8.4.2 Термодинамические условия образования нефти и газа

Подавляющее количество геологических и геохимических данных, собранных при изучении осадочных образований и нефти, свидетельствует о том, что большая часть последней образовалась из органического вещества, захороненного в осадочном чехле седиментационных бассейнов. Масса углерода, рассеянного в гор­ных породах, на два и более порядка превышает массу углерода в месторождениях. В осадочных горных породах углерод находится в виде керогена ‒ рассеянного органического вещества.

Содержание органического вещества, сохраняющегося в осад­ках, меняется в очень широких пределах. Наибольшее его коли­чество характерно для тонкозернистых глинистых и глинисто-кар­бонатных осадков, образованных в условиях прибрежно-морских и внутриконтинентальных седиментационных бассейнов. Нефть образуется из керогена преимущественно сапропелевого ряда в от­личие от углей, источником которых является в основном гумусо­вое органическое вещество. Сапропелевый кероген в сравнении с гумусовым обогащен водородом.

В уплотняющихся отложениях осадочного бассейна органи­ческое вещество подвергается воздействию все более высоких тем­ператур по мере увеличения глубины его погружения. Повышение температуры вызывает термическое перерождение керогена в углеводороды ‒ нефть и газ. Условиями такой реакции являются восстановительный режим, температура в интервале 50‒200 °С и наличие поверхностно-активных веществ, выполняющих роль катализаторов. Наилучшими каталитическими свойствами при образовании легких углеводородов из керогена обладают гли­ны и глинистые породы. Примером такого процесса, осуществлен­ного экспериментальным путем, служит нагревание глинистых органических комплексов, во время которого возникали разнооб­разные углеводороды.

Распределение нефти и газа в осадочных породах земной коры следующее. Около 7 % углеводородных газов, 9 % жидких углево­дородов и 40 % асфальтовых неуглеводородных соединений нахо­дится в зоне диагенеза. Основная масса нефти и газа приходится на зону катагенеза (эпигенеза). Она содержит 82 % газа и 91 % жидких углеводородов, а также 60 % асфальтовых веществ. В зоне метамор­физма находится около 11 % углеводородных газов и следы нефти.

Рисунок 8.1 – Метаморфическое преобразование рассеянного органическо­го вещества (керогена) сапропелевого ряда

Такое распределение месторождений углеводородов в вертикальном разрезе земной коры связано с двояким воздействием температуры на преобразование органического вещества. Сначала повышение температуры вызывает превращение керогена в нефть. Оптимальный уровень нефтеобразования соответствует приближенно 100‒120 °С. Дальнейшее повышение температуры вызывает разрушение (деградацию) нефти, проявляющееся в увеличении ее плотности и выделении газа. Конечным продуктом разрушения (метаморфизма) нефти является газ метан и высокоуглеродный твердый продукт графит. На этом заканчивается процесс преобразования органического вещества. Соответствует это температуре − 200 °С и средней глубине погружения 5−7 км (в зави­симости от геотермического градиента), началу метаморфического преобразования пород.

Рисунок 8.2 – Относительный выход газов из органического вещества глин и изменение их параметров при уплотнении (принципиальная схема)

Данные по майкопским глинам: 1 – чередование песчанистых и гли­нистых слоев; 2 – глины на расстоянии 10−50 м от песчаных слоев

Поскольку газ образуется при разрушении нефти, то максимум его накопления в осадочных породах находится гипсометрически ниже максимума накопления нефти. В вертикальном разрезе изменяется его состав. При увеличении глубины содер­жание водорода в газе увеличивается, в то время как для керогена характерна обратная тенденция. Самым глубоким горизонтом га­зообразования соответствует высокая доля в составе газов серово­дорода (H₂S), который является высокотемпературным продуктом преобразования органического вещества.

Имеются геолого-геохимические критерии условий образо­вания углеводородов. Это прежде всего состав и цвет керогена и состав газов, изменяющихся в вертикальном разрезе седиментационных бассейнов. Интервалу нефтеобразования соот­ветствует оранжевый и светло-коричневый цвета органического ве­щества пород, атомное отношение в нем водорода к углероду от 1,3 до 0,85. Показателем условий образования углеводородов является также состав углей, пласты которых постоянно ассоциируют с мес­торождениями углеводорода в осадочных бассейнах. Нефтяные месторождения преобразуются в газовые в зоне, где содержание углерода в углях превышает 60 %; газовые скопления исчезают там, где содержание углерода в углях было выше 65−70 %

Рисунок 8.3 − Свойства керогена и углей

как показатель условий образования углеводородов

Цвет керогена: 1 − желтый; 2 − оранжевый; 3 − коричневый;