天然氢勘探开发及集输研究现状及展望：天然氢的形成机制复杂，天然氢的勘探技术，中国在天然氢领域仍处于早期发展阶段等

知自然

作者

来源“油媒方”

摘要：

【目的】天然氢是一种重要的氢气资源，但目前国内外对天然氢的了解和研究有限，导致天然氢的勘探开发及利用进展缓慢。随着国际社会对天然氢的逐渐重视，很多国家开始布局天然氢资源，发展天然氢资源已成为未来推动清洁能源发展的一种重要途径。天然氢的勘探开发及集输是天然氢资源开发利用的关键。【方法】通过文献调研，回顾了近年来国内外天然氢的主要研究进展，归纳总结了天然氢的形成机制，分析了现阶段天然氢的勘探开发及集输研究现状，介绍了目前全球天然氢资源勘探开发的典型工程实例，最后展望了未来天然氢的重点研究方向。【结果】①天然氢的形成机制复杂，涉及多种理论及学说，目前尚无统一定论，未来需进一步研究，尽快明晰天然氢的形成机制，为天然氢的勘探提供理论支撑；②天然氢的勘探技术需结合遥感技术、地球化学分析、地球物理探测和岩石物理学等方法进行改进，提高探测精度和效率，更好地识别天然氢资源的潜在分布；③中国在天然氢领域仍处于早期发展阶段，对其资源量和分布特征的全面评估有限，应尽快开展天然氢资源全面普查与评价工作，为未来天然氢的勘探开采提供基础数据；④天然氢的开发与集输可以参考现阶段天然气藏的相关技术，并结合氢分离纯化技术和储运配套设施等进行改造适配；⑤天然氢勘探开发技术与地下储氢技术、氦资源开发技术等面临部分类似技术瓶颈，未来可推进相关技术协同发展。【结论】分析天然氢的勘探开发及集输技术的研究现状及未来发展建议，对推动天然氢产业发展、能源转型提供有益参考。

一、天然氢定义与发展历程

1、定义

天然氢是指地质过程产生的地下可持续氢。由于天然氢在从地下逸出至地表的途中被不透水的屏障所阻隔，从而产生了类似于石油、天然气的长期储存矿藏。按照天然氢在地质环境中的赋存状态，目前主要分为3类：游离态氢、包裹体氢以及溶解态氢。游离态氢是指可以在岩石（或地层）的孔隙或裂缝中自由移动的氢，主要存在于蛇绿岩套中，是天然氢的主要存在形式之一，最早发现于土耳其的安塔利亚市附近。包裹体氢是指氢气在不同类型岩石中主要以包裹体或吸附体的形式存在，目前在全球各地的超基性岩、前寒武纪岩石、火成岩、沉积岩或变质岩以及岩盐矿床中都发现了包裹体氢。相较于游离态氢，包裹体氢更多作为地质成因证据，在同一成岩环境生成的包裹体氢，其浓度可能不同。溶解态氢是指天然氢作为溶解气体存在于地下水中，在与深层断层和裂谷带相关的地区溶解态氢含量较高。多个国家的地下水相关测试表明，地下水中天然氢体积分数从微量到百分之几十不等，且随着采样深度的增加而增大。2020年，Zgonnik统计分析331项陆上氢气综合案例数据发现，有160例以游离态氢赋存在各类岩体、间歇泉、矿体、油气藏、裂谷以及断层中，有89例以包裹体态氢赋存在各类岩体、矿体以及煤盆中，有82例以溶解态氢赋存在油田水和地下水中。

微信号：ziranziyuan1
更多资料，添加微信
复制微信号

天然氢与工业制氢相比，区别主要体现在以下几个方面。

1）定义方面：

天然氢来源于自然的地质以及化学现象，生成过程不排放二氧化碳，相比工业制氢是真正意义上的零碳、可再生的一次能源。而工业制氢得到的氢气是一种从氢化原料（主要是化石燃料或水）中获得的转化气体，是一种二次能源，主要作为一种能源载体而存在。

2）生产方面：

天然氢的生产主要是对赋存于地层深处的氢进行探测与开发获得。而传统工业制氢则以能源资源为原料，使用相关设备生产获得氢气。目前业界对氢种类的划分方式主要以生产过程为主（图1），其中工业制氢主要分为绿氢、蓝氢、灰氢三大类。绿氢是指利用风能、太阳能等可再生能源电解水制氢，该方法无污染但成本高，实际生产和使用面临成本与技术问题；蓝氢是指利用蒸汽甲烷转化结合CCUS技术进行低碳排放制氢；灰氢是指利用无碳捕获与封存的化石燃料制氢，该方法制氢占目前全球氢总量的96%，但该方法会产生大量二氧化碳。此外，依托天然氢的成藏机制未来可行的制氢方式还将包括橙氢。橙氢是指在反应地层中注入富碳溶液，通过地球化学反应使固体碳酸盐沉淀，同时形成氢气并从流体中回收。橙氢的概念是对现有氢气分类的有益补充，其利用地球化学反应机制，为氢气的生产提供了一种新的视角和可能性。

图1 氢的不同来源示意图

3）纯度方面：现阶段所利用的氢气是通过相关技术进行制取的，纯度较高。而天然氢的纯度通常较低。目前虽已发现纯度很高的矿藏（氢体积分数约98%），但大多数矿藏中的天然氢含有一定比例的杂质，主要包括氮气、甲烷、二氧化碳等气体以及水分。天然氢的纯度在很大程度上取决于到达反应岩石的水的质量。而对于工业制氢，则可通过工艺优化（例如电解水制氢中控制注入水条件等因素）控制氢气纯度。

4）成本方面：工业制氢中灰氢与蓝氢的生产成本约2~5美元/kg，绿氢采用电解水方式的生产成本高，约5~8美元/kg。现有天然氢的生成量估算值为（254±91）×10⁸m³/a，有望成为全球清洁氢的重要来源。对于高浓度的天然氢矿藏，天然氢开采成本远低于工业制氢成本，据美国能源部高级研究计划署能源部估计，成本低于1美元/kg。目前，非洲马里纯度约98%的天然氢矿，开采价格约50美分/kg，西班牙比利牛斯山麓天然氢生产成本预计约82美分/kg。但也有研究指出，如果天然氢矿藏需要更深钻探，天然氢的开发成本则会增加。

2、发展历程

在工业化开发方面，天然氢全球首次工业开采的记录可以追溯到2012年，加拿大Hydroma公司在非洲马里巴马科北部地区发现了纯度高达98%的天然氢，并成功实施工业开采。这一事件不仅成为天然氢商业化开采的里程碑，也为后续的工业化应用提供了重要参考和借鉴。2018年，Hydroma公司在马里落地了全球首个天然氢工业应用项目，其每口井的产氢率约1500m³/d。2023年，该公司为了进一步估算马里天然氢矿资源量，在该地区钻探了30口井，发现该天然氢矿的直径超过8km，储量至少600×10⁸m³。

2023年，“寻找天然氢源的热潮”被Science杂志评为年度十大科学突破之一，凸显了天然氢在全球能源转型中的重要地位。全球多个国家和地区，包括阿曼、美国、俄罗斯、巴西、南非、意大利、澳大利亚等国家，都发现了浓度较高的天然氢渗漏现象。在间歇泉、温泉、煤井、油气井等中都发现过富氢气体，在不同地质环境中其含量不同。目前，全球已发现300多个浓度超过10%的天然氢案例，估算地面逸出氢气量达2×10⁷t/a以上。中国目前仅对国内天然氢资源进行了初步地质调查，尚未进行更细致的系统勘测和资源量估算。

国际上，天然氢目前已进入一个新的发展阶段，被国际能源署（International Energy Agency，IEA）的氢技术合作计划（Hydrogen Technology Collaboration Program，Hydrogen TCP）确认为一个重要的议题。IEA H2TCP在维也纳举行的第97次执行委员会会议上确认创建了一个名为“天然氢”的任务（TASK）。TASK49汇集了来自16个国家的31位专家进行研究合作，并在勘探/生产方法、储量评估、公共政策、公众文化适应、融资、基础设施和环境影响等领域提出建议。

二、天然氢形成机制

20世纪70年代末，学者们开始对天然氢的形成机制进行研究，研究经历了从海洋到陆地作业再到定点观测3个阶段后，形成众多观点。其中，大多数学者认为地壳中的天然氢主要由无机过程与有机过程形成。基于此，学者们提出多种假说（图2），包括地核和地幔深部脱气、水与超基性岩石的反应或蛇纹石化、水与破碎后岩石反应、水与新暴露的岩石表面的相互作用、水的自然辐解、有机物的分解等。目前业界较为认可的天然氢形成机制是以上几种不同假说的组合。

图2 天然氢的形成机制示意图

1、无机成因

地质学家认为，产生天然氢的主要无机成因是水岩反应、地球深部脱气以及水辐解。水岩反应泛指一切地质作用过程中发生的流体与岩石的相互作用，而产生天然氢的水岩反应一般指水与富含镁铁的岩石（基性/超基性岩石）之间发生的反应，即岩石中的镁铁质矿物（橄榄石）在含水环境下，与水反应后转变为蛇纹石，同时释放出氢气。其总反应机理是在含氧量较低的环境下，Fe²⁺通过非生物过程氧化成Fe³⁺后，水还原成氢气：

由于橄榄石在自然界通常以Mg-Fe二元固溶体的形式存在，镁、铁元素分别与水反应，其中铁橄榄石端元（Fe₂SiO₄）与水反应生成氢，镁橄榄石端元（Mg₂SiO₄）与水反应生成蛇纹石。由于两种反应同时进行，因此这种产生天然氢的非生物过程也称蛇纹石化，其具体反应过程如下。铁橄榄石端元（Fe₂SiO₄）与水反应生成氢：

镁橄榄石端元（Mg₂SiO₄）与水反应生成蛇纹石有以下两种路径：

1）镁橄榄石与式（1）中生成的过量SiO₂反应生成蛇纹石［Mg₃Si₂O₅(OH)₄］。

2）镁橄榄石与水直接发生反应生成蛇纹石与氢氧化镁。

地球深层脱气是指从地幔与地核中释放出氢气，即地球深处沿着构造板块边缘逸散释放出的氢气，而地壳范围内的脱气过程并不包括在内。现代地球深层脱气以火山喷发、地震等地质活动为主要形式（图3）。火山喷发所产生的火山气中氢含量仅次于二氧化碳与水，在地震活动前后土壤中的氢含量会发生急剧变化，最高能达到原含量的100多倍。有学者利用稀有气体和同位素地球化学分析方法对地震相关的活动断层进行研究，发现其周围的氢含量比非活动断层更高，表明活动断层周缘的氢气来源于地球深层。

图3 天然氢生成模式示意图

水辐解是指由地壳中放射性元素分解水分子形成氢气，该过程相对缓慢，被认为是氢的重要来源。地壳中含有大量铀、钍等放射性元素，放射性衰变产生的能量可以将水分子分解为氢气与氧气。该反应所需材料为水与放射源，这两种材料在地球内部大量存在，因此水辐解被认为可以在地球上广泛发生。但水辐解过程除了产生氢气外，还会产生氧气，两种物质均具有活跃的化学性质，因此极易与其他物质发生反应，很难被同时检测到。由于水辐解过程复杂，且与地质环境、水的物化状态、放射性衰变、地质时间尺度以及自由基生成等因素相互关联，其反应机制有待进一步探究。

2、有机成因

天然氢有机成因主要有微生物作用与有机质分解两种。微生物作用可分为氢化酶作用与固氮酶作用，前者根据其活性位点和氨基酸序列之间的差异，又分为［Fe］-氢化酶、［FeFe］-氢化酶和［NiFe］-氢化酶，而氢气的生成通常与［FeFe］-氢化酶相关；后者是指通过有机物的厌氧分解、发酵以及固氮菌生成天然氢。微生物固氮作用反应也被用于产氢生物反应器的设计。最近研究表明，在伊比利亚黄铁矿带地下检测到天然氢中有很大一部分是生物反应产生的。此外，氢也可被地下生态系统中的其他微生物作为能量来源，因此需要对其他矿物基质与位置进行研究。

有机质分解，即有机质的热演化，是一个自然发生的化学过程，其中有机物质在热、压力或化学作用的影响下分解，而这一过程并不依赖特定的生物代谢活动。随着有机物质经历热演化，其氢碳比（H/C）总体降低，同时芳香化程度增加。在有机质达到高成熟阶段时，原始有机质将经历链烃的环化、环烃的芳构化以及芳香烃的缩聚等反应，这些反应释放出大量的氢自由基，氢自由基通过重新分配和反应形成氢气，并伴随生成大量烃类气体。氢自由基的来源与消耗途径较为复杂，导致天然氢的有机成因机制尚未完全明确。生物活性在天然氢生成中的作用机制也尚不清晰。从另一角度，有机质的成熟度会影响其热裂解产物的组成。随着成熟度增加，有机质中的氢元素更有可能以氢气的形式释放。这一过程中，由于较重的氘（²H）同位素相比于较轻的氕（¹H）同位素在热裂解时更难释放，导致成熟度较高的有机质生成的氢气具有较高的²H/¹H比值。这种同位素特征与甲烷的同位素组成之间的相关性，进一步证实了天然氢的形成与有机质经历的热演化过程密切相关。

三、天然氢的勘探、开发与集输

1、天然氢的勘探

对天然氢进行勘探时，首先必须了解其产生的地质环境。天然氢储藏的形成与传统油气成藏相似（图4），也需满足“生、储、盖、圈、运、保”等要素条件。天然氢矿藏是富铁岩石、水以及地球深部存储的原始氢，在地壳深层活动断层和火山活动的影响下，天然氢向上运移并积聚于沉积盆地发育的砂岩和碳酸盐岩储层中。前期研究积累的大量关于天然氢的数据表明，天然氢主要可能在两种地质环境中产生：前寒武纪结晶盾和大洋中脊以及陆基蛇绿岩-橄榄岩丘内的蛇绿岩化超基性岩。而传统的石油与天然气勘探主要集中在沉积盆地，以上环境很少被石油天然气行业钻探，而且氢的扩散与反应性较强，因此天然氢储层在勘探油气产区的过程中几乎不可能被偶然发现。此外，采矿业虽然在以上地质环境中活动，但通常不会监测从岩石中逸出的气体成分，且由于其工作深度远小于石油勘探行业，加之采矿行为如爆破等可能导致开采出的岩石已经脱气，进一步减少了在以上环境中发现氢气的可能性。这些因素共同导致氢气成分常被忽略，这也是天然氢渗漏未被更早认识到的原因。因此，现阶段评估天然氢资源量和选择可靠的勘探工具是亟需解决的问题。

图4 天然氢成藏系统与油气成藏系统对比图

目前，地质学家通过采用“源岩、储层、圈闭”三位一体的概念对天然氢进行勘探，确定了超基性岩、富铁原岩以及富铀岩3种主要类型的烃源岩。天然氢的产生与这些岩石的特性密切相关，尤其是与水氧化Fe²⁺（超基性岩、富铁原岩）和水辐解有关（富铀岩）。此外，天然氢在某些情况下可以通过相关反应转化为非生物甲烷，为判断天然氢的存在提供了一个指标，即非生物甲烷的含量。随着全球发现的天然氢渗漏案例的增多，地质学家进一步统计研究后发现了另一个关键指标—“仙女圈”，“仙女圈”在卫星图像上呈现为略微凹陷的圆形结构（图5），为进一步勘探天然氢提供了指引。研究者还意识到，即使地表没有天然氢气渗漏，地下也可能存在天然氢，因此在勘探天然氢时必须考虑到这一点。

图5 天然氢泄漏至表面的“仙女圈”示意图

随着国际社会对天然氢的重视，多个国家开展了对天然氢的勘探，并取得显著成果（表1）。法国国家科学研究中心在法国东北部的Lorraine矿区发现了天然氢的存在，其含量随着深度的增加而上升。据估算，该矿藏天然氢储量介于0.06×10⁸~2.50×10⁸t，是目前全球发现的最大天然氢矿藏之一。巴西地质学家在圣弗朗西斯科盆地的一小部分地区发现了氢气渗漏现象，通过对该地区进行勘探，发现勘探井和天然气渗漏井口的混合气中氢气体积分数高达20%，圣弗朗西斯科盆地成为首批天然氢矿藏的案例之一。在美国北卡罗来纳州，研究者通过对土壤气体分析，发现在形态凹陷周围区域存在大量的分子氢。美国地质调查机构估计，全球天然氢储量约5×10¹²t，开发潜力巨大。澳大利亚的Voyager H2 Limited公司正在申请一种专用于探测天然氢与氦沉积物的装置，该装置由1000个地面传感器组成，能够实时分析土壤中的气体，从而有效确定天然氢的迁移通道。在South Nicholson盆地的钻井中，该公司发现高浓度氢气逸出现象，并根据重力异常、深部地震资料进行综合分析，绘制了地壳构造图并利用大地电磁数据解释了蚀变地壳的流体通道。2005年，Vladimir等发现在俄罗斯中部亚圆形凹陷中渗出氢气，并于2005~2011年在俄罗斯监测了约562个近圆形表面氢气泄漏凹陷。2023年，俄罗斯将天然氢作为独立的矿产资源纳入全俄矿产资源与地下水分类。

表1 全球天然氢储量与地域分布统计表国

中国天然氢相关研究处于起步阶段。地质研究表明，中国由多个板块拼合而成，在经历了多期俯冲与碰撞构造运动后，多处形成板块缝合带，并在相关地区形成大量蛇绿岩层，这些岩层可能是天然氢的重要来源。中国还发育有多条规模巨大、向地下深切且长期活跃的区域性深大断裂，为深层氢气的运移提供了良好的通道。此外，我国的华夏裂谷系、汾渭裂谷系与北美裂谷系具有相似的地质背景，是天然氢勘探的潜力区域之一。对柴达木盆地三湖地区2口井的岩屑罐顶气进行监测，发现氢气的含量达到99%，研究者推断相关氢气的来源为生物降解。对松辽盆地的吉木萨尔图、朝阳沟、葡萄花、扶余等地区的深部气进行检测，发现含有少量氢气，并且在松辽盆地的个别钻井中发现氢气含量高达85.54%。对徐家围子断裂凹陷处单井产气检测，发现其中气体含氢且含量变化较大。由此可见，在我国已有油气沉积盆地内寻找天然氢具有较好的潜力。

当前全球对天然氢的勘探正处于起步阶段，但地表的氢泄漏现象、独特的地貌特征“仙女圈”等为地下天然氢矿藏的勘探提供了关键线索。要实现天然氢的有效开发，需依靠先进可靠的勘探技术手段，从而深入了解天然氢的形成机制和地壳中天然氢运移以及聚集过程。目前，天然气勘探采用的技术手段主要包括遥感、地球化学分析、地球物理探测以及岩石物理方法等（表2）。天然氢勘探一般首先利用遥感技术探究地表氢气渗漏标志特征，然后应用地球化学、地球物理以及岩石物理学知识，识别相关地层序列（太古代变质基底岩石、富铁地层以及可能是氢气来源的超基性侵入体），提高在储层内和密闭盖层下方发现大型天然氢资源的机会。在澳大利亚的南尼克尔森盆地勘探中，研究者通过分析重力、磁异常以及深部地震资料，并结合大地电磁数据，成功绘制地壳构造图，识别出了生氢潜力最大的区域。然而，鉴于天然氢成因的多样性以及对地壳中氢运移与聚集过程认识的不足，需结合多样化的技术手段，并根据矿藏特征综合考虑影响因素，制定高效可行的天然氢勘探策略。

表2 天然氢勘探技术及应用场景统计表

目前，天然氢勘探技术面临诸多挑战：①勘探技术尚不成熟，需进一步加强研发和现场测试来提升勘探的准确性与效率；②评估天然氢资源的分布和量级存在不确定性，当前研究缺乏对地壳中氢气运移规律与聚集过程的认识；③天然氢的勘探与开发需要巨额资金和相应政策支持，但目前尚不完善；④未来，天然氢勘探过程研究需要跨学科合作、政策支持、技术创新以及国际间的协调合作。

2、氢氦地质资源“兼探共采”

氦气是一种关键的地质资源，其资源分布相对集中，中国氦气的对外依存度高，对高科技产业发展具有潜在制约作用。近年来，氦气价格随着国际形势变化快速上涨，全球氦气供应整体呈逐年下降趋势，导致氦气价格维持较高水平。氦气来源主要包括大气源氦、壳源氦以及地幔中的原始氦。天然氢可能与氦气共存于相同的地质环境中，其共存机理包括相同的来源如深部脱气或在运移过程中的混合。值得注意的是，氦气在地质环境中通常不能单独运移，这是因为氦气分子小且具化学惰性，需要氢气、烃类气体、氮气以及二氧化碳等作为载气来帮助其在地层中迁移，氢气与氦气共存为兼探共采理论提供了基础。近年来，国外研究加强了对兼探共采的认识。美国地质调查局通过Mendenhall博士后奖学金计划，推动氢气与惰性气体相关性研究，以对美国氢氦地质资源进行更有效的勘探开发。澳大利亚Gold Hydrogen公司在约克半岛的Ramsay1与Ramsay 2井钻探中，初步评估氢气与氦气远景资源量分别为1.31×10⁶t、11.61×10⁷m³。此外，HyTerra公司在美国堪萨斯州的Nemaha项目中，评估氢气与氦气远景资源量分别为28.4×10⁸m³、0.13×10⁸m³。以上项目均证明了氢氦地质资源“兼探共采”的巨大潜力。政策支持与国际合作在推动氢氦地质资源“兼探共采”中发挥着关键作用。中国气体协会组织编制了T/CCGA90005—2024《氦气储量及资源评价技术标准》等标准，以规范氦气资源的勘查与评价。

3、天然氢开采与集输

随着越来越多的天然氢矿藏被勘探发现，天然氢开采技术也快速发展。当前天然氢开采可参照天然气开采技术，并针对氢气性质加以调整和改进。在开采阶段，初步勘探确认潜在储层后，使用钻机穿透岩层，利用套管进一步钻探。由于氢气有可能与氧气形成易燃和爆炸性混合气体，开采过程中需谨慎操作。钻探完成后，对天然氢进行采气并输送至陆地氢气储运设施或管道。目前，美国、澳大利亚、西班牙等国家的多家企业已经开始布局天然氢的商业开采。美国HyTerra公司在堪萨斯州与内布拉斯加州的天然氢项目已进入前期开发阶段。加拿大Petroma公司在马里地区完成多个天然氢勘探井，并建立了发电厂，成功实现天然氢的商业开采利用。然而，高浓度天然氢矿藏的寻找、各国管理法规的配套、开采技术及成本仍是实现商业化开采的主要关注点。

天然氢集输可采用多种方式，考虑到天然氢与天然气性质差异较大，需对其相关设备及流程进行适配。天然氢中还包含其他气体，采出后需进行初分离处理，然后集输至联合站对天然氢进行提纯，再利用管道、长管拖车等方式进行输送。在多数情况下，天然氢中含有氮气、甲烷、二氧化碳、水分等杂质。目前，氢气分离提纯主要方法有变压吸附、膜分离、深冷分离等（表3）。变压吸附方法的氢气分离纯氢高，但对低浓度天然氢的提纯效率较低；膜分离方法对原料气中氢浓度要求较低但分离纯度低，适合低浓度天然氢的粗分离；深冷分离方法对于氢气的回收率高、但能耗较大；金属氢化物纯化方法得到的氢气纯度高，但对原料气杂质组成的要求也较高。鉴于天然氢的组成、气井产量、氢浓度等的差异，单一分离提纯技术往往无法满足需求，可采用不同的氢气分离技术耦合互补。目前，膜分离与变压吸附的耦合工艺因其高效性与经济性而最为成熟，首先通过膜分离对氢气进行预浓缩，然后利用变压吸附进行提纯。此外，有学者采用可控相变方法优化天然氢提纯工艺。Zhang等通过相平衡计算方法实现对天然氢混合物在不同环境条件下准确、快速地相平衡预测，为天然氢的高效提纯与安全集输提供了科学依据。通过可控的相变过程，例如通过精细调控压力与温度，有效从天然氢中分离杂质，提高氢气纯度。研究还考虑了在天然氢储层模拟、储运过程中毛细管效应对相平衡状态的影响。未来可进一步研究耦合分离工艺，提高分离效率、降低成本，在现有工艺的基础上为天然氢集输提供更加高效、经济的方案。站场处理完成后，可采用不同的输送方式将氢气输送至用户端。

表3 氢气分离工艺技术对比表

综上，天然氢开采与集输正处于发展阶段，仍需在矿开采技术、集输工艺等方面加强研究。未来相关研究应结合碳捕集技术，并提高天然氢资源的可持续性。

4、天然氢与地下储氢

地下储氢（Underground Hydrogen Storage，UHS）是指在地质构造中人为储存氢气，如利用盐岩洞穴、含水层、废弃油气田或硬质岩石洞室等。天然氢矿藏的勘探经验可为地下储氢提供地质学上的理论支持，辅助业界深入理解地质构造与氢气运移规律（表4）。同时，地下储氢技术的发展也可为天然氢的勘探开发提供更有效的方案。两者的协同研究不仅能推动技术发展，还能相互验证。例如，适宜天然氢形成的地质环境也可能适用于地下储氢。现有研究表明，当天然氢作为伴生气与其他气体共存时，传统的盖层具备对天然氢的封盖能力。因此，在一些油气井中可检测到天然氢的存在，但在天然氢含量较高的情况下，对盖层的密封要求将更严格。研究天然氢矿藏地质构造的密封机制和氢气-地质体的相互作用，可为地下储氢的地质选址提供科学依据。产甲烷菌、硫酸盐还原菌、乙酸细菌等耗氢微生物，可作为识别潜在地下储氢地层与天然氢矿藏的生物标志。同时，考虑到氢气性质，天然氢的勘探开发及地下储氢要求采用更高级别的密封技术与抗氢材料，传统石油与天然气产业的密封和管材技术可能不完全适用于天然氢的勘探开发，需有针对性地加以改进。

表4 UHS与天然氢勘探开发对比表

四、天然氢典型工程实例

目前很多国家都在布局天然氢，全球天然氢资源勘探开发进入快速发展阶段。据不完全统计，美国、加拿大、巴西、哥伦比亚、玻利维亚、法国、西班牙、俄罗斯、中国、阿曼、澳大利亚、马里、摩洛哥等国家已参与天然氢的勘探开发，而澳大利亚钻获高纯度天然氢进一步坚定了各国探索天然氢的决心。

1、马里

马里的天然氢发现与开发历程始于1987年，在布拉凯布古地区钻探水井时意外发生爆炸，事后检测水井中的泄漏气体，发现气体中含有纯度高达98%的氢气。但由于当时技术与认知的限制，该井（1987井）被封存。2011年，加拿大Petroma公司通过钻探确认了这一发现，并于2012年实现了商业化开采与小型发电，标志着全球首次对天然氢资源的商业化利用。此后，该公司在1987井周围进行了一系列勘探，通过观察地表特征发现了位于布拉凯布古地区的“仙女圈”，并测量了这些地表结构的氢泄漏。2017—2018年，对距地表1m深的土壤进行氢气检测，发现布拉凯布古地区直径超8km范围地区内均有较高含量的氢。Prinzhofer等调研证实了在主要由辉石组成的古老克拉通基底上，至少存在5个含有大量氢气的堆叠储层区间，并提出其开采成本可能比工业制氢成本更低。2023年，Maiga等[评估了布拉凯布古地区天然氢储层的自发生氢特性与资源潜力，并将天然氢储层系统与经典油气储层系统进行对比，发现天然氢储层是一个动态系统，在生产时间尺度上会逐渐有富氢气体补入。目前该区域已累计完钻24口井，共发现5个氢气储层，通过井口采集天然氢作为燃料为附近村落供电，证明天然氢在自然状态下可产生足够规模且绿色供电。马里布拉凯布古地区的天然氢井首次展示了直接从地下钻探与采收天然氢的潜力。

2、澳大利亚

1931年，澳大利亚约克半岛Ramsay Oil Bore 1井中意外发现高浓度氢气，但当时并未引起重视。随着天然氢备受重视，澳大利亚于2021年成立GoldHydrogen公司，并获得南澳大利亚州能源和矿产部颁发的勘探许可证。该公司对约克半岛进行勘探，发现该地区存在大量铁矿床与铀矿床，这些地质条件为蛇纹石化与水辐解生氢创造了有利条件。地质分析发现，新元古代与更古老地质年代形成的花岗岩套和变质沉积岩可能是该区域天然氢生成的关键源岩。在约克半岛的拉姆齐项目中，Gold Hydrogen公司在2023年10月、12月先后完钻的Ramsay 1、Ramsay 2天然氢钻探井中取得显著成果，特别是在Ramsay 1井240m深处发现了浓度高达73.3%的天然氢，以及在钻探深度1005m处发现有利于天然氢运移的裂隙系统。2024年4月，Gold Hydrogen公司完成Ramsay 2井的进一步试井，证实了7个层位存在天然氢，特别在531m深处测得氢气体积分数高达95.8%，并发现了有利于商业化开发的高渗透性白云岩与灰岩地层。Gold Hydrogen公司计划对这两口钻探井的不同井段开展产气测试，通过监测产气量、分析产出气体组分，进一步识别优先产气层位、评估产能。

2021年，澳大利亚地球科学组织对超过1000个天然氢样本进行氢含量检测分析，评估了地下水辐射及蛇纹石化过程中产生的天然氢总量。估算结果显示，在地下1000m深的区域中，天然氢储量可达1.6×10⁶~58×10⁶m³/a，为天然氢资源的商业潜力评估提供了初步证据。澳大利亚联邦科学与工业研究组织作为负责天然氢资源领域研究、项目资助及国际合作的主要政府机构，设立天然氢长期监测、勘查开发、地下储氢、经济技术评价等十余个项目。南澳大利亚州政府于2021年2月将天然氢作为“受监管物质”纳入《石油与地热能法案》，为天然氢勘查许可审批提供了法律依据，展现了澳大利亚在天然氢资源开发方面的积极态度。

3、美国

1982年，CFA（CFA Petroleum Company）石油公司在北美裂谷系统钻探斯科特井时意外发现体积分数约50%的氢气，此发现具里程碑意义。1987年，该地区油井的氢含量仍可达30%以上。2013年，Natural Hydrogen Energy LLC公司的成立，标志着美国开始专门从事天然氢勘探的商业活动。2015年，该公司在美国多个地区发现大量氢气逸出点，估计天然氢日产量可达数吨。2019年底，该公司在堪萨斯州成功钻出第一口天然氢井，氢含量高达91%。2023年，该公司在堪萨斯州与内布拉斯加州的两个天然氢项目进入前期开发阶段。

2021年，美国石油地质学家协会成立首个天然氢委员会，推动该领域的研究与合作。2023年，美国地质调查局与科罗拉多矿业学院联合启动一个工业项目，与英国石油公司、雪佛龙等大型石油公司合作，研究天然氢的资源潜力并攻关天然氢勘探技术。美国地质调查局正在开发天然氢资源潜力预测模型与成藏系统模型，并计划发布全球天然氢资源潜力分布图。同时，美国能源部先进能源研究计划署投入2000×10⁴美元启动“天然氢”计划，旨在通过技术攻关，以最低的经济成本和环境影响从地质层中产氢。2024年，美国参议院举行天然氢听证会，进一步讨论和推动天然氢资源的发展。

4、法国

2020年1月，在法国布雷斯海盆西缘发现氢泄漏现象，同年7月，45-8能源公司在法国新阿基坦省的Pyrénées-Atlantiques地区发现明显的氢异常与可能的氢泄漏，证实了法国存在天然氢矿藏。该公司已在欧洲确定多个天然氢潜力巨大的区域，并申请了勘探许可证。2020年，法国研究人员在比利牛斯山脉西麓进行一次天然氢调查，确定了莫莱昂盆地北部沿线几个天然氢含量较高的关键区域。法国作为最早开始天然氢勘查开发研究的国家之一，2022年4月在法律上正式确认天然氢为一种能源资源并开放勘探许可证申请。2023年7月，法国洛林矿盆地发现了高浓度天然氢，总储量预估高达4600×10⁴t，是欧洲迄今为止发现的最大潜在天然氢矿。2023年12月，法国总统马克龙提出纪念“法国2030”投资计划将提供大量资金支持天然氢研究。同年，法国政府批准了一项研究项目探索Pyrénées-Atlantiques地区的天然氢。2024年4月，法国石油研究院受法国能源与气候总局委托，开展法国天然氢资源潜力评估，法国政府计划投入约70×10⁸欧元支持清洁氢能项目（其中包括对天然氢的勘探开发），确保法国在氢技术创新和工业应用中的领先地位。

五、结论与建议

天然氢作为氢能领域的新发现，有望颠覆将氢视为能源载体的认知，加速氢能成为独立的能源品类，为全球能源转型提供新契机。目前，全球天然氢资源勘探开发已进入快速发展阶段，欧美及澳大利亚等国家持续投入并引导关于天然氢的商业勘探、开发及利用，并逐步推出相关的政策法规。中国对天然氢领域的认知尚处于初步阶段，并未实现商业化勘探、开发及利用，对其资源量和分布特征的全面评估不足。建议未来天然氢相关研究在以下方面加强：

1）在形成、运移及富集机理方面，深化对无机成因与有机成因的理解，进一步研究天然氢生成的详细过程与动力学，特别关注氢气在地下的运移机制、深层地下天然微生物在天然氢形成中的作用，研发天然氢探测技术和设备，揭示天然氢在自然界中富集的主控因素，并探究反应床的自然再生和刺激再生技术，以确保天然氢的可持续长期开采。

2）在勘探及潜力评估方面，建议加强遥感技术、地球化学分析、地球物理探测以及岩石物理学等方法的综合应用研究，提高天然氢勘探的准确性和效率。对已发现的天然氢资源进行全面资源评估与潜力分析，包括技术经济与生命周期评估，通过对现有天然氢相关地质资料、研究成果、开采样品等进行分析研究，制定相应的天然氢勘探指南。

3）在开采及地面工程方面，应进行详尽的地质评估以掌握储层特性，针对天然氢物理化学特性，改造钻探技术，进一步研究储层刺激技术以提高天然氢产量。在天然氢分离提纯过程中，不同天然氢矿藏需验证不同的分离技术获得高纯度氢气，并开展地面设施的优化研究，以满足天然氢的高效经济储运需求。未来应制定相关开采及集输工艺的标准规范，出台相应的法律法规以及政策支持。

4）在可协同技术和政策法规方面，应加快探索天然氢勘探开发技术氦资源开发技术、与地下储氢技术的协同效应，推动相关技术综合发展。建议政府部门引导天然氢产业发展，制定和实施相关政策法规，为系统性天然氢资源调查、评估以及商业公司实际勘探等方面提供良好的政策环境。