С.П. Левшунова (ВНИГНИ)

При выявлении эволюционно-геохимических условий генерации УВ главное внимание обычно уделяется геохимии углерода. Вместе с тем многие ученые – Г.П. Стадников (1937), Л.В. Хмелевская (1947), В.А. Соколов (1948, 1965), И.И. Нестеров (1968), В.И. Молчанов (1981), В.П. Исаев (1986, 1991, 1995) – придавали большое значение водороду внешних источников как одному из главных факторов процесса нефтегазообразования. При этом Г.П. Стадников и В.П. Исаев [1] рассматривают в основном глубинный водород. Согласно взглядам И.И. Нестерова главным источником водорода является само преобразование ОВ, в результате которого водород выделяется в свободное состояние. В.А. Соколов учитывает возможность и абиогенного синтеза УВ, предполагая при этом в качестве доминирующего радиационный механизм образования УВ.

Со второй половины 80-х гг. интерес к роли водорода внешних источников в процессе образования УВ возрастает со стороны зарубежных исследователей. По мнению Ш. Лиллака, В. Эссера, К. Швохау [5], образование УВ есть водородпотребляющая реакция. Этот вывод подкреплен опытами Б. Рорбака, К. Петерса и И. Каплана (1991) по искусственному получению нефти и газа из осадков лагуны Мормонна в атмосфере водорода. И. Хаггин [4] в экспериментах по моделированию формирования природного газа в земных недрах, которые он проводил с породой и н-октодеценом-1 при температуре 190 °С в атмосфере водорода, получил смесь УВ состава С₁-С₄ с содержанием СН₄ 80 %. Скорость образования метана составила 10^-7 г/сут и была постоянной в течение одного года. Контрольные опыты без водорода внешних источников не приводили к столь существенному образованию УВ.

В природных условиях водород имеет различное происхождение: магматогенное, ювенильное, метаморфогенное, радиогенное и тектоническое [3,5]. Смешение вод разной солености приводит к возникновению разности потенциалов и как следствие – к образованию водорода в результате диссоциации воды (Lovely D., Goodwin S., 1988). В ходе катагенетического преобразования ОВ водород также выделяется в свободное состояние (Нестеров И.И., 1968; Навроцкий O.K., 1989). О больших поступлениях водорода из недр свидетельствуют расчеты Б.М. Валяева (1994), согласно которым вынос водорода в срединно-океанических хребтах составляет 1,3 млрд м³ в год.

При любом генезисе водород в момент своего рождения "in statu nascendi" является атомарным. Практически постоянным поставщиком атомарного водорода в масштабах геологического времени является радиогенный механизм. Широко распространен процесс образования атомарного водорода водородгенерирующими бактериями в артезианских бассейнах в зонах формирования месторождений урана осадочно-генетического типа [2]. Бактерии, разлагающие ОВ с образованием водорода, найдены в подземных водах Грозненской НГО, Терско-Каспийского НГБ, в Восточной Грузии и Западной Туркмении. Установлена возможность образования атомарного водорода в процессе сульфатредукции, осуществляемой сульфатредуцирующими бактериями. Активатором процесса сульфатредукции служит производимая бактериями гидрогеназа, активирующая молекулярный водород по схеме: Н₂ = 2Н (Stephenson M., Stickland R., 1931). Сульфатредуцирующие бактерии отличаются большой приспособляемостью к экологическим условиям и могут развиваться в широком диапазоне температур от 0 до 85 °С и даже выше (Лобье Л., 1990). При высоких давлениях их термотолерантность резко повышается. В нефтегазоносных формациях развитие сульфатредуцирующих бактерий установлено при температурах 91-100 °С (Розанова Е.П., Кузнецова С.И., 1974). Экологическая приспособленность сульфатредуцирующих бактерий лежит в основе их широкого распространения в сульфатсодержащих нефтяных пластовых водах, за исключением высокоминерализованных хлор-кальциевых и хлормагниевых вод.

Водород является наименее адсорбирующимся газообразным компонентом (Эттингер Э.И., 1966). Известно также, что глины характеризуются одними из самых больших, а известняки – одними из самых малых значений поверхности адсорбции. Еще в экспериментах 1983 г. в установках гидрирования при температуре 100 °С и давлении водорода 8 МПа было обнаружено более легкое вхождение водорода в структуру карбонатных минералов по сравнению с глинистыми (таблица). Известно, что свойства глин, в особенности связывание воды твердой поверхностью глинистых частиц, в значительной степени обусловлены структурой глинистых минералов. Существенное влияние на структуру прочносвязанной воды оказывают обменные катионы, причем это влияние сильнее сказывается в монтмориллоните, слабее – в каолините. Чаще всего среди обменных катионов встречаются Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺. Ряд исследователей отмечает влияние кальция на толщину пленки связанной воды. Так, если натриевая глина перейдет в кальциевую, то толщина пленки связанной воды в последней будет меньше, вследствие чего ее проницаемость возрастет (Березкина Г.М., 1980). Проницаемость глин связывают с развитием гидратных слоев, число которых минимально в глинах с ионами кальция (Мосьяков Е.Ф., 1976).

У карбонатных минералов значительно меньшее (практически отсутствие) количество прочносвязанной воды облегчает вхождение водорода в их структуру. Это теоретическое предположение о сравнительно легком вхождении водорода в структуру карбонатных минералов по сравнению с глинистыми, разработанное в последние годы и подтвержденное опережающими экспериментами, позволяет по-новому оценить процесс образования УВ в известняках и глинах. В известняках в силу больших возможностей для формирования УВ в результате лучшего вхождения водорода внешних источников процесс преобразования ОВ должен происходить наиболее полно и исчерпывающе. В экспериментах это подтвердилось тем, что в известняках по сравнению с глинами оказалось выше не только содержание сорбированного водорода, но и УВ-газов (см. таблицу).

1. Исаев В.П. Моделирование на ЭВМ физико-химических процессов нефтегазообразования //I Международная конференция "Геохимическое моделирование и материнские породы нефтегазоносных бассейнов": Тез. докл. - Санкт-Петербург, 1995.-С.51-52.
2. Лисицын А.К. Гидрогеохимия рудообразования. - М.: Недра, 1975.
3. Соколов В.А. Геохимия газов земной коры и атмосферы. - М.: Недра, 1966.
4. Haggin I. Natural gas formation: Catalysis perhaps made geologic deposits //Chemical and Eng. News. - 1994. - Vol. 72, № 15. - P.4-5.
5. Lillack H., Esser W., Schwochau K. Evolution of hydrogen and methane by non-isothermal pyrolysis of petroleum source rocks //Organic geochemistry. 15 th Meeting of European association of Organic Geochemists. - 1991. - P. 306-309.

On a new theoretical and experimental basis a model of hydrocarbon generation with hydrogen involved from external sources in sedimentary rocks of the Earth's crust has been discussed. Extensive literature material dealing with necessity of external hydrogen sources in process of hydrocarbon generation is generalized. A large complex of experimental studies in hy drat ion units at a temperature of 100-250 °C and Pн₂ = 8 MPa on hydrocarbon generation, separately in terrigenous and carbonate deposits has been performed, and some changes in physico-mecha-nical properties of the rocks being arised therewith were recognized. In carbonate rocks, hydrogen very easily enters into crystal lattice of carbonate minerals as against argillaceous ones because of trapped water absence in the first ones. This leads to both intensification of hydrocarbon generation in carbonate rocks and growth of their brittleness. Under natural conditions, this leads to growth of their fracturing in parts of possible hydrogen effect. Consideration is also being given to hydrogen sources in the subsurface, i.e. magmatogenic, metamorphoge-nic, radiogenic which is distinguished in free state during tectonic movements, water vapor interaction with water, catagenetic organic matter transformation etc. At any genesis, hydrogen at a moment of its origination appears to be atomic. A rather high life of atomic hydrogen - 0.1 s - was revealed. A process of atomic hydrogen generation by hydrogen-generating bacteria in zones where uranium deposits of sedimentary-genetic type are forming, is widely distributed under natural conditions. Hydrogen-generating bacteria have been found in waters of a number of oil/gasbearing basins. Widespread is a process of molecular hydrogen activation by vital activity of sulfate-reducing bacteria, and detection of these bacteria in waters of several oil/gasbearing basins owing to their high ecological adaptation. Much possibilities of atomic hydrogen generation in the subsurface and molecular hydrogen activation by product of vital activity of sulfate-reducing bacteria - hydrogenaze - predetermine a wide participation of hydrogen from external sources in process of hydrocarbon generation in sedimentary rocks of the Earth's crust.