综述：地质氢：资源潜力、地下动态、勘探、生产、运输及研究机会的综述

《Energy & Environmental Science》：Geologic hydrogen: a review of resource potential, subsurface dynamics, exploration, production, transportation, and research opportunities

地质氢作为低碳能源，资源潜力大但面临技术挑战，需多学科合作研发。

　　氢气作为一种多功能资源，在脱碳、工业制造和能源整合中发挥着关键作用。然而，目前大部分氢气仍然依赖化石燃料生产，这导致了高排放和高能耗的问题。尽管低排放氢气生产方法，如蒸汽甲烷重整结合碳捕集与封存（CCUS）和可再生能源驱动的电解水制氢等技术正在不断进步，但这些方法的高成本阻碍了其大规模应用。因此，寻找替代性的低成本、低排放的氢气生产路径变得尤为重要。地层氢气，指的是自然生成或通过人工刺激生成的氢气，正受到越来越多的关注，因为它可能成为一种可持续、经济可行且对环境友好的氢气来源。本文全面回顾了地层氢气的相关内容，涵盖了其资源潜力、形成机制、迁移与封存方式、勘探技术、生产策略以及管道运输。同时，本文也指出了关键的知识缺口，并提出了未来研究的路线图。回顾表明，地层氢气具有巨大的资源潜力，可以利用现有的地层技术以及地球物理勘探方法。然而，仍然存在诸多挑战，包括氢气生成速率的不确定性、对蛇纹岩化过程的理解和控制不足、运输基础设施成本高昂、缺乏经过验证的技术经济分析，以及潜在的社会和环境问题。由于该领域仍处于早期阶段，进展需要跨学科的协作，涵盖地质学、工程学、经济学、环境科学以及政策法规等多个领域。

氢气的生产方法多种多样，通常根据其来源和碳排放水平进行分类。这些方法包括灰氢、棕氢（或黑氢）、蓝氢和绿氢。灰氢主要通过天然气蒸汽重整（SMR）生产，不进行碳捕集，其平均生产成本约为每公斤3.3美元，但与高碳排放相关，平均碳排放量约为每公斤氢气11公斤CO?当量。棕氢则来源于煤炭气化，平均生产成本为每公斤3.5美元，碳排放量则高达每公斤24公斤CO?当量。蓝氢则是在灰氢或棕氢生产过程中引入碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，从而将碳排放降低到每公斤氢气约3.3公斤CO?当量（对于灰氢）和3.8公斤CO?当量（对于棕氢），但其平均生产成本则上升至每公斤4美元和3.4美元。绿氢则通过可再生能源驱动的水电解生产，几乎不产生碳排放，但其平均生产成本高达每公斤8.1美元，这主要反映了不同生产技术和区域电力价格的差异。总体而言，目前的生产方法要么碳排放较高，要么经济上不具备竞争力，这限制了它们满足未来氢气需求的能力。

全球氢气需求在2023年大约为9700万吨，中国占比最大（29%），其次是北美（16%）、中东（14%）、印度（9%）和欧洲（8%）。当前的氢气需求主要集中在炼油和工业领域：炼油行业主要使用氢气进行原油加工，而工业领域中，约60%的氢气用于氨的生产，30%用于甲醇的生产，10%用于直接还原铁（DRI）工艺。预计到2050年，全球氢气需求将增长两到四倍，这将由现有行业和新兴应用（如重工业、长距离运输、氢基燃料和电力生产和储存）驱动，其中清洁氢气将在脱碳方面发挥关键作用。在本综述中，“清洁氢气”指的是生产过程中二氧化碳当量（CO?-eq.）排放量较低的氢气，例如每公斤氢气不超过2公斤CO?-eq.。

氢气的资源潜力和可再生性是其作为清洁能源的重要特性。地层氢气可以通过水岩反应生成，例如蛇纹岩化和水的辐射分解，这些过程可以在有利的矿物学条件下持续进行。然而，氢气生成速率通常较低，特别是在地层中的蛇纹岩化过程中，每千克岩石每天的生成速率通常在10?2到10?毫米当量（mmol kg?1 day?1）之间。这些数值基于实验室实验，其中小块岩石在最大化矿物-水接触条件下进行反应。然而，在实际的地层环境中，矿物-水接触有限，这意味着原位生成速率可能显著低于实验室条件下的速率。因此，地层氢气的再生速率可能不足以满足区域能源需求。在工业规模提取中，氢气的生成可能主要依赖于已经积累的氢气储层。

全球范围内，自然氢气的生成速率估计为每年约23±8万吨（Mt），而全球年需求则高达97万吨，这表明自然氢气的生成速率远不足以满足当前的市场需求。此外，全球氢气需求预计将在2050年增长两到四倍，因此自然生成的氢气可能需要数年时间才能满足年度需求。然而，在较小的尺度上，例如一个2公里×2公里×1公里的储层，自然再生的氢气可能与当地能源需求相当。在这种情况下，假设工业提取速率与市场需求相匹配，自然氢气的可再生时间尺度可能在一年到几年之间。这比风能（分钟到季节性）、太阳能（分钟到季节性）和水能（每日到季节性）的可再生时间尺度更长，但仍然优于非可再生能源如石油和天然气。因此，自然氢气的可再生性可以在人类时间尺度上进行评估，这支持其作为可再生能源资源的分类。然而，为了在国际市场中发挥重要作用，需要大量历史积累的氢气储层。需要注意的是，板块构造过程也持续更新岩石，每年生成约1000至4000万吨的橄榄岩，这增加了反应性岩石的体积，从而可能提高全球氢气生成的总量。由于氢气在地层中的迁移，这种更新不一定发生在提取现场。例如，马里共和国的Bourakébougou地区自2011年以来持续生产高纯度氢气，其氢气的生成和迁移来源于地壳深处的克拉通基底。总体而言，更新的岩石有助于全球氢气供应，无论更新是否发生在提取现场或其他地点。主要挑战在于识别具有足够生成速率和理想自然氢气积累的热点区域。

地层氢气的生产面临诸多挑战，从技术到监管层面。克服这些挑战需要多个领域的集体努力。目前，关于地层氢气系统的知识和数据仍然有限。进一步研究地层氢气的生成、迁移和积累机制对于评估未来的提取潜力至关重要。地层氢气的勘探和识别候选地层是一个主要的挑战。可靠的定位氢气储层需要整合多种地球物理勘探方法，包括地震、磁法、重力、电磁和土壤气体采样等。每种技术探测不同的地层属性，并提供关于地层过程的互补见解。然而，目前还没有针对地层氢气的系统性勘探方法，这突显了进一步研究和技术发展的必要性。一些初步进展已经取得，例如将重力、磁法、电磁和地震方法结合用于地层氢气勘探。

在确定地层氢气储层后，其经济和安全的提取仍然是一个挑战。由于地质条件、材料特性和地层环境的差异，现有的石油和天然气勘探、完井、生产以及地表设施可能需要适应或重新设计以适用于氢气。例如，石油和天然气井通常钻探在沉积岩地层中，而许多地层氢气储层，尤其是涉及刺激生产的储层，位于玄武岩和超镁铁质岩石中。这些岩石通常更坚硬、更易磨损，并且往往具有比沉积岩更高的温度。因此，在这些地层中进行钻探和完井可能需要专门的专家和重新设计的设备，这可能借鉴自地热能开采技术。此外，氢气的低分子量和高扩散性可能导致泄漏和材料退化，例如氢脆现象，这在提取过程中是一个重要的风险。进一步的钻探和完井技术细节将在第5.2节中进行讨论。

地层氢气通常与氮气（N?）、甲烷（CH?）、二氧化碳（CO?）和水蒸气等气体共生产，其纯度范围从低于10%到超过90%。从全球氢气采样点的统计来看，氢气纯度的概率分布显示，纯度存在显著差异，这可能归因于氢气的多种来源和地层条件的多样性。大多数站点表现出相对较低的纯度，平均约为40.3%。除了空间变化外，氢气纯度在某些站点还可能随时间变化，这取决于局部地层条件。例如，土耳其的Chimaera气渗在某些时期氢气纯度从7.5%到11.3%波动。相比之下，菲律宾的Los Fuegos Eternos气渗在25年中保持了相对稳定的纯度，介于41.4%至44.5%之间。这些纯度的时空变化引入了纯化过程的复杂性，并增加了额外的成本。氢气纯度的下降，如从85%降至35%，以达到99%以上的纯度，会增加约0.6美元每公斤的纯化成本，这在工业应用和燃料电池车辆中是必要的。然而，在某些站点，氢气与高浓度的其他气体如甲烷或氦气共生产，这些成分可能作为可销售的副产品回收，从而抵消纯化费用。

在扩大地层氢气生产规模和地理范围方面也存在挑战。目前尚无适用于地层氢气的可扩展经济模型，且其与其他生产路径（如电解水制氢和蒸汽甲烷重整）的竞争性仍不明确。尽管地层氢气有望实现低成本生产，但其他氢气生产路径的成本也在随着技术进步而下降。在缺乏明确的市场框架和可扩展性验证的情况下，大规模投资地层氢气仍然存在高风险。因此，发展支持性的市场基础设施和刺激需求是关键，正如地下氢气储存的情况一样。然而，在短期内，由于成熟度较高的氢气技术的竞争，建立稳定的供需市场动态可能具有挑战性。不过，如果像马里共和国的Hydroma项目这样的试点项目在未来几年取得成功，市场可能会达到大规模采用地层氢气的临界点。

地层氢气的开发还涉及环境和社会挑战。工业提取必须满足严格的环境标准，以最大限度地减少对当地地质、生态系统、水资源和诱发地震的风险。在评估站点安全性时，资源类型是一个重要因素。从浅层沉积岩中提取的自然氢气可能对环境影响较小。一个实际的例子是马里共和国的Bourakébougou地区，该地区自2011年以来安全地生产氢气以供附近村庄使用。浅层井（数百米）能够接触到深部克拉通基底中的氢气。相比之下，从玄武岩和超镁铁质岩石中提取的刺激氢气可能涉及更高的风险。这些岩石通常具有低渗透性，因此需要通过水力压裂等手段来增强流体流动。这一过程涉及向岩石中注入大量水在高压下，这也生成了需要谨慎管理的废水。用于压裂的水通常来自附近的地表水体或含水层，这可能会与民用用水竞争，从而引发水资源枯竭的担忧。为了减少对淡水资源的压力，可以使用非饮用水作为压裂的水源。其他风险包括建设过程中的污染、钻井液污染、泄漏和刺激活动的污染。诱发地震是另一个主要问题。人工诱发地震的物理机制在过去十年中与废水注入、水力压裂、增强地热系统和二氧化碳封存等技术进行了大量研究。地层氢气的开发可能会面临类似的审查，特别是在水力压裂诱发的微地震和断层重新激活方面。除了诱发地震外，刺激氢气系统还引发了地表变形的担忧。由于蛇纹岩化是一个体积膨胀反应，岩石的膨胀可能导致地表隆起，从而破坏基础设施。所有这些风险都可能降低公众接受度，因此在地层氢气提取站点进行长期监测将至关重要，正如在二氧化碳封存项目中一样，以确保运营安全、应对事故并解决公众担忧。海上氢气生产可能更具吸引力，因为诱发地震和地表隆起的风险较低，而海底地质通常具有较薄的地壳和丰富的水体，这有利于蛇纹岩化驱动的氢气生成。

在监管方面，目前全球尚无专门针对地层氢气开发的框架。首要问题是资源分类和所有权。大多数司法管辖区尚未明确自然氢气是否应归类为石油和天然气、可定位矿物或其他类别，这给所有权、租赁和特许经营制度带来了不确定性。在美国，分类取决于州法律，并可能与用于地层二氧化碳封存的孔隙空间权利相交集，通常地表所有者拥有孔隙空间，但各州的法律体系存在差异。相比之下，法国在2022年修订了《矿业法》，将自然氢气（hydrogène naturel）列为一种矿业资源，从而允许勘探许可和运输许可。第二个问题是土地使用和环境审查：尽管美国土地管理局（BLM）已建立了石油和天然气、煤炭、地热、风能和太阳能的租赁计划，但尚无针对地层氢气的类似类别。类似的问题也出现在其他地区，授权通常以个案处理。第三个问题涉及技术标准的不完善。项目通常依赖于NFPA 2、ASME B31.12和ISO 19880-1等标准，但上游环节如井口、分离和压缩缺乏特定标准，尚不清楚是否可以直接应用石油和天然气标准。第四个问题在于测量和报告框架的不成熟：关于报告、分类和储量评估的问题仍未解决，尽管石油资源管理系统（PRMS）可能提供一个初步的模板。

除了上述因素，一个重要的问题是地层氢气是否能实现其碳中和潜力。虽然氢气是一种清洁燃料，但其从地层中提取可能需要大量能源和资源，这可能会增加其生命周期的碳足迹。因此，对地层氢气提取和分配进行全面的生命周期评估是必要的，以量化和减轻环境影响。类似的问题也存在于其他氢气生产路径，如天然气重整。然而，利用氢气本身来驱动其提取过程可能提供潜在的解决方案。

地层氢气系统包括三个关键组成部分：氢气来源、迁移路径和封存机制。尽管自然和刺激氢气共享相似的迁移和封存机制，但它们的来源不同。本节探讨了地层氢气的来源、迁移机制及其在不同地层特征中的作用，以及封存机制如何促进自然和刺激氢气的积累。

自然和刺激氢气的迁移机制主要有两种。第一是扩散。在矿物和晶体结构中，氢气可以通过晶格结构和晶界迁移。较高的温度和较小的晶粒尺寸可以显著提高扩散速率。虽然大多数实验是在高温下进行的，但推算表明，在橄榄岩中氢气的扩散速率在小于3公里深度（25-100°C）的情况下为10?3?到10?22 m2 s?1，基于阿伦尼乌斯方程。这些低值表明，氢气在橄榄岩中的扩散是一个缓慢的运输过程，主要在地质时间尺度和长期积累中起作用。然而，由于扩散系数随温度和地层温度增加呈指数增长，氢气在气体和卤水中的扩散可能仍然对深部氢气的迁移有重要贡献。相比之下，氢气在孔隙中的扩散速率要快得多。氢气在气体中的自扩散系数通常介于10??到10?? m2 s?1之间，而在其他气体中的扩散系数则在10??到10?? m2 s?1之间，具体取决于温度和压力。在纯水和卤水中，扩散系数范围为3.9×10??到6.1×10?? m2 s?1。鉴于矿物中的氢气扩散性较低，气体和卤水中的扩散预计会主导氢气迁移，并影响封存完整性。值得注意的是，自扩散和晶格扩散都随着压力的增加而减少，随着温度的增加而增加。

第二，氢气可以通过对流迁移，这发生在流体流动（由压力梯度驱动的流体运动）中。对流迁移速率取决于两个关键因素：流体的流动速率和载气中的氢气含量。对流可能以单相或双相流体（氢气-水）的形式发生。自然氢气储层通常以单相气态系统存在，而刺激系统则往往涉及双相氢气-水流动。在单相气态系统中，流动速率由内在渗透率控制，而在超镁铁质岩石中，内在渗透率通常非常低（孔隙度<1%，渗透率约为10?2?到10?1? m2，相当于约10纳达到1毫达，深度>150米时）并且随着深度增加而进一步降低。表观气体渗透率可能由于Klinkenberg效应而超过内在渗透率，而Klinkenberg效应与压力成反比。在双相系统如氢气-水流动中，毛细作用在低孔隙度超镁铁质岩石的微孔和纳米孔中变得显著。接触角是建模毛细作用的重要参数，因为其控制着孔隙尺度的接触线运动和储层尺度的毛细压力，从而影响氢气迁移和封存效率。在氢气-水系统中，接触角受到压力、盐度和岩石表面性质的影响，通常在0°到50°之间，表明水湿条件。在储层尺度上，对流受内在和相对渗透率的影响。相对渗透率和毛细压力函数在砂岩中的氢气-水系统可以通过修改的Brooks-Corey模型进行描述，但其在超镁铁质岩石中的适用性仍不确定，这突显了开发验证的双相流模型和理解矩阵与裂缝流耦合的必要性。鉴于岩石矩阵的低渗透性，氢气在超镁铁质和镁铁质地层中的迁移可能主要由裂缝和断层中的流动主导。除了对流外，气态和液态氢气的含量对于量化对流运输至关重要，这需要对混合物进行热力学建模。氢气在水中的溶解度可以通过修改的亨利定律进行估计，尽管在纳米级约束下可能会出现偏差。溶解度随着压力增加而增加，随着温度升高而降低。热力学模型描述了氢气、二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和其他气体在地层中的相互作用，为估计气体混合物中的氢气含量提供了框架。

最后，迁移机制的重要性可以在三种常见的地层特征中进行评估：孔隙喉道、裂缝和断层。在单相系统（液体或气体）中，氢气通过对流和扩散进行运输。对流和扩散的相对重要性可以通过佩克莱数（Pe）来量化，这是一个无量纲比值，定义为Pe = uL/D，其中u是典型流速，L是特征长度，D是扩散系数。在孔隙喉道（<2微米）中，长度尺度低于2微米，典型流速低于1×10??米每秒，佩克莱数远小于1，表明扩散主导的运输。在裂缝（0.1–1毫米）中，对流和扩散的重要性取决于裂缝开口度和总体流速。在断层（0.1–100米）中，由于特征流动长度较大，对流主导。对这些迁移过程的清晰理解对于预测不同地层环境中的氢气运输至关重要，支持潜在储层的识别和地层氢气资源的评估。

地层氢气的封存机制包括结构和层状封存、残余（毛细）封存和溶解封存，类似于地层二氧化碳封存的机制。矿物封存未在此讨论，因为大多数涉及氢气的地球化学反应不会导致矿物化，而与二氧化碳不同。相反，氢气与矿物的反应将在第5.3节中作为氢气损失机制进行讨论。需要注意的是，这两种系统的背景差异很大。在二氧化碳封存中，这些封存机制主要评估其在不同时间尺度上增强长期储存安全的效果。相比之下，在地层氢气系统中，它们主要考虑形成大规模、长期自然氢气储层和提取过程中氢气损失的影响。

结构和层状封存对形成大规模的自然氢气储层起着基础作用。氢气在深处生成后向上迁移；虽然部分氢气会释放到大气中，但当存在有效的封存层时，它也可以在各种地层环境中被捕获和积累。结构封存主要由地层变形形成，可以创造封闭空间来保留氢气，如背斜、断层封闭储层、盐丘、地垒和地堑系统，以及倾斜的断层块。层状封存由地层变化和沉积特征形成，例如相变、喀斯特系统和不整合，这些都可能影响氢气的封存。一个能体现结构和层状封存的例子是马里共和国的Bourakébougou氢气田。该地区有几个地质因素促进氢气的封存。首先，玄武岩在上部储层中起着封存氢气的关键作用。上部储层中的自由氢气通过一个非常低孔隙度和裂缝密度的玄武岩席得以保留。这种玄武岩有效地作为封存岩层，防止氢气以地表渗漏的形式逸出。其次，苏鲁库托组中的一个反向构造或穹顶结构在遇到低渗透性封存层后集中了氢气。氢气气体向上迁移并在褶皱的顶部被捕获。第三，碳酸盐化的碳酸盐提供了高孔隙度的空腔和孔隙，作为氢气的储存空间。气体录井、井眼图像和生产测试确认了浅层氢气在这些大型碳酸盐空腔中以自由气体形式存在。总之，玄武岩席和反向构造代表结构封存机制，而碳酸盐化碳酸盐则构成层状封存的一部分。需要注意的是，尽管Bourakébougou地区的断层是地层地质条件的一部分，但在这种情况下，它们并不是主要的封存机制。相反，该地区的断层主要作为氢气迁移的通道。氢气在深处通过蛇纹岩化等过程生成，并通过裂缝网络和断层向上迁移，随后被玄武岩席封存。Bourakébougou油田的例子突显了自然氢气系统中结构和层状封存的重要性。结构和层状封存也是刺激氢气生产中的关键因素，其中水力压裂可以增强渗透性和促进氢气向上迁移，使低渗透性的上覆封存岩层成为关键的封存条件。

残余封存是指在水渗入过程中，通过毛细力将非润湿流体（如氢气）保留在岩石孔隙中。在孔隙尺度上，毛细力可以将氢气分裂成不连续的气泡和气团，这些气泡和气团难以被移动，正如二氧化碳所观察到的那样。这种效应在小孔隙中尤为显著，因为毛细力占主导地位。在储层尺度上，残余封存表现为相对渗透率和毛细压力的滞后。一个关键参数是最大残余氢气饱和度，据报道在砂岩中可以达到44%。然而，关于超镁铁质地层的残余封存数据仍然有限。残余封存具有双重影响：一方面减少了可回收的氢气量，另一方面通过减缓渗漏促进了氢气的积累。值得注意的是，被固定的氢气并不一定是永久封存的，因为通过二氧化碳注入或其他从增强油藏开采中借鉴的技术可以实现回收。总体而言，残余封存通常被认为对自然和刺激氢气系统都不是特别有利的。

溶解封存发生在氢气溶解于地层水中的过程中。氢气的溶解度比二氧化碳低两个数量级，因此它在二氧化碳封存中的封存效应不如后者显著。氢气的溶解度随着压力增加而增加，随着盐度和温度升高而减少。溶解的氢气可能在提取过程中部分流失，但也可以与地层水共生产，尽管需要额外的处理以实现分离。连接残余和溶解封存的一个重要过程是奥斯特瓦尔德熟化，其中溶解气体的扩散作用有助于平衡局部毛细压力，并可以逐渐移除封存的气泡。在孔隙尺度上，奥斯特瓦尔德熟化可以在约10天内达到平衡，而在地层尺度上，氢气的熟化估计需要约1000万年，比二氧化碳熟化的时间尺度长一个数量级。这些对比的时间尺度表明，溶解和残余封存的耦合在地质时间尺度上的自然氢气积累中更为相关，而不是在刺激氢气系统中。

地层氢气的勘探和开发技术包括先进的方法来识别可持续和可扩展的氢气资源。这一过程如图6所示，概述了关键阶段：初步调查、深层勘探和监测，以及决策制定。虽然每个阶段专注于特定的勘探技术，但通过先进的分析方法整合地表和地层数据可以提高氢气储层发现和监测的整体有效性。此外，地层氢气的勘探和开发涉及多种地球物理方法，如磁法、重力、电法、电磁法和地震方法，这些方法能够提供不同分辨率和定位能力的图像。例如，在马里共和国的Bourakébougou地区，利用磁法、电法和重力法等方法可以确定氢气的来源和储层，这在其他超镁铁质地区也得到了验证。尽管这些方法能够提供有价值的地层信息，但它们的分辨率和精度与地震方法相比仍然有限，这突显了开发综合地球物理勘探方法的必要性。

在自然氢气勘探中，这些方法侧重于识别储层和源岩，类似于传统油气勘探，但针对氢气的特性进行了调整。相比之下，刺激氢气系统需要同时监测超镁铁质地层中持续的蛇纹岩化过程和由此产生的流体动力学。这种监测必须跟踪在刺激过程中发生的地球化学反应以及与氢气提取相关的地层变化。时间推移的地球物理测量在刺激系统中尤为重要，因为它能够实时表征超镁铁质源岩和界定活跃的蛇纹岩化区域。温度监测在刺激系统中也是关键，因为注入的水和蛇纹岩化过程会改变源岩中的温度场，这反过来影响氢气的生成速率和效率。鉴于地层氢气的高扩散性和低密度，实时的温度数据对于管理生产速率至关重要。

地层氢气的勘探和开发面临诸多挑战，包括技术、经济和社会层面的限制。例如，氢气的生成速率受温度、反应性表面积、pH值和催化剂等因素的影响。在自然氢气勘探中，这些因素的控制对于优化勘探策略至关重要。在刺激氢气系统中，为了加速蛇纹岩化反应，可以采用多种技术，如水力压裂和化学注入。然而，这些技术的实施需要仔细考虑其对地层环境的影响，包括潜在的诱发地震和地表隆起风险。此外，氢气的高可燃性及其潜在的间接温室效应也带来了泄漏和运输过程中的安全挑战。因此，开发高效的氢气泄漏检测系统对于保障地层氢气的运输安全至关重要。这些检测系统通常包括泄漏报警器和泄漏定位器，能够实时检测氢气泄漏，并在低浓度下进行定位。

为了提高地层氢气的生产效率和降低泄漏风险，需要进一步研究和开发适用于氢气的材料和工艺。例如，低强度的钢制管道可以减少氢气对钢的脆化效应，从而提高其在氢气运输中的耐久性和可靠性。然而，使用低强度钢制管道可能会限制其操作压力，从而降低氢气的运输速率。此外，由于制造工艺的差异，同等级的低强度钢可能表现出不同的脆化敏感性，这给保持一致的性能和可靠性带来了挑战。因此，需要新的管道标准来评估钢制管道在氢气运输中的适用性，重点关注材料成分和对氢气脆化的抗性。

氢气的高可燃性以及其潜在的间接温室效应也带来了泄漏和运输过程中的安全挑战。氢气的泄漏主要发生在运输和分配管道中。尽管已经开发了多种泄漏预防方法，包括在管道阀门和接头处增加额外支撑结构以及提高在线检测频率，但由于氢气的高扩散性和低密度，需要安装有效的泄漏检测系统。这些检测系统通常包括两个关键组成部分：一个用于在管道中检测异常氢气浓度的泄漏报警器，以及一个用于定位泄漏源的泄漏定位器。目前的氢气泄漏检测主要关注其可燃性，大多数检测器的灵敏度阈值设置在4%以上。虽然这种浓度下的排放通常被认为无害，但这些泄漏仍然可能对气候产生负面影响。由于氢气具有间接温室效应，对其气候影响的准确评估需要进一步研究。然而，当前的模型估算表明，泄漏1公斤氢气的全球变暖潜力相当于约4到12公斤CO?。此外，氢气运输系统如果存在1%到3%的泄漏率，其排放可能会抵消使用氢气替代天然气所实现的约1.2%到11.2%的CO?减排量。这些发现突显了开发高灵敏度检测器以识别低浓度氢气泄漏的必要性。

在经济层面，地层氢气的运输需要考虑基础设施成本、氢气需求和相关运输政策。此外，本文还回顾了现有技术经济分析（TEA）和氢气生产与运输的经济可行性。在基础设施成本方面，管道系统是整体支出的主要组成部分。传输管道需要比分配管道更多的关注，因为大多数现有的天然气分配管道可能可以通过改造用于氢气运输，成本相对较低，约为改造同等长度传输管道费用的15%。然而，由于地层氢气的生产地层通常与现有的天然气传输网络空间重叠有限，因此改造现有天然气传输管道以适应地层氢气运输的机会有限。例如，在美国，现有的天然气传输管道主要集中在墨西哥湾和五大湖地区，而地层氢气的潜在生产地层则主要位于美国东海岸和西海岸。这种地理不匹配限制了改造现有天然气传输管道的可行性。然而，工业氢气（如通过蒸汽甲烷重整生产）通常与天然气传输管道共存，这可能使其更容易适应氢气运输。绿氢气（通过电解水生产）通常位于淡水和电力丰富的地区，这与地层氢气的地理分布形成对比，导致了对传输基础设施的不同要求。

氢气运输的经济性受到多种因素的影响，包括建设成本、氢气需求以及相关政策支持。高建设成本，尤其是长距离传输管道的建设成本，以及氢气需求对经济性的敏感性，使设计氢气传输网络变得复杂。政府政策激励和监管支持可能有助于降低运输成本并促进地层氢气基础设施的发展。例如，美国政府在2023年底推出了区域清洁氢气枢纽计划，拨款高达70亿美元以支持清洁氢气的生产、运输和储存项目，旨在建立一个全国性的清洁氢气网络。虽然该基础设施主要针对其他氢气来源，但其可能被适应用于地层氢气的运输。研究中的两个区域枢纽，Heartland氢气枢纽和加利福尼亚氢气枢纽，位于潜在的地层氢气生产地层附近，这可能为降低运输成本和提高经济可行性提供机会。类似地，欧盟提出了“欧洲氢气主干道”项目，旨在在28个欧洲国家建设氢气传输管道，以确保氢气供应的安全、高效和可持续。这一基础设施可能同样适用于欧洲的地层氢气运输，从而减少新建管道的需求。在中东，阿曼宣布了一项2000公里的氢气管道建设计划，以连接邻近的阿联酋。尽管该计划主要针对绿氢气，但考虑到萨马尔蛇绿岩带已被确定为地层氢气生产的一个有前景的区域，该计划也可能支持地层氢气的运输。

除了运输经济性，本文还回顾了自然和刺激氢气的全面技术经济分析（TEA），以评估地层氢气开发的整体可行性。多项研究已经评估了自然氢气和刺激氢气的经济可行性，提出了包括钻探、水力压裂、提取和纯化等关键过程的技术经济分析（TEA）工作流程。敏感性分析已被用于评估影响生产成本的主要因素，如井口生产率、氢气纯度和刺激氢气系统中的蛇纹岩化效率。这些分析提供了关于地层氢气经济可行性的宝贵见解。然而，现有技术经济分析（TEA）仍存在局限性和知识缺口。

首先，大多数现有研究依赖未经验证的假设。对于自然氢气，生产气体的组成通常假设在生产过程中保持不变，这通常基于有限的自然氢气气体样本。类似地，井口生产率通常被视为在固定时间段内恒定，而不考虑生产过程中的潜在下降。对于刺激氢气，生产估算依赖于实验室实验得出的蛇纹岩化效率，这些效率可能无法直接应用于现场条件。为了实现更稳健的技术经济分析（TEA），未来的研究应优先获取现场数据以验证这些假设。在无法验证的情况下，应采用不确定性量化以建立反映估计变异性与不确定性的成本范围。

其次，尽管现有的技术经济分析（TEA）包括敏感性分析，但它们通常仅采用局部敏感性分析，其中参数在基准案例周围单独变化，而其他输入保持不变。这种方法对于识别单个参数（如氢气纯度、井口生产率或蛇纹岩化效率）对地层氢气的平准化成本的影响是有用的。然而，局部敏感性分析的局限性在于它忽略了参数之间的相互作用。因此，得出的成本敏感性可能无法准确反映地层氢气生产模型的真实变异性与复杂性，尤其是在参数相互作用较强的情况下。因此，未来的研究应纳入全局敏感性分析方法，以捕捉个体影响和参数相互作用，从而提供更全面和稳健的评估。

第三，当前研究往往过于简化了钻探和水力压裂的成本估算。例如，虽然许多技术经济分析（TEA）承认了在自然氢气提取中需要特殊钻探和在刺激氢气生产中需要水力压裂，但它们通常采用简化的成本假设，如假设井的钻探成本为常数或仅将井的成本作为深度的函数而忽略不同井的设计差异。尽管这些方法提供了早期阶段的有用成本估算，但它们忽略了关键因素，如钻探策略（例如水平井与垂直井的对比）和井的配置（如双井或多井系统），这些都可能显著影响地层氢气生产总成本。同样，水力压裂通常被表示为一个统一的成本值，与特定地点的条件无关。尽管与增强地热系统（EGS）的成本对齐提供了一个方便的参考，但考虑到它们在深度和地质背景上的相似性，成本评估应通过具体案例分析进行优化。这些分析应考虑地层特征和目标深度，以指导水力压裂参数的设计，如射孔簇数量、压裂阶段和压裂流体选择。因此，未来的研究应考虑不同井设计相关的成本变化，并在刺激氢气中采用反映本地地层特性的具体压裂设计。这种逐个案例的评估将产生更准确的地层氢气站点开发的资本成本估算。

最后，当前的技术经济分析（TEA）主要将地层氢气生产视为一个独立的过程。然而，由于地层氢气与玄武岩和超镁铁质岩石密切相关，这些岩石也可能是二氧化碳封存和地热开发的潜在地点，因此将地层氢气生产与二氧化碳封存或地热回收相结合的混合系统代表了一个重要的但尚未充分探索的机会。未来的技术经济分析（TEA）应评估这些混合场景，并量化其潜在影响，包括共生产的地热能和与二氧化碳封存相关的碳税抵免对地层氢气生产整体经济性的潜在贡献。这些研究将有助于实现地层氢气的可持续性和经济可行性。

地层氢气的开发需要跨学科的综合研究。在多个尺度和学科上，仍然存在显著的科学和工程挑战。解决这些问题需要整合不同研究领域和工业部门的专家知识。本文提供了对地层氢气关键方面的全面回顾，包括其资源潜力、地层动态、地球物理勘探、生产技术和管道运输，同时指出了关键的知识缺口并提出了未来研究的方向。地层氢气的开发不仅依赖于科学发现和技术创新，还需要跨学科的协调努力，以应对环境风险、可扩展性和社会需求。