5.3. Нефть и природный горючий газ.

Каустобиолиты нефтяного ряда включают нефть, природный горючий газ и некоторые другие полезные ископаемые. В отличие от каустобиолитов угольного ряда, формирование их месторождений связано с миграцией органического вещества. Первичная природа этого вещества однозначно не установлена, хотя наиболее популярной является биогенная гипотеза.

Нефть представляет собой природный раствор углеводородных и неуглеводородных (смолы, асфальтены) органических соединениий при ничтожном количестве минеральных примесей (до 0,1%).Среди углеводородов нефти наблюдаются три группы: алканы, цикланы и арены (табл. 17), а также их гибридные соединения. Молекулярная масса углеводородов колеблется от 100 до 500, смол – от 600 до 1000, а асфальтенов – от 1000 до 5000. Неуглеводородные органические соединения (смолы, асфальтены) содержатся в нефти в переменном количестве (от первых процентов до 60%) и представляют собой молкулы, состоящие из углерода, водорода, кислорода, азота и серы, и обладающие сложной полициклической структурой. Благодаря большому многообразию составляющих нефть органических соединений и неодинаковым их соотношениям, состав нефти колеблется от залежи к залежи в широких пределах. По преобладанию углеводородов того или иного ряда выделяют алкановые, циклано-алкановые, циклановые нефти. Среднестатистический состав нефти (по Дж. Ханту) выглядит следующим образом (масс.%): алканы – 25, цикланы – 50, арены – 17, смолы и асфальтены - 8.

Вследствие непостоянства состава, свойства нефти также весьма изменчивы. Относительная плотность (отношение плотности нефти при 20^оС к плотности воды при 4^оС) обычно колеблется в пределах 0,8 – 0,9. Температура кипения у различных углеводородов значительно отличается и зависит от их молекулярной массы, что лежит в основе выделения из нефти целой серии полезных продуктов (фракций). Так, до 190^оС из нефти испаряются бензины (число атомов углерода n от 5 до10), при 190 – 260^оС – керосины (n от 11 до13), при 260 – 360^оС – дизельное топливо (n от 14 до 18), при 360 – 530^оС – тяжёлый газойль (n от 19 до 25) и смазочные масла (n от 26 до 40), а в нефти остаётся наиболее тяжёлая фракция - гудрон. Из-за различия в составе нефти разным оказывается и выход фракций при переработке нефти. В среднем он составляет для бензинов – 27, керосинов – 13 и дизельного топлива – 12% . Растворимость газов в нефти зависит от давления и температуры; она растёт с увеличением давления и снижается с возрастанием температуры.

Таблица 17.

Углеводороды нефти и природных газов

Группа углеводородов	Общая формула	Структура	Число атомов углерода в молекуле	Содержа-ние в нефти
Алканы (метановые углеводороды или парафины)	CnH2n+2; при n = 1 - 4 – газы, n = 5 – 15 – жидкости, n > 16 – твёрдые вещества	Линейная цепо-чечная или раз-ветвлённая (для изомеров)	1 – 35 и более	До 50%
Цикланы (циклоал-каны или нафтены): моно-, би-, три- и полициклические	CnH2n (для моноциклических)	Кольцевая с од-ним, двумя, тремя и более кольцами в молекуле	Обычно 5 (цикло-пентан) или 6 (циклогексан)	25 – 75%
Арены (аромати-ческие углеводо-роды): моно-, би-, три- и полицикли-ческие		“Бензольные” кольца, по одно-му, два, три и более в молекуле	6, 10, 14 и более	10 – 20, редко до 35%; пре-обладают моноцик-лические

В естественном залегании в нефти обычно растворён метан и другие лёгкие алканы, углекислота и сероводород. На глубине 2 – 3 км в 1м³ нефти может содержаться 100 – 300м³ газов. Добыча нефти сопровождается её частичной дегазацией. Выделяющиеся газы называют попутными. Относительная плотность и вязкость нефти в пласте ниже, чем на земной поверхности, по причине выделения из неё растворённых газов при снижении давления.

В условиях высоких давлений и температур алкановые нефти могут переходить в газовую форму, а при снижении давления вновь переходить в жидкую фазу. Такие залежи и месторождения называются газоконденсатными и встречаются на глубинах 1500 – 6000м .

Природные битумы – смесь высокомолекулярных углеводородов и неуглеводородных органических соединений полутвёрдой консистенции (асфальты с относительной протностью 1,05 – 1,10) или полужидкой консистенции (мальты с относительной плотностью 0,95 – 1,05). В их составе доля лёгких фракций мала и преобладают масла, смолы и асфальтены, поэтому, несмотря на огромные ресурсы этого сырья, его добыча пока нерентабельна. В результате удаления лёгких фракций при миграции нефти изредка возникают скопления озокерита – твёрдого битума с относительной плотностью 0,85 – 0,95, состоящего, главным образом, из парафинов. Он добывается в Закарпатье и Средней Азии и используется в качестве электроизолирующего покрытия, при изготовлении лаков и лекарств, в лечебных целях.

Тяжёлые нефти по составу и свойствам занимают промежуточное положение между природными битумами и лёгкими, «нормальными» нефтями. Тяжёлыми называют нефти с относительной плотностью более 0,87 – 0,94 (в разных странах по-разному). В отличие от битумов, тяжёлые нефти подвижны в природных условиях. Такие нефти добываются во многих странах мира, в том числе - в России.

Природные горючие газы состоят на 80 – 98% из углеводородов – наиболее лёгких алканов (метана, этана, пропана и бутана) при резком преобладании метана. Кроме углеводородов в природных газах содержатся также сероводород, углекислота, азот, пары воды, иногда – водород, гелий и аргон. Природные газы находятся в земной коре в свободном состоянии или растворены в воде или нефти. Они бесцветны и хорошо смешиваются с воздухом. Плотность природных газов относительно воздуха колеблется от 0,56 до 0,94.

В настоящее время нефть добывают 96 стран ("Нефтяное хозяйство, №1, 1999), разведанные запасы нефти составляют порядка 160 млрд. м3 (около 130 млрд. т), подавляющая часть которых сосредоточена в странах Ближнего и Среднего Востока, Венесуэле и Мексике, России, США, Китае, Нигерии и др.; около 20% разведанных запасов приурочено к областям шельфа. Общие мировые запасы нефти составляют 26 млрд. т, в том числе в России порядка 15 млрд. т Начальные же мировые ресурсы оценивают в 550 млрд. т (без учета ресурсов тяжелых нефтей). Мировая добыча нефти в 1997 г составила около 3800 млн м3, или 3 млрд. т. Россия добывает более 300 млн. т нефти в год. Цены на нефть колеблются в широких пределах: 10-30 долл. за 1 баррель (159 л).

Начальные извлекаемые ресурсы газа оцениваются в 700 трл. м3, запасы более 100 трл. м3; мировая добыча газа около 2 трл. м3/год. В России разведано несколько десятков триллионов кубометров газа, добыча составляет около 600 млрд. м3/год (1 место в мире); средняя цена газа 50-70 дол/тыс. м3.

Наиболее обоснована сапропелевая теория И.М. Губкина-Потонье. Согласно ей органическое вещество в первую стадию подвергается битуминизации под воздействием микроорганизмов и превращается в битуминозную нефтематеринскую породу; во вторую стадию (после захоронения осадка и погружения его на глубину) под воздействием температуры, давления, катализаторов и продолжающегося действия анаэробных бактерий битуминозные вещества переходят в стойкие углеводородные соединения, вытесняются из вмещающей породы. В третью стадию образовавшаяся нефть и газ мигрируют и скапливаются в определенных ловушках.

Наряду с органической, существует гипотеза неорганического происхождения нефти (Н.А. Кудрявцев и др.), согласно которой процесс образования УВ нефти и газа рассматривается как синтез при взаимодействии радикалов СН, СН₂, СН₃, СН₄ по мере удаления их от магматических очагов или зон глубинных разломов, с которыми они связаны.

Необходимым условием образования залежей нефти и газа является наличие коллекторов - пород, обладающих эффективной пористостью, учитывающей сообщающиеся поры, и проницаемостью; наличие слабопроницаемых (обычно глинистых) пород, экранирующих нефть и газ, наличие ловушек, улавливающих нефть и газ. Таким образом, коллектор (резервуар), в котором может идти их свободная циркуляция, представляет вместилище воды, нефти и газа, ограниченное в кровле, а нередко и в почве слабопроницаемыми породами. Породами, обычно выступающих в роли коллекторов, являются пески, песчаники, известняки и т.д. Миграция нефти и газа (внутри- и внерезервуарная) обычно идет под влиянием капиллярного, гравитационного и гидравлического (при наличии трещин) факторов, сложно взаимодействующих. В результате газ концентрируется в верхней части ловушки, нефть - посередине, а вода - внизу.

Природные резервуары нефти и газа бывают пластовые, ограниченные в кровле и почве слабопроницаемыми породами (тектонические и литологические экранированные); массивные, имеющие непроницаемые породы только в кровле, и литологически ограниченные. В массивных резервуарах все ловушки являются массивно-сводовыми. Принципиальным отличием их является то, что даже большое число пластов, содержащих нефть и газ, имеют единый водонефтеконтакт (ВНК). В пластовых же резервуарах может быть много горизонтов, но каждый из них имеет свой ВНК.

Соответственно типам ловушек выделяют и залежи нефти и газа, ограниченные в резервуаре в кровле, а нередко и в подошве слабопроницаемыми породами, а внутри резервуара - водой. Месторождение нефти и газа представляет собой совокупность залежей, контролируемых единым структурным элементом.

Поскольку образование нефти и газа связано с наличием благоприятных структур-ловушек, классификация этих месторождений является структурно-генетической: выделяют платформенные (более 90 % запасов) и геосинклинальные промышленные типы месторождений. Платформенные месторождения обычно находятся во внешней зоне платформ, где развиты очень плоские антиклинальные структуры с вздутиями II порядка, в которых локализуются нефть и газ, например, месторождения Волго-Уральской области, Западно-Сибирской провинции. Кроме того, платформенные месторождения могут быть приурочены к пологим куполовидным брахиантиклинальным складкам, а также к соляным куполам Примерами являются месторождения Урало-Эмбенской области. Геосинклинальные месторождения расположены во внешних зонах этих структур и приурочены к узким, линейно вытянутым брахиантиклинальным складкам, сопровождающимся тектоническими нарушениями, например, месторождения Терско-Дагестанской и Азово-Кубанской области.

Промышленные месторождения нефти и газа палеозойского возраста сосредоточены в России в ряде нефтегазоносных провинций (НГП) и областей (НГО), из которых наибольшее народохозяйственное значение в настоящее время имеет Западно-Сибирская НГП, Для Северно-Западного региона важную роль играет недавно открытая Баренцевоморская НГП, включающая ряд крупных объектов, приуроченных к области шельфа.