钻探诱导氢：天然氢勘探中的关键挑战与识别技术

本文针对天然氢勘探中钻探过程产生的人工氢干扰问题，通过超镁铁岩和碳酸盐岩浅层钻探（<150米）案例，结合泥浆气体分析、水化学及土壤气体调查，揭示了钻头变质作用（DBM）引发H2和烃类生成的机制。研究发现H2主要源于机械化学反应和氧化反应，烃类则与费托反应（FTT）相关，为天然氢资源评估提供了关键校正依据。

　　

在全球能源转型背景下，天然氢（H₂）作为零碳能源载体备受关注，但其勘探面临一个关键挑战：钻探过程本身会通过钻头变质作用（Drill Bit Metamorphism, DBM）产生人工氢，干扰真实资源评估。奥地利研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究，首次系统揭示了水基钻探中DBM诱导氢的生成机制与识别方法。

研究背景中，天然氢的生成通常与蛇纹石化、放射性分解等地质过程相关，但钻探时的高温摩擦会引发铁氧化、矿物破碎等反应，产生H₂和烃类。此前研究多关注油基泥浆的DBM效应，而水基钻探的干扰机制尚不明确。

研究团队在奥地利两个典型场地（超镁铁岩和碳酸盐岩矿区）开展浅层钻探（<150米），采用泥浆气体色谱分析（GC）、现场气体监测（Geotech BIOGAS 5000）、水化学与微生物检测、X射线荧光（XRF）及土壤气体调查等综合技术。通过对比钻探参数、岩性差异和气体组分，解析了人工氢的生成路径。

4.1 气体组成
实验室GC检测显示，超镁铁岩钻孔（SERP1）的H₂浓度高达65 vol%，且与烃类（C₁-C₆₊）显著正相关，而碳酸盐岩钻孔（CARB1）仅检出242 ppmv。现场测量进一步证实，钻探停止后H₂迅速消失，表明其人工来源。

4.2 水化学与微生物
蛇纹岩区出水为Mg²⁺-HCO₃^-型（pH=9），提示非活跃蛇纹石化。微生物分析显示钻井液中产甲烷菌稀少，排除了生物烃类主导的可能。

4.4 钻头成分
XRF揭示钻头含W（62%）、Cu（25%）等金属，可能催化费托反应（FTT）。岩屑机械破碎产生的CO₂与H₂在高温下通过FTT生成烃类，其链长分布斜率（α=-0.47）符合FTT特征。

5.2 反应机制
超镁铁岩中H₂主要来自硅酸盐矿物破碎的机械化学反应（≡Si· + H₂O → ≡SiOH + H₂）和Fe²⁺氧化，而烃类由FTT反应（CO₂ + 3H₂ → CH₄ + 2H₂O）生成。碳酸盐岩因缺乏还原性物质和FTT底物，人工气体产量显著更低。

6. 结论与意义
该研究首次量化了水基钻探中DBM对H₂勘探的干扰，提出超镁铁岩的DBM效应比碳酸盐岩高2-3个数量级。通过烃类与H₂的关联性，可建立人工氢校正模型。未来需重点研究钻头温度、催化剂磨损等参数，为天然氢资源评估提供更精准的技术支撑。