1.3 Общие сведения об осадочно-миграционной теории органического происхождения ув и образования месторождений нефти и природного газа. Понятие о геологических ловушках для ув, типы ловушек.

Проблема происхождения углеводородов имеет два направления: неорганическое и органическое. Впервые идею глубинного происхождения нефти высказал А. Гумбольт. Д.И.Менделеев при взаимодействии воды с карбидами металлов получил углеводороды (1877). Гипотеза органического происхождения нефти была предложена М.В.Ломоносовым (1757). Нефть образовывалась из органического вещества под действием температуры и давления.

Баталии о происхождении углеводородов до настоящего времени не утихают. Каждая из сторон приводит «неопровержимые» доказательства конкретно защищаемой ими гипотезы, но другая сторона так же «убедительно» привлекает эти же «неопровержимые» доказательства для обоснования своей гипотезы. Для обоснования той и другой гипотезы нужна пористая среда для движения углеводородов и создания мест их накопления в виде залежей. Нефть не несет на себе явных следов условий происхождения; подвижность нефти и газа позволяет предполагать формирование залежей в процессе миграции за счет проникновения их из слоев, характеризую­щихся существенно иными геологическими особенностями, чем те, в кото­рых обнаруживаются залежи.

Преимуществом сторонников органического происхождения нефти являются подавляющее количество месторождений найденных в осадочном комплексе. Во многом это преимущество обусловлено тем, что бурение крайне редко достигает глубин свыше 5 км. Специальные работы не проводились для поисков углеводородов в зонах совершенного отсутствия осадочных толщ и обнаружения путей подхода углеводородов из глубинных недр.

В гипотезе органического происхождения углеводородов, предполагается, что они образованы из органической биомассы (водоросли, бактерии) скапливающейся в процессе осадконакопления в морских бассейнах. Пласты отложившихся осадков перекрываются новыми и часто непроницаемыми для жидкостей и газов, погружаются, подвергаются процессам метаморфизации. Разными исследователями приписывается главенствующая роль того или иного фактора обеспечивающего превращение органического вещества в нефть. Это температура, давление, радиоактивное облучение, микросейсмичность, катализаторы, микробиологические процессы. Образованные углеводородные микрокапли водами переносятся и скапливаются в ловушках. Пласты осадочной породы, в которой находилась биомасса, носят название нефтематеринских. По объему горных пород осадочного пласта ограниченного водоупорами и возможному процентному содержанию в них биомассы можно оценить объем возможного производства углеводородов. Гипотеза органического происхождения нефти по-прежнему является основной. К осадочным отложениям. приурочено 99,9% известных месторождений нефти.

Одно из возражений этой гипотезе: Объем накапливающейся органики существенно ограничен и до перекрытия горизонта непроницаемой оболочкой и создания условий превращения органики в углеводороды проходили миллионы лет, на протяжении которых отложенные органические вещества, трансформируясь, вымывались бы в водоем, в котором они находились.

Гипотезы неорганического происхождения нефти можно разделить на две группы.

Взгляды первой группы исследователей излагаются Н. А. Кудрявцевым (1954). По его предположению из углерода и водорода, имеющихся в магме, образуются углеводородные радикалы СН, СН_{2 ,} СН₃, которые, как и свободный водород, выделяются из магмы или подкорового вещества и служат материалом для образования нефти в более холодных зонах земной коры. Глубинные разломы служат путями для подъема из мантии Земли в осадочную оболочку не только нефти, но и различных газов и паров, из которых по мере перемещения их в зоны с невысокой температурой образуются ювенильные воды, в той или иной степени насыщенные солями.

Вторая группа исследователей предполагает, что сложные углеводороды, попавшие из космоса в недра земли, претерпевают химические преобразования, превращающие их в нефть, которая в дальнейшем поднимается к поверхности и образует залежи в земной коре. Так. В. Б. Порфирьев (1966) пишет: «Нефть поступала с глубины не в форме углеводородных радикалов и низкомолекулярных соединений, а со всеми свойствами, присущими естественной нефти в отношении высокомолекулярных соединений и асфальтово-смолистого комплекса. Флюиды поднимались в высоко нагретом состоянии и под колоссальным давлением, обусловливающим эффект, аналогичный гидравлическому разрыву пластов и проникновению в пористые пласты, занятые водой.»

С позиций вышеизложенного конкретизируем некоторые факты в пользу неорганической гипотезы происхождения углеводородов:

Профессор Н. Кудрявцев писал: «Важнейшая из закономерностей состоит в том, что во всех без исключения нефтеносных районах, где нефть или газ имеются в каком-либо горизонте разреза, в том или ином количестве они найдутся и во всех ниже­лежащих горизонтах (хотя бы в виде следов миграции по трещинам). Это положение совершенно не зависит от состава пород, условий образования и содержания в них органического вещества. В горизонтах, где имеются хорошие коллекторы и ловушки, возникают промышленные залежи». Правило Кудрявцева подтверждают изученные месторождения Волго-Уральской области. Там основные залежи нефти распространены на площади, не совпадающей со слоями, богатыми органическим веществом. Напротив, залежи обнаруживают связь с глубинными разломами. На С-Американской платформе известны нефтяные скопления, расположенные внутри горизонтов, почти не содержащих органики.

Все крупные залежи углеводородов располагаются в зоне влияния глубинных разломов, уходящих в мантию. Залежи вытягиваются субпараллельно протяженности разломов. Все нефтеносные бассейны характеризуются повышенной плотностью теплового потока вне зависимости от времени формирования нефтегазоносных толщ. Такая закономерность обусловлена подтоком глубинных флюидов, что связано с геопроцессами происходящими в мантийных зонах. Неопровержимо доказано, что из глубин мантии в земную кору поступают многочисленные газы в том числе и углеводородные.

Осадочная толща океанической земной коры содержит огромные запасы газогидратов, образовавшихся из поступающих из глубин газов. Глобальные ресурсы газогидратов оцениваются в 2-10¹⁶ м³. Удельная плотность газогидратов в гидратоносных акваториях не уступает средней плотности запасов газа в газовых месторождениях. Они приурочены к приповерхностным рыхлым отложениям, над которыми отсутствуют покрышки. Скопления газогидратов часто формируются в пределах участков океанического дна, где толщина осадочного чехла не превышает одного км, а глубина океана достигает 5500 м, т.е. отсутствуют необходимые условия для генерации газа с позиций органической теории нефтегазообразования. Изотопно-геохимические признаки газогидратов свидетельствуют об их глубинном генезисе. (А. Дмитриевский, Б. Валяев).

По мере выработки месторождений, нефть в них не кончается. На позднем этапе разработки, когда запасы нефти в ловушках месторождений практически исчерпаны, добыча нефти продолжалась. На некоторых мелких по запасам месторождениях Северного Кавказа, Азербайджана, Средней Азии и других регионов добыча производится с конца XIX в. до настоящего времени. В других регионах крупные месторождения (Ромашкинское) разрабатывались весьма интенсивно на протяжении более полувека, в результате чего их извлекаемые запасы практически выработаны а суммарные объемы накопленной добычи, зачастую превышают объемы извлекаемых запасов нефти. Однако добыча на этих месторождениях продолжается, а ее годовые уровни колеблются от 3 до 20 % максимального (рис.1.2.).

Рис.1.2. Схема выработки нефтяных месторождений

Под крупными нефтяными залежами, по данным сейсморазведки, наблюдаются динамические аномалии, представляющие собой сужающиеся вниз зоны развития трещиноватых, нарушенных пород.

На действующих рудниках золоторудного месторождения Витватерсранд в Южной Африке годичное поступление газа на глубине 3000 м составляет более 500 млн.м³.

В Кольской сверхглубокой скважине на глубинах 5000-9500 м обнаружены газы (гелий, водород, азот и метан) и сильно минерализованные воды, насыщенные бромом, йодом и тяжелыми металлами. Воды и газы циркулируют в мощных зонах тектонических нарушений.

По соседству с нефтью фиксируется присутствие гелия — газа, который мог оказаться рядом, только поднявшись с больших глубин. Например, месторождение Хыоготон-Панхэндл в США содержит кроме нефти и газа, еще 10 млн. м³ гелия.

В зонах глубинных разломов Байкальского рифта происходит разгрузка подземных вод, сопровождаемая дегазацией. Выделение свободного газа наблюдается по всей площади впадины, включая дно озера. Суммарный объем выделяющихся в атмосферу УВ газов только в пределах дельты р.Селенги около 20 млн м³ в год. (В. Исаев).

Установлены мощные потоки метана со дна Черного моря. Его выходы фиксируются на эхограммах и прослеживаются по всему периметру моря до глубин 650 м. Существование сотни подобных факелов в Черном море позволяет оценить суточный суммарный объем дегазации в миллионах кубических метров (В. Сазанский).

Легкий изо­топный состав углерода не является доказательством его биогенного происхождения. Средние значения изотопного состава углерода нефтей обычно не зави­сят от возраста вмещающих отложений, а также от глубины залегания предполагаемых "нефтематеринских толщ" и самих залежей.

На планетах Солнечной системы обнаружен метан. Углерод в виде высокомолекулярного углистого вещества выявлен во всех видах метеоритов, но наибольшее его содержание (до 2,5 %) установлено в группе углистых хондритов. В них обнаружены ароматические и парафиновые УВ, жирные кислоты, углеводы и аминокислоты. Возраст углистых метеоритов 1,9-3,4 млрд. лет. В космическом про­странстве широко распространены различные абиогенные углеродистые соединения ранних этапов формирования Вселенной. Атмосфера Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна содержит большое количество соединений углерода и водорода.

Таким образом, абиогенные УВ имеются на родственных Земле безжизненных планетах Солнечной системы.

Из 250 промышленно нефтегазоносных бассейнов, известных в настоящее время, в 55 из них открыты залежи углеводородов, связанные с кристаллическим фундаментом. По данным В.А. Краюшкина запасы 39 гигантских нефтяных и газовых аккумуляций частично или полностью залегают в кристаллическом фундаменте.

Чем больше открывается месторождений нефти и газа, чем большие глубины земной коры исследуются, тем больше вскрывается фактов подтверждающих неорганическое происхождение нефти и газа. Неорганическая теория происхождения нефти снимает запрет на разведку углеводородов ниже глубин в 5-6 км. Она требует применения новых подходов к планированию поисков нефти и газа. На глубинах 5000-8000 м разрабатывается уже более тысячи месторождений с суммарными запасами более 5 млрд т нефти и 17 трлн м³ газа.

Рис.1.3. Промышленные залежи нефти в гранитах

Геологический разрез нефтяного месторождения Оймаша (Мангышлак). Нефтеносными оказались граниты (рис.1.3.). В скважине 12 фонтанный дебит составляет 240 м³/сутки нефти и 22 тыс. м³/сутки газа. По геологическому строению подток нефтегазовой смеси сбоку и сверху из осадочной толщи невозможен. Подток флюидов возможен только по тектоническим разломам

В Африке месторождение Ауджила-Нафора-Амаль – единое гигантское месторождение с преимущественным залеганием нефти в породах кристаллического фундамента, ниже кровли фундамента на 450 метров. Протяженность месторождения – 40 км.

Месторождение Хьюготон-Панхендл (Канада) длиной 490 км и шириной 13-91 км нефтегазоносны пермь, карбон и кристаллический фундамент. Извлекаемые запасы 223 млн т нефти и 2 трлн м³ газа. Скопления нефти во всех породах гидродинамически связаны. Природный газ месторождения содержит гелий и радон.

К происхождению углеводородов. Обе гипотезы органического и неорганического происхождения углеводородов основываются на поисках ловушек углеводородов, которые могут быть как в осадочных, так и в пористых магматических и метаморфических породах.

Проблема происхождения углеводородов является одной из сложных и до конца не решенных в геологических науках.

Основные нефтегазоносные провинции приурочены к окраинам платформ, их границам с орогенными сооружениями. В нефтях и попутных водах месторождений содержатся повышенные значения таких элементов как гелий, сера, свинец, ртуть и других, имеющих явно глубинный генезис. Это свидетельствует о совместной миграции углеводородов и указанных элементов по одним и тем же путям.

Сложные органические соединения возникли еще в космических условиях после завершения конденсации вещества Земли, Об этом свидетельствует органическое вещество в древних углистых хондритах. Это вещество представлено углеводородами, аминокислотами, ароматическими соединениями и другими веществами. Эти соединения возникли в метеоритном веществе из простых неорганических соединений в результате радиохими­ческих реакций, связанных с облучением ультрафиолетовыми лучами, космической радиацией, радиоактивным излучением ма­териала метеоритов. Следует обратить внимание на то важное обстоятельство, что жи­вое вещество нашей планеты по своему атомарному составу (если исключить Не) несравненно ближе к химическому составу Космоса, чем все остальные ее части. При охлаждении первичной газовой ту­манности возникновение первичных соединений из ее главных компо­нентов Н, С, О, N - было совершенно неизбежным процессом.

При температуре свыше 1000 ^оК в первичной солнечной туманности преобладающим соединением углерода была его окись СО, а при даль­нейшем охлаждении графит. При понижении температур значитель­ные количества СО превращаются в углеводороды, преимущественно в метан. Однако реакции этого типа протекают очень медленно. Предполагают, что ранее сконденси­ровавшиеся частицы железа и никеля явились катализаторами, уско­рившими реакции типа Фишера — Тропша:

20 СО + 41Н₂ = С₂₀Н₄₂ + 20Н₂О ;

пСО + (2п + 1) Н₂ = С_пН_2п+2 + пН₂0

Таким образом, в охлаждающейся солнечной туманности возникли сложные углеводороды.

Излияния базальтов неизбежно привносили в результате дегазации на поверхность Земли в среднем до 7% (от излившейся массы) ювенильной воды и поступали газы: СН₄, СО, СО₂, NH₃, S, H₂S, Н₃ВО₃, НС1, HF, HBr, Н₂ и, вероятно, Se, Те, As. Газы составили первоначальную атмосферу нашей планеты. Между газами согласно законам термодинамического равновесия про­исходили химические реакции, которые и привели к образованию органических соединений.

Не отвергая осадочно-миграционную теорию образо­вания нефти и газа и формирования их залежей, целесообразно допол­нить ее с учетом современных достижений науки. В последние годы выдви­гается геодинамическая модель образования УВ, в основе которой заложено представление о тесной генетической связи "рождения" не­фти и газа с глобальными, цикличе­ски повторяющимися событиями — раскрытием и закрытием океанов обусловленные крупными тектоническими циклами про­должительностью около 600 млн лет (Гаврилов В.П., 1989). Для нефтегазообразования наи­более благоприятны фазы субдукции.

Выделяют несколько ме­ханизмов "производства" нефти: субдукционно-обдукционный, рифтогенный, депресионный.

Субдукционно-обдукцион­ная модель нефтегазообразования характерна для зон субдукций, рас­положенных по окраинам океанов, и зон столкновения континентов при закрытии океани­ческих бассейнов. Она предусматри­вает накопление огромных масс осадков с рассеянным УВ, их затягивание в зону поглощения, где отмечаются жесткие термоба­рические условия. Находясь под действием высоких температур (100-400 °С) в течение 1-2 млн лет, УВ попадает в очень благоприятную для нефтегазообразования ситуа­цию. Рассеянная капельно-жидкая нефть и газ моби­лизуются и вовлекаются в общий глубинный водоминеральный поток термальными водами, которые воз­никают при дегидратации океаниче­ской литосферы в зонах субдукции (Сорохтин О.Г., Ушаков С.А., 2002). Избыточное давление термальных вод поддерживается постоянной мо­билизацией и перегревом поровых вод океанических осадков, а также вод, освобождающихся при дегид­ратации коры. По мере удаления от зон поддвига температура и давле­ние термальных вод уменьшаются, замедляется и скорость фильтрации водоминерального потока. Создаются условия, благоприятные для аккумуляции УВ в залежи.

Образование нефти и газа по субдукционно-обдукционной модели не предусматривает обязательного на­личия особых нефтегазоматеринских пород. Возникновение УВ-флюида бу­дет происходить по мере погружения океанической плиты в мантию.

Рифтогенная модель нефте­газообразования подразумевает накопление мощной толщи осадков (10-12 км) вначале в континенталь­ных, а затем в условиях межконти­нентальных морей. Застойный ре­жим осадконакопления благоприят­ствует формированию глинистых пород, обогащенных ОВ (нефтегазоматеринские свиты).

Высокий тепловой поток, кото­рый идет от приближенной к подо­шве литосферы горячей мантии, активизирует процессы переработки ОВ в капельно-жидкую нефть. В этой ситуации вовсе не обязательно, чтобы нефте­газоматеринские породы были по­гружены на значительную глубину. Образование нефти и газа мо­жет протекать уже в донных осадках, как, напри­мер, в "горячих ямах" Красного моря в современных условиях.

Если процессы рифтогенеза не сопровождаются раскрытием океа­на, а останавливаются на фазе рифта, то над рифтовыми структу­рами закладываются круп­ные впадины (синеклизы). Внутри континентов формируются регио­нальные зоны нефтегазонакопления рифтогенного типа (например, месторождения З.Сибири и Северного моря). Таким образом, рифтогенные геодинамические ре­жимы могут проявляться внутри континентов или на их окраинах (окраинно-континентальные).

Депрессионная модель. Наряду с рассмотренными дву­мя основными геодинамическими режимами не отвергается существование депрессионной модели нефтегазообразования, которая характерна для ряда крупных внутриплатформенных и межгорных впадин, не ослож­ненных рифтогенезом. В отличие от субдукционно-обдукционного и риф­тогенного режимов, депрессионный отличается относительно меньшей прогретостью недр и, следователь­но, более "вялым" течением процес­сов нефтегазообразования. Для их активизации исходным осадкам тре­буется погрузиться на глубину 2-3 км, т.е. попасть в наиболее благоприят­ные термобарические условия (в главную зону нефтегазообразова­ния (по Н.Б.Вассоевичу).

Важным преимуществом рифтогенной и субдукционно-обдукционной моделей нефтегазообразования является раскрытость недр, что пред­определяет флюидный об­мен поверхностных и глубинных сфер.

Таким образом, представляется весьма вероятным существование в земной коре, гидросфере и атмо­сфере двух УВ-потоков: органиче­ского и неорганического, которые в своей эволюции испытывают взаим­ное проникновение и смешение.

На современном этапе разви­тия учения о геологии нефти и газа необходимо признать многофак­торность и многовариантность про­цесса генезиса нефти и газа, отка­заться от противостояния "органиков" и "неоргаников". Образование УВ обусловлено различными при­чинами, носит смешанный характер. Характерной тенденцией со­временного этапа развития геоло­гии нефти и газа являются пере­смотр глобальных закономерно­стей пространственного распреде­ления месторождений нефти и газа в земной коре и вытекающая из этого корректировка подходов к нефтегазогеологическому районированию недр.

В природных резервуарах углеводороды находятся в рассеянном состоянии и в движении. Участок резервуара с застойными гидродинамическими условиями образует ловушку. В ловушке при благоприятных условиях может образоваться скопление углеводородов (залежь). Гравитационные силы приводят к распределению в ловушке газа, нефти и воды соответственно их плотностям. Распределение флюидов в ловушке может быть нарушено действием капиллярных сил, литологическим фактором или распределением давлений.

Ловушки подразделяют на три типа: замкнутые, полузамкнутые и незамкнутые. Первые два типа ловушек связаны с выклиниванием коллекторов. В незамкнутых ловушках нефть и газ удерживаются антиклинальными изгибами слоев или выступов. Так как ведущую роль в образовании ловушек играет тектонический фактор, то по условиям образования ловушки подразделяются на: структурные, литологические, стратиграфические, рифогенные и смешанные.

Структурные ловушки чаще всего связаны с антиклинальными изгибами слоев, тектоническими нарушениями или сочетанием указанных факторов (рис.1.4.; 1.5).

Рис.1.4. Структурная сводовая ловушка

Рис. 4.5. Схема структурной тектонически экранированной ловушки

.

Образование литологических ловушек обусловлено литологической изменчивостью пород: выклинивание пород-коллекторов или замещение их непроницаемыми породами (рис.1.6.).

Рис. 1.6. Схема литологических ловушек:

а – выклинивание коллектора, б – замещение коллектора непроницаемыми слоями

Стратиграфические ловушки связаны с поверхностями стратиграфического несогласия (рис.1.7).

Рис.1.7. Стратиграфическая ловушка

Рифогенные ловушки связаны с рифогенными и биогермными массивами, возникшими в прошлые геологические эпохи (рис.1.8).

Рис.1.8. Рифогенная ловушка

Смешанные ловушки представляют собой сочетание нескольких описанных выше генезисных элементов. Например, на рисунке 1.9 показана литолого-стратиграфическая ловушка.

Рис.1.9. Литолого-стратиграфическая ловушка

Условные обозначения ко всем рисункам