книги / Природные энергоносители и углеродные материалы Состав и строение. Современная классификация. Технологии производства и добыча

Глава 2. Происхождение нефти и газа

Нефть используется людьми в течение нескольких тысячелетий, а пред­ ставления о её происхождении развиваются около двух тысяч лет, начиная от предположений античных ученых Витрувия и Страбона.

В 1733 г. М.В. Ломоносов в работе «О слоях земных» впервые опубли­ ковал гипотезу об органическом происхождении нефти, согласно которой воздействие «подземного огня» на «окаменелые уголья» привело к образо­ ванию асфальтов, нефти и «каменного масла».

Аналогичные представления были высказаны немецким ученым И. Генкелем и французом Б. де Молье. М.В. Ломоносов за исходное вещество неф­ ти принимал каменный уголь, а И. Генкель и Б. де Молье - останки древних растений и животных.

В 1805 г. немецкий ученый А. Гумбольт предложил первую гипотезу о глубинном неорганическом происхождении нефти, которая развивалась в хо­ де экспериментальных работ М. Бертло (1866 г.), П. Биассона (1871 г.) по не­ органическому синтезу углеводородов.

Д.И. Менделеев до 1867 г. придерживался представлений об органиче­ ском происхождении нефти. В 1877 г. он сформулировал известную гипотезу минерального происхождения нефти, согласно которой она образуется в зем­ ной коре на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимо­ действия воды с карбидами металлов.

К концу XIX века сформировались два подхода в рассмотрении проис­ хождения нефти и газа: органический и неорганический, которые уже тогда имели различные варианты.

Все гипотезы минерального происхождения нефти объединяет идея син­ теза углеводородов, кислород-, серо- и азотсодержащих компонентов нефти из смеси С, Н2, СО, С 02, СН4, Н20 в результате реакций прямого синтеза уг­ леводородов из СО и Н2:

С0 + ЗН2 = СН4+Н 20 ,

атакже полимеризации радикалов =СН, -СН2, СН3 при высоких температу­ рах и взаимодействии продуктов синтеза с минеральной частью глубинных пород. Предполагалось, что образование углеводородов происходит из реак­ ционной смеси в раздробленных глубинными разломами участках литосфе­ ры. Прорыв находящихся под высоким давлением углеводородов вверх, в

осадочную толщу, приводит к образованию залежей нефти и газа.

Впервой половине XX века интерес к теории минерального происхож­ дения нефти в основном был потерян. Поиски нефти велись во всем мире ис­ ходя из представлений о её органическом происхождении.

С 1950 г. снова начал возрастать интерес к минеральной гипотезе, ви­ димо, из-за недостаточной ясности в ряде вопросов органической концепции, что и вызывало её критику.

Интенсивное развитие нефтяной промышленности в первой половине XX века показало, что гипотезы происхождения нефти имеют не только теоретиче­ ское, но и практическое значение. Знание геологических и геохимических ус­ ловий образования нефти и газа необходимо для определения перспективных нефтегазоносных территорий, оценки ресурсов нефти и газа, обоснования ме­ тодов поисков месторождений углеводородного сырья.

Сложность гипотез происхождения нефти и газа связана со специфиче­ ским свойством этих веществ - способностью мигрировать в земной коре вместе с пластовыми водами. О месте образования нефти и газа можно су­ дить только по косвенным признакам.

В течение XX века учеными велись интенсивные исследования по про­ блеме происхождения нефти и газа, но в конце столетия, как и в его начале, продолжают существовать две различные концепции - органическая и неор­ ганическая. При этом сторонники этих концепций убеждены в том, что в их представлении проблема решена однозначно.

Основными фактами, подтверждающими возможность неорганическо­ го синтеза углеводородов являются:

1.Наличие органических соединений, в том числе углеводородов и оптически активных веществ в космической материи;

2.Результаты термодинамических исследований, указывающие на возможность существования метана в условиях мантии Земли при темпера­ турах до 1300-1500 °С и низкой летучести кислорода;

3.Наличие углеродистых соединений, а также водорода, оксида угле­ рода, спиртов, метана и более сложных углеводородов в продуктах магма­ тизма мантийного происхождения, продуктах дегазации мантии, а также в гидротермальных системах современного и древнего вулканизма;

4.Существование углеводородной дегазации вещества мантии Земли;

5.Наличие запасов нефти и газа в осадочно-породных бассейнах, имеющих генетическую связь с глубинными разломами и глубоко залегаю­ щими краями литосферных плит, которые ограничены сейсмоактивными геодинамическими поясами;

6.Молодой неогеново-четвертичный возраст залежей природного га­ за и преимущественно кайнозойский возраст залежей нефти древних плат­ форм, не согласующийся с возрастом вмещающих пород.

Однако противники минеральной гипотезы происхождения нефти ут­ верждают, что её геологические доказательства (наличие следов метана и

14 Часть I. Природные энергоносители

некоторых нефтяных углеводородов в глубинных кристаллических породах, в газах и магмах, извергающихся из вулканов, проявления нефти и газа по некоторым глубинным разломам и т.п.) являются косвенными и всегда до­ пускают двойную трактовку. Внедряющиеся в земную кору глубинные по­ роды расплавляют и ассимилируют осадочные породы с имеющимся в них биогенным органическим веществом; жерла вулканов также проходят через осадочные толщи, причем, иногда регионально-нефтегазоносные, поэтому обнаруживаемый в них метан и другие нефтяные углеводороды могли обра­ зоваться не только в результате минерального синтеза, но и при термической деструкции захваченного биогенного органического вещества осадочных пород или при поступлении нефти в осадочные породы уже после остывания магматических пород.

Гипотеза М.В. Ломоносова об органическом происхождении нефти начала получать подтверждение при проведении экспериментальных хими­ ческих и геологических исследований в конце XIX - начале XX века. Ре­ зультаты опытных работ Энглера (1888 г.), Зелинского (1919 г.) позволили выявить сходство полученных смесей углеводородов при перегонке сельде­ вого жира, озерного сапропелевого ила с природной нефтью. Полученные при этом тяжелые фракции обладали оптической активностью.

Оптическая активность - одно из фундаментальных свойств, общих для живого вещества, продуктов его преобразования и природных нефтей. При минеральном синтезе углеводородов возникают смеси, не обладающие оптической активностью, т.к. они содержат равное количество лево- и правовращающихся молекул, что выгодно с позиции термодинамики (для такой смеси характерен максимум энтропии). Для веществ живой природы, напро­ тив, характерна зеркальная асимметрия: все биогенные аминокислоты - ле­ вые, сахара - правые зеркальные изомеры. Оптическая асимметрия органи­ ческих молекул - достаточное основание для утверждения о наличии живого вещества или продуктов его посмертного преобразования. С этой точки зре­ ния оптически активная нефть может быть только продуктом биосферы, а не минерального синтеза. Оптическая активность нефтей связана главным об­ разом с углеводородами типа тритерпанов и стеранов.

Геологические исследования способствовали подтверждению гипотезы об органическом происхождении нефтей. При поисках и разведке нефтяных ме­ сторождений уже в XIX веке была замечена частая приуроченность нефтяных залежей к древним морским отложениям, обогащенным сапропелевым органи­ ческим веществом. Такие отложения были названы нефтегазоматеринскими.

Изучение сапропелевого органического вещества осадочных пород, испытавших погружение на 2-3 км и воздействие температур до 100-150 °С,

показало, что оно содержит уже до 10-20 % битумиозных веществ (масел, смол, асфальтенов), до 10-12 % углеводородов, в т.ч. до 2-3 % низкокипящих (Сб-См). В них присутствуют все основные классы нефтяных углеводородов: алканы и их изомеры, нафтены и арены. Присутствуют также азот-, серо- и кислородсодержащие соединения, свойственные нефтям.

В результате исследований выявлялось и подтверждалось несомненное сходство между углеводородами рассеянного органического вещества оса­ дочных пород (микронефтью) и нефтями из его месторождений. Особо важ­ ное значение имело открытие в нефтях унаследованных от живого вещества биомолекул, «химических ископаемых». Прежде всего это порфирины, со­ стоящие из четырех пиррольных колец, образующих через атом азота ком­ плексные соединения с металлами (обычно с ванадием и никелем). Их обра­ зование из хлорофилла растений не вызывает сомнений.

Важными «биогенными метками» («биомаркерами») являются свойст­ венные живому веществу многие изопреноидные углеводороды, особенно фитан (С2о) и пристан (С19), возникновение которых связывают с фитолом - периферическим структурным элементом молекулы хлорофилла. Встречает­ ся пристан и в теле некоторых животных.

Многие «биомаркеры» в органическом веществе осадков и нефтях представлены полициклическими углеводородами типа стеранов и тритерпанов, в т.ч. гопанов. Многие из них являются производными характерных биомолекул - стероидов и тритерпеноидов, которые имеются во всех живых организмах от простейших цианобактерий до высших млекопитающих. К ним относятся холестерин, фитостерин и др.

Значительное сходство в молекулярной структуре между стероидами и стеранами, тритерпеноидами и тритерпанами (гопанами), которые присутст­ вуют в живом веществе и нефтях, является существенным показателем орга­ нического генезиса нефти.

Современная теория органического или осадочно-миграционного про­ исхождения нефти и газа рассматривает синтез углеводородов из органиче­ ского вещества как процесс, включающий следующие стадии:

1.Накопление первичного органического вещества в водной среде с застойным гидрологическим режимом в анаэробных геохимических услови­ ях на фоне относительно устойчивого и длительного тиружения бассейна оседания. В основном это остатки фито- и зоопланктона, бентоса, а также остатки растительности, вынесенные с континентов в акватории;

2.Биохимическая трансформация органического вещества, заключен­ ного в осадке. Органическое вещество преобразуется в восстановительных геохимических условиях процессов преобразования рыхлых осадков в оса­

дочные горные породы в верхней зоне земной коры и образует большое ко­ личество газа, в основном диоксида углерода, метана и азота. Часть проме­ жуточных продуктов разложения органического вещества синтезируется в новые органические вещества: битумоиды, фульвовые, гуминовые и сапро­ пелевые кислоты, которые отсутствуют в составе живых организмов.

3. Протокатагенез. В процессе опускания пласта органических остат­ ков на глубину до 1,5-2,0 км при медленном подъёме температуры и давле­ ния высокомолекулярные органические кислоты переходят в нерастворимую форму органического вещества - кероген. В небольшом количестве образу­ ются тяжёлые углеводороды, формируются нефтегазоматеринские породы - глинистые и карбонатные отложения, содержащие 0,1-5,0 % преобразован­ ного органического вещества;

4.Мезокатагенез, где вступает в силу главный фактор нефтеобразования - длительный прогрев органического вещества при температуре от 50 °С и выше. Верхняя граница этой главной зоны нефтеобразования располагается на глубине от 1,3-1,7 км (при среднем геотермическом градиенте 4 °С/100 м) до 2,7-3,0 км (при градиенте 2 °С/100 м) и фиксируется сменой буроугольной сте­ пени углефикации органического вещества каменноугольной. Дальнейшее опускание пласта на глубину 3-4 км, термокаталитическое преобразование ор­ ганического вещества нефтегазоматеринских пород при температурах 60-180 °С, в результате которого образуются нефть и горючие газы.

5.Апокатагенез. Опускание пород на глубину более 4,5 км, где в бо­ лее жестких термобарических условиях при температурах 180-250 °С обра­ зуются легкие алканы нефти;

6.Миграция углеводородов из нефтегазопроизводящих пород в при­ родные резервуары, которые состоят из пород различного состава, обладаю­ щих повышенными ёмкостно-фильтрационными свойствами, и экранирова­ ны породами-флюидоупорами;

7.Миграция нефти и газа в природных резервуарах в различных фор­ мах (свободной, водорастворённой, газоконденсатной) до ловушек, которы­ ми являются части природных резервуаров, где движение флюидов сильно затруднено или невозможно;

8.Накопление углеводородов в ловушках и образование их залежей;

9.Переформирование и разрушение залежей углеводородов. Эти про­ цессы происходят в результате. различных изменений условий залегания нефти и газа: тектонических, термобарических, геохимических и гидрогеоло­ гических. При разрушении залежей углеводородов элементарный цикл нефтегазообразования и нефтегазонакопления в данном конкретном регионе за­ вершается.

10. Глубина залегания осадочных пород Земли изменяется от 2-3 км в платформенных областях (с плоским рельефом) до 12 км в континентальных впадинах. Они отличаются пористостью и высокой проницаемостью для жидкостей и газов. Осадочные породы отлагались в пласты в определенной хронологической последовательности, при этом остатки древних животных и растений оказывались все глубже и глубже погруженными в толщи земных пород. Эти процессы послужили основанием для выделения геохронологиче­ ских периодов, характерных для различных форм жизни (таблица 5).

Таблица 5 — Геохронологические периоды

Основными геологическими и геохимическими фактами, подтвер­ ждающими органическую теорию нефтегазообразования являются:

1.Приуроченность подавляющего количества выявленных скоплений углеводородов к осадочным породам;

2.Наличие залежей углеводородов в линзах песчаников, обособлен­ ных значительными толщами непроницаемых глин;

3.Образование нефтяных углеводородов в илах современных морей и озёр;

4.Всеобщее проявление вертикальной фазово-генетической зональ­ ности углеводородов в разрезе осадочных пород;

5.Генетическая связь между углеводородами нефтей и рассеянным органическим веществом нефтегазоматеринских пород.

Состав углеводородов нефти зависит от нескольких факторов: особен­

ностей исходного органического вещества осадков; геохимических условий

Часть I. Природные энергоносители

образования органического вещества в осадках; степени термического пре­ вращения исходного для нефти органического вещества в зоне повышенных температур; вторичных изменений нефти в процессе образования залежей и их дальнейшем существовании в течение длительного геологического времени.

Состав углеводородов конкретной нефти формируется под воздействи­ ем многих причин, и не всегда можно выделить из них основную.

Для образования высокомолекулярных н-алканов нефти возможны три основных источника: н-алканы, синтезируемые в живых организмах; высоко­ молекулярные алифатические одноатомные спирты, входящие в состав восков живого вещества; высшие одноосновные предельные жирные кислоты.

Источником циклоалканов (нафтенов) в нефтях в незначительной степе­ ни могут быть непосредственно некоторые биосинтетические углеводороды живого вещества, например, моноциклические лимонен, а-пинен, камфен, по­ лициклические углеводороды типа /7-каротина. Однако более важным источни­ ком циклоалканов являются широко распространенные в живом веществе орга­ низмов кислородсодержащие производные различных циклических терпенов. Еще одним, самым значительным, источником образования циклоалканов яв­ ляется процесс дегидратационной циклизации непредельных жирных кислот.

Для живого вещества организмов ароматические структуры нехарак­ терны, а в нефтях содержание ароматических углеводородов составляет 1020, иногда до 35 %. Образование аренов в сапропелевом органическом веще­ стве осадков, пород и нефтях следует связывать главным образом со вторич­ ными процессами преобразования органического вещества на стадиях диаге­ неза (преобразование рыхлых осадков в осадочные горные породы) и катаге­ неза (химико-минералогическое преобразование осадочных пород в мета­ морфические горные породы) в зоне повышенных температур.

Современные представления об образовании нефти и газа характери­ зуются наличием универсальных схем, объединяющих органическую теорию и неорганические гипотезы. По одной из них исходными компонентами для образования нефти служат одновременно мантийное вещество в виде газопа­ ровой смеси и рассеянное органическое вещество осадочных пород. Газопа­ ровая смесь, поднимаясь по зонам глубинных разломов, взаимодействует с рассеянным органическим веществом и образует большое количество «пер­ вичной нефти», которая концентрируется в осадочных породах.

Вопрос о происхождении нефти и газа остается дискуссионным и в начале XXI века. Он становится более актуальным в связи с возрастающими потребно­ стями мирового сообщества в нефти и газе на фоне ограниченности их ресурсов.

Существует мнение, что ресурсы нефти могут быть исчерпаны к концу XXI столетия: снижение добычи нефти возможно с 2020 г., природного газа с

2030 г. По другим оценкам, открытие новых месторождений углеводородов, в т.ч. шельфовых и морских, обеспечит сохранение необходимого уровня по­ требления углеводородов. В обоих случаях не вызывает сомнений необходи­ мость дальнейшего развития теоретических и прикладных направлений гео­ логии и геохимии нефти и газа.

С моделями происхождения углеводородов непосредственно связаны представления о процессах и скоростях формирования их залежей. Напри­ мер, на основании соотношения запасов и прогнозных ресурсов углеводоро­ дов на Земле выявлено, что образование газовых месторождений в опреде­ ленных геологических условиях вполне возможно за 1000 лет. В настоящее время имеются сведения о молодом (кайнозойском) возрасте скоплений неф­ ти и газа в древних нефтегазоносных комплексах.

Органическая теория образования нефти и газа формирует иные пред­ ставления об интенсивности образования залежей углеводородов. Согласно расчетам продолжительность генерации жидких углеводородов в зависимо­ сти от толщины и скорости накопления пород изменяется от 20 до 100 млн. лет. Скорость формирования скоплений жидких углеводородов для бассей­ нов платформенных областей изменяется от нескольких сотен тысяч до не­ скольких миллионов кубических метров за 1 млн. лет (несколько десятков кубических метров за 1 год). В складчатых областях, где все геологические процессы проходят в 4-6 раз быстрее, продолжительность генерации углево­ дородов уменьшается, а скорость формирования скоплений увеличивается. Большая часть залежей нефти кайнозойских отложений формировалась на протяжении около 3 млн. лет со средней скоростью 25 т/год. Крупные и уни­ кальные месторождения формировались со скоростью до 700 т/год.

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте развитие представлений о происхождении нефти.

2.В чем сущность гипотезы минерального происхождения нефти?

3.Назовите основные стадии синтеза нефти и газа из органического вещества.

4.Назовите основные геохронологические периоды Земли.

5.Охарактеризуйте современные представления об образовании нефти и газа.

6.Охарактеризуйте представления о процессах и скоростях формирования залежей нефти и газа.

Темы рефератов

1.Теория неорганического синтеза углеводородов.

2.Теория органического синтеза углеводородов.

3.Современные представления об образовании нефти и газа.

Литература

1.Баженова О.К., Бурлин Ю.К., Соколов Б.А. Геология и геохимия нефти и газа. М.: МГУ, 2012.-432 с.

2.Мановян А.К. Технология переработки природных энергоносителей: Учеб­ ное пособие для ВУЗов. М.: Химия, 2004. - 455 с.

3.Рябов В.Д. Химия нефти и газа. М.: Форум, 2009. - 336 с.

4.Тетельмин В.В., Язев В.А. Нефтегазовое дело. Полный курс. М.: Интел­ лект, 2009. - 800 с.

5.Баталин О.Ю., Вафина Н.Г. Конденсационная модель образования зале­ жей нефти и газа. М.: Наука, 2008. - 248 с.