留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

地质体中天然氢气成因识别方法初探

孟庆强

孟庆强. 地质体中天然氢气成因识别方法初探[J]. 石油实验地质, 2022, 44(3): 552-558. doi: 10.11781/sysydz202203552
引用本文: 孟庆强. 地质体中天然氢气成因识别方法初探[J]. 石油实验地质, 2022, 44(3): 552-558. doi: 10.11781/sysydz202203552
MENG Qingqiang. Identification method for the origin of natural hydrogen gas in geological bodies[J]. PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENT, 2022, 44(3): 552-558. doi: 10.11781/sysydz202203552
Citation: MENG Qingqiang. Identification method for the origin of natural hydrogen gas in geological bodies[J]. PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENT, 2022, 44(3): 552-558. doi: 10.11781/sysydz202203552

地质体中天然氢气成因识别方法初探

doi: 10.11781/sysydz202203552
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2017YFC0603102

国家自然科学基金项目 41872164

详细信息
    作者简介:

    孟庆强(1978-), 男, 博士, 高级工程师, 从事油气地球化学与氢能研究。E-mail: mengqq.syky@sinopec.com

  • 中图分类号: TE122.1

Identification method for the origin of natural hydrogen gas in geological bodies

  • 摘要: 氢气作为一种清洁能源,已得到国内外越来越多的重视。近年我国加快氢能经济建设,对氢气的生产与储存提出了较高的要求。目前氢气的主要获取方式为人工制取氢气。了解自然界中是否存在高含量氢气,其成因如何,是能否发现并利用天然氢气的前提所在,但能否持续获得天然氢气,目前研究较弱。对氢气成因的判别,特别是深源成因与浅源成因主要依靠伴生稀有气体同位素组成特征进行判断,而部分天然气难以测定稀有气体,给氢气成因识别带来了困难。基于不同构造部位氢气及伴生气的含量、同位素组成等分析测试结果,分析美国堪萨斯(Kansas)盆地高含量氢气的持续时间和含量变化特征。并提出了基于甲烷—氢气含量关系与氢气氢同位素组成的氢气成因判别方法,降低了氢气成因识别的难度。认为地下条件下存在氢气补充机制,可以持续获得高含量天然氢气,板块碰撞带周边是高含量氢气的有利分布区。可以以氢气的氢同位素组成-700‰(VSMOW)和ln (CH4/H2)值划分氢气来源:壳源氢气的δD值一般大于-700‰,而ln (CH4/H2)值小于-8;幔源氢气的δD值一般小于-700‰,而ln (CH4/H2)值大于-4;富CO2流体在地表被氧化后剩余的氢气,其δD值大于-700‰,而ln (CH4/H2)值大于-8;深源富氢流体在地表被氧化后,剩余氢气的δD值小于-700‰,而ln (CH4/H2)值小于-4。该方法可以在不测定稀有气体组分及同位素组成的条件下,对氢气成因进行快速分类。

     

  • 图  1  北美堪萨斯盆地富氢气井构造地质(a)及剖面图(b)

    据参考文献[19]修改。

    Figure  1.  Tectonic (a) and section (b) sketch map for hydrogen-bearing wells in Kansas Basin, USA

    图  2  北美堪萨斯盆地Scott井区天然气组分检测结果

    数据据参考文献[20-22],并归一化处理。

    Figure  2.  Change trend of natural gas composition in Scott area of Kansas Basin, USA

    图  3  北美堪萨斯盆地富氢气藏形成过程

    据参考文献[22]修改,剖面B-B’如图 1所示。

    Figure  3.  Formation of hydrogen-enriched gas pools in Kansas Basin, USA

    图  4  基于甲烷—氢气含量关系与氢气氢同位素组成的氢气成因识别方法

    Figure  4.  Identification method for hydrogen genesis based on methane-hydrogen content and hydrogen isotope composition

    表  1  不同地质体中天然氢气的地球化学特征

    Table  1.   Geochemical characteristics of natural hydrogen in different geological bodies

    取样地点 H2/% δDH2/‰ CH4/% N2/% CO2/% H2S/% 数据来源
    菲律宾LEF-2井 42.3 -581 55.3 1.5 0.01 - 文献[14]
    菲律宾LEF-3井 42.6 -599 54.8 1.8 0.03 -
    阿曼B’lad 22 -714 0 76 0 0 文献[15]
    阿曼Huwayl Qufays 47 -699 4.3 39 0 0
    阿曼Bahla 82 -699 2 15 0 0
    阿曼Nizwa 95 -697 4 1 0 0
    新西兰Wairakei温泉 0.51 -502 0.67 0.94 91.8 6.09 文献[16]
    新西兰Wairakei温泉 0.58 -525 0.40 1.04 95.7 2.24
    新西兰Wairakei温泉 0.62 -510 0.37 0.77 95.9 2.37
    新西兰Wairakei温泉 0.76 -600 0.12 0.44 96.5 2.13
    新西兰Wairakei温泉 0.87 -524 0.80 1.58 92.4 4.26
    新西兰Tikitere温泉 2.78 -504 2.86 0.43 89.2 4.76
    新西兰Tikitere温泉 3.05 -536 3.85 0.88 87.9 4.33
    新西兰Tikitere温泉 3.10 -497 3.57 0.58 88.1 4.64
    新西兰Tikitere温泉 3.24 -528 4.10 1.38 87.1 3.95
    新西兰Tikitere温泉 3.68 -541 3.02 0.35 85.9 6.27
    新西兰Tikitere温泉 4.37 -531 2.77 0.34 83.5 8.93
    新西兰Tikitere温泉 4.72 -511 3.62 4.16 81.0 6.26
    新西兰Tikitere温泉 5.13 -530 2.66 0.36 82.3 9.56
    瑞典Gravberg井 1.1 -676 0.000 65 - - - 文献[17]
    瑞典Gravberg井 2.7 -674 0.000 06 - - -
    瑞典Gravberg井 2.8 -759 0.000 60 - - -
    瑞典Gravberg井 3.7 -678 0.000 10 - - -
    瑞典Gravberg井 5.0 -680 0.000 05 - - -
    瑞典Gravberg井 8.1 -674 0.000 04 - - -
    美国Scott-1井 33.6 -796 0.04 64.8 文献[21]
    美国Scott-1井 39.0 -740 0.06 65.0
    美国Heins井 36.7 -826 0.80 67.0
    日本山崎断裂带 0.7 -590 0.000 10 - - - 文献[27]
    日本山崎断裂带 1 -470 0.000 15 - 0.7 -
    日本山崎断裂带 1 -510 0.000 15 - 0.6 -
    日本山崎断裂带 3 -770 0.000 80 - 0.9 -
    中国眼镜泉 0.38 -740.0 0.043 6 2.62 94.50 0.16 文献[28]
    中国珍珠泉 0.39 -761.0 0.032 7 1.74 94.50 0.11
    中国中井泉 0.52 -582.9 0.002 0 7.85 88.99 0.023
    中国狮子头 0.58 -778.2 0.021 8 2.62 94.19 0.11
    中国鼓鸣泉 0.69 -616.2 0.005 5 2.62 95.41 0.02
    中国大地脚北 1.17 -624.0 0.032 7 2.77 95.82 0.19
    中国西坡上 5.15 -790.8 0.001 2 1.98 88.75 0.02
    中国徐深6井 0.017 -708 86.204 9.438 0.394 本文研究
    中国东坡上 0.02 -804 0.15 51.38 35.13 0
    中国大滚锅 0.03 -735 0.82 4.34 93.87 0
    中国芳深1井 0.073 -792 80.193 15.825 0.666
    中国升深1井 0.078 -779 92.06 4.992 0.218
    中国徐深2井 0.087 -772 70.817 23.121 1.006
    中国攀枝花1 0.16 -665 0.073 5.97 92.31 0.18
    中国眼镜泉 0.22 -617 0.19 52.42 35.33 0
    中国新怀胎井 0.23 -743 0.01 12.31 85.31 0.02
    中国硫磺塘 0.26 -731 0.77 3.59 94.37 0
    中国美女池 0.78 -751 0.04 17.33 77.39 0.12
    中国鼓鸣泉 1.14 -730 0.089 82.87 2.22 0
    注:(1)气体组分以气体类型与%表示,为体积百分含量;(2)氢气同位素组成以VSMOW作标准物质;(3)“-”表示未测出或者原文未报道。
    下载: 导出CSV
  • [1] Hydrogen Council. Hydrogen scaling up: a sustainable pathway for the global energy transition[EB/OL]. [2017-11-13]. http://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2017/11/Hydrogen-Scaling-up_Hydrogen-Council_2017.compressed.pdf.
    [2] 凌文, 刘玮, 李育磊, 等. 中国氢能基础设施产业发展战略研究[J]. 中国工程科学, 2019, 21(3): 76-83. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCKX201903013.htm

    LING Wen, LIU Wei, LI Yulei, et al. Development strategy of hydrogen infrastructure industry in China[J]. Strategic Study of CAE, 2019, 21(3): 76-83. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCKX201903013.htm
    [3] 2019年国务院政府工作报告[EB/OL]. (2019-03-05). http://www.gov.cn/zhuanti/2019qglh/2019lhzfgzbg/index.htm.

    2019 State council government work report[EB/OL]. (2019-03-05). http://www.gov.cn/zhuanti/2019qglh/2019lhzfgzbg/index.htm.
    [4] 邹才能, 张福东, 郑德温, 等. 人工制氢及氢工业在我国"能源自主"中的战略地位[J]. 天然气工业, 2019, 39(1): 1-10. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRQG201901001.htm

    ZOU Caineng, ZHANG Fudong, ZHENG Dewen, et al. Strategic role of the synthetic hydrogen production and industry in Energy Independence of China[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(1): 1-10. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRQG201901001.htm
    [5] 符冠云. 氢能在我国能源转型中的地位和作用[J]. 中国煤炭, 2019, 45(10): 15-21. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGME201910004.htm

    FU Guanyun. The status and role of hydrogen energy in China's energy transformation[J]. China Coal, 2019, 45(10): 15-21. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGME201910004.htm
    [6] PETERSEN H C. Does natural hydrogen exist?[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 1990, 15(1): 55. doi: 10.1016/0360-3199(90)90130-Q
    [7] WOOLNOUGH W G. Natural gas in Australia and New Guinea[J]. AAPG Bulletin, 1934, 18(2): 226-242.
    [8] BOHDANOWICZ C. Natural gas occurrences in Russia (U.S.S.R. )[J]. AAPG Bulletin, 1934, 18(6): 746-759.
    [9] NEWCOMBE R B. Natural gas fields of Michigan[C]//Geology of Natural Gas. Tulsa: AAPG, 1935: 787-812.
    [10] MEINCKE W. Zur herkunft des wasserstoffs in tiefenproben[J]. Zeitschrift fur Angewandte Geologie, 1967, 13(7): 346-347.
    [11] NEWELL K D, DOVETON J H, MERRIAM D F, et al. H2-rich and hydrocarbon gas recovered in a deep Precambrian well in northeastern Kansas[J]. Natural Resources Research, 2007, 16(3): 277-292. doi: 10.1007/s11053-007-9052-7
    [12] 郭占谦. 从全球油气田分布看我国东南沿海火山岩覆盖区的含油气前景[J]. 石油实验地质, 2001, 23(2): 122-132. doi: 10.11781/sysydz200102122

    GUO Zhanqian. Hydrocarbon-bearing prospects of volcanic rock cove red regions in the southeastern coastal waters of China judged by the distribution of global oil and gas fields[J]. Petroleum Geology&Experiment, 2001, 23(2): 122-132. doi: 10.11781/sysydz200102122
    [13] HAWKES H E. Geothermal hydrogen[J]. Mining Engineering, 1980, 1(6): 671-675.
    [14] ABRAJANO T A, STURCHIO N C, BOHLKE J K, et al. Methane-hydrogen gas seeps, Zambales ophiolite, Philippines: deep or shallow origin?[J]. Chemical Geology, 1988, 71(1/3): 211-222.
    [15] NEAL C, STANGER G. Hydrogen generation from mantle source rocks in Oman[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1983, 66: 315-320.
    [16] LYON G L, HULSTON J R. Carbon and hydrogen isotopic compositions of New Zealand geothermal gases[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1984, 48(6): 1161-1171.
    [17] JEFFREY A W A, KAPLAN I R. Hydrocarbons and inorganic gases in the Gravberg-1 well, Siljan Ring, Sweden[J]. Chemical Geology, 1988, 71(1/3): 237-255.
    [18] 孟庆强, 金之钧, 刘文汇, 等. 天然气中伴生氢气的资源意义及其分布[J]. 石油实验地质, 2014, 36(6): 712-717. doi: 10.11781/sysydz201406712

    MENG Qingqiang, JIN Zhijun, LIU Wenhui, et al. Distribution and genesis of hydrogen gas in natural gas[J]. Petroleum Geology&Experiment, 2014, 36(6): 712-717. doi: 10.11781/sysydz201406712
    [19] COVENEY JR R M, GOEBEL E D, ZELLER E J, et al. Serpentinization and the origin of hydrogen gas in Kansas[J]. AAPG Bulletin, 1987, 71(1): 39-48.
    [20] GUÉLARD J, BEAUMONT V, ROUCHON V, et al. Natural H2 in Kansas: deep or shallow origin?[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(5): 1841-1865.
    [21] GOEBEL E, COVENEY R, ANGINO E, et al. Geology, composition, isotopes of naturally occurring H2/N2 rich gas from wells near Junction City, Kansas[J]. Oil and Gas Journal, 1984, 82(19): 215-222.
    [22] VACQUAND C, DEVILLE E, BEAUMONT V, et al. Reduced gas seepages in ophiolitic complexes: evidences for multiple origins of the H2-CH4-N2 gas mixtures[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2018, 223: 437-461.
    [23] KLEIN F, BACH W, JÖNS N, et al. Iron partitioning and hydrogen generation during serpentinization of abyssal peridotites from 15°N on the mid-Atlantic ridge[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2009, 73(22): 6868-6893.
    [24] MAYHEW L E, ELLISON E T, MCCOLLOM T M, et al. Hydrogen generation from low-temperature water-rock reactions[J]. Nature Geoscience, 2013, 6(6): 478-484.
    [25] OKLAND I, HUANG S, THORSETH I H, et al. Formation of H2, CH4 and N-species during low-temperature experimental alteration of ultramafic rocks[J]. Chemical Geology, 2014, 387: 22-34.
    [26] NEUBECK A, DUC N T, BASTVIKEN D, et al. Formation of H2 and CH4 by weathering of olivine at temperatures between 30 and 70℃[J]. Geochemical Transactions, 2011, 12(1): 6.
    [27] KITA I, MATSUO S, WAKITA H, et al. D/H ratios of H2 in soil gases as an indicator of fault movements[J]. Geochemical Journal, 1980, 14(6): 317-320.
    [28] 上官志冠, 白春华, 孙明良. 腾冲热海地区现代幔源岩浆气体释放特征[J]. 中国科学(D辑: 地球科学), 2000, 30(4): 407-414. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JDXK200004009.htm

    SHANGGUAN Zhiguan, BAI Chunhua, SUN Mingliang. Mantle-derived magmatic gas releasing features at the Rehai area, Tengchong county, Yunnan Province, China[J]. Science in China (Series D: Earth Sciences), 2000, 43(2): 132-140. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JDXK200004009.htm
    [29] 孟庆强, 金之钧, 孙冬胜, 等. 高含量氢气赋存的地质背景及勘探前景[J]. 石油实验地质, 2021, 43(2): 208-216. doi: 10.11781/sysydz202102208

    MENG Qingqiang, JIN Zhijun, SUN Dongsheng, et al. Geological background and exploration prospects for the occurrence of high-content hydrogen[J]. Petroleum Geology&Experiment, 2021, 43(2): 208-216. doi: 10.11781/sysydz202102208
  • 加载中
图(4) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  1700
  • HTML全文浏览量:  503
  • PDF下载量:  198
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-12
  • 修回日期:  2022-04-28
  • 刊出日期:  2022-05-28

目录

    /

    返回文章
    返回