气进行试开采。但是,囿于海底深层地质流体取样的固有挑战,以及人们对海底氢能认知的匮乏,目前仍然缺乏专门针对海底氢能的探测方法技术,尤其需要加强开发深海海底氢气定向井和水平井钻井技术,积极探索相应的多分支井或鱼骨井等复杂结构井的钻完井技术。这需要有组织地在相关方向提前布局,为海底氢能的开采利用提供扎实的技术方法支撑。
另外,由于海底氢能更多的分布在水深大于3 000 m的深远海域,会面临着更严峻的风浪流、海冰、内波流、海底低温、更加复杂多变且难以预测的地层情况,尤其是中高纬海域,这对海上钻井开采以及输运都是一个挑战,但也是机遇,必然会催生出各种各样的新钻井技术和氢气液化保存等相关技术,进一步推动海洋移动钻井平台相关装备性能的升级和周边产业发展,尤其是数字化、智能化发展会推动海洋移动钻井平台向着安全水平更高、劳动强度更低、整体效率更高发展。
感谢审稿人和王小龙编辑对文章提出的宝贵意见。感谢张建利博士在海底氢能多分量地震勘探方面提供的探讨和帮助。
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