Биохимические аспекты генерации углеводородных и других газов

Вопросы биохимического образования углеводородных и других газов в толще осадочных пород до последнего времени трактуются большинством исследователей различным образом. Широко распространены представления, изложенные в работах B.A. Соколова, согласно которым наиболее активно биохимические процессы протекают в самых верхних слоях отложений, где бактерии и их ферменты перерабатывают все вещества, которые они способны усваивать. При погружении осадков на несколько десятков метров в связи с истощением запасов усвояемых бактериями веществ биохимические процессы быстро затухают. При инверсии биохимическая зона несколько увеличивается до глубины 0,5 км, а иногда и глубже. По В.А. Соколову, биохимические газы (CO1 и CH4) из верхних слоев отложений рассеиваются, растворяясь в воде и мигрируя в атмосферу. По этой причине якобы не могут образоваться какие-либо значительные скопления углеводородных газов, связанные с деятельностью микроорганизмов.

В отличие от биохимической зоны, термокаталитическая зона, по мнению В.А. Соколова, расположенная глубже 1-2 км, является основным поставщиком нефти и углеводородного газа.

Иная точка зрения, которой придерживается другая группа, в том числе авторы настоящего сообщения, предусматривает значительную роль биохимических процессов в образовании многих залежей газа.

Исследования микрофлоры подземных вод и пород, проведенные в различных районах страны, позволили выявить жизнеспособную микрофлору на значительных глубинах.

В результате микробиологических исследований пластовых вод хадумского горизонта установлено существование жизнедеятельной микрофлоры в приконтурной зоне Северо-Ставропольского месторождения, а также в пределах водоплавающей части Пелагиадикской залежи. Бактерии, продуцирующие метан, обнаружены в приконтурных водах эоценовой залежи Базайского газового месторождения, расположенного на территории Северо-Западного Приаралья. Разнообразная по составу микрофлора установлена в метаноносных пластовых водах Терско-Кумской депрессии (акчагыл, апшерон) в Краснодарском крае, в Саратовском Заволжье (плиоцен) и других районах.

Важным аргументом в пользу биогенного образования многих газовых залежей в бывш. СССР и за рубежом является изотопный состав углерода метана, образующего эти залежи.

Определение генетической природы газов осадочных пород и выявление среди них газов бактериального происхождения имеет важное практическое значение при поисково-разведочных работах на нефть и газ, а также для уточнения нижней границы развития биохимических процессов и их масштабов.

Метан в природе образуется практически из любого органического вещества, Однако этот процесс многоступенчатый и в нем кроме метанообразующих бактерий принимают участие другие группы анаэробных бактерий. Собственно метанобразующие бактерии выступают только на последнем этапе разложения органического вещества, когда оно минерализовано до жирных кислот, спиртов, CO2.

Мощность биохимической зоны варьирует в широких пределах в геологически разных районах. Активность обитающей в ней микрофлоры и время взаимодействия микроорганизмов с осадком определяют масштабы их геологической деятельности. Именно в этой зоне микробиологические процессы могут осуществляться в таких масштабах, которые в определенных геолого-геохимических условиях приводят к образованию залежей метанового газа.

Ниже рассматриваются некоторые данные, уточняющие роль биогенного фактора в процессе газообразования.

Диагностическими признаками биохимических газов в осадочных отложениях являются наличие в них жизнедеятельной микрофлоры, ответственной за процесс газообразования, специфичность компонентного состава и особенности изотопного состава углерода этих газов. Лишь совокупность всех перечисленных показателей с детальным анализом геолого-геохимических условий дает возможность судить о происхождении изучаемых газов.

Жизнеспособные метанообразующие бактерии были обнаружены разными исследователями в водах и породах различного возраста на достаточно больших глубинах, достигающих 2000-2500 м и более.

Наличие бактерий в древних отложениях, подвергшихся в предыдущие геологические эпохи воздействию высоких температур и давлений, объясняется процессами вторичного заражения пород при их воздымании из зоны катагенеза в область гипергенеза.

Наблюдаемое при изучении микрофлоры морских современных осадков угасание жизнедеятельности некоторых физиологических групп микроорганизмов по мере углубления в толщу осадка не исключает их активизации на разных стадиях литификации осадков. При этом возможно, что одним из наиболее важных путей бактериального образования метана является его синтез из углекислоты и водорода, на что указывал С.Л. Кузнецов.

Присутствие в осадочной толще жизнеспособной газообразующей микрофлоры и газов при наличии благоприятных физико-химических условий среды обитания микроорганизмов бесспорно свидетельствует о происходящих в настоящее время микробиологических процессах. Если же процессы образования газов закончены в предшествующие геологические эпохи, микроорганизмы, возбудители этих процессов, ныне не обнаруживаются. Тем не менее продукты их жизнедеятельности — метан и другие газы — в силу ряда причин могут сохраниться в виде залежей. В этих случаях, несмотря на отсутствие в изучаемых породах и водах метанобразующих бактерий, залежи газа все же могут иметь биохимическую природу.

Специфичность химического состава газов бактериального происхождения определяется наличием в них кроме метана других продуктов распада органических веществ, образующихся в результате бактериальной деятельности - углекислоты, водорода, азота, а также примесей тяжелых углеводородов, которые, в отличие от газов глубинного происхождения, содержатся в количествах от 10в-6 до 10в-2 %. Кроме того, наряду с предельными углеводородами в этих газах иногда присутствуют олефины.

В таблицах 1, 2 приводятся данные по составу биохимических газов из различных районов, а также данные по составу углеводородных компонентов в газе, образующемся при разложении различных органических субстратов накопительными культурами метан образующих бактерий.

Глубинные газы термокаталитического происхождения характеризуются повышенным содержанием тяжелых углеводородов, достигающим 2-5% и более.

Специальные исследования по установлению нижней границы биохимической зоны выполнены по водам Северного Устюрта и Предкавказья. В водах определялась интенсивность развития бактерий, окисляющих метан и тяжелые углеводороды, и бактерий, продуцирующих метан, в зависимости от глубины залегания водоносного горизонта. Полученные данные показывают значительную глубину проникновения жизнедеятельной микрофлоры в обоих районах. При этом бактерии, окисляющие углеводороды, прослеживаются на большую глубину по сравнению с бактериями, образующими метан. Граница pacпpocтранения биохимических процессов, с которыми могут быть связаны процессы образования промышленных скоплений газа биохимического генезиса, для районов Северного Устюрта ограничиваются глубиной 800-100 °С м, а для Северного Кавказа эта граница опускается до 2000-2500 м. Эти материалы наряду с данными по изотопному составу углерода и гидрогеологическим особенностям недр однозначно свидетельствуют о биохимическом происхождении эоценовых залежей газа, обнаруженных на территории Северного Устюрта.