CC BY
05. Камешков А.В., Гайле А.А. Получение дизельных топлив с улучшенными низкотемпературными свойствами (обзор) // Известия СПбГТИ(ТУ). 2015. № 29 (55). С. 49-60. DOI: 10.15217/issn998984-9.2015.29.49
6. Гилева М.В., Кулакова Н.А., Рябов В.Г. Применение депрессорно-диспергирующей присадки при получении дизельного топлива для арктического климата // Вестник пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. 2015. № 4. С.147-160.
7. Кузьмин К.А., Сышляева К.И., Рудко В.А., Пягай И.Н. Депрессорные присадки к нефтяным топливам // Нефтепереработка и нефтехимия. 2021. № 12. С. 3-10.
УДК 661.961.9
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-114-117
НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОДОРОДНЫЕ ПОЛИГОНЫ: ПЕРВООЧЕРЕДНЫЕ ЗАДАЧИ И ОБЪЕКТЫ
Филиппова Д.С. Институт проблем нефти и газа РАН, г. Москва E-mail: filippovads@ipng.ru
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы организации сети научно-технологических водородных полигонов. Предлагается на их базе выполнить необходимый объем исследований, уточняющий закономерности размещения локальных скоплений ископаемого водорода. Определены задачи теоретического и методического характера, которые необходимо выполнить для обоснования регламента геолого-разведочных работ на водород. Выбраны отдельные объекты, на которых целесообразно разместить научно-технологические полигоны.
Ключевые слова: декарбонизация, водород земных недр, полезное ископаемое, научно-технологические полигоны, промышленно-ценные пластовые воды.
Актуальность исследования. Рост объемов промышленного производства в индустриально развитых странах требует надежного и бесперебойного обеспечения агро-промышлен-ных предприятий эффективными видами энергии. Приоритет (по объему и цене) жидких и газообразных углеводородов в обеспечении энергоемких сфер производства не оспаривается. Ископаемые углеводороды надолго сохранят свое ведущее положение в энергообеспечении и нашей стране. Однако это не исключает использование в промышленных масштабах водорода, произведенного технически и добытого из земных недр. Взаимодополняемость ископаемых и возобновляемых видов энергетического сырья становится мировым трендом и фактором экологизации промышленного производства в связи с тем, что максимальные выбросы парниковых газов производят такие индустриально развитые страны, как Россия, Китай, Канада, Германия, Япония и др.
Водородная энергетика сделала в последние два десятилетия огромный рывок. В нашей стране в 2023 г. водород введен в реестр полезных ископаемых, однако при этом нормативно-правовая база ведения поисков и разведки ископаемого водорода отсутствует, не созданы (и не приняты) производственные регламенты соответствующих работ
Сложившееся положение налагает на научные геологические организации России задачу скорейшего научного обоснования направлений поисков и разведки природного водорода и выбор на этой основе первоочередных объектов исследований. С учетом крайне низкой изученности водорода как газа, генерируемого в геологической среде, ближайшей научно-практической задачей является обоснование предложений по организации научно-технологических водородных полигонов, задачей которых станет детализация научных представлений об онтогенезе ископаемого водорода, апробация на этой основе методических решений по поиску, разведке и разработке принципиально нового для России вида полезного ископаемого.
Цель исследования. Обоснование предложений по принципам размещения и основным задачам научно-технологических водородных полигонов с позиций рационального вовлечения в промышленный оборот энергетических ресурсов страны. Учитывая стартовый характер
работ, сформулированные предложения можно рассматривать как частичное решение этой сложной междисциплинарной задачи.
Предшествующий уровень исследования газообразных горючих полезных ископаемых. До настоящего времени к газообразным горючим полезным ископаемым относился только природный газ преимущественно метанового состава. Включение водорода в Общероссийский классификатор полезных ископаемых ставит много вопросов, среди них: (1) генетическая общность (отличия) газов; (2) количественные соотношения метана (СН4) и водорода (Н2), генерируемых в различных геолого-тектонических условиях и различных глубинах; (3) геохимическая и микробиологическая взаимообусловленность метана и водорода; (4) условия локализации в геологической среде; (5) преимущества и проблемы, обусловленные совместным использованием и хранением этих газов.
Каждый из этих вопросов в разные годы и с различной степенью детальности представлен в работах многих специалистов (Л.А. Абукова, О.Е. Аксютин, К.С. Басниев, Г.Г. Булатов, Г.И. Войтов, В.П. Исаев, В.Н. Ларин, С.П. Левшунова, В.Н. Молчанов, О.К. Навроцкий, Б.С. Соколов, В.Л. Сывороткин, С.А. Хан и многие другие ученые). В дополнение к этим разработкам предложения по размещению научно-технологических полигонов как возможных в перспективе реальных объектов добычи природного водорода будут полезны в научном и практическом планах.
Теоретическое обоснование задач и принципов размещения научно-технологических водородных полигонов. Можно с уверенностью сказать, что ни по одному из перечисленных выше вопросов единого мнения не сложено, тем не менее, некоторые вопросы можно считать изученными достаточно детально. На основании накопленного знания можно считать доверительными научные положения, изложенные ниже.
(О В настоящее время в связи с детализацией знаний о геологической роли водорода в литогенезе производится переоценка масштабов генерации водорода в сторону увеличения, и, по-видимому, нынешние оценки не конечны, поскольку водород, образованный в результате микробиологической переработки органического материала и радиолиза глубинных вод, практически не учтен.
(и) Основной вклад в водородообразование вносят процессы серпентинизации ультраосновных пород. Классическим примером служит реакция взаимодействия оливина с водой [1]:
6[^1^0.5^Ю4] +7ШО ^ 3[MgзSi2O5(OH)4]+12SiO2+FeзO4++H2t
оливин серпентин магнетит
Значимыми генерационными источниками водорода являются процессы радиолиза [2,3] и биохимической переработки органического материала осадочного чехла [4]
(III) Практически отсутствуют примеры совместного проявления высоких значений водорода и метана в газах различного происхождения, не выявлена какая-либо зависимость в концентрациях водорода и метана из глубинных газовых источников; установлена обратная корреляционная зависимость в содержании метана и водорода в газах корового генезиса [5]. Вероятно, это свидетельствует о разобщении природных объектов локализации водорода и метана, что важно для целей настоящей работы, постольку актуализирует принцип дополнительности в альтернативном обеспечении энергетическими источниками различных регионов, в том числе на сегодняшний день энергодефицитных.
(IV) Есть косвенные доказательства весьма существенных трат природного водорода на жизнеобеспечение микробиологических сообществ [6]. Наши исследования показали скоротечность подобных процессов [7].
(V) Опыт хранения водород-метановых смесей в подземных резервуарах свидетельствует о том, что искусственное хранение и природная сохранность обеспечивается только в условиях наличия мощных и надежных по изоляционным свойствам покрышек, к каким относятся соленосные и долеритовые покровы [8].
(VI) Применительно к глубокопогруженным территориям, учитывая недостаточно основательную научно-методическую базу оценки перспектив территорий на водород, целесообразно совместить прогноз зон локализации водорода и возможность извлечения пластовых вод, обогащенных промышленно ценными компонентами [9].
Практические предложения по размещению первоочередных научно-технологических водородных полигонов (НТВП). Основным критерием выбора первоочередных объектов под НТВП стала потенциальная возможность обнаружения в их пределах ископаемого водорода, углеводородов, гелия и пластовых вод с высоким содержанием промышленно ценных компонентов (отдельно или в совмещении друг с другом). Также учитывалось положение региона относительно потребителей этих минерально-энергетических ресурсов как внутри страны, та и за ее пределами. Третье условие - поиск территорий под полигоны преимущественно в пределах древних платформ, поскольку именно на них сосредоточено большинство из (случайно) обнаруженных приповерхностных истечений водорода. Четвертое условие -учет возможности в случае обнаружения промышленно значимых скоплений водорода обеспечить производство работ по добыче и хранению с помощью инфраструктуры создаваемых в стране промышленных водородных кластеров.
На начальных этапах этого пути актуально решение таких задач, как (1) выявление основных механизмов локализации водорода, обеспечивающих устойчивый во времени и значимый по объемам приток водорода из земных недр; (2) обоснование доступных геологических критериев поисков подземной локализации водорода на технически доступных глубинах; (3) сопоставительный анализ условий генерации и аккумуляции с другими видами газовых полезных ископаемых (метан, гелий); (4) оценка технической доступности извлечения водорода в объемах, значимых для промышленного использования и безопасных для экологического равновесия геологической среды Земли; (5) обоснование методологии сопряженной оценки углеводородного и водородного потенциала недр как основы равномерного обеспечения энергетическими ресурсами объектов промышленного и сельскохозяйственного назначения в Российской Федерации.
Для двух древних платформ России - Восточно-Европейской и Сибирской - выбраны геологические объекты, которые соответствуют перечисленным выше критериям, отдельным из них ниже дана краткая характеристика.
На Балтийском щите (северо-запад Восточно-Европейской платформы) размещение полигонов возможно на Печенгском, Хибинском Левозерском массивах. Строение Печенгского массива охарактеризовано Кольской сверхглубокой скважиной. Этот объект характеризуется повышенным содержанием водорода и метана в газах, распространением полиметаллических водных растворов. В непосредственной близости обнаружена древняя нефть на острове Рыбачий. Состав газов Хибинского и Левозерского массива изучен достаточно полно. Выполненные исследования [10] дают весьма ценный материал для оценки возможности промышленного извлечения водорода из магматических комплексов Кольского полуострова без значительных затрат и в короткое время.
В пределах Восточно-Европейской платформы расположена Московская синеклиза, в границах которой интерес представляют Рыбинский и Данилово-Любимский выступы. В границах Рыбинско-Сухонской зоны инверсионных поднятий на Даниловской площади были получены небольшие притоки нефти и газа из базальных песчаников редкинской свиты венда, а на Рыбинской площади из отложений среднего кембрия выделялся растворенный в воде метановый газ. В других скважинах (Любим, Шарья и др.) породы девона были представлены известняками и доломитами, пропитанными нефтью [11]. Водорастворенные газы в пределах Рубинско-Суходонской зоны поднятий содержат повышенные концентрации водорастворен-ного водорода (до 20 %). Кроме того, многокомпонентные рассолы среднекембрийско-ордо-викского и среднедевонского водоносных комплексов с промышленным содержанием брома и микроэлементов представляют интерес для промышленного освоения [12].
В пределах Восточно-Сибирской нефтегазоносной провинции также проведены детальные исследования по прогнозу наиболее перспектвных объектов для поиска водорода. Одним из них является расположенная в пределах Байкальской рифтовой системы Тункинская впадина, которая была признана перспективной на водород еще в 80-х годах [12]. Также отмечено, что в скважине 1 -г концентрации брома, стронция, лития, рубидия превышены относительно соседних скважин от 4 до 8 раз.
Заключение. Современные вызовы рационального природопользования и энергообеспечения индустриального производства требуют сбалансированного использования различных природных энергетических ресурсов, одним из которых является водород. Триада свойств водорода - экологичность, технологичность и вторичность как энергетического носителя -определяет его особое место в глобальной энергетической системе.
Требования экологического характера по получению водорода, лишенного углеродного следа, ставят задачу вовлечения в хозяйственный оборот так называемого природного водорода (natural / native / geological / white hydrogen) и, как следствие инициируют вопрос о признании водорода как одного из природных геологических образований, использование которых техническим доступно и экономически оправдано. Подобное решение требует развития надежной доказательной базы ресурсов механизмов формирования месторождений, методики оценки их геологических запасов с учетом оптимальных систем извлечения.
Работа написана по результатам работ, выполненных по государственному заданию ИПНГ РАН № 122022800276-2 (FMME-2022-0007).
Список литературы
1. Левшунова С.П. Водород и его биохимическая роль в образовании углеводородных газов в осадочных породах земной коры // Диссер. д-ра геол.-минер. наук, Москва, 1994, 225 с.
2. Сметанников А.Ф. Об образовании водорода при радиолизе кристаллизационной воды карналлита и возможные следствия этого явления. Геохимия, 2011 № 9, с. 971-980
3. Wenqing Wang, Chiyang Liu, Wenhui Liu, Dongdong Zhang. Factors influencing hydrogen yield in water radiolysis and implications for рydrocarbon generation: a review // Arabian Journal of Geosciences. Saudi 2018. 11(18).
4. Молчанов В.И. Генерация водорода в литогенезе. Новосибирск: Наука, 1981. 142 с.
5. Исаев В.П. Термодинамические аспекты геохимии природных газов. Часть 2 // Издательство Иркутского университета. Иркутск. 1991. 192 с.
6. Баженова О.К., Леин А.Ю., Арефьев О.А., Пересыпкин В.И. Новые доказательства биогенной природы углеводородов в гидротермальных сульфидных рудах Рейнбоу (Сре-динно-Атлантический хребет) // Доклады Академии наук. 2001. Т. 378. № 3. С. 379-382.
7. Филиппова Д.С. Водород в геологической среде: особенности генерации и аккумуляции // SOCAR Proceedings. 2023. Special Issue № 2. С. 079-013.
S. Nazina T.N., Abukova L.A., Tourova T.P., Babich T.L., Bidzhiev S.K., Loiko N.G., Filippova D.S., Safarova, E.A. Biodiversity and Potential Activity of Microorganisms in Underground Gas Storage Horizons // Sustainability. 2023. 15. 9945. https://doi.org/10.3390/su15139945.
9. Абукова Л.А., Волож Ю.А. Флюидодинамика глубокопогруженных зон нефтегазонакоп-ления осадочных бассейнов // Геология и геофизика. 2021. Т. 62. № 8. С. 1069-1080.
10. Нивин В.А. Газовые компоненты в магматических породах: геохимические, минераге-нические и экологические аспекты и следствия (на примере интрузивных комплексов Кольской провинции) // Диссер. д-ра геол.-минер. наук, Апатиты, 2013, 380
11. Максимов С.П., Горбачев И.Ф., Золотов А.Н. и др. Современная оценка перспектив нефтегазоносности Центральных районов европейской части СССР. - М., 1973. ВНИИО-ЭНГ. Сер. «Нефтегазовая геология и геофизика»
12. Якобсон Г.П. Палеогидрогеологические и современные гидрогеологические закономерности формирования и размещения нефтегазовых месторождений. Недра, Москва, 1973 г., 268 стр., УДК: 553.98:551.49 (021)
13. Ларин В.Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М. Недра. 1975. 100 с.
14. Кустов Ю.И. Подземные воды глубоких скважин нефтеразведочных площадей в Тункин-ской межгорной спадине на юго-западе Байкальского рифта // Совмеменная гидрогеология нефти и газа. Фундаментальные и прикладные вопросы. М.ГЕОС, 2010. С. 172-178.
