Hội nghị và Triển lãm EAGE lần thứ 5 về Chuyển đổi Năng lượng Toàn cầu - GET2024 Hội nghị Lưu trữ Năng lượng và Hydro EAGE
Các mô hình hydrogen tự nhiên 'play-type' nhìn từ góc độ phát triển
Arnout JW Everts (AEGeo Sdn Bhd, Kuala Lumpur, Malaysia; Hội nghị và Triển lãm Chuyển đổi Năng lượng Toàn cầu EAGE lần thứ năm (GET 2024), tháng 11 năm 2024, Tập 2024, trang 1 – 5
https://doi.org/10.3997/2214-4609.202421031 200
Tóm tắt từ ngữ
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 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 về hydro thành ba "loại vở kịch hydro": 1) "Khu vực tập trung của sự 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 trên thực địa của từng loại vở kịch, cấu hình "Bể chứa-Bẫy-Niêm phong" 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 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.
Hệ thống hydro Theo quan điểm khái niệm, "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 Niêm phong. 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 thành phần đá niêm phong là phổ biến và nơi có xu hướng hướng tới các cấu trúc tương đối cao nhưng nhẹ 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 định có sự hiện diện của nguồn hydro hoạt động, việc bẫy hydro hiệu quả trong lòng đất sau đó phụ thuộc rất nhiều vào sự hiện diện của 1) một loại đá chứa có khả năng lưu trữ hydro đủ, 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 niêm phong 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 niêm phong. Do các phân tử hydro nhỏ và dễ bay hơi, nên cần có chất lượng niêm phong đặc biệt. Trong trường hợp vỡ niêm phong, các lớp chứa vẫn có thể chứa hydro nhưng phần lớn 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 phục 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 "phát hiện" và triển vọng hydro thành ba "kiểu phát triển hydro" rộng:
1. "Khu vực trọng tâm của sự rò rỉ tự nhiên", các phát triển có nguồn hydro hoạt động nhưng hạn chế (nếu có) bẫy hydro khí dưới bề mặt và nơi nồng độ hydro phản ánh các con đường di cư cục bộ, chủ yếu là hydro hòa tan.
2. "Hydro tầng than" phát triển nơi hydro được hấp phụ ở quy mô phân tử trong than. Trong một hệ thống như vậy, cấu hình niêm phong trên cùng và bẫy không bắt buộc phải có.
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.
Các loại vở kịch khác nhau này được mô tả chi tiết hơn bên dưới theo quan điểm địa chất và tiềm năng phát triển, và được minh họa bằng các ví dụ thực tế tại hiện trường.
1. Vở kịch "Các khu vực trọng tâm của rò rỉ tự nhiên"
Mô hình loại vở kịch này mô tả các thiết lập trong đó có sự đẩy hydro tích cực ra khỏi một hoặc nhiều nguồn bên dưới bề mặt (ví dụ: sự thay đổi tầng hầm thủy nhiệt, giải phóng khí manti hoặc phân hủy phóng xạ của nước hình thành) nhưng hạn chế (nếu có) bẫy hydro ở pha khí do địa chất không thuận lợi. Nếu không có bẫy, lực đẩy đẩy hydro bị đẩy lên cao, nơi cuối cùng nó sẽ rò rỉ ra ngoài 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
độ thấm rộng về phía bên kia "vùng trộm" như các tầng karst. Nơi các đường di cư lộ ra, có thể xuất hiện các vết rò rỉ bề mặt đáng chú ý và các biểu hiện bề mặt tương ứng (ví dụ: các vòng tròn thần tiên). Nơi 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 "hiện tượng khí" hydro, đặc biệt nếu quá trình khoan được thực hiện ở trạng thái cân bằng hoặc không cân bằng. Khi áp dụng biện pháp hạ áp suất (bằng công cụ lấy mẫu giếng khoan hoặc trong quá trình thử dòng chảy), độ hòa tan của hydro trong nước thành tạo 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 lấn 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 đã cung cấp nhiên liệu cho một máy phát điện nhỏ với sản lượng khai thác 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 et al, 2023). Địa tầng sâu hơn xuống đến tầng móng granit bao gồm các loại đá sa thạch chặt chẽ (độ xốp 3-6%; một số có khí nhưng không được thử nghiệm dòng chảy), một số đá phiến sét và các ngưỡng dolerit bổ sung. Cấu trúc này là một nếp cong rất nhẹ nhàng, dốc về phía bắc và mở về phía nam mà không có sự đóng bẫy đáng kể.
Áp suất của 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 trên cùng 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:
1. Áp suất đóng thấp được quan sát thấy trong quá trình thử giếng Bougou-1 (61psia, Briere và cộng sự, 2017), kết hợp với áp suất nước thành tạo suy ra, ngụ ý rằng hydro không thể tồn tại ở pha khí trong bể chứa;
2. Chữ ký logarit trong các giếng thẩm định xung quanh, đáng chú ý là hoàn toàn không có sự giao thoa mật độ neutron (sẽ rất mạnh trong trường hợp có sự hiện diện của hydro dạng khí);
3. Thiếu sự khép kín về mặt cấu trúc và không có mối quan hệ rõ ràng giữa các biểu hiện khí và độ cao của cấu trúc.
Thay vào đó, tác giả này tin rằng mỏ Bougou bao gồm các vết rò rỉ hydro tập trung hòa tan trong nước thành hệ, có thể bắt nguồn từ các lớp đất đỏ gần tầng hầm. 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 khí 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 nghiệm 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 (giả sử mức cạn kiệt khiêm tốn nhưng có thể đạt được) khoảng 180 tấn hydro trên một km2 có thể được thu 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 hạn chế 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 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 tiêu thụ cục bộ nhỏ. Các giếng chi phí thấp và gần thị trường có thể là những yếu tố thúc đẩy thương mại quan trọng.
2. Vở kịch “Hydro tầng than” 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” được mô tả
khả năng hấp phụ hydro trong than tăng theo áp suất và giảm theo nhiệt độ (tương tự như đường đẳng nhiệt metan và CO2).
Về nguyên tắc, hấp phụ 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 thực hiện trong khí từ một mỏ than ở Ukraine. Hydro thường xuất hiện ở tỷ lệ dưới 30% trộn với các khí khác, đặc biệt là metan và CO2.
Ví dụ thực tế: Folschviller-1 ở Lorraine (Pháp) là một giếng thử nghiệm metan trong tầng than, nơi gần đây đã báo cáo về hydro (thông cáo báo chí của FDE, 2023). Các biểu hiện khí được phát hiện trong các lớp than Carboniferous có độ dày ròng từ 4 đến 13m, kẹp giữa các đá sa thạch và đá phiến sét chặt chẽ (Hội nghị và Triển lãm EAGE lần thứ 5 của EGL về Chuyển đổi Năng lượng Toàn cầu - GET2024 EAGE Hydro và Hội nghị Lưu trữ Năng lượng Thông cáo báo chí năm 2006; Allouti et al, 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 dao động từ 7 đến 10m3 trên một tấn (Thông cáo báo chí EGL năm 2006) cho thấy than có thể chưa bão hòa. Độ thấm được báo cáo là từ 0,5 đến 4mD. Tác giả này 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 mêtan, Forschviller sẽ là một mỏ phát triển mêtan trong tầng than với hydro là sản phẩm phụ. Áp suất hạ xuống để khí giải hấp sẽ là chìa khóa để thu hồi và với Hàm lượng khí tương đối thấp, có thể phải bơm một lượng lớn nước ra trước khi sản lượng khí đạt đỉnh. Dựa trên kinh nghiệm tương tự với các mỏ phát triển mêtan 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 một vỉa (tức là 24 giếng trên km2), thì rõ ràng là cần có số lượng giếng lớn để thu hồi được 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 "Bẫy-Bể chứa-Kín" Mô hình kiểu vở kịch này mô tả các thiết lập có nguồn hydro hoạt động kết hợp với cấu hình bẫy thuận lợi bao gồm 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 trong lòng đất (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 dạng 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 cho tiềm năng tích tụ hydro khí bị mắc kẹt, mặc dù ở giai đoạn này chỉ là suy đoán. Cấu trúc bao gồm một khối đứt gãy nghiêng trong đó bể chứa Bunter kỷ Trias (ở độ sâu 3600m, độ xốp trung bình khoảng 10%) được bịt kín bởi khoảng cách 1800m của các evaporit và đá phiến sét. 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 nhật ký 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 mỗi km2, trong đó tạm thời có thể thu hồi được khoảng 35.000 tấn hydro trên mỗi km2 (Hình 1). Nếu ngược lại, bẫy Moznon được cho là chỉ chứa hydro ở dạng nước (hòa tan trong nước hình thành, không phải dưới dạng khí tự do), Mật độ tài nguyên giảm xuống còn 6.000 tấn hydro tại chỗ trên mỗi km2. Nhưng quan trọng hơn, tiềm năng thu hồi giảm xuống còn vài 100 tấn hydro trên mỗi km2 chỉ do khó khăn liên quan đến việc làm cạn kiệt áp suất tầng chứa nước.
Tiềm năng kỹ thuật: Ví dụ suy đoán về Monzon minh họa tầm quan trọng quan trọng của năng lượng bể 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 ban đầu của bể chứa 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 bể 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 loại trong khi các cấu hình nằm ngang có khả năng hoạt động tốt hơn. Cấu hình "Bể chứa-Bẫy-Niêm phong" có thể là loại vở kịch hydro duy nhất có tiềm năng đáp ứng nhu cầu cung cấp của các cơ sở công nghiệp lớn (Hình 1).
