книги / Учение о нефти

нальной нелепости. По его представлению, Земля в раю была на­ столько плодородная, что содержала до известной глубины жи­ ровые примеси, которые после грехопадения (так!) отчасти были приподняты солнцем на воздух, отчасти же благодаря тяжести погружались в землю, смешиваясь с разными веществами. Окон­ чательному превращению их в нефть содействовал всемирный потоп.

Еще более курьезное объяснение возникновению пенсильван­ ской нефти выдвинул один из американских нефтепромышленни­ ков, не знаем только, всерьез или для смеха. Г. Гёфер сообщает об одном таком чудаке, который считал, что нефть образовалась из мочи китов на дне полярных морей, откуда по подземным путям проникла в Пенсильванию. До таких абсурдов могут додуматься действительно только «святые» отцы, у которых все миропонима­ ние представляет сплошной абсурд, или же невежественные ры­ цари наживы, у которых вообще никакого миропонимания, не приносящего барышей, не существует. Рядом с этими курьезными нелепостями создано несколько гипотез, имеющих якобы науч­ ное обоснование, но на самом деле отличающихся большой фан­ тастичностью. Поэтому правильное разрешение вопроса о проис­ хождении нефти расчистит всю фантастику, которая облепила этот вопрос, и даст возможность построить теорию о ее проис­ хождении на действительно научных основаниях, соответствую­ щую тому, что на самом деле происходило и происходит в при­ роде.

Верная разгадка происхождения нефти в природе имеет для нас не только научно-теоретический интерес, но и первостепенное практическое значение. Только тогда, когда мы будем иметь пра­ вильное представление о тех процессах, в результате которых воз­ никает нефть, мы будем знать, каким образом в земной коре об­ разуются ее залежи, будем знакомы со всеми структурными фор­ мами и литологическими особенностями пластов, благоприятными для скопления нефти, и получим из всей совокупности этих данных надежные указания, в каких местах нам искать нефть и как над­ лежит наиболее целесообразно организовать ее разведки. В на­ стоящее время этот вопрос имеет для нас сугубую остроту. Нефть наряду с углем, рудами и другими полезными ископаемыми при­ надлежит к категории таких природных богатств, которые, будучи израсходованы, не возобновляются, поэтому мы должны заблаго­ временно позаботиться, чтобы найти новые месторождения на за­ мену старых, постепенно истощающихся, а для этого нужно твердо знать, где и как их искать. Правильное представление о процес­ сах образования нефти дает нам указание и ответ на вопрос о при­ чинах возникновения разного рода нефтей, обладающих, как из­ вестно, весьма разнообразными свойствами. На знании этих свойств основана вся переработка сырой нефти; здесь лежит ключ к разрешению всех вопросов наиболее правильного использо­ вания этого ценнейшего продукта.

300

Все гипотезы о происхождении нефти можно разделить на две большие группы: 1) гипотезы неорганического происхождения нефти и 2) гипотезы органического происхождения.

Каждая из названных групп в свою очередь подразделяется на ряд отдельных гипотез1, из которых важнейшие:

1.Неорганического происхождения: карбидная, вулкани­ ческая, космическая.

2.Органического происхождения: животного, растительного, смешанного—растительного и животного.

В основе большинства этих гипотез лежит фактический мате­ риал, полученный в результате обобщения лабораторных опытов. Процессы, которые приводили к образованию нефтеподобных про­ дуктов в лабораториях, отождествлялись с процессами природы,

торте в лабораторной обстановке. Суть опытов сводилась к полу­ чению искусственных нефтеподобных продуктов путем неорга­ нического и органического их синтеза.

Первые гипотезы о происхождении нефти возникали почти

ной коры из минеральных веществ. Знаменитый французский хи­ мик может, следовательно, считаться отцом современной гипотезы неорганического происхождения нефти. Спустя несколько лет начались некоторые исследования, имевшие конечной целью подвести экспериментальную базу под высказанную Вертело в об­ щей форме генетическую гипотезу.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СИНТЕЗЫ НЕФТИ

Эти исследования направлялись по двум основным линиям, углеводороды получались действием на углеродистые металлы: 1) кислот и 2) воды (гидролиз).

Первые опыты, проведенные в 1877—1878 гг. химиком С1оez, как будто до известной степени подтверждали мысли Вертело. Эти опыты состояли в действии соляной или серной кислоты на зеркальный чугун, содержащий 4% углерода. В результате получались водород и значительное количество насыщенных и ненасыщенных углеводородов с запахом, напоминающим нефть. Удалив из сырой смеси олефины бромом и крепкой серной кисло­ той, Qoez путем фракционировки получил углеводороды мета­ нового ряда: С10Н22 и другие до С16Н34.

Еще больший интерес представляют его опыты с ферромар­ ганцем, богатым углеродом и содержащим 38,2% марганца и 56,5% железа, на который он действовал горячей водой. В резуль­ тате получилась нефтеподобная смесь углеводородов. Этим были

301

подтверждены предположения о минеральном происхождении нефти другого французского ученого Буассона и его опыты, при которых он в результате воздействия водяных паров на же­ лезо при белом калении получил жидкое, похожее на нефть со­ единение сначала при температуре 300° С, а потом при несколько ином составе сплава (81—85% марганца, 9,5—6% железа), — при более низкой температуре (100° С).

Углеводороды могут быть получены путем и других реакций, например, нагреванием карбида кальция с хлористым аммонием и непосредственным воздействием последнего на железо, со­ держащее углерод. Поскольку хлористдш аммоний часто встре­ чается в вулканических эманациях, положительные результаты экспериментирования с этим реагентом приобретают особый ин­ терес с точки зрения подкрепления ими минеральной гипотезы генезиса нефти.

Опыты К. В. Харичкова доказали, что образование нефте­ подобных углеводородов из чугуна может происходить при срав­ нительно низкой температуре, именно при обработке чугуна на водяной бане растворами хлористого магния и поваренной соли или просто поваренной соли, но в присутствии углекислоты. В результате опыта получались маслянистые продукты, состоя­ щие главным образом из ненасыщенных углеводородов, раство­ рявшихся нацело в- серной кислоте [46].

Опыты П. Сабатье и его сотрудника Сандэрана возбуждают заслуженное внимание и представляют наиболее интересный пример неорганического синтеза нефти. Смесь непредельного углеводорода, с водородом подвергается (в присутствии катализа­ тора — никеля) нагреванию при температуре не свыше 180°. Происходит процесс гидрогенизации ненасыщенных углеводо­ родов. В результате получается светло-желтая жидкость удель­ ного веса 0,790, состоящая из предельных углеводородов и на­ поминающая по своим свойствам пенсильванскую нефть. При несколько измененных условиях опыта получаются идругие резуль­ таты: так, если пропускать ацетилен без водорода над никелем при температуре 200°С, получается вещество, богатое ароматичес­ кими углеводородами. При вторичном пропускании этого послед­ него над никелем получается смесь нафтенов, т. е. нефть типа бакинской. Здесь, очевидно, мы имеем процесс полимеризации и образования под влиянием катализаторов циклических 'соедине­ ний. Вертело доказал, что полимеризация ацетилена (С2Н2) дает Дензол (С6Нв) при температуре размягчения стекла. Далее в лите­ ратуре встречаются указания, что углеводороды могут получаться и при других реакциях. Например, еще в 1863 г. была известна возможность непосредственного получения ацетилена при про­ пускании водорода между угольными концами вольтовой дуги, но тогда на это не обратили должного внимания. Еще Вертело указал, что щелочные металлы, реагируя с С02, образуют карбиды, или ацетиды и кислород, который потом уходит из сферы реа­

302

гирования. Когда карбиды приходят в соприкосновение с водой, получается ацетилен (С2Н2), который, претерпевая дальнейшие изменения (гидрогенизацию) и полимеризацию, дает углеводо­ роды типа нефти.

На основании всех этих опытных данных было построено не­ сколько неорганических гипотез происхождения нефти. На ос­ новании опытов Cloez’a и своих собственных Д. И. Менделеев создал в 1877 г. свою знаменитую карбидную гипотезу [47].

Карбидная гипотеза

Суть этой гипотезы, с которой в самых общих чертах мы уже познакомились, состоит в следующем.

Д. И. Менделеев пришел к выводу, что внутренность Земли состоит из расплавленных металлов (по преимуществу железа), содержащих некоторое количество углерода (карбиды). Расплав­ ленное металлическое ядро земного шара (барисфера) покрыто сравнительно тонкой твердой корой (литосферой).

В литосфере также должны заключаться карбиды металлов, притом как в твердом, так и в жидком состоянии. С этими-то кар­ бидами литосферы Д. И. Менделеев и связывает образование нефти. По трещинам, образовавшимся в земйой коре во время горооб­ разовательных процессов, в глубь Земли к металлическим мас­ сам проникала вода, которая действовала на карбидные металлы, образуя окислы металлов и углеводороды, согласно реакции Э н г л е р а:

2FeC -f- 3H20 = Fea0 3 -(- C2He.

Углеводороды, возникавшие в газообразном состоянии, под­ нимались в верхние холодные части земной коры, где они скоп­ лялись и конденсировались во всякого рода пустотах, или порис­ тых осадочных породах (песках, песчаниках, известняках и пр.), образуя, таким образом, залежи нефти. Этот процесс, по мнению Д. И. Менделеева, наблюдался не только в прошлые геологичес­ кие периоды, но происходит и сейчас, так что залежи нефти, по предположению Менделеева, могут пополняться и возобнов­ ляться в случае их истощения.

Эта гипотеза с химической точки зрения является как будто наиболее простой и понятной, однако на основании данных Муассана V если не считать карбида алюминия (А14С3), который с водою дает чистый метан, большинство карбидов дают ацети­ лен, либо смесь последнего с метаном, либо, наконец, метан с водо­ родом. Кроме того, при очень высоких температурах, которые должны госЦодствовать на значительных глубинах в земной коре, проникшая туда вода будет там находиться в виде перегретого

303

ствия перегретого водяного пара на чугун получается свободный водород и незначительные количества олефинов и других непре­ дельных углеводородов. Следовательно, помимо прямого и не­ посредственного воздействия воды на карбиды возникает необ­ ходимость допустить и последующие реакции и, в первую очередь, возможность явлений гидрогенизации и полимеризации угле­ водородов в недрах Земли.

При Д. И. Менделееве вопрос получения углеводородов путем каталитического синтеза не был разработан в достаточной степени. С особой показательностью он выступает в вышеупомянутых опытах Сабатье, где роль катализаторов играет никель. В послед­ нее время исследования Бергиуса -показали, что гидрогенизация непредельных соединений может происходить и без наличия катализаторов, но при высоком давлении и температуре в 200— 300° С. Опыты В. Н. Ипатьева также показали, что в случае высо­ кого давления и присутствия окислов металлов возможны реак­ ции полимеризации ацетилена и его ближайших гомологов и об­ разование ароматических углеводородов, которые при последу­ ющей гидрогенизации дают нафтены. Другими исследователями произведен ряд опытов по полимеризации и гидрогенизации раз­ ного рода ненасыщенных углеводородов, в результате которых получались углеводороды ароматического и нафтенового рядов. Одним словом, при действии воды на карбиды и в результате по­ следующих реакций полимеризации и гидрогенизации, при на­ личии катализатора, или высокого давления и температуры могла возникнуть сложная смесь углеводородов, являющихся главнейшей составной частью современных нефтей. Допуская же существование в земных недрах не только карбидных, но и карбонильных соединений железа, никеля и других тяжелых металлов, а также нитридов металлов, и принимая во внимание наличие в земной коре сульфидов, можно вполне объяснить при­ сутствие в нефти азотистых, сернистых соединений, водорода и окиси углерода, т. е. всех второстепенных компонентов современ­ ных нефтей и все разнообразие их.

С этой точки зрения карбидная гипотеза как будто представ­ ляет довольно стройную и вполне химически обоснованную гипо­ тезу, и, тем не менее, эта гипотеза встретила возражения, на­ иболее существенным из которых явилось следующее. Проф. Вальден (Рига) отметил забытый факт, что все полученные в результате неорганического синтеза нефти являются оптически неактив­ ными, тогда как все природные нефти, за весьма малыми исключе­ ниями, оптически активны: они вращают плоскость поляризации светового луча. Карбидная и вообще все другие минеральные гипотезы не могут дать удовлетворительного объяснения этого факта. Все попытки получить из неактивных веществ активное оптическое вещество кончились полной неудачей. На основании всех этих фактов Вальден пришел к заключению о полной несо­ стоятельности не только карбидной, но и других гипотез минераль-

304

ного йроисхождения нефти. Правда, работы Брэдига в 1911 и 1912 гг. как будто показывают возможность получения некоторых активных органических соединений (только не нефтей) из неак­ тивного исходного материала, однако при обязательном присут­ ствии катализаторов органического происхождения (никотин и хинин). Если такие реакции и возможны в ограничбнных преде­ лах лабораторного опыта, то надо иметь чрезвычайно смелое воображение, чтобы допустить их существование в огромных масштабах в великой лаборатории природы, и, наконец, в таком виде гипотеза перестает быть чисто минеральной, становясь уже минерально-органической. Но самые главные возражения она

Прежде всего она предполагает не только наличие расплав­ ленных или мягких металлических масс в земном ядре, но и суще­ ствование каких-то обособленных очагов таких расплавленных или мягких масс и в пределах земной коры (литосферы). Далее она требует наличия среди этих металлических масс непременно карбидов или углеродистых металлов.

Относительно физического состояния земного ядра, или бари­ сферы, в настоящее время считается доказанным, что оно состоит из тяжелых металлов, которые там находятся не в расплавленножидком, а в твердом состоянии. По крайней мере, оно ведет себя как твердое тело, о чем свидетельствуют явления прецессий и нутаций и распространение в нем упругих колебаний, возникаю­ щих при землетрясениях. Входят ли в состав этого ядра карбиды, вопрос нерешенный. Нет ни одного факта, конкретно подтвер­ ждающего подобное предположение, как нет и фактов, позволя­ ющих делать прямо противоположное заключение. Обособлен­ ные очаги внутри затвердевшей земной коры, содержащие жид­ кие расплавленные массы, существуют вне всякого сомнения: об этом свидетельствуют извержения подобных масс, наблюдаю­ щиеся в настоящее время в многочисленных вулканах и бывшие и в прежние геологические эпохи; об этом свидетельствуют п часто наблюдающиеся интрузии массивно-кристаллических по­ род в виде лакколитов, батолитов, жил и т. п. Но состав интрузив­ ных и изверженных масс ничего общего с составом биосферы или земного ядра не имеет. Интрузивные породы представлены главным образом гранитами, сиенитами, диоритами, габбро, перидотитами, пироксенитами, т. е. породами легкими — удельного веса около 2,5 (средний удельный вес земной коры), а извержен­ ные, или эффузивные, породы представлены порфпрптами, дангатами, базальтами, андезитами, т. е. тоже легкими породами при­ близительно такого же удельного веса. Металлические соедине­ ния в виде руд различных металлов играют в составе их шчдиинежную роль. Карбидов металлов среди них до сего времени же най­ дено. Распространены все эти породы в местах ишенежнней вулканической деятельности настоящего пли прошлого

20 И. М. Губкин

т. е. как раз там, где скоплений нефти не наблюдается. Эти факты являются сами по себе вполне достаточными, чтобы опровергнуть карбидную гипотезу.

Но допустим, что в земном ядре существуют карбидные металлы. Необходимо, чтобы они пришли в соприкосновение с водой. Нужно, следовательно, допустить или проникновение внутрь земли вод с ее поверхности, или же возможность существования так назы­ ваемых ювенильных вод, возникших в результате выделений из магмы. Первое и второе предположения вызывают необходи­ мость существования путей, по которым вода могла бы спускаться вглубь до металлического ядра и по которым могли бы подниматься продукты, возникшие в результате воздействия воды того или иного происхождения на карбиды. Необходимо, следовательно, допустить существование двух путей: 1) от земного ядра до по­ верхности и 2) от магматических очагов тоже до поверх­ ности.,

Разберем первый случай. Трещины в литосфере существуют, и по ним возможно, конечно, допустить проникновение поверх­ ностных вод в глубь земной коры. Но эти трещины за пределы земной корь| (литосферы) не выходят и не достигают металличес­ кого ядра (барисферы), ибо, согласно прежним представлениям, между корою и ядром лежит срединный пояс, который, по пред­ положению Лазо, приближается по своему составу к оливину, и его поэтому можно назвать оливиновым поясом. Предполагается, что оливиновый пояс находится не в совершенно твердом, а в вяз­ ком, пластическом состоянии. В таком слое, конечно, должны исчезнуть все трещины. Ван-Хайз теоретически вывел, что поры в породах не могут встречаться ниже глубины в 20—30 км. На еще большей глубине горные породы становятся скрытопластич­ ными и, согласно Гейму, уподобляются под большим давлением

близкий к пластическому состоянию, при наличии которого в суб­ страте не могут образоваться трещины. Следовательно, этот базальтовый пояс служит непреодолимым препятствием для про­ никновения воды до земного ядра и подъема из ядра углеводо­ родных эманаций, если бы такие и могли возникнуть в резуль­ тате воздействия ювенильной воды на карбиды металлов. Следо­ вательно, возникновение углеводородов в земном ядре и подъем их в верхние зоны земной коры можно считать исключенным.

Второй случай. Возникновение углеводородов в магматиче­ ских очагах и подъем, или возгон их, в верхние части земной коры приводит нас ко второй гипотезе неорганического происхрждения нефти, именно к гипотезе вулканического ее происхож­ дения, горячим защитником которой является Юджин Кост (Eugen Coste).

306

Вулканическая гипотеза

Вулканическая гипотеза признает возможность возникновения углеводородов в магматических очагах, залегающих в основании ныне действующих и потухших вулканов. В газовых эманациях, выделяющихся из магмы, содержатся наряду с другими газами и углеводороды, которые, попадая в верхние части земной коры, конденсиру1отся и скопляются в трещинах, пустотах и пористых пластах. Иногда изверженные огненно-жидкие массы, пересекая при своем подъеме битуминозные породы (угли и сланцы), явля­ ются причиной возникновения продуктов перегонки, или дистил­ ляции этих пород (жидкие битумы в шотландских горючих слан­ цах и др.). Какой же фактический материал привлекается в ее обоснование? Во-первых, близкая связь некоторых нефтяных месторождений с изверженными породами и нахождение нефти в самих изверженных породах; во-вторых, нахождение в вулкани­ ческих эманациях метана, жидких углеводородов и твердых пара­ финов в базальтовых лавах близ вулкана Этны; подобное же явле­ ние наблюдалось в вулканах Японии; в-третьих, наличие в не­ которых нефтяных месторождениях горячих вод глубинного (ювенильного) происхождения. Высокий процент во многих водах нефтяных месторождений хлористых кальция и магния некоторые исследователи склонны объяснить их глубинным про­ исхождением.

Оценим критически весь этот фактический материал, на ко­ люром базируется вулканическая гипотеза.

1. Связь между нефтяными месторождениями, имеющими круп­ ное промышленное значение (Мексика, штат Техас и пр.), и из­ верженными породами, принимающими участие в строении этих месторождений, несомненно, существует. Характер этой связи, однако, совершенно особый. Он выяснен нами в предыдущей главе, где указано, что изверженные породы играли роль в форми­ ровании месторождения, в подготовке места для скопления нефти

ив образовании путей для ее движения, но материнской породой, давшей нефть, были не они, а другие породы осадочного проис­ хождения. После сформирования месторождения явления, связан­ ные с изверженными породами, оказали влияние на состав газов

ихарактер сопровождающих ее нефти и вод. Например, наличие

'в некоторых газах нефтяных месторождений гелия и отчасти азота может быть объяснено реакциями только неорганического харак­ тера. Впрочем, иногда сильные колебания в содержании азота и сопровождающего его гелия в природных газах могут быть объ­ яснены и реакциями органического характера.

2.Вулканическая теория не указывает, в результате каких же именно химических реакций возникают углеводороды в магмати­ ческих очагах. Если имеется в виду воздействие воды, проник­ шей туда с поверхности, или воды, выделившейся из магмы, на карбиды, то мы уже указали, что в продуктах извержения и в ин­