Arnout JW Everts
(AEGeo Sdn Bhd, Kuala Lumpur, Malaysia; email: arnout.everts@aegeo.net)
Hội nghị & Triển lãm Chuyển đổi Năng lượng Toàn cầu EAGE lần thứ 5 (GET 2024), tháng 11 năm 2024,
Tập 2024, tr.1 – 5 https://doi.org/10.3997/2214-4609.202421031
Tóm tắt 200 từ
Bài báo này đề xuất một phân loại rộng về các sự kiện hydro tự nhiên theo quan điểm không chỉ về địa chất thăm dò mà còn về tiềm năng phát triển kỹ thuật và khả năng đáp ứng các mức nhu cầu thương mại hiện tại. Theo quan điểm khái niệm, các "hệ thống hydro" ngầm đang hoạt động bao gồm các yếu tố chính giống như các đối tác "hệ thống dầu mỏ" của chúng, cụ thể là: Nguồn, Bể chứa, Bẫy và Niêm phong. Xem xét thành công hay thất bại của các yếu tố "hệ thống hydro" này và hậu quả đối với tiềm năng phát triển kỹ thuật, bài báo này phân loại các "phát hiện" và triển vọng hydro thành ba "loại vở kịch hydro": 1) "Khu vực tập trung rò rỉ tự nhiên" nơi có nguồn hydro nhưng bẫy tối thiểu (nếu có) hydro khí và nơi nồng độ hydro phản ánh các con đường di chuyển cục bộ, chủ yếu là hydro hòa tan. 2) Vở kịch "Hydro tầng than" nơi hydro được hấp phụ ở quy mô phân tử trong than. 3) Cấu hình "Bể chứa-Bẫy-Niêm phong" với hydro khí bị bẫy ở áp suất dư, giống như trong một mỏ khí thông thường. Dựa trên việc xem xét các ví dụ thực tế tại hiện trường của từng loại vở kịch, cấu hình "Bể chứa-Bẫy-Phủ" dường như là loại vở kịch hydro duy nhất có khả năng đáp ứng nhu cầu cung cấp của các cơ sở công nghiệp lớn.
Giới thiệu
Bài báo này đề xuất một phân loại rộng về các nguồn hydro tự nhiên không chỉ theo quan điểm địa chất thăm dò mà còn theo tiềm năng phát triển kỹ thuật và khả năng đáp ứng nhu cầu thương mại hiện tại.
Hệ thống Hydro
Theo quan điểm khái niệm, các “hệ thống hydro” ngầm hoạt động bao gồm các yếu tố chính giống như các đối tác “hệ thống dầu mỏ” của chúng, cụ thể là: Nguồn, Bể chứa, Bẫy và Lớp phủ. Tuy nhiên, các hệ thống dầu mỏ xuất hiện trong các bãi bồi lưu vực trầm tích, nơi các lớp đá nguồn xếp chồng theo chiều dọc, nhiều mức bể chứa và các thành phần đá phủ là phổ biến và nơi có xu hướng hướng tới các cấu trúc có địa hình tương đối cao nhưng nhẹ nhàng có khả năng bẫy một lượng lớn hydrocarbon. Ngược lại, các bối cảnh thuận lợi như vậy ít phổ biến hơn trong các bối cảnh craton chứa nhiều nguồn hydro bị nghi ngờ.
Giả sử có nguồn hydro hoạt động, việc bẫy hydro hiệu quả trong lòng đất sau đó phụ thuộc rất nhiều vào sự hiện diện của 1) đá chứa có đủ khả năng lưu trữ hydro, dưới dạng lấp đầy lỗ rỗng hoặc (trong trường hợp than) được hấp phụ ở quy mô phân tử; 2) sự hiện diện của đá bịt kín có độ kín đủ để giữ chênh lệch áp suất của cột khí hydro bị giữ lại; và 3) cấu hình bẫy của bể chứa và bịt kín. Do các phân tử hydro nhỏ và dễ bay hơi, nên cần có chất lượng bịt kín đặc biệt. Trong trường hợp bị vỡ bịt kín, các lớp chứa vẫn có thể chứa hydro nhưng hầu hết ở dạng nước chứ không phải dạng khí. Không giống như khí hydro bị giữ lại, hydro hòa tan không có động lực tự nhiên và tiềm năng thu hồi của nó sẽ bị hạn chế.
Xem xét mức độ thành công hay thất bại của các yếu tố trong “hệ thống hydro” khái niệm và hậu quả đối với tiềm năng phát triển kỹ thuật, bài báo này đề xuất phân loại các “phát hiện” và triển vọng về hydro thành ba “loại hình hoạt động hydro” rộng:
- “Các khu vực tập trung rò rỉ tự nhiên” hoạt động với nguồn hydro hoạt động nhưng hạn chế (nếu có) việc bẫy hydro khí dưới bề mặt và nơi nồng độ hydro phản ánh các con đường di chuyển cục bộ, chủ yếu là hydro hòa tan.
- “Hydro tầng than” đóng vai trò hấp thụ hydro ở quy mô phân tử trong than. Trong hệ thống như vậy, cấu hình top-seal và trap không bắt buộc.
- Cấu hình “Bể chứa-Bẫy-Niêm phong” với khí hydro bị giữ lại ở áp suất dư, giống như trong một mỏ khí thông thường.
Những loại hình vui chơi khác nhau này được mô tả chi tiết hơn bên dưới theo góc độ địa chất và tiềm năng phát triển, và được minh họa bằng các ví dụ thực tế.
1. “Các khu vực tập trung của sự rò rỉ tự nhiên”
Vở kịch Mô hình loại vở kịch này mô tả các thiết lập trong đó có sự trục xuất tích cực của hydro từ một hoặc nhiều nguồn bên dưới bề mặt (ví dụ, sự biến đổi tầng hầm thủy nhiệt, giải khí manti hoặc phân hủy phóng xạ của nước thành hệ) nhưng hạn chế (nếu có) bẫy hydro ở pha khí do địa chất bất lợi. Nếu không có sự bẫy, lực đẩy sẽ đẩy hydro bị đẩy lên trên nơi cuối cùng nó sẽ rò rỉ ra bề mặt. Tuy nhiên, do tính không đồng nhất bên dưới bề mặt nên quá trình di cư này hiếm khi đồng đều. Thay vào đó, các đặc điểm cấu trúc như nếp gấp và đứt gãy thường sẽ dẫn hydro bị đẩy vào các đường di cư chính, riêng biệt như vùng đứt gãy/nứt vỡ hoặc "vùng trộm" có độ thấm mở rộng theo chiều ngang như chân trời karst. Khi các đường di cư lộ ra ngoài, có thể xảy ra hiện tượng rò rỉ bề mặt đáng chú ý và các biểu hiện bề mặt tương ứng (ví dụ, vòng tròn kỳ diệu). Khi hydro di chuyển qua các thành tạo tương đối chặt chẽ với tốc độ chậm và thời gian lưu trú dài, nước thành tạo trong và xung quanh các đường di cư có thể bão hòa hydro. Do đó, các giếng chặn các đường dẫn như vậy có thể thấy "màn trình diễn khí" hydro, đặc biệt là nếu quá trình khoan được thực hiện ở trạng thái cân bằng hoặc không cân bằng. Khi áp suất giảm được áp dụng (bằng dụng cụ lấy mẫu giếng khoan hoặc trong quá trình thử lưu lượng), độ hòa tan của hydro trong nước thành hệ giảm và một số hydro sẽ được giải phóng ở dạng khí và chảy vào giếng. Tuy nhiên, lưu lượng khí thường thấp và thường bị cản trở bởi sự xâm nhập của nước.
Ví dụ thực tế: Mỏ Bourakebougou ở Mali có giếng sản xuất hydro thương mại đầu tiên trên thế giới, Bougou-1, đã thử nghiệm sản xuất 1.500m3 một ngày (0,13 tấn/ngày) hydro từ khoảng cách khoảng 60 đến 112m dưới bề mặt. Sau khi thử nghiệm, Bougou-1 cung cấp nhiên liệu cho một máy phát điện nhỏ với sản lượng trung bình hàng năm được báo cáo là khoảng 5 tấn. Các giếng thẩm định cho thấy dòng hydro chảy từ một dải dolomit karst hóa cục bộ nhưng khá chặt chẽ nằm giữa các ngưỡng dolerit (Maiga và cộng sự, 2023). Địa tầng sâu hơn xuống đến tầng hầm đá granit bao gồm các loại đá sa thạch chặt chẽ (độ xốp 3-6%; một số trong số đó có khí nhưng không được thử nghiệm dòng chảy), một số đá phiến sét và các ngưỡng dolerit bổ sung. Cấu trúc là một nếp gấp rất nhẹ nhàng lao xuống phía bắc và mở về phía nam mà không có sự đóng bẫy đáng kể. Áp suất bể chứa xuống tầng hầm dường như tuân theo xu hướng thủy tĩnh. Người ta đã đề xuất (ví dụ, Maiga và cộng sự, 2024) rằng ngưỡng dolerit phía trên dolomit karst hóa hoạt động như một lớp niêm phong hiệu quả để giữ khí hydro. Tuy nhiên, đánh giá tổng hợp của tác giả về tất cả dữ liệu miền mở có sẵn cho thấy việc giữ hydro ở pha khí ở áp suất dư trong Bougou là cực kỳ khó xảy ra vì những lý do sau:
- Áp suất đóng thấp được quan sát thấy trong quá trình thử giếng Bougou-1 (61psia, Briere et al, 2017), kết hợp với áp suất nước hình thành suy ra, ngụ ý rằng hydro không thể tồn tại ở dạng khí trong bể chứa;
- Chữ ký nhật ký trong các giếng đánh giá xung quanh, đáng chú ý là sự vắng mặt hoàn toàn của sự giao thoa mật độ nơtron (điều này sẽ rất mạnh trong trường hợp có sự hiện diện của khí hydro);
- Thiếu sự kết nối về mặt cấu trúc và không có mối quan hệ rõ ràng giữa hiện tượng khí và độ cao của cấu trúc.
Thay vào đó, tác giả này tin rằng mỏ Bougou bao gồm các vết rò rỉ hydro cô đặc hòa tan trong nước thành hệ, có thể bắt nguồn từ các lớp đất đỏ gần tầng hầm. Các dải dolomit karst và mở rộng theo chiều ngang tạo ra một đường dẫn dòng di cư rõ ràng trong một chuỗi các loại đá khá chặt chẽ. Sản lượng khí ở Bougou-1 có thể là do áp suất giảm, làm giảm độ hòa tan của hydro và giải phóng một số trong pha khí. Xem xét độ dày và tính chất của dải dolomit, sự suy giảm 26psi trong bán kính 110m xung quanh giếng có thể giải phóng khoảng 135kg hydro, đủ để giải thích kết quả thử dòng chảy. Tương tự như vậy, sản lượng trung bình hàng năm của Bougou-1 (5 tấn hydro) có thể được giải thích bằng sự suy giảm trong bán kính 670m.
Mật độ tài nguyên (hydro trên một đơn vị diện tích trong dolomit karst và bốn tầng sâu hơn) tại Bougou có thể vào khoảng 3.100 tấn hydro tại chỗ trên một km2, trong đó tạm thời (giả sử mức cạn kiệt khiêm tốn nhưng có thể đạt được) khoảng 180 tấn hydro trên một km2 có thể được phục hồi. Những ước tính này tương thích với sản lượng được báo cáo tại Bougou-1 nhưng ít nhất là ít hơn hai cấp độ so với nhu cầu của một cơ sở công nghiệp lớn thông thường (Hình 1).
Tiềm năng kỹ thuật: Vì các vở kịch “rò rỉ tập trung” không có áp suất dư thừa để cung cấp “động lực” cho hồ chứa, nên việc tăng áp suất hạ xuống bằng cách nâng một lượng lớn nước thành hệ là con đường duy nhất để tăng tốc độ và thu hồi nhiều khí hòa tan hơn. Tuy nhiên, các ràng buộc về bơm và các yếu tố như độ chặt của thành hệ và phạm vi tầng chứa nước chắc chắn sẽ hạn chế mức hạ xuống có thể đạt được và do đó, câu hỏi về lượng hydro có thể chiết xuất được từ bối cảnh “rò rỉ tập trung” thường sẽ phụ thuộc vào mật độ khoan. Do lưu lượng dòng chảy thấp không thể tránh khỏi, các vở kịch “rò rỉ tập trung” không phù hợp để đáp ứng nhu cầu của các khách hàng hydro công nghiệp lớn và thay vào đó, thương mại hóa hydro sẽ dựa vào lượng khai thác cục bộ nhỏ. Các giếng có chi phí thấp và gần thị trường có thể là những yếu tố hỗ trợ thương mại chính.
2. “Hydro trong tầng than” Các vở kịch Than có thể hấp thụ một lượng khí đáng kể: chúng hấp thụ ưu tiên mêtan nhưng chúng cũng có thể hấp thụ hydro. Dữ liệu thực nghiệm (ví dụ: Iglaurer và cộng sự, 2021) cho thấy “các đường cong đẳng nhiệt” mô tả khả năng hấp thụ hydro trong than tăng theo áp suất và giảm theo nhiệt độ (tương tự như các đường đẳng nhiệt mêtan và CO2). Về nguyên tắc, sự hấp thụ hydro trong than không yêu cầu bẫy cấu trúc. Hydro không phải là thành phần hiếm của khí mỏ than; theo Zgonnick (2020), phát hiện đầu tiên về hydro tự nhiên thực tế được tạo ra trong khí từ một mỏ than ở Ukraine. Hydro thường xuất hiện ở tỷ lệ dưới 30% được trộn với các khí khác, đặc biệt là mêtan và CO2.
Ví dụ thực tế: Folschviller-1 ở Lorraine (Pháp) là một giếng thử nghiệm mêtan-lớp than, nơi gần đây đã báo cáo về hiện tượng hydro (thông cáo báo chí của FDE, 2023). Hiện tượng khí được phát hiện trong các lớp than kỷ Than đá có độ dày thực tế từ 4 đến 13m, kẹp giữa các đá sa thạch và đá phiến chặt (thông cáo báo chí của EGL năm 2006; Allouti và cộng sự, 2023). Khí chủ yếu là mêtan nhưng hàm lượng hydro tăng theo độ sâu từ khoảng 6% H2 ở độ sâu 760m lên 20% ở độ sâu 1250m. Hàm lượng khí đo được của các vỉa than thay đổi từ 7 đến 10m3 trên một tấn (thông cáo báo chí của EGL năm 2006), điều này cho thấy than có thể chưa bão hòa. Độ thấm được báo cáo là từ 0,5 đến 4mD.
Tác giả ước tính Mật độ tài nguyên (hydro trên một đơn vị diện tích, tổng cộng trên 6 vỉa than trong giếng Forschviller-1) vào khoảng 11.000 tấn hydro tại chỗ trên một km2, trong đó (hệ số thu hồi tương tự CBM) có thể thu hồi được khoảng 5.400 tấn hydro trên một km2 (Hình 1).
Tiềm năng kỹ thuật: Với sự chiếm ưu thế của khí mê-tan, Forschviller sẽ là một dự án phát triển khí mê-tan trong tầng than với hydro là sản phẩm phụ. Áp suất rút xuống để khí thoát ra sẽ là chìa khóa để phục hồi và với hàm lượng khí tương đối thấp, có thể phải bơm một lượng lớn nước trước khi sản lượng khí đạt đỉnh. Dựa trên kinh nghiệm tương tự với các dự án phát triển khí mê-tan trong tầng than trên toàn thế giới, việc sản xuất từ than sâu hơn 1.200m sẽ cực kỳ khó khăn.
Giả sử khoảng cách giếng CBM điển hình là 4 giếng trên km2 và một giếng trên mỗi vỉa (tức là 24 giếng trên km2), thì rõ ràng là cần phải có số lượng giếng lớn để thu hồi số lượng tài nguyên vật liệu. Lượng khí thu hồi trên mỗi giếng có thể chỉ ở mức 0,7 Bscf, trong đó chỉ có 0,1 Bscf (230 tấn) là hydro. Thêm vào đó là sự phức tạp và chi phí để tách các loại khí khác nhau thành độ tinh khiết hydro theo thông số kỹ thuật bán hàng, thì rõ ràng là việc phát triển thương mại "Hydro tầng than" sẽ rất khó khăn, đặc biệt nếu mục tiêu là đáp ứng nhu cầu hydro công nghiệp.
3. Vở kịch “Bể chứa-Bẫy-Kín” Mô hình kiểu vở kịch này mô tả các thiết lập với nguồn hydro hoạt động kết hợp với cấu hình bẫy thuận lợi liên quan đến một hoặc nhiều bể chứa xốp và thấm được bịt kín bằng một lớp niêm phong có thể giữ được chênh lệch áp suất của một cột hydro khí. Sự tồn tại của các hệ thống như vậy, tương tự như các mỏ khí thông thường, hiện vẫn là một suy đoán đang chờ xác nhận thăm dò. Mặc dù có nhiều báo cáo về rò rỉ hydro trên bề mặt và dấu vết hydro ở bên dưới bề mặt (Zgonnick, 2020; Stalker và cộng sự, 2022), không có phát hiện nào trong số này chứng minh một cách thuyết phục sự hiện diện của hydro bị mắc kẹt trong một bể chứa xốp và thấm, ở pha khí và ở áp suất dư.
Ví dụ thực tế: triển vọng Monzon ở Aragon (Tây Ban Nha; Atkinson và cộng sự, 2022), được sử dụng ở đây để minh họa tiềm năng tích tụ khí hydro bị mắc kẹt, mặc dù ở giai đoạn này chỉ là suy đoán. Cấu trúc bao gồm một khối đứt gãy nghiêng trong đó có chứa Trias Bunter (ở độ sâu 3600m, độ xốp trung bình khoảng 10%) được bịt kín bởi khoảng cách dày 1800m của đá phiến sét và evaporit. Một giếng thăm dò năm 1963 (Monzon-1) đã ghi nhận một số dấu hiệu khí hydro trong Bunter nhưng sự hiện diện của khí tự do vẫn còn mơ hồ từ các bản ghi có sẵn và dữ liệu khác.
Dựa trên độ dày, đặc tính và nhiệt độ của bể chứa đã báo cáo và giả định có một cột hydro 60m trong bẫy, tác giả này ước tính Mật độ tài nguyên suy đoán là 43.000 tấn hydro tại chỗ trên km2, trong đó tạm thời có thể thu hồi được khoảng 35.000 tấn hydro trên km2 (Hình 1). Nếu ngược lại, bẫy Moznon được cho là chỉ chứa hydro ở pha nước (hòa tan trong nước thành tạo, không phải dưới dạng khí tự do), Mật độ tài nguyên giảm xuống còn 6.000 tấn hydro tại chỗ trên km2. Nhưng quan trọng hơn, tiềm năng thu hồi giảm xuống còn vài 100 tấn hydro trên km2 chỉ do khó khăn liên quan đến việc làm cạn kiệt áp suất tầng chứa nước.
Tiềm năng kỹ thuật: Ví dụ mang tính suy đoán về Monzon minh họa tầm quan trọng của năng lượng chứa do khí bị giữ lại ở áp suất dư cung cấp. Giả sử sự hiện diện của khí tự do trong bẫy Moznon ở áp suất chứa ban đầu là 5.500 psia so với áp suất bỏ hoang là 850 psia, hiệu suất thu hồi là 80% trở lên có thể đạt được. Ngay cả với độ thấm chứa khiêm tốn, các giếng thẳng đứng đơn giản có thể đạt được sản lượng ổn định khoảng 6 MMscf/ngày hoặc 5.500 tấn/năm hydro mỗi giếng trong khi các giếng nằm ngang có khả năng hoạt động tốt hơn. Cấu hình "Bẫy-Bể-Kín" có thể là loại hình duy nhất của các vở kịch hydro có tiềm năng đáp ứng nhu cầu cung cấp của các cơ sở công nghiệp lớn (Hình 1).
Hình 1: Mật độ tài nguyên hydro (tấn/km2) theo loại hình Play so với nhu cầu điển hình của ngành
Tài liệu tham khảo Allouti, S., Michels, R., Malartre, F., Mombo Mouketo, M., Géraud, Y., Nassif, F., Pironon, J., & de Donato, P., 2023. Lưu vực Than đá Lorraine (Pháp) là mục tiêu mới của nguồn tài nguyên khí đốt khu vực cho chiến lược chuyển đổi năng lượng? Cuộc họp quốc tế lần thứ 31 về Địa hóa học hữu cơ, Montpellier, Pháp
Atkinson, C., Matchette-Downes, C., & Garcia-Curiel, S., 2022. Hydro tự nhiên trong giếng Monzon-1, lưu vực Ebro, miền bắc Tây Ban Nha. Geologues, v. 213: 96-102.
Briere, D., Jerzykiewicz, T., & Śliwiński, W., 2017. Về việc tạo ra một mô hình địa chất cho khí hydro ở phía nam Taoudeni Megabasin (khu vực Bourakebougou, Mali), Bài báo Tìm kiếm và Khám phá #42041 (2017)
Thông cáo báo chí của EGL năm 2006. KẾT QUẢ ĐỘ THẤM BAN ĐẦU CỦA GIẾNG ST1 FOLSCHVILLER. Thông cáo báo chí của FDE, năm 2023. FDE thông báo phát hiện ra hydro tự nhiên trong lưu vực khai thác Lorraine.
Iglauer, S., Abid, H., Al-Yaseri, A., & Keshavarz, A. (2021). Sự hấp phụ hydro trên than dưới bitum: Ý nghĩa đối với việc lưu trữ hydro địa chất. Thư nghiên cứu địa vật lý, 48, e2021GL092976. https://doi.org/10.1029/2021GL092976.
Maiga, O., Deville, E., Laval, J., Prinzhofer, A., & Diallo, AB, 2023. Đặc điểm của các bể chứa hydro tự nhiên tự nạp lại của Bourakebougou ở Mali. Nature Scientific Reports 13(1):11876. https://doi.org/10.1038/s41598-023-38977-y
