Учение о нефти

Часть первая

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ

Глава I

КАУСТОБИОЛИТЫ КАК ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ: НЕФТИ, УГЛЯ И СЛАНЦЕВ

В строении земной коры принимают значительное участие породы, известные под именем биолитов х, или органогенных пород, обя­ занных своим происхождением жизнедеятельности низших живот­ ных и растительных организмов, как, например, различного рода корненожек (Foraminifera), а также водорослей и др. Среди этих органогенных пород (каковы: известняки коралловых рифов, мел, диатомовые сланцы и т. п.) выделяют, согласно Г. Потонье, особую группу горючих пород, или, как их называют, каустобиолитов 2,1 в противоположность акаустобиолитам — породам, не содержа­ щим горючих составных частей. К каустобиолитам принадлежат каменный уголь, горючие сланцы, различного рода битуминизированные породы и другие горючие ископаемые. Подавляющее количество каустобиолитов содержит в себе углерод, но есть каустобиолйты и не содержащие этого элемента, например сера, обязанная своим происхождением в некоторых случаях деятель­ ности бактерий.

СОСТАВ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ КАУСТОБИОЛИТОВ

В составе каустобиолитов, или горючих пород, большую, а порою исключительную, роль играет органическое вещество, к которому

плазмы и ядра, хотя существуют и так называемые голые клетки, не имеющие оболочки и принимающие участие в строении тканей главным образом животного происхождения. Что же касается

1 Термин, введенный в науку впервые Эренбергом, но укрепившийся в ней благодаря работам немецкого ученого Г. Потонье и нашего выдающегося исследователя-мпнералога и геолога Я. В. Самойлова.

2 Греческое хаи<3^°? — горючий, pios— жизнь, Ьто?— камень.

21

клеток, слагающих ткани растений, в особенности высших, то они имеют в большинстве случаев хорошо развитую клеточную оболочку. У низших растений, например у водорослей, оболочка нередко отсутствует или является слабо развитой, и преимущест­ венное развитие получают протоплазма и ядро клетки.

По химическому составу вещество клеточной оболочки, или клетчатка, принадлежит к группе углеводов, куда, между прочим, относятся хорошо знакомые нам сахар и крахмал. Элементный анализ клетчатки показывает, что она состоит из углерода в коли­ честве 44%, водорода — около 6% и кислорода — 50%.

В клетчатке низших растений, кроме элементов С, Н и О, нахо­ дят иногда небольшое количество азотистых соединений.

Главнейшей и основною частью клетки является протоплазма, относящаяся к группе белковых веществ, обладающих весьма сложным и трудно поддающимся изучению строением.

Элементный анализ устанавливает следующий состав прото­ плазмы: С — 53%, Н — 7%, О — 22%, N — 13,7% и S — около 1%.

Ядро клетки по своему составу представляет ту же протоплазму, только более уплотненную и с прибавлением небольшого коли­ чества фосфорных соединений. Кроме того, клетки содержат в себе некоторые специализированные скопления белка — пластиды, представляющие собой как бы лабораторию органической химии, в которой происходят выработка и преобразование различного рода органических соединений. К пластидам относятся, напри­ мер, хлорофилловые зерна растений, поглощающих угольную кис­ лоту и обладающих способностью разлагать ее на свету на ее состав­ ные элементы, причем кислород возвращается в воздух, а углерод усваивается и отлагается в растениях в виде углеводов: крахмала, сахара и пр. Усвоение углерода путем расщепления углекислого газа происходит по уравнению:

6С02 + 5Н20 = С6(Н20)5 + 602.

Реакция протекает и с поглощением солнечного тепла. Таким образом, благодаря хлорофиллу при действии солнеч­

ного света происходит передача растению солнечной энергии и накопление е,е в растительном веществе. Сгорание углеродистых соединений возвращает в виде тепла освобожденную солнечную энергию, которая и используется для приведения в действие ма­ шин, превращающих энергию тепловую в механическую.

Процесс сжигания совершается с выделением тепла по урав­ нению:

С6(Н20)6 -{- 602 = 6С02 -j- 6Н20 тепло.

Один грамм тростникового сахара С12(Н20)и , сгорая в угле­ кислоту и воду, выделяет (по Вертело) 3961,7 ккал тепла.

Белковое вещество (протоплазма), изменяясь в силу целого ряда причин, переходит через стадию жиров и жирных кислот

22

в новые органические соединения, известные под именем углеводо­ родов. _

Таким образом, в растительной и животной клетке мы имеем исходный органический материал, который при наличии некото­ рых определенных условий приводит к накоплению двух основных

накоплению и последующему изменению белкового вещества про­ топлазмы низших растений, главным образом водорослей и живот­ ных организмов [6].

Диагенетическое [7J изменение этих веществ в конечном счете ведет к образованию каустобиолитов того или иного типа. В част­ ности, изменение органического материала углеводного типа при­ водит к образованию разного рода ископаемых углей (каменный уголь, бурый уголь и т. д.). Изменение органических остатков угле­ водородного типа приводит к возникновению веществ, известных под именем битумов.

В природе между явлениями двух порядков иногда трудно прове­ сти резкую границу, ибо существуют явления промежуточного ха­ рактера. В данном случае и параллельное накопление органи­ ческого материала углеводного и углеводородного типа и последую­ щее его изменение в известных условиях приводят к образованию веществ промежуточного характера между типичными углями и типичными битумами, например, битуминозных углей, богхэдов и т. д.

Таким образом, в- природе получается сплошной ряд каусто­ биолитов: о т антрацита, представляющего собой крайний член в ряду ископаемых углей, до жидкой нефти и углеводородных газов.

НАКОПЛЕНИЕ В ПРИРОДЕ ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА УГЛЕВОДНОГО И УГЛЕВОДОРОДНОГО ТИПОВ

Теперь остановимся на вопросе, как происходит накопление орга­ нического материала указанных двух основных типов.

Сначала ознакомимся с условиями накопления органического материала углеводного типа, в котором видную роль играют на­ земные растения *.

Растения после своей смерти, как и животные, подвергаются процессу разложения.

1. Если это разложение происходит на земной поверхности при свободном доступе кислорода воздуха и наличии влаги, то органи­ ческое вещество растения нацело превращается в газообразные продукты, поступающие в воздух.

*В данном случае речь идет о гумусовом органическом веществе, о чем ниже

иоообщает сам И. М. Губкин.

23

Этот процесс Г. Потонье называет процессом тления. Оно пред­ ставляет в химическом отношении медленное горение, сопровождаю­ щееся полным окислением. При этом процессе большую роль играют бактерии. В результате этого процесса никаких твердых углероди­ стых соединений не остается.

2. Если разложение растительного материала имеет место при недостаточном доступе воздуха, как пройсходит, например, раз­ ложение корней отмерших растений в почве, оно сводится, сог­ ласно Г. Потонье, к процессу перегнивания, который вследствие не­ достаточного количества кислорода является неполным тлением. В результате этого процесса в остатке образуются продукты, бога­ тые углеродом, состоящие главным образом из соединений угле­ рода, водорода и кислорода, по типу своему напоминающие угле­ воды. Это так называемые гумусовые вещества. Таких веществ скопляется сравнительно немного, и они составляют одну из глав­ ных частей почвы.

3. Если накопление и изменение органического растительного материала углеводного типа происходит под водою при полном отсутствии кислорода воздуха, происходит процесс гниения, ко­ торый Г. Потонье характеризует в химическом отношении как «мед­ ленную перегонку», или восстановительный процесс.

В результате последнего процесса мы имеем под водой образова­ ние и скопление твердых углеродных соединений и выделение над водой газообразного углеводорода — метана. Бурные выделе­ ния последнего с глубин болот являются причиною так называе­ мых болотных извержений. Болотные извержения особенно рас­ пространены в Ирландии — классической стране болот.

Непрерывное накопление растительных остатков на дне болот в конечном счете приводит к образованию торфа.

Окисление органического вещества в торфе может идти лишь за счет кислорода, заключенного в самом органическом веществе. Простой расчет показывает, что этот кислород не в состоянии окислить весь углерод клетчатки, в силу чего процесс сводится к образованию газообразных углеводородных соединений и твер­ дых соединений углерода. При этом чем больше глубина залегания отложившегося вещества, тем богаче оно углеродом. Так, отме­ чено, что в верхних слоях торфяниковая масса бедна свободным углеродом, обнаруживает явно растительное сложение и обладает бурым цветом. Ниже количество углерода возрастает, торф при­ обретает землистый характер и темный цвет, переходя постепенно в бурый уголь или лигнит. Последний в процессе диагенетического изменения и в зависимости от тектоники переходит в камен­ ный уголь и далее в антрацит*. Установлено, что антрацит воз­

*Из этой фразы с несомненностью вытекает, что переход бурого угля в ка­ менный и далее в антрацит И. М. Губкин отпоенл к диагенетичсским про­

цессам (как это делают до сих пор многие зарубежные авторы, особенно ^ американские).

24

ник в тех именно местах, где тектонические процессы имели наи­ большую силу (наблюдение Д. Уайта).

Ниже приводим содержание углерода в торфе (в %) в зависи­ мости от глубины отложения его: у поверхности — 57, на глубине 2,5 м — 62 и на глубине 4,6 м — 64,i.

Конечной ступенью обогащения растительных остатков угле­

Постепенный переход от клетчатки к графиту лучше всего ил­ люстрируется элементным анализом горючих ископаемых (табл. 5), по данным Мука (не принимая в расчет воду и золу).

Теперь посмотрим, в каких условиях накопляется органический материал углеводородного типа *.

Мелкие застойные бассейны являются типичными районами от­ ложения органических материалов углеводородного состава. В ог­ ромных количествах здесь развиваются синезеленые 'водоросли, мелкие членистоногие и другие планктонные организмы. Умирая, последние вместе с пыльцой, со спорами высших растений и неко­ торым количеством принесенного мелкого минерального вещества падают на дно бассейна, образуя мягкий, иногда довольно мощ­ ный слой органического ила, который получил греческое назва­ ние «сапропель», или «гнилой ил» х.

Накопление сапропеля происходит или в прибрежных мелких частях морей (в лагунах, лиманах и т. п.), или же во внутренних застойных бассейнах с пресной или соленой водой, причем в не­ которых случаях, вследствие, например, повышенного содержания солей, развивается в громадных количествах какой-либо один животный или растительный вид. Так, в одном из соленых озер Барабинской степи живет один вид ракообразного Artemia salina, а в оз. Балхаш образуется сапропель, почти сплошь состоящий из телец водоросли РШа. Балхашский сапропель был исследован

25

Н. Д. Зелинским, который путем дистилляции получил из него бен­ зино-керосиноподобные продукты.

Сапропель представляет собой мутную желатинообразную массу, при затвердевании приобретающую тонкослоистое листоватое строе­ ние. Сапропель обладает восстанавливающей способностью. В при­ сутствии серной кислоты или ее солей в нем образуются сернистые соединения (сероводород, сернистые металлы и др.), из которых коллоидальный мельниковит (FeS) придает сапропелю сине­ черный цвет.

Кроме того, сапропель имеет еще следующие отличительные особенности: 1) при сухой перегонке ондает до 25% по весу жирных, похожих на нефть масел, 2) характеризуется бесцветной щелочной (аммиак) вытяжкой и, наконец, 3) богат золой, так как органиче­ ского вещества в нем не более 67%.

В верхних слоях содержание воды доходит до 80—95%, что при­ дает сапропелю характер эмульсии.

Торф сравнительно беден золой (в среднем 6—10%) и в проти­ воположность сапропелю при сухой перегонке дает ничтожное количество жирных масел и кислую бурую вытяжку (уксусную кислоту).

Отложение сапропеля происходило как в прежние геологические эпохи, так происходит и теперь. Примерами современного отложе­ ния сапропеля могут служить многочисленные озера верховьев Волги (Белое и Селигер), в которых сапропель местами лежит на дне массой, доходящей до 9 м толщины.

Уплотненный, перешедший в твердую породу сапропель носит название сапропелита. Он составляет основную массу так называ­ емых горючих сланцев. На Волге близ Ульяновска и в Сызранском районе встречаются горючие сланцы юрского возраста, пред­ ставляющие собой отложения сапропеля, принявшего в процессе диагенезиса характер твердой породы. Следовательно, уже в юр­ ском периоде происходило накопление органического вещества, которое послужило впоследствии материалом для образования го­ рючих сланцев.

Примером еще более древних сланцев могут служить так на­ зываемые кукерские сланцы, или кукерситы, развитые в 120— 130 км к западу от Ленинграда в районах Веймарна, или гдовские сланцы, представляющие собой породу коричневого цвета. Свое название первые из них получили по имени сел. Кукерс в смежной части Эстонии, куда переходит веймарнская сланцевая полоса. Если эти сланцы развести в воде или в хлоралгидрате, то под мик­ роскопом можно видеть, что эта порода почти сплошь состоит из водорослей (Botriococcus B r o u n i ) .

Кукерские сланцы по возрасту относятся к нижнему силуру *, т. е. к низам палеозойских отложений — наиболее древних оса­

* По современному стратиграфическому делению кукерситы относятся к среднему ордовику.

26

дочных образований земной коры. Сапропель в них только уплот­ нился, но остался по существу неизмененным.

Кроме сапропелей, богатых органическим веществом, встре­ чаются образования сапропелевого характера, содержащие сравни­ тельно небольшие его количества. Примером их служат терригенные глинистые образования типа отложений майкопской свиты, развитой по всему северному склону Кавказа от Керчи до Бакин­ ского района и по всему Закавказью. Майкопская свита лежит в ос­ новании геологических образований, слагающих нефтяные место­ рождения Грозненского, Майкопского, Керченского, Таманского и других районов Кавказа. Выше майкопской свиты в чокракскоспириалисовой толще, входящей в состав Грозненских нефтяных месторождений, лежат такие же сапропелевые образования, бед­ ные органическим веществом.

Кроме таких бедных сапропелевых отложений, образовавшихся из разнородных органически^ остатков, иногда встречаются обра­ зования другого типа, представляющие собой специальные скоп­ ления организмов одного вида, как, например, отложения фораминиферовых и диатомовых слоев. Так, в Бакинском районе в ос­ новании продуктивной толщи лежат колоссальной мощности свиты диатомовых сланцев. Мощность их превышает 400 м. У диатомей органическое вещество находится в коробочке из кремнезема; при отмирании коробочки падают на дно и содержащееся в них органическое вещество подвергается разложению в условиях отсутствия доступа воздуха. Диатомовые скопления встречаются не только в Бакинском районе, но и в Калифорнии, где они изве­ стны под именем свиты Монтерэй.

Есть основания предполагать, что. диатомовые отложения ба­ кинской и калифорнийской нефтеносных областей послужили ис­ ходным материалом для образования в этих областях колоссальных залежей нефти.

Кроме илов, состоящих из фораминифер и диатомей, встре­ чаются илы, содержащие, остатки радиолярий, птеропод (Spirialis) и др.

Спириалисы (вместе с фораминиферами и диатомеями) послу­ жили исходным материалом при образовании битуминозных по­ род. Колоссальные спириалисовьте отложения лежат в пределах Северного Кавказа и на Апшеронском полуострове.

В некоторых водоемах происходит накопление смешанного материала сапропелевого и гумусового характера. Так, сапропель иногда начинает отлагаться на дне озер с чистой проточной водой, в которой живут водоросли. Процесс кончается зарастанием озера и превращением его в моховое болото. Следствием всего этого яв­ ляется отложение торфа на сапропелевом основании, т. е. совмест­ ное отложение торфа и сапропеля. В процессе диагенетического изменения подобных отложений смешанного состава получается новая форма образований, известных под названием битуминозных углей (кеннельский уголь, богхэды и т. д.).

27