关于从富铁地层中刺激产生氢气的可行性

《Geoenergy Science and Engineering》：On the viability of stimulated hydrogen generation from iron-rich formations

研究通过数值模拟分析水力、热力和化学刺激对超镁铁岩地质 formations 中氢气产量的影响，关键参数包括损伤区渗透率（1e-14~1e-10 m2）、宽度（20~100 m）和反应速率（1e-9 g/g）。结果显示，单区产量可达1.85e4 t/2年，双区3.7e4 t，铁含量是主要限制因素。

　　氢基技术为全球能源转型提供了有前景的解决方案。除了电解法生产氢气外，地下地质构造也可以作为天然氢气来源。富含铁的超镁铁质岩石尤其适合通过自然过程如蛇纹岩化生成氢气。自然反应和迁移过程可以通过多种刺激方式增强，包括热、水力和化学处理。通过数值模拟，我们分析了影响地下氢气生成和迁移的各种因素之间的复杂相互作用，强调了不同刺激技术、催化剂和条件的重要性。研究结果表明，关键参数如损伤带渗透率和宽度显著影响可生产氢气的质量。我们的结果表明，结合较大的损伤带宽度、较高的渗透率以及刺激反应速率为1 × 10??的条件，可以在井口实现经济上可行的生产速率，最高可达每秒1千克。此外，铁含量的可用性被确定为实现经济可持续氢气生产的主要限制因素。未刺激的岩石体积为0.165立方公里时，仅能在两年内产生45吨氢气，而各种刺激技术可以将产量提升至18500吨。

在地下环境中，氢气的自然渗出普遍存在，但测量难度较大，因此成为近年来研究的焦点。大多数关于氢气浓度的数据仅限于井口处气体相中氢气的相对浓度。有限的研究对地下氢气渗出和/或生产进行了量化，但这些研究通常依赖于已知的宿主岩石表面积和/或范围，并且通常对大区域和明显地质特征（如断层带或山脉）使用平均值。在向上迁移过程中观察到微生物活动，但其可量化性较低。某些研究估算出基于全球前寒武纪大陆地壳和恒定厚度的氢气通量为3 × 10?11千克每平方米每秒。另一项研究则指出，在美国爱达荷州和内华达州的断层带中，氢气迁移速率可达3.6 × 10??立方米每平方米每秒。此外，一些研究估算出在特定大陆-海洋过渡区（COTs）中，氢气产量为3 × 10?11千克每米每秒。在巴西的旧金山盆地，假设氢气通量在5 × 10??至1 × 10??立方米每平方米每秒之间。在奥曼的橄榄岩中，研究估算出每天氢气通量为7.3 × 10??至1.5 × 10??立方米每平方米，相当于1.4 × 10?1?千克每平方米每秒。此外，从奥曼的页岩和大理石中每天可以产生高达1.3 × 10?3立方米每平方米的氢气。最近的研究还指出，温度的升高也是氢气产量的重要因素。然而，目前尚未有更多关于潜在氢气源岩石中蛇纹岩化速率和大规模刺激下自然氢气生产速率的数据。

一种简单的方法是通过水力刺激来增加地下宿主岩石的反应表面积。这种方法涉及在低渗透性岩层中创建或增强裂缝和裂缝网络，从而提高整个岩石形成体的渗透性。水力压裂的多阶段过程可以显著增加裂缝表面积，使得后续的化学反应在源岩（或储层）中得以发生。水力刺激在原位采矿中被广泛用于从深层沉积物中提取矿物和碳氢化合物，并且在增强地热系统（EGS）中被用于改善流体流动和热交换面积。典型的水力压裂在低渗透性储层规模岩石中导致的裂缝宽度通常为毫米级，裂缝长度可达数百米。虽然单个或多个平行水力裂缝对水力性能有利，但直接连接注入井和生产井会增加热或淡水突破的风险。因此，一些额外的技术正在被开发以刺激裂缝周围的损伤带，从而形成多个小型裂缝网络，大幅提高反应表面积。常见的技术包括热冲击、化学刺激或电水力压裂。

本研究的主要目标是将实验室得出的增强氢气生产洞察扩展到现场规模。与仅关注化学反应不同，本研究强调通过数值模拟对各种常用刺激技术、催化剂和流动条件对井口氢气生产速率的影响进行评估。为此，我们提出了一种广泛适用的概念性多级刺激模型，适用于典型的低渗透性超镁铁质源岩，并采用双井配置。考虑到氢气的向上迁移，这些井在垂直方向上对齐，并在裂缝和损伤带中水平延伸。我们的多级刺激策略包括水力压裂以连接井沿垂直裂缝并创建损伤带内的增强反应表面积。此外，温度和pH值的调整进一步提高了生产速率。本概念性研究的目的是系统分析关键源岩参数，如氢气反应速率、损伤带渗透性和宽度，在不同组合下的影响，以预测井口可实现的氢气产量。

数值建模采用开源有限元（FE）MOOSE（多物理场面向对象模拟环境）框架进行。该框架被证明可以成功模拟各种地球科学问题中的热-水-机械问题。在本研究中，我们使用了Porous Flow模块来解决与多相和多组分流相关的研究问题。通过将模型参数与实验数据进行对比，我们验证了多相和多组分建模的能力。流体性质的计算采用了高精度的状态方程。水的密度和粘度通过IAPWS（国际水与蒸汽性质协会）公式计算。氢气的密度和粘度状态方程则采用Leachman等人（2009）和Muzny等人（2013）的公式。氢气在水中的溶解基于亨利定律。两种流体组分的材料属性通过压力和温度作为主要变量进行迭代计算。氢气的瞬时溶解和平衡假设为常数。在本研究中，氢气被假定为非润湿相，而水为润湿相。氢气的生产速率通过化学反应的氢气质量源项进行计算。

在本研究中，我们假设氢气的提取速率为1千克每秒，这包括在生产井处液态和气态氢气的混合物。氢气贫乏的水被重新注入生产井，以维持源岩中的质量平衡。对于给定的流体循环速率，重新注入的贫氢水不会导致突破，仅在注入井周围半径小于50米的范围内有所体现。由于静水压力较高，底部的氢气质量分数略高，从而导致氢气在水中的溶解增加。

图4展示了不同损伤带渗透性、宽度和氢气生产速率下，连续两年生产后的累计氢气产量。每一点代表一个单独的模拟。橙色虚线表示假设勘探成本为1000万美元和氢气市场价格为5美元每千克时，经济上可行的生产量。累计氢气产量反映了刺激面积、渗透性和化学反应之间的复杂相互作用，导致可生产氢气的差异。对于单一损伤带模型，氢气质量产量范围在12吨到18500吨之间。在模拟周期内蛇纹岩化结束的模拟（反应速率为1 × 10?11或更高）中，累计氢气质量几乎没有差异。这些模拟中，铁含量是限制因素，因为所有铁在几天内就被消耗完毕，而渗透性则影响氢气向生产井迁移。因此，渗透性和损伤带宽度的影响是显著的。例如，渗透性提高四个数量级可使氢气质量增加18倍。然而，损伤带宽度增加五倍仅使氢气质量增加不到四倍，这是因为并非所有生成的氢气都能被生产井吸引，而是有一部分缓慢迁移至模型域的顶部表面。此外，较小的渗透性与较大的损伤带宽度相结合，会导致氢气质量减少。这种现象是由于注入和生产引起的水力梯度减少，随着损伤带的扩展而减弱。

成功的储层刺激对氢气通量和可生产氢气质量的影响进一步体现在氢气井通量随时间的变化上，如图5和图6所示。这两个图表展示了在氢气生成速率为1 × 10?11的模拟中，不同损伤带渗透性和宽度（或宽度和渗透性）下的结果。研究结果表明，高渗透性和大宽度会导致相对较高的通量。在恒定的流速下，这种组合可以实现每秒1千克的纯氢气生产。然而，对于低渗透性损伤带，氢气产量则受到宽度的限制，较小的宽度有利于氢气的生产，而较大的宽度则会导致氢气通量降低。因此，成功的刺激应努力在损伤带中实现最低刺激渗透性为1 × 10?12平方米，以建立向生产井的活跃氢气流动。通过扩大反应表面积，延长的损伤带宽度对于每口井的氢气生产至关重要。

尽管刺激技术具有相当大的潜力，但氢气产量的最大值高度依赖于可用于蛇纹岩化的铁含量。McCollom等人（2022）指出，富含铁的橄榄石是比富含镁的衍生岩更具价值的氢气生成来源。McCollom等人（2016）和McCollom等人（2020a）、McCollom等人（2020b）在橄榄石和富含橄榄石的正长石中进行了高温实验，实验持续时间从1小时到9000小时不等，颗粒大小在53到212微米之间，温度在200到320摄氏度之间。这些研究揭示了反应速率对不同因素的显著敏感性，例如热刺激，表明温度和pH值的增加可以作为与蛇纹岩化相关的反应催化剂。在200摄氏度和中等颗粒大小的条件下，反应速率在5 × 10?13秒?1，而在300摄氏度和较高pH值的条件下，反应速率可以达到2 × 10?11秒?1。在某些高温花岗岩和哈布兹岩中也观察到了类似的氢气生产速率。相比之下，在100摄氏度下进行的实验（如Miller等人（2017）和Mayhew等人（2013））显示，氢气生产速率显著较低，仅为6 × 10?1?秒?1。在Snake River和Colorado Basin玄武岩、Lherzolite和不同橄榄石中也进行了氢气生产速率的实验，其范围从3 × 10?13秒?1到7 × 10?12秒?1。这些实验表明，通过增加pH值、温度、反应表面积（或颗粒大小）以及添加催化剂，可以有效刺激氢气生产速率。

本研究的数值模拟表明，通过多种刺激技术的协同作用，氢气产量可以显著提高。例如，在单一损伤带模型中，两年内可实现18500吨的氢气产量，而在假设损伤带对称扩展的情况下，产量可增加至37000吨。尽管目前的实验室和现场数据有限，但本研究的保守假设表明，许多国家的总成本至少是实验室数据的十倍。此外，Templeton等人（2024）提出了一种简化的氢气生产成本/收益计算器，基于有限的实验室实验数据，假设源岩中存在高温环境。通过该计算器，我们比较了颗粒大小和蛇纹岩化渗透速率对氢气产量和收益的影响。图7展示了基于本研究模拟参数（100米损伤带/反应宽度、500米井间距、1000米源岩深度）以及假设的勘探成本为900万美元和年运营成本为50万美元的条件下的潜在收益。橙色线表示在假设勘探成本为1000万美元和氢气市场价格为5美元每千克时，经济上可行的最小氢气产量。本研究的结果表明，在刺激源岩的条件下，氢气产量和收益在经济上是可行的。图4和图7均支持化学和热刺激的必要性，但实现成功氢气勘探的关键因素是铁含量以及足够大和渗透性/反应性的源岩。

综上所述，本研究通过数值模拟分析了刺激技术在超镁铁质源岩中对氢气生产潜力的影响。我们发现，刺激技术、催化剂和源岩条件在提高地下氢气生产方面起着重要作用。此外，我们确定了关键参数如损伤带渗透性和宽度对可生产氢气质量和速率的显著影响。研究还指出，铁含量的可用性，而不是蛇纹岩化的速率，是实现经济上可行的氢气生产的主要限制因素。虽然单一水力刺激在低渗透性源岩中只能产生45吨氢气，但通过多种刺激技术的协同作用，氢气产量可以显著提高，达到每两年18500吨的水平。未来的研究应集中在实验室验证氢气生成速率，结合其化学反应及其动力学，以及可能影响反应的其他因素，如微生物活动。此外，原位现场试点测试对于评估可扩展性至关重要。识别出的关键参数也需要进一步详细研究，以量化其对整体过程的影响。尽管面临诸多挑战，但本研究强调了地质氢气作为可行能源的潜力，并突出了在该领域进行进一步研究的重要性。