中國石油勘探開發(fā)研究院 王曉梅

在地球形成初期,原始大氣主要由氫氣與氦氣組成,同時包含少量的甲烷及二氧化碳等氣體。

早期地球吸積過程中,原始大氣中的氫被捕捉,并以溶液和化合物形式賦存在地球內(nèi)部,在高溫高壓條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

這些氫后期從地核中逐步析出,進(jìn)入地幔并與碳、氧、硫等元素相結(jié)合形成深部流體,后者會通過火山噴發(fā)、地震等活動釋放進(jìn)入大氣圈,并在溫室-冰期循環(huán)、大滅絕事件和化石能源形成中發(fā)揮重要作用,成為鏈接地球系統(tǒng)圈層運(yùn)動的紐帶。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,氫元素具有極強(qiáng)的還原性,且質(zhì)量很輕,傾向于與其他元素結(jié)合以化合物形式存在,只有少數(shù)情況才能以單質(zhì)氫氣的形式存在。

然而,越來越多天然氫氣的發(fā)現(xiàn),預(yù)示其可以游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)以及包裹體形式賦存于地球不同圈層中。地球內(nèi)部(內(nèi)核、外核及地幔)可能是地球上最大的天然氫庫,據(jù)估計,地球外核中含有的氫氣量約為1.11×1019噸。

重新審視地下氫氣系統(tǒng)

實(shí)際上,天然氫氣普遍存在于全球范圍的地表-地殼環(huán)境,包括超基性巖體或花崗巖體(前寒武地盾)、深大斷裂發(fā)育區(qū)、海底洋中脊、火山體系、地下水/地表水熱系統(tǒng)和沉積盆地等。

其中,蛇綠巖帶、洋中脊、熱泉等水熱系統(tǒng)、深大斷裂發(fā)育區(qū)是已發(fā)現(xiàn)高豐度天然氫氣賦存的主要地質(zhì)體。比如,馬里發(fā)現(xiàn)的深度1000米以內(nèi)的天然氫氣含量最高達(dá)98%,主要賦存于蛇綠巖和花崗巖鄰近的沉積地層。

近年來,天然氫氣的成因來源和資源前景受到學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注。

總體上來說,地質(zhì)體中的氫氣可為有機(jī)和無機(jī)兩類成因。有機(jī)成因包括微生物作用和有機(jī)質(zhì)熱解作用,無機(jī)成因包括深部幔源脫氣、含鐵礦物的水熱反應(yīng)(比如蛇紋石化作用)、水的放射性分解作用、巖石機(jī)械破碎引起的自由基產(chǎn)氫等。其中,超基性巖體和花崗巖體中二價鐵礦物的水熱反應(yīng)、放射性作用是地殼中最重要的產(chǎn)氫途徑。據(jù)估算,1立方米巖石10億年產(chǎn)氫量約為0.19立方米。

盡管研究顯示地質(zhì)體具有規(guī)模產(chǎn)氫潛力,但考慮到氫氣較強(qiáng)的擴(kuò)散效應(yīng)和高的生物-化學(xué)反應(yīng)活性,自然界中是否存在工業(yè)價值的天然氫氣藏仍不確定。近年來,在能源需求和“減碳”目標(biāo)的驅(qū)動下,尤其是非洲馬里天然氫氣的成功開發(fā)利用,促使全球業(yè)界開始重新審視地下的氫氣系統(tǒng)。

2019年以來,美國、澳大利亞等國家積極推進(jìn)天然氫勘探,圍繞地下超基性巖體和花崗巖體,相繼鉆探多口天然氫專探井。國內(nèi)學(xué)者也在松遼盆地、柴達(dá)木盆地、渤海灣盆地等發(fā)現(xiàn)天然氫氣顯示。

但總體來說,全球天然氫的勘探和開發(fā)利用仍處于起步階段,已有研究大多聚焦地表/淺層的超基性巖等火山巖體和水熱系統(tǒng),對沉積盆地深層天然氫氣關(guān)注相對較少。

四川盆地富含多種油氣

實(shí)際上,我國克拉通盆地廣泛發(fā)育的深部斷裂,可為火山巖基底生成的氫氣運(yùn)移至沉積地層有利圈閉發(fā)生聚集提供通道,是地下氫氣藏形成的潛在地質(zhì)體。我們的研究團(tuán)隊以四川盆地川中地區(qū)震旦系-三疊系常規(guī)氣藏為解剖對象,結(jié)合58個天然氣樣品的氫氣含量和同位素、區(qū)域地質(zhì)條件、同位素分餾數(shù)值計算等分析,探討了氫氣潛在的成因來源,預(yù)期為認(rèn)識沉積盆地深層天然氫氣形成機(jī)制和分布規(guī)律提供關(guān)鍵地質(zhì)實(shí)例。

四川盆地位于中國的西南部,北鄰米倉山和大巴山,南鄰大涼山和大婁山,西鄰龍門山和邛崍山,東鄰七躍山,總占地面積約19萬平方公里。

作為大型疊合含油氣沉積盆地,四川盆地屬于上揚(yáng)子克拉通板塊,經(jīng)歷過多期構(gòu)造運(yùn)動。自新元古代以來,盆地經(jīng)歷了揚(yáng)子旋回、加里東旋回、海西旋回、印支旋回、燕山旋回、喜馬拉雅旋回等多次構(gòu)造旋回。根據(jù)區(qū)域斷裂和構(gòu)造變形差異,四川盆地可細(xì)分為5個構(gòu)造單元:川東高陡斷褶帶、川南低陡褶帶、川中平緩褶帶、川西坳陷帶、米倉山-大巴山前緣褶皺帶。

盆地自基底以上發(fā)育新元古界震旦系、古生界、中生界和新生界的沉積層系。其中震旦系-中三疊統(tǒng)以海相碳酸鹽巖沉積為主,上三疊統(tǒng)-第四系多為陸相碎屑巖沉積。受構(gòu)造活動影響,盆地深部發(fā)育多組溝通基底和下古生界沉積地層的斷裂(如龍門山和華鎣山斷裂),川中地區(qū)存在多條走滑斷裂帶,控制了震旦系-侏羅系油氣的成藏聚集。

四川盆地富含多種油氣資源,包括常規(guī)氣、頁巖/致密氣、頁巖油等,是我國重要的含油氣盆地。盆地海相-陸相地層存在6套優(yōu)質(zhì)烴源層、11套油氣成藏組合,已發(fā)現(xiàn)29套工業(yè)油氣產(chǎn)層、180余個油氣田及含油氣構(gòu)造。深層-超深層天然氣勘探開發(fā)主要集中在震旦系-下古生界,其中,川中地區(qū)安岳氣區(qū)震旦-寒武系已探明天然氣儲量超萬億方,蓬萊氣區(qū)震旦系天然氣勘探也取得重要突破。

天然氫氣科研亟需加強(qiáng)

我們結(jié)合天然氣地球化學(xué)分析、地下產(chǎn)氫機(jī)理和氫同位素分餾數(shù)值計算,系統(tǒng)探討了川中地區(qū)震旦系-三疊系天然氣中氫氣的含量、同位素特征與成因機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn),川中地區(qū)震旦系-三疊系常規(guī)天然氣中氫氣的平均含量為0.25%,最高含量達(dá)到1.6%,氫氣的氫同位素為−850‰~−586‰。同時,地質(zhì)條件和同位素分餾效應(yīng)分析,揭示微生物和有機(jī)質(zhì)原位裂解產(chǎn)氫作用并非深層氫氣形成的有效途徑。氣藏中伴生氦的含量和同位素特征顯示為殼源特征,指示川中深層天然氣中氫氣存在外源成因,即花崗巖基底中水的放射性分解和二價鐵礦物的水熱反應(yīng)是氫氣的主要來源。深部基底來源氫氣向儲層運(yùn)聚過程中的擴(kuò)散同位素分餾效應(yīng),是深層常規(guī)氣中氫同位素異常偏輕的重要機(jī)制。

同時,我們發(fā)現(xiàn)深層天然氫氣的聚集處于動態(tài)過程,即外源氫氣向儲層的運(yùn)聚與儲層中氫氣的逸散同時發(fā)生。值得注意的是,地下氫氣的氫同位素常受到形成和聚集過程中各種次生作用的影響,準(zhǔn)確識別其成因來源和形成溫度,可能需要更多的地球化學(xué)數(shù)據(jù)證據(jù),比如氫氣簇同位素和伴生流體組分同位素等。

有利的構(gòu)造演化條件和已有氫氣發(fā)現(xiàn)實(shí)例,預(yù)示我國具有天然氫形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。但其形成富集機(jī)制和分布規(guī)律仍缺乏足夠認(rèn)識,難以有效指導(dǎo)高效勘探和開發(fā)利用,亟需加強(qiáng)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和資源勘查等攻關(guān)研究。

基礎(chǔ)研究需要從氫氣系統(tǒng)的角度,明確天然氫形成機(jī)理、富集成藏機(jī)制和主控因素;關(guān)鍵技術(shù)需要聚焦天然氫的成因來源判識、地表-地下地球物理等預(yù)測、測錄井技術(shù);資源勘查方面亟需加大陸上主要盆地和重點(diǎn)地區(qū)的天然氫普查,這將為我國天然氫氣資源評價和有利勘探區(qū)優(yōu)選提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

我們認(rèn)為尋找天然氫氣藏、支撐勘探發(fā)現(xiàn)和鉆探目標(biāo)實(shí)施,是當(dāng)前基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)的首要目的。從全球已發(fā)現(xiàn)天然氫的分布來看,蛇綠巖帶、深大斷裂發(fā)育帶、克拉通陸-陸碰撞帶和前寒武鐵條帶等地質(zhì)體可能是高豐度天然氫勘探的潛在目標(biāo)。由于天然氫氣藏的典型實(shí)例受限,目前仍需要堅持邊研究、邊勘探、邊開發(fā)的思路,不斷積累經(jīng)驗(yàn),逐漸完善天然氫形成富集理論、勘探預(yù)測和開發(fā)技術(shù),進(jìn)而推動勘探持續(xù)發(fā)現(xiàn)。

作者簡介

王曉梅,中國石油勘探開發(fā)研究院正高級工程師,博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、亞非石油地球化學(xué)與勘探協(xié)會(AAAPG)理事、全國有機(jī)地球化學(xué)學(xué)組學(xué)術(shù)委員、《Marine and Petroleum Geology》副主編、《石油勘探與開發(fā)》編委等。先后主持國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、中石油科技項(xiàng)目等20余項(xiàng)。長期從事地球系統(tǒng)與資源能源基礎(chǔ)研究,在中元古代地球環(huán)境演變與富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育、古老超深層油氣資源形成、天然氫形成富集機(jī)制等方向取得了系列原創(chuàng)性認(rèn)識。創(chuàng)新提出下馬嶺組沉積存在最小氧化帶(OMZ),發(fā)現(xiàn)14億年前的海洋同樣存在缺氧到硫化再到氧化的全周期演化,突破國際上“Canfield硫化海洋”的固有認(rèn)識;創(chuàng)新揭示深部無機(jī)富氫流體-有機(jī)質(zhì)加氫生烴作用機(jī)制,發(fā)現(xiàn)其對深層油氣形成具有重要貢獻(xiàn),預(yù)測深層-超深層具有新油氣資源類型;超前探索天然氫形成演化機(jī)制,研發(fā)形成天然氫同位素分析和資源勘查等系列技術(shù),闡明沉積盆地深層天然氫成因來源和運(yùn)聚機(jī)制。相關(guān)成果在PNAS、Geology、ESPL、GCA、《中國科學(xué).地球科學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇。先后獲得省部級科技進(jìn)步特等獎/一等獎7項(xiàng)、中國地質(zhì)學(xué)會“十大地質(zhì)科技進(jìn)展”、“黃汲清青年地質(zhì)科技獎”、中華國際科學(xué)交流基金會杰出工程師青年獎和中國石油“杰出青年科技創(chuàng)新人才”等獎勵和榮譽(yù)。

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