Тема 1. Органическое вещество — источник углеводородных флюидов Эволюция органического вещества
Генерация, аккумуляция и сохранение ОВ предопределяет формирование нефтематеринских пород. Термин органическое вещество относится к веществу, представленному органическими компонентами в форме мономеров или полимеров, которые возникли прямо или косвенно из живого вещества (ЖВ). Минеральные скелетные компоненты – раковины кости и зубы – не входят в его состав.
Прежде чем ОВ будет отложено и захоронено в осадках, его должны синтезировать живые организмы. При благоприятном развитии последующих геологических событий часть накопленных ОВ может трансформироваться в нефтеподобные соединения. Следует помнить, что на протяжении геологической истории Земли условия синтеза, накопления и сохранения ОВ менялись в значительной степени.
Важнейшим историческим событием предопределяющем, формирование материнских пород, следует считать появление и всемерное развитие процесса фотосинтеза. В основе процесса лежит переход водорода из воды в углекислый газ и образование ОВ в форме глюкозы и кисдорода. Уравнение фотосинтетической реакции в простой форме представлено на рис. 2.1. Фотосинтез – основной процесс, с которым связано массовое образование ОВ на Земле.
Рис. 2.1. Уравнение фотосинтеза
Зеленые растения используют солнечный свет, образуют глюкозу – соединение относительно богатое энергией (h·v). Побочным продуктом этого процесса является кислород
На стадии зарождения Земной коры и атмосферы первыми существами которые давали ОВ были примитивные аутотрофные организмы, такие как фотосинтезирующие бактерии и сине-зеленые водоросли, были первыми существами, которые и дали массовую продукцию ОВ. Образование ОВ путем фотосинтеза, стало почти повсеместным приблизительно 2 млрд. лет назад. Совокупность геологических событий, которые считаются важными в становлении цикла органического углерода представлено на рис. 2.2. До тех
Рис 2.2. События в истории Земли, которые повлияли на эволюцию жизни.
пор пока фотосинтез как явление не приобрел всеобщего значения, т.е. 2 млрд. лет назад на Земле не происходило массового образования ОВ. Этот рубеж является точкой отсчета, до которого самые примитивные организмы распространились достаточно широко и массовая продукция ОВ и фотосинтез приобрели глобальные масштабы.
В этот первоначальный период атмосфера имела восстановительный характер, т.к. в ней практически отсутствовал кислород. Считается, что атмосфера на ранней стадии существования Земли была лишена свободного кислорода и содержала H2, CH4, NH3, N2 и H2O (хотя эта точка зрения не является единственной). Обогащение молекулярным кислородом Земли – прямое следствие фотосинтеза и массовой продукции ОВ.
ОВ как в концентрированной, так и в рассеянной форме является важнейшим генератором флюидов в осадочных бассейнах: нефти, газа, газоконденсата и неуглеводородных соединений (H2O, CO2, N2 и др.). Главным элементом ОВ в любой форме, т.е. во всех горючих ископаемых, является углерод. В тоже время углерод является главным биогенным компонентом, т.е. основой жизни на земле. Часть углеродных соединений выходящих из круговорота биосферы и благодаря этому присутствующих в осадочных отложениях, при определенных условиях формируют скопления нефти и газа. Чтобы объяснить сложный процесс нефтеобразования, рассмотрим геохимию углерода.
Углерод (Carbon) - элемент четвертой группы таблицы Менделеева. Он является четвертым элементом по распространенности во Вселенной (после водорода, гелия и кислорода) и занимает десятое место в земной коре, присутствует в разнообразных формах. Соединяется с водородом, серой, азотом, кислородом и металлами. Самая уникальная черта углерода – способность атомов связываться друг, с другом образуя длинные углеводородные цепи, кольца и сложные молекулы, что и обусловило образовывать бесчисленное множество органических соединений и быть основой всего живого на Земле. Наиболее устойчивые соединения углерода метан и углекислый газ. Атомная масса углерода 12,11. Дробное число определяется наличием двух стабильных изотопов 12С и 13С и одного радиоактивного изотопа 14С. Известны еще три искусственных - 10С 11С и 15С. В природных соединения редко преобладает 12С. Кларк изотопа 12С – 98,89%, 13С – 1,11%.
Большая часть углерода на Земле концентрируется в осадочных породах земной коры. Часть его находится в форме органического углерода Подсчитано, что лишь 18% общего количества углерода в осадочных породах имеет органическую природу, а 82% осадочного генезиса связана в форме карбонатов. Существует подвижное равновесие между органическим углеродом и углеродом карбонатным. Атмосферный СО2 находится в постоянном обмене с СО2 гидросферы. В субаквальных обстановках карбонаты, осаждает химическим путем либо в виде остатков организмов (раковин, элементов скелетов и т.п.) формируют карбонатные осадки. С другой стороны, карбонатные породы могут растворяться, благодаря чему поддерживается равновесие между СО32- , HCO3- и СО2 в водах. Первичное ОВ формируется наземными растениями путем усвоения атмосферного СО2 или морскими фотосинтезирующимися растениями за счет растворенного СО2 гидросферы. В свою очередь наземный и морской органический материал в значительных масштабах разрушается вследствие окисления. Таким образом, СО2 возвращается в систему для повторного обращения. В упрощенном виде схема, отражающие основные процессы и пути превращения углерода в земной коре представлена на рис. 2.3.
Рис. 1.3. Основные процессы, в которых участвует углерод и пути его миграции. Большая часть углерода
В природе углерод распространен довольно широко, как в органических, так и в неорганических соединениях, подавляющая часть которых принадлежит группе карбонатных минералов (алмаз, графит). В осадочных породах углерод присутствует в виде залежей горючих полезных ископаемых (нефти, углей и других каустобиолитов). В гидросфере немногим больше 90% углерода представлена в карбонатной форме приблизительно 9% в виде растворенного ОВ. В атмосфере углерод находится в виде диоксида (СО2).
Для нефтяников большой интерес представляет небольшая часть углерода, которая заключена во внешней оболочке Земли, и ничтожная доля углерода, связанная с живым веществом. Наибольшая концентрация углерода в глинах и карбонатной оболочке.