Тема 16. Проблема происхождения нефти

ВВЕДЕНИЕ

В глубокой древности было известно существовании нефти. Знали и слово «нефть». Еще древние греческие летописцы Геродот и Плиний это горючее вещество, использовавшееся, и как цемент называли «нафта». За 6-4 тысяч лет до нашей эры на берегу реки Евфрат (Ирак) велась добыча нефти. К далекому прошлому относятся первые сведения о нефти в Средней Азии. О добыче «черного масла» в Ферганской впадине было известно еще во время похода Александра Великого через Среднюю Азию в Индию. Во время путешествия Колумба в Америку было описано озеро на острове Тринидад, в котором жители собирали асфальт, а из него готовили цемент. В Северной Америке примитивная добыча нефти велась с XVII века. В России в начала XVIII века Петр 1 приказал добывать нефть на Апшеронском полуострове (Азербайджан). Однако намерение Петра 1 не было осуществлено. Только после Бакинского ханства к России, началась кустарная разработка нефтяных источников. Нефть была довольно дорогим товаром. К примеру, в торговой книге, составленной в Москве в 1575-1610 гг., указано,что ведро нефти стоило 3-4 раза дороже, чем ведро вина.

Хотя о нефти знали давно, использование ее в течение многих веков было ограниченным. Так, в III тысячелетии до н. э. в Египте, асфальт, как связующие и водонепроницаемое вещество вместе с песком и известью, использовался для изготовления мастики, применяемой при сооружении строений из кирпича и камня, дамб, причалов и дорог. Древние египтяне применяли ее также для бальзамирования трупов, древние греки находили применение горящей нефти в военных целях, как воспламеняющегося вещества вместе с селитрой, серой и смолой для изготовления «огненных стрел» и «огненных горшков». В военных действиях нефть - «греческий огонь» - использовался более 2 тысяч лет назад.

Многие народы использовали нефть в медицине, а также для защиты садов и виноградников от вредителей. Еще в XIII веке Марко Поло, описывая иракскую нефть, указывал, что она применялась для освещения и в качестве лекарства от кожных болезней. В XVI-XVII вв.

вцентральные районы России нефть привозили из Баку. Ее применяли в медицине, живописи и в качестве растворителя для красок, а также

ввоенном деле.

Почти до начала XX века нефть употреблялась преимущественно для освещения помещений, смазки колес телег и в немногочисленных механизмах. Постепенно усиливалось ее значение, как топлива. Нефть – «кровь» земли, Нефть – «черное золото». Так ныне называют нефть. И в этом нет ни какого преувеличения. Нефть самое ценное топливо в мире.

Основным сырьём для производства органических соединений служит в большинстве случаев нефть. Химической обработкой этого сырья занимается самостоятельная отрасль химической промышленности - нефтехимия. Постоянно вырастающая роль синтетических

1

органических соединений в жизни современного общества вызывает потребность в создании промышленного производства органических материалов, способного производить эти соединения быстро, дешево и в достаточном количестве.

Для такого производства необходимы доступные, дешевые и широко распространенные в природе источники сырья, из которого можно было бы получить необходимые соединения сравнительно простыми методами. С течением времени выяснилось, что этим требованиям удовлетворяют 3 ископаемых источника сырья, а именно: каменный уголь, природный газ и нефть. Первое сырье для производства органических материалов было получено из каменного угля. Так продолжалось некоторое время, но с течением времени постоянно возрастало значение природного газа и нефти, как источников химического сырья. Поэтому все шире разрабатывались и усовершенствовались соответствующие химические процессы. В настоящее время из нефти получают свыше 90% всех синтезируемых органических соединений. Нефть - самый важный источник сырья для производства органических соединений.

1.ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ И ПРИРОДНОГО ГОРЮЧЕГО ГАЗА

Нефть и её производные используются людьми в течение многих тысяч лет, а представления о происхождении нефти развиваются два тысячелетия, беря начало от умозрительных версий античных ученых Витрувия и Страбона.

В первой половине 18 века появилась гипотеза об органическом происхождении нефти. Впервые её высказал М.В. Ломоносов в работе «О слоях земных» (1733), а затем - немецкий ученый И. Генкель и французский ученый Б. де Молье. М.В. Ломоносов за исходное вещество нефти принимал каменный уголь, а И. Генкель и Б. де Молье - погребённые остатки растений и животных. В начале XIX века немецкий ученый А. Гумбольт предложил первую гипотезу о глубинном неорганическом происхождении нефти. Таким образом, к концу XIX века чётко сформировалось два подхода к решению данной проблемы: органический и неорганический, которые уже тогда имели различные варианты.

Интенсивное развитие нефтяной промышленности в первой половине ХХ века показало, что проблема происхождения нефти имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Знание геологических и геохимических условий образования нефти и газа необходимо для определения перспективно нефтегазоносных территорий и комплексов пород. Оно также необходимо для оценки ресурсов нефти и газа на Земле и обоснования методологии и методики поисков месторождений углеводородного сырья.

Сложность проблемы происхождения нефти и газа связана и с их специфическим свойством – способностью мигрировать в земной коре вместе с пластовыми водами. О месте рождения нефти и газа можно судить только по косвенным признакам. На этом основании А.А. Бакиров и его последователи совершенно справедливо называют выявленные месторождения УВ местоскоплениями. Подводя итоги

2

разработки проблемы происхождения нефти и газа Ю.И. Пиковский отметил, что весь ХХ век геологи вели интенсивные исследования в этой области, но в конце нашего столетия, как и на его пороге, существуют две различные концепции – органическая и неорганическая. При этом сторонники этих концепций убеждены в том, что проблема решена однозначно.

2.ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА

2.1Гипотезы неорганического происхождения нефти

Возможность образования УВ путём минерального синтеза доказал впервые французский химик М. Бертело. В 1860 году он синтезировал ацетилен (С2Н2) путём реакций щелочных металлов с углекислотой и водой. Лабораторные исследования в этом направлении проводили в это же время А. Биассон (1866) и С. Клоэц (1878).

В 1877 году Д.И. Менделеев предложил «карбидную гипотезу», которая стала широко известной. По его мнению, вода проникает глубоко в недра по разломам и вступает в реакцию с карбидом железа.

При этом образуются предельные и непредельные углеводороды по схеме: 2FeC + 3H2O = Fe2O3 + C2H6, которые также по разломам поднимаются в породы-коллекторы. Свои предположения Д.И. Менделеев обосновал лабораторными исследованиями. При взаимодействии карбидов металлов с водой в опытах наблюдалось образование жидких углеводородов.

В1889 году В.Д. Соколов разработал космический вариант неорганической гипотезы. На основании установленного им факта присутствия УВ в метеоритах и хвостах комет В.Д. Соколов предположил возможность их поглощения магмой во время образования Земли,

авпоследствии, при её охлаждении, УВ по зонам разломов проникли в стратисферу. Таким образом, нефть по этой гипотезе является продуктом превращения первичных УВ космоса, попавших на Землю вместе с другой космической материей.

Ю. Кост и Э. Штеберг предложили вулканический вариант гипотезы образования нефти, по которому УВ образуются в магме и затем поднимаются по разломам в верхние горизонты земной коры.

В30-х годах ХХ века эти гипотезы подверглись значительной критике со стороны академика И.М. Губкина – основоположника теории органического происхождения нефти. Однако он допускал, что «небольшие, не имеющие практического значения скопления нефти могли иметь и неорганическое происхождение, возникая в результате небольших выделений её из магмы».

Всередине ХХ века были получены убедительные геологические и геохимические доказательства органического происхождения нефти, которые хорошо объясняли формирование подавляющего большинства нефтяных месторождений Земли. Однако, к этому же времени

3

Представления о неорганическом синтезе УВ развивали во второй половине ХХ века многие ученые России и Украины: Г.Е. Бойко, К.Н. Волоссович, И.В. Гринберг, Г.Н. Доленко, Л.Н. Капченко, В.В. Колодий, А.И. Кравцов, В.Ф. Линецкий, И.А. Петерсилье, Ю.Ф. Степаник, Э.Б. Чекалюк и другие. При этом были получены лабораторные данные о том, что метан может полимеризоваться в тяжелые УВ при каталитическом воздействии силикатов, окислов железа и никеля, которые содержатся в горных породах. Эти же данные показали, что синтез УВ возможен из оксида и диоксида углерода и водорода в различных условиях в присутствии пород катализаторов по следующим реакциям:

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О, СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О,

2СО2 + 3Н2О + FeО = С2Н6 + 7Fе2О3.

Бурение глубоких и сверхглубоких скважин, в частности Тюменской дают основание предполагать глубинные эманации (истечения) метана в осадочный чехол (Т.В. Белоконь,1998).

Основные факты, подтверждающие возможность неорганического синтеза УВ по мнению сторонников этой концепции следующие (по Н.С. Бескровному):

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

2.Результаты термодинамических исследований, указывающие на возможность существования метана в условиях мантии Земли при температурах до 13001500 0С и низкой летучести кислорода.

3.Наличие углеродистых соединений, а также водорода, оксида углерода, спиртов, метана и некоторых, более сложных УВ в продуктах магматизма мантийного происхождения, продуктах дифференциации и горячей дегазации мантии, а также в гидротермальных системах современного и древнего вулканизма.

4.Существование углеводородной дегазации вещества мантии, проявляющейся в «холодных» немагматических условиях, например водородная и метанововодородная дегазация в сквозных проницаемых зонах типа сейсмоактивного глубинного сбросо-сдвига Сан-Андреас в Калифорнии.

5

5.Наличие запасов и ресурсов нефти и газа в осадочно-породных бассейнах,имеющих генетическую связь с грабенами, глубинными разломами и глубокопогруженными краями литосферных плит, которые ограничены сейсмоактивными геодинамическими поясами.

6.Существование парагенезиса эндогенной средне- и низкотемпературной рудной минерализации (полиметаллов, ртути, урана и других) с непромышленными проявлениями УВ на складчатой периферии бассейнов, а также повышенное содержание металлов в скоплениях нефти, залегающих внутри осадочных бассейнов.

7.Распространение нефти и газа по разрезу нефтегазоносных регионов до фундамента включительно (закономерность Н.А.

Кудрявцева).

8.Молодой неогеново-четвертичный возраст залежей природного газа и преимущественно кайнозойский возраст залежей нефти древних платформ, не согласующийся с возрастом вмещающих пород и другие.

2.2Развитие теории органического происхождения нефти и газа

По существу, основные положения теории биоорганического происхождения нефти предсказал М.В. Ломоносов (1733) в своей гипотезе образования нефти из ОВ при воздействии на него высокой температуры и последующей миграции и аккумуляции нефти в пористой среде. Только за источник нефтеобразования было принято не рассеянное, а концентрированное ОВ – ископаемые угли. Однако позже было установлено, что угленосные толщи генерируют горючие газы, а в некоторых случаях они могут выполнять роль и нефтематеринских пород. Близких взглядов на происхождение нефти придерживались в то время Ж. Бюффон, Дж. Геттон, а в ХIХ веке – Ч. Лайель, Г. Абих и Д. Ньюбери.

Отдельные аспекты современной теории биоорганического происхождения нефти и газа были разработаны трудами учёных в конце XIX - начале ХХ столетия. Среди отечественных учёных того времени выделяются работы Н.И. Андрусова, А.Д. Архангельского, В.И. Вернадского, И.М. Губкина, Н.Д. Зелинского, К.П. Калицкого, Г.П. Михайловского, а среди зарубежных учёных – работы Э. Блюмера, Ф. Ван-Тайла, Г. Гефера, П. Мразека, Г. Потонье, П. Траска, Д. Ханта, К. Энглера, Д. Уайта и других.

6

Всередине XIX века произошло зарождение геохимии нефти и газа. Исследования английского химика Ч. Гатчетта показали сходство элементного состава природных битумов и растительных масел, смол и животных жиров, а также - уменьшение содержание водорода в ряду природных битумов от жидких к твёрдым.

В1863 году американский исследователь Винчел ввёл в научную литературу понятие о нефтематеринских свитах осадочных пород как месте рождения нефти. Позже оно стало одним из ключевых в биоорганической теории образования нефти и газа.

С момента появления органической концепции до 30-х годов ХХ века её представители активно искали исходное нефтепроизводящее или нефтематеринское ОВ: М.В. Ломоносов принимал за него уголь, К. Энглер и Г. Гефер – останки рыб, рептилий и прочего ОВ, Г. Потонье, затем Г.Л. Стадников - сапропелиты, Г.П. Михайловский – рассеянное органическое вещество, К.П. Калицкий – морские водоросли зоостера в местах их обильного развития. Важными положениями для развития представлений о происхождении нефти, а также о механизме формирования её скоплений были предположения М.В. Ломоносова и Г. Абиха о вторичной природе нефти в залежах, а также выводы Г. Абиха о приуроченности скоплений нефти и газа Апшеронского полуострова к антиклиналям. Таким образом, параллельно с вопросом о происхождении нефти формировались представления её миграции от мест генерации к областям аккумуляции (накопления), то есть формирования скоплений нефти. Вопросу миграции УВ уделил внимание и Д.И. Менделеев в своей карбидной гипотезе.

Ближе всех к решению проблемы нефтегазообразования подошёл в начале ХХ века Г.П. Михайловский. В 1906 году он сформулировал основные научные положения гипотезы органического происхождения нефти. По его предположениям исходным веществом для её образования является рассеянное ОВ смешанного растительного и животного происхождения, захоронённое в глинистых морских осадках. В процессе погружения осадков ОВ битуминизируется, сначала под действием микроорганизмов, а затем – повышенной температуры и давления и образуется нефть. Складкообразующие процессы способствует перемещению УВ из глинистых отложений в песчаные породы–коллекторы.

Интенсивно развивалось в первые десятилетия ХХ века учение о нефтематеринских или нефтепроизводящих свитах. Этой проблеме были посвящены в 30-х годах работы Н.И. Андрусова, А.Д. Архангельского, И.М. Губкина, Г.П. Михайловского в России; Ф. Траска и П. Патнода в США. Всё большее признание получала в это время сапропелевая гипотеза нефтегазообразования, основанная на представлениях Г. Потонье. При этом допускалось, что нефтематеринскими породами могут быть породы, обогащённые рассеянным ОВ, преимущественно сапропелевого типа.

7

Большое значение для развития органической гипотезы имели предположения Д. Уайта (1915) о зависимости нефтегазообразования от степени метаморфизма осадочных пород. Степень их метаморфизма он определял по углеродному коэффициенту (процентному содержанию углерода) ископаемых углей. Таким образом, была предсказана смена состава и фазового состояния УВ с глубиной. Важную роль в формировании теории биоорганического происхождения УВ сыграли труды В.И. Вернадского – основоположника геохимии и в том числе основ биогеохимии нефти. В 1934 году он разработал геохимическую систему взаимодействия углерода с живым веществом биосферы, назвав её жизненным циклом углерода.

Биоорганическая концепция, как стройная теория нефтегазообразования, была сформулирована И.М. Губкиным в его работе «Учение о нефти» (1932), где он критически рассмотрел различные гипотезы и все, имеющиеся к тому времени факты. И.М. Губкин показал, что процесс нефте- и газообразования развивается периодично, стадийно, длительно и непрерывно, имеет региональный характер и прямо связан с тектогенезом и литогенезом Земли.

В 1948 году появилась работа В.А. Соколова «Очерки генезиса нефти», где впервые были обобщены и проанализированы все имеющиеся к тому времени данные по геохимии ОВ пород, и был обосновано показан процесс образования нефти и газа в осадочных породах. Развивая идею Д. Уайта, В.А. Соколов впервые привёл схему вертикальной зональности нефтегазообразвания и нефтегазонакопления. В разрезе осадочного чехла Земли он выделил несколько геохимических зон, в которых интенсивность и направленность процессов образования УВ сильно меняется, в зависимости от изменения геохимических и термобарических условий. В более поздних работах В.А. Соколова и его многочисленных последователей в России и за рубежом схема вертикальной зональности нефтегазообразования уточнялась, совершенствовалась, а затем добавилась положениями о главных фазах и зонах нефте- и газообразования. В результате она стала одним из важнейших положений современной теории органического происхождения нефти и газа.

Исследования российских и зарубежных учёных второй половины ХХ века А.А. Ализаде, А.А. Бакирова, Н.Б. Вассоевича, Д. Вельте, А. Леворсена, В. Линка, М.Ф. Мирчинка, С.Г. Неручева, А.Н. Резникова, Б.А. Соколова, Б. Тиссо, А.А. Трофимука, В.А. Успенской, Дж. Ханта и многих других были направлены на изучение геологических и геохимических условий образования нефте- и газопроизводящих пород, физико-химических процессов преобразования ОВ в углеводороды, эмиграции УВ в коллекторы и дальнейшей их миграции и аккумуляции. Изучались также геологические условия размещения скоплений нефти, газа и конденсата в земной коре, выявлялась роль флюидодинамики в формировании скоплений нефти и газа и в формировании их состава, классифицировались осадочно-породные бассейны по особенностям их развития и формирования потенциальной нефтегазоносности.

8

2.3Основные положения и факты органической теории происхождения нефти и газа

Воснове современной теории органического или осадочно-миграционного происхождения нефти и газа лежат научные данные о синтезе УВ из биогенного ОВ. Этот процесс рассматривается как стадийный и сводится к следующим основным положениям.

1.Накопление первичного ОВ в водной среде с застойным гидрологическим режимом в анаэробных геохимических условиях на фоне относительно устойчивого и длительного погружения бассейна седиментации. В основном это остатки фито- и зоопланктона, бентоса,

атакже остатки растительности, вынесенные с континентов в акватории.

2.Биохимическая трансформация ОВ, заключенного в осадке. Органическое вещество преобразуется в восстановительных геохимических условиях на диагенетической стадии литогенеза и образует большое количество газа, в основном диоксида углерода, метана и азота. Часть промежуточных продуктов разложения ОВ синтезируется в новые органические вещества: битумоиды, фульвовые, гуминовые и сапропелевые кислоты, которые отсутствуют в составе живых организмов. В конце протокатагенеза (ПК3) высокомолекулярные органические кислоты переходят в нерастворимую форму ОВ - кероген. В небольшом количестве образуются тяжёлые УВ. Таким образом, формируются нефтегазоматеринские породы. Обычно - это глинистые и карбонатные отложения, содержащие от 0,1-0,5 до 5 % и более преобразованного ОВ.

3.Термокаталитическое преобразование ОВ нефтегазоматеринских пород на катагенетической стадии литогенеза при температурах от 60 до 170-180 0С, в результате которого образуются нефть и горючие газы, а затем, в более жестких термобарических условиях при температурах от 180-200 до 250 0С, образуются только газы.

4.Эмиграция УВ из нефтегазопроизводящих пород в природные резервуары, которые состоят из пород различного состава, обладающих повышенными ёмкостно-фильтрационными свойствами, и экранированы породами-флюидоупорами.

5.Миграция нефти и газа в природных резервуарах в различных формах (свободной, водорастворённой, газоконденсатной) до ловушек, которыми являются части природных резервуаров, где движение флюидов сильно затруднено или невозможно.

6.Аккумуляция (накопление) УВ в ловушках и образование их залежей.

7.Переформирование и разрушение залежей УВ. Эти процессы происходят в результате различных изменений условий залегания нефти и газа: тектонических, термобарических, геохимических и гидрогеологических. При разрушении залежей УВ элементарный цикл нефтегазообразования и нефтегазонакопления в данном конкретном регионе завершается.

Основные геологические и геохимические факты, подтверждающие органическую теорию нефтегазообразования:

9