Ігор Губич. Доцент. кандидат хімічних наук. Львівський національний університет ім. Івана Франка

Юрій Крупський. Професор. доктор геологічних наук. Львівський національний університет ім. Івана Франка

Воднева енергетика зумовлена тим, що водень є найпоширенішим елементом на поверхні Землі та у космосі, він має найбільшу енергоємність, а продуктом його згоряння є тільки вода за відсутності викидів діоксиду вуглецю. Тому промислові кола вкладають значні кошти у водень як ключовий компонент боротьби зі зміною клімату, бо природний водень, або «білий водень», вважається одним із найчистіших видів палива.

У регіоні Лотарингія, недалеко від кордону Франції та Німеччини, група вчених нещодавно зробила революційне відкриття в надрах землі. Жак Піронон, професор Університету Лотарингії, вважає, що їм вдалося виявити одне з найбільших у світі родовищ природного водню. Те, що вони виявили, вразило їх: великі бульбашки газоподібного водню в товщі води, що вказує на потенційно величезне родовище природного водню [1].

На даний часі лідером в галузі видобутку чистого водню є Канада. Водночас, активно впроваджує та розвиває водневі технології Японія, яка навіть створила «міністерство» водню, щоб до 2050 року повністю перейти від атомної на водневу енергетику[2].

Україна також має плани щодо використання водню. Нині строк служби деяких українських АЕС подовжено вдруге, і робити це втретє вже фізичне небезпечно. Перед країною постає питання: яким чином замінити генераційні потужності, що виходять із експлуатації, адже 35 % енергетичного балансу України припадає саме на АЕС [3].

1. ОБГОВОРЕННЯ ГАЗОГЕОХІМІЧНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ ОСАДОВОГО КОМПЛЕКСУ

З метою переходу промисловості до водневої енергетики необхідно провести вивчення закономірностей поширення водню в осадовій товщі. З цією метою проаналізовано закономірності поширення водорозчинених і сорбованих породами газів у межах продуктивних та водонасичених об’єктів. Встановлено генетичні зв’язки між окремими компонентами природних газів, які дають можливість виділяти в розрізі свердловини діапазони глибин з переважанням певного типу газів, а саме: син- або епігенетичних вуглеводневих компонентів, азоту, водню та ненасичених вуглеводнів.

Особливості гідрогеохімічних критеріїв щодо нафтогазоносності базується на дослідженні закономірностей поширення й міграції водорозчинених газів в осадових товщах.

Зауважимо, що на загальному регіональному фоні азотних газів спостерігаються ділянки з підвищеними концентраціями вуглеводневих компонентів і газонасиченістю пластових вод, які приурочені до приконтурних зон нафтогазових покладів.

З віддаленням від контуру газонасиченість вод і вміст вуглеводнів у газах знижуються, що підтверджується фактичним матеріалом по багатьох нафтогазоносних регіонах. Так, у Волго-Уральській нафтогазоносній області, за даними Л. Зорькіна (1973), з віддаленням від контуру нафтогазоносності зменшуються газонасиченість вод і концентрація вуглеводнів у водорозчинених газах, а збільшується вміст азоту (рис. 1).

Рисунок 1. Схема зміни гідрохімічних параметрів пластових вод при віддаленні від контуру вуглеводневого покладу.

Аналогічну закономірність виявив М. Гатальський (1963) у Прип’ятській западині, а також Л. Швай (1973) у різних стратиграфічних горизонтах Дніпровсько-Донецької западини. Наведене свідчить, що основним компонентом водорозчинених газів у різних регіонах є азот, а присутність вуглеводневих газів спричинена розсіюванням вуглеводнів від покладів унаслідок їх дифузії у пластових флюїдах.

Якщо основним компонентом водорозчинених газів при віддаленні від скупчення вуглеводнів є азот, виникає питання щодо причини зменшення його вмісту в пластових водах при наближенні до контуру покладу. Імовірно, це пов’язано з переходом вільного азоту у зв’язаний стан у вигляді амонію (NН4+), вміст якого на продуктивних площах є значно більшим порівняно з водонасиченими розрізами.

У пластових водах перспективних об’єктів амоній та азот мають обернений характер розподілу: з віддаленням від приконтурної зони концентрація амонію зменшується, тоді як азоту — зростає (рис. 1). Наприклад, у Кримській нафтогазоносній області в приконтурних водах покладів відношення амонію до азоту (NН4+/N2) є більшим від 1, тоді як при віддаленні від покладів воно завжди зменшується (Зорькін Л., Суббота М., Стадник Є.; 1982).

Зв’язок між формами азоту NН4+ і N2 наводиться в роботі Дж. Ханта (1982), де він виражається наступним рівнянням:

N2 + 3Н2 <—> 2NH3 + ΔТ.

Цей процес є рівноважним і відбувається у газовій фазі з виділенням тепла (ΔТ); при зниженні температури середовища рівновага зміщується в бік утворення аміаку, проте швидкість реакції сповільнюється. Каталізатором у пластових умовах можуть слугувати глинисті мінерали, які містять оксид алюмінію (Аl2О3). Розчинення аміаку в пластовій воді та його відвід як продукту реакції сприяють її проходженню.

Важливим учасником гідрохімічних процесів, що розглядається, є водень. Єдиної думки щодо джерел його походження й ролі в процесах нафтогазоутворення немає. Проте, водень виявляють не тільки у вулканічних і метаморфічних породах, але й у відкладах осадового чохла; останнє, на думку багатьох дослідників, зумовлене катагенезом органічної речовини (ОР).

У газах нафтогазових родовищ водень майже не трапляється. Винятки поодинокі: відомі одна свердловина в Чеченській республіці Російської Федерації (Грозненський район) та одна в Узбекистані, де вміст водню становить відповідно 8,3 та 12,7 %.

Також водень присутній у супутніх газах ряду свердловин нафтових родовищ Пенсільванії та Пітсбурга (США), де його вміст сягає 7-35 %. Проте зазначимо, що водень значно частіше присутній у водорозчиненому стані у пластових водах осадових басейнів (Зорькін Л. та інші; 1982).

В. Гавриш (1978) вважає, що тривала міграція водню поровим простором приводить до формування власних гідродинамічних систем, у яких відбуваються процеси його окислення з утворенням надлишкової води, що спричиняє вилуговування порід та формування крихких деформацій. Це дає змогу припустити, що за умови високого вмісту водню у розрізі останній буде водо- або газоводонасиченим. Наприклад, у свердловині Локачинська-3, де в породах середнього девону виявлено підвищений вміст водню, під час випробування отримано газ з водою (рис. 2).

Рисунок 2. Схема зміни гідрохімічних параметрів пластових вод при віддаленні від контуру вуглеводневого покладу.

ВВ - газоподібні вуглеводні С1-С6; Н2- водень; СН4/ГМ - відношення метану до гомологів. ГХ - геохімічні дослідження, ВПК - випробування пластів у колоні. Насичення: 1 - газонасичений, 2 - водогазонасичений

Варто ще зауважити, що в товщі осадових порід присутні також ненасичені вуглеводні (НВ) – етилен (С2Н4) та пропілен (С3Н6), а також водню (Н2), розподіли яких в досліджуваних розрізах є подібними між собою (рис. 3).

Тимофіїв Г. та Умнова Н. (1984) вказують на незначну концентрацію вуглеводневих газів в інтервалах з високим вмістом водню і ненасичених вуглеводнів та висловлюють думку, що такий розподіл газів є характерним для сингенетичних процесів літифікації органічної речовини (ОР) в ході газогенерації.

Їх підтримують також Ф. А. Алексєєв та інші (1968), які вважають, що приуроченість підвищених концентрацій ненасичених вуглеводнів до піщано-глинистих утворень та кореляцію їх розподілу в розрізі з воднем є показниками перетворення органічної речовини (ОР).

Рисунок 3. Розподіл газометричних показників у розрізі свердловини Волино-Поділля за результатами геохімічних досліджень

ВВ - газоподібні вуглеводні С1-С6; СН4/ГМ - відношення метану до гомологів; НВ - ненасичені вуглеводні; Н2- водень.

У компонентному складі покладів вуглеводневого газу ненасичені вуглеводні (НВ) фактично відсутні, тому величина відношення їхнього вмісту до концентрації вуглеводневих газів (НВ/ВВ) дає змогу зробити припущення щодо переважання син- або епігенетичних вуглеводневих флюїдів у досліджуваному розрізі.

Зменшення вмісту водню й ненасичених вуглеводнів спостерігається лише в інтервалах глибин, де спостерігається зростання газонасиченості порід, що пов’язане з надходженням у їх розріз метанового газу, про що свідчить істотне збільшення відношення СН4/ГМ (рис. 3). Можна припустити, що зменшення кількості водню й ненасичених гомологів метану спричинене лише геохімічними процесами, у яких вони беруть безпосередню участь.

Такими процесами, імовірно, є взаємодія водню й ненасичених гомологів метану з утворенням етану й пропану та взаємодія водню і азоту з утворенням амонію. Вони відбуваються лише в газовій фазі й не проходять у водному середовищі (рис. 4.а).

Рис. 4. Взаємодія газоподібних продуктів перетворення ОР залежно від характеру флюїдонасичення розрізу (а), хаотичний рух молекул у газовій фазі, взаємодія між ними (б) й водневі зв’язки між молекулами води (в)

У газовій фазі молекули перебувають у постійному хаотичному русі, зіштовхуючись одна з одною. Під час таких зіткнень вивільняється енергія, що спричиняє взаємодію молекул між собою (рис. 4.б).
Рух молекул у рідині відрізняється від руху в газах: молекули води через водневі зв’язки утворюють впорядковану структуру (рис. 4.в), яка унеможливлює хаотичний рух молекул газу, що виключає взаємодію між воднем і ненасиченими вуглеводнями, а також між воднем і азотом.

Тож, надходження у колекторські відклади вільного метанового газу приводить до формування скупчення газоподібного флюїду, який у свою чергу спричиняє передумови для взаємодії між воднем та ненасиченими вуглеводнями або азотом. Відсутність водню в розрізі продуктивних нафтогазоносних структур підтверджують матеріали, наведені в працях Г. Лебедя та інших (1983).

2.1. ГЕОХІМІЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ У РОЗРІЗІ СВ. ЛУЦЬКА–1

Параметрична свердловина Луцька−1 пробурена у межах однойменної площі на північно-східному борті Львівського палеозойського прогину з метою вивчення стратиграфії, нафтогазоносності та фільтраційно-ємкісних характеристик палеозойських та протерозойських відкладів (рис. 5.а). В ході буріння свердловина Луцька−1 досягла глибини 2442 м, розкривши з відмітки 2404 м породи кристалічного фундаменту (рис. 5.б,).

Рисунок 6 − Структурна карта по покрівлі кристалічного фундаменту (а) та геологічний розріз уздовж лінії I–I (б) у межах Луцької площі

За результатами газометричного дослідження керну встановлено, що найбільша газонасиченість порід вуглеводнями визначена у відкладах архей−протерозою (інт. 2440,2−2441,8м) та на межі середнього і нижнього девону (інт. 309-318м), де вона становить відповідно 3,1 та 2,2 см3/кг. Газонасиченість решти розрізу вкладається у межі 0,01−0,3 см3/кг (рис. 6).
Архей-протерозойські відклади вирізняються також максимальним вмістом вуглеводнів у компонентному складі десорбованих газів, їх кількість тут сягає 8,4 %. Нижчими значеннями характеризуються відклади середнього девону та силуру Решта розрізу містить гази, в яких вуглеводнева складова коливається від 0,01 до 2,0 %. (рис. 6).

Зазначимо, що у складі досліджуваних газів, починаючи з відкладів кембрію та вниз у розрізі, істотно зростає вміст водню до 40 % (рис. 6), який перевищує концентрацію вуглеводнів у 5−10 раз.
Спостерігається, що розріз з високим вмістом водню характеризується за даними геофізичних (ГДС) та геохімічних (ГХ) досліджень як водогазонасичений та водонасичений. Подібне насичення спостерігається за даними фахівців Університету Лотарингії, де великі бульбашки газоподібного водню виявлено у водонасиченому розрізі [1].

Рисунок 6 − Характер насичення розрізу св. Луцька−1 за результатами геохімічних досліджень (ГХ) та матеріалами випробовування (ВПТ).

ВВ − газоподібні вуглеводні С1−С6, Н2 − водень, НЗ – нерозчинний в HCl залишок породи. Насичення: 1 - водогазонасичений, 2 - водонасичений

2.2. АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ВИСНОВКИ

На основі наведених вище матеріалів можна зробити висновки щодо розподілу газів, в тому числі – водню, у осадовому комплексі:

1. Основним компонентом водорозчинених газів у пластових водах осадового комплексу є азот; з наближенням до газового покладу концентрація азоту зменшується, проте амонію – зростає.

2. Спостерігається подібність розподілів у розрізах свердловин водню та ненасичених вуглеводнів, максимальний вміст останніх приурочений до інтервалів з фоновим вмістом вуглеводневих газів; у газонасичених пластах концентрація водню і ненасичених гомологів метану суттєво зменшується.

3. Процеси взаємодії газоподібних речовин відбуваються лише в газовій фазі, а не проходять у водному середовищі. Надходження у відклади метанового газу приводить до формування в них газової фази – середовища, у якому відбувається взаємодія водню як з азотом, так і з ненасиченими вуглеводнями. Результатом даних процесів є те, що в зоні газового покладу вміст азоту в пластових водах істотно зменшується, а в компонентному складі скупчення вуглеводнів ненасичені вуглеводні й водень відсутні.

Враховуючи наведені вище закономірності, проведено аналіз газометричних досліджень у свердловині Луцька-1, яка пробурена для вивчення геологічного розрізу палеозой-протерозойських відкладів та перспектив їх нафтогазоносності.
За висновками геофізичних досліджень всі виділені пласти у розрізі свердловини є обводненими, а найкращі колекторські властивості мають пісковики кембрію та рифею.

Газометричні дослідження керна вказують, що найбільша газонасиченість порід вуглеводнями – 3,1 см3/кг − встановлена у зразку архей-протерозойського віку (інтервал 2440−2442 м).

Однак слід зауважити, що у розрізі порід протерозою та кембрію у компонентному складі сорбованих породами газів істотно зростає вміст водню, який змінюється в межах 15−40 %, що перевищує концентрацію вуглеводнів у 5−10 раз (рис. 6).
Спостерігається також, що розріз з високим вмістом водню, за даними випробовування пластів (ВПТ) та геохімічних (ГХ) досліджень, оцінено як водонасичений та водогазонасичений.

Зазначимо, що фахівці Університету Лотарингії саме у водонасиченому розрізі виявили великі бульбашки газоподібного водню. Це дало можливість вважати, що їм вдалося виявити одне з найбільших у світі родовищ природного водню [1].

Наявність водню за даними газометричних досліджень кернового матеріалу на території України в межах Волино-Поділля встановлено у багатьох свердловинах. На основі результатів даних робіт можна виявити зони, що характеризуються високим вмістом водню, а також встановити геолого-структурні елементи, до яких приурочені підвищені вмісти водню у розрізі гірських порід. Отримані матеріали дозволять встановити напрямки щодо пошуку водню в осадовому чохлі в межах території Волино-Поділля.

ЛІТЕРАТУРА
1. https://www.nytimes.com/2023/12/04/business/energy-environment/clean-energy-hydrogen .html
2. https://shotam.info/na-rivnenshchyni-znayshly-rodovyshcha-chystoho-vodniu/
3. https://stat.gov.ua/uk/datasets/enerhetychnyy-balans-ukrayiny-0