CC BY
11СЕКЦИЯ 1. ПРОГНОЗ, ПОИСК, РАЗВЕДКА, ДОБЫЧА, ГЛУБОКАЯ ПЕРЕРАБОТКА И ТРАНСПОРТИРОВКА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
УДК 661.961.9
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-14-17
ПРИРОДНЫЙ ВОДОРОД КАК ПОЛЕЗНОЕ ИСКОПАЕМОЕ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ В РОССИИ
Абукова Л.А. Институт проблем нефти и газа РАН, г. Москва E-mail: abukova@ipng.ru
Аннотация. Работа посвящена проблемам прогнозирования скоплений природного водорода в земных недрах и готовности геологоразведочной службы страны к поиску, разведке и разработке скоплений водорода в недрах Земли. Подчеркивается необходимость безотлагательному проведению работ по научному обоснованию методических подходов к поиску водорода в различных геолого-тектонических условиях. На основе существующих представлений об онтогенезе этого ценного газа предлагается организация научно-технологических полигонов для разработки и апробации методов прогнозирования зон аккумуляции природного водорода.
Ключевые слова: природный водород, серпентинизация, радиолиз, Онежский и Астраханский научно-технологические полигоны.
Обоснование постановки исследований. Среди ведущих тенденций современного технологического уклада важное место занимает востребованность в новых видах энергетического сырья, поэтому использование водорода (Н2) как экологически чистого энергоносителя признается на официальном уровне многими странами, в том числе и Россией. Параллельно с развитием технологий получения водорода из углеводородов и воды нарастает интерес к поискам природного водорода (ПрВ), использование которого не сопровождается выбросом в атмосферу диоксида углерода.
У водорода, генерированного в литосфере, особая позиция, и его уникальность проявлена во многом. Хорошо известно, что Н2 является самым распространенным химическим элементом во Вселенной и важной геохимической составляющей ядра Земли. В силу своей малой массы он с легкостью диффундирует практически через все препятствия геологической природы и больших объемах улетучивается в атмосферу. Известны два способа генерации Н2 в литосфере: за счет минерального синтеза и гидролиза органических веществ при участии син-трофных бактерий. Двойственность проявляется и в физико-химической природе: водород выполняет роль и восстановителя (отдавая электрон), и окислителя (принимая электрон). Двойственны его функции и в энергоструктуре планеты: водород признается первичным энергоресурсом (и в этом качестве относится к невозобновляемым полезным ископаемым ископаемым), а также вторичным (технически произведенным, возобновляемым) энергоносителем. В силу названных особенностей геохимические функции водорода многообразны и не всегда опознаются в геологической среде. И, наконец, следующая деталь: использование водорода как газ-носителя при проведении газовой хроматографии на ранних этапах использования метода, утвердило ошибочное мнение о его мизерности в земных недрах [1].
Последние 10-15 лет в связи с усовершенствованием методики храмотографического анализа газов, появлением принципиально новых инструментальных возможностей изучения вулканических газовых эманаций [2], развитием исследований по участию водорода в гидро-генезации продуктов катагенетических преобразований органических веществ в углеводороды нефтяного ряда [3], геомеханических трансформаций водородосодержаших породных ассоциаций, масштабы водородообразования оцениваются существенно выше.
Таким образом, востребованность в водороде как энергоресурсе и энергоносителе возникла и стала с ускорением нарастать в условиях недостаточно разработанной теоретической базы поисков и разведки водорода. Такое положение может привести к тому, отрицательные результаты поисковых работ на природный водород на многие годы, а то десятилетия затормозят процесс использования этого газа как полезного ископаемого.
Беспокойство на этот счет небеспричинно: при наличии многих сотен водородных истечений в морских и континентальных обстановках планеты не найдено ни единого промыш-ленно ценного месторождения чистого водорода [1]. Ставший хрестоматийным пример с получением устойчивого притока водорода в течение 12 лет в Мали может быть истолкован двояко. С одной стороны, обнаруженные очаговые скопления водорода под местными долерито-выми покровами небольшой толщины способны снабдить электричеством лишь небольшой поселок [4], но с другой стороны, малийский геологический феномен обрел статус «точки отсчета» эры использования водорода в качестве полезного ископаемого. «Водородный» бум проявляется небывалым разворотом работ по поиску ПрВ, особенную активность он получил в Австралии, Китей, США, Испании, Великобритании и др. [5]. В области научных изысканий повышение интереса к водороду косвенно подтверждается резким ростом объема публикаций по теме «природный водород», но в них методические вопросы его поисков и разведки практически не освещаются.
В июле 2024 г. в России принято решение о признании водорода полезным ископаемым. В этой связи задача обоснования концепции поисков природного водорода крайне актуальна. Цель настоящей работы - формулировка авторских представлений об основных (ключевых) вопросах, которые должны составить суть научного обоснования методики прогнозирования промышленно значимых залежей Н2.
Предложения по развитию поисковой концепции природного водорода:
1. Установленные к настоящему времени теоретические положения, ранее разработанные рядом зарубежных и российских ученых сводятся к следующему: (1) определены основные генетические источники водорода - абиогенный синтез (преимущественно серпентиниза-ция ультраосновных пород), радиолиз, микробиологическая генерация водорода из органических источников»»; (2) обоснованы наиболее благоприятные факторы аккумуляции - надежное экранирование мощными соленосными толщами и/или трапповыми интрузиями в условиях гидродинамической изоляции; (3) установлено отсутствие корреляции между содержанием водорода и метана для газов глубинного происхождения и строгая обратная корреляция для метана и водорода биохимического генезиса; (4) доказана генетическая связь абиогенного водорода и гелия; (5) экспериментально подтверждена способность водорода любого происхождения вступать в реакции метаногенеза гидрогенезации органических веществ, взаимодействия с галогенами (преимущественно с серой и образованием сероводорода).
2. На основание накопленного знания обозначены контуры поисковой водородной концепции. При обосновании земель, перспективных на наличие крупных скоплений ПрВ, следует ориентироваться на принадлежность территории к структурным элементам земной коры, приуроченным к границам литосферных плит разного типа - дивергентным (рифты срединно-океанических хребтов и межконтинентальных рифтов) и конвергентным (островные и окра-ино-континентальные вулкано-плутонические пояса), а также территориям древних платформ в зонах их контакта со складчатыми сооружениями [1, 5].
Для масштабной аккумуляции ПрВ благоприятен нижний гидродинамический этаж, расположенный под доминантным флюидоупором, который делит земную кору на два гидродинамических этажа: верхний с регионально выдержанными дренажными слоями и нижний -квазизакрытый. Гидродинамически замкнутые резервуары последнего характеризуются улучшенными емкостно-фильтрационными свойствами [6].
Формированию крупных зон локализации природного водорода могут способствовать гидрогеологические и микробиологические факторы: высокая минерализация и хлоридно-кальциевый состав пластовых вод с низким содержанием органических кислот; активность
метанотрофных и сульфатредуцирующих бактерий, использующих водород в качестве питательной среды [7].
Аргументируется необходимость концентрации поисков водорода на больших глубинах [6, 8, 9].
Наиболее благоприятные типами ловушек являются терригенные без сульфатных примесей - в плитном и доплитном комплексах, гранитные протрузии - в складчатом и доплитном комплексах и фундаменте.
Методические основы поиска водорода следует формировать с учетом опыта поиска крупных и уникальных месторождений углеводородов в глубоких горизонтах нефтегазоносных провинций в пределах гидродинамически квазизакрытых углеводородных систем без выдержанных дренажных слоев [6]. Для уточнения сопутствующих водородонакоплению геохимических, микробиологических и геомеханических процессов целесообразно использование опыта эксплуатации подземных хранилищ водорода и водород-метановых смесей в геологических структурах.
В условиях высокой степени неопределенности поиска промышленно значимых скоплений водорода необходимо его рассматривать как составляющую минерально-энергетического потенциала больших глубин земных недр, т. е. оценивать возможность комплексного извлечения: углеводородных ресурсов, промышленно ценных компонентов пластовых вод, ресурсов жидких руд, геотермального потенциала недр.
3. Организация научно-технологических полигонов (НТП) - первоочередная мера по обоснование методов поисков ПрВ в различных геолого-тектонических регионах. Основные научно-методические вопросы, которые важно обосновать на базе НТП впервые сформулированы в работе [10]; с некоторыми дополнениями они сводятся к следующему: (1) обоснование понятий «месторождение водорода», «категории запасов и ресурсов водорода», (2) критерии и способы оконтуривания скоплений природного водорода, оценка их запасов (ресурсов), (3) классификация природных газов по содержанию водорода, (4) кондиции по содержанию водорода в газовых смесях для разных глубин размещения потенциальной ловушки, (5) уровни ранжирования скоплений ПрВ по величине их запасов и глубине размещения, (6) целесообразность учета при оценке ресурсов объемов сорбированного и водорастворенного водорода, (7) различия в механизмах водородонакопления в закрытых и открытых гидродинамических системах.
В качестве объектов размещения научных полигонов предлагаются:
(а) Онежский НТП - в районе скважины Онежской параметрической (гл. 3537 м) скважины, вскрывшей доминантный флюидоупор на глубине 2944 м, который представлен в основном галитом [11]. Онежская структура проявляет аналогию с геологическим строением во-дородоносного объекта Буракебугу (Мали).
(б) Якутский НТП - в районе скв. 42 (кимберлитовая трубка «Удачная»), в которой дебит водорода достигал 100 тыс. м3 /сут. На этом полигоне весьма ценным станет проведение мониторинговых исследований по стабильности дебитов водорода, поступающих в (при)поверх-ностные условия в зонах активной водородной дегазации [12].
(в) Астраханский НТП - в районе скв. Д2, для оценки гипотезы о принадлежности крупных залежей водорода к глубокопогруженным резервуарам.
Заключение. Из-за высоких геологических рисков, обусловленных слабой геологической изученностью процессов генерации и аккумуляции ПрВ, в настоящее время доступны лишь предварительные изыскания, уточняющие особенности локализации водорода в геологической среде. Любые планы по постановке поисковых работ на водород на сегодняшний день следует считать преждевременными.
Наиболее оптимальное (с научных и практических позиций) решение первоначальных решений по поиску водорода - разработка методов освоения ресурсов ПрВ совместно с решением задач прогнозирования нефтегазоносности, обогащенностью газа гелием, оценкой возможностей извлечения из природных вод промышленно ценных компонентов. Такой подход
снизит геологические и экономические риски проведения поисковых работ, в наибольшей
мере соответствует требованиям экологизации геологического производства, обеспечит
научно-практическую основу концепции комплексного освоения энергетический и минеральных ресурсов глубоких горизонтов литосферы, что является задачей государственного уровня.
Работа написана по результатам работ, выполненных по государственному заданию ИПНГ РАН № 122022800276-2 (FMME-2022-0007).
Список литературы
1. Zgonnik V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen: Acomprehensive review // Earth-Science Reviews. 2020. 203. P. 103-140. DOI: 10.1016/j.earscirev.2020.103140
2. Shinohara H. Volatile flux from subduction zone volcanoes: Insights from a detailed evaluation of the fluxes from volcanoes in Japan // J. of Volc. Geoth.l Res. 2013. Vol. 268. P. 46-63.
3. Молчанов В.И. Генерация водорода в литогенезе. Новосибирск: Наука, 1981. 142 с.
4. Prinzhofer A., Cisse CS. T., Diallo A.B. Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali) // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43(42). P. 19315-19326.
5. Moretti I. Brouilly,E., Loiseau K., Prinzhofer A., Deville E..Hydrogen Emanations in Intracra-tonic Areas: New Guide Lines for Early Exploration Basin Screening // Geosciences. 2021.Vol. 11. № 3. DOI: 10.3390/geosciences11030145
6. Волож Ю.А., Абукова Л.А. Формирование месторождений формирование месторождений нефти и газа в глубокопогруженных углеводородных системах: на пути к универсальной поисковой концепции // Геотектоника. 2022. № 5. С. 27-49.
7. 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. V. 15. 9945. DOI: 10.3390/su15139945
8. Aimikhe V., Eyankware O.E. Recent Advances in White Hydrogen Exploration and Production: A Mini Review // J. Energy Res. Rev. 2023. V. 13, № 4. P. 64-79.
9. Lin L.H., Slater G.F., Sherwood Lollar B., Lacrampe-Couloume G., Onstott T.C. The yield and isotopic composition of radiolytic H2, a potential energy source for the deep subsurface biosphere // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2005. V. 69(4). P. 893-903. DOI: 10.1016/j.gca.200 4.07.032
10. Филиппова Д.С. Водород в геологической среде: особенности генерации и аккумуляции // SOCAR Proceedings. 2023. № S2. С. 6-13.
11. Онежская палеопротерозойская структура (геология, тектоника, глубинное строение и минерагения) / Отв. ред. Л.В. Глушанин, Н.В. Шаров, В.В. Щипцов. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 431 с.
12. Ларин В.Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М. Недра, 1975. 100 с.
