- •Оглавление
- •Предисловие
- •Предисловие автора к первому изданию
- •Предисловие редактора английского издания
- •Часть первая. Введение Глава 1 Введение
- •Глава 2 Распространение нефти, газа и других нафтидов
- •Условия залегания
- •Поверхностные нафтидопроявления
- •Геологический возраст пород-коллекторов
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Часть вторая. Природный резервуар
- •Глава 3 Порода-коллектор
- •Классификация
- •Номенклатура пород-коллекторов
- •Обломочные породы-коллекторы
- •Цементация обломочных пород-коллекторов
- •Хемогенные породы-коллекторы
- •Химически осажденные карбонатные породы
- •Кремнистые породы-коллекторы
- •Породы-коллекторы смешанного происхождения
- •Разрезы буровых скважин
- •Породы-коллекторы морского и неморского происхождения
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 4 Поровое пространство породы-коллектора
- •Пористость
- •Измерения пористости
- •Проницаемость
- •Измерения проницаемости
- •Эффективная и относительная проницаемость
- •Классификация и происхождение порового пространства
- •Первичная, или межзерновая, пористость
- •Вторичная, или промежуточная, пористость
- •Связь между пористостью и проницаемостью
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 5 Пластовые флюиды-вода, нефть, газ
- •Флюиды, содержащиеся в природных резервуарах
- •Источники информации о пластовых флюидов
- •Распределение газа, нефти и воды в резервуаре
- •Классификация вод нефтяных месторождений
- •Характеристика вод нефтяных месторождений
- •Происхождение соленых вод нефтяных месторождений
- •Измерение количества нефти
- •Химические свойства нефти
- •Ряды углеводородов
- •Другие компоненты нефтей
- •Физические свойства нефтей
- •Природный газ
- •Измерение объема природного газа
- •Состав природного газа
- •Примеси в природном газе
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 6 Пластовые ловушки: общие сведения и структурные ловушки
- •Антиклинальная теория
- •Классификация ловушек
- •Структурные ловушки
- •Ловушки, связанные с разрывными нарушениями
- •Ловушки, связанные с трещиноватостью
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 7 Пластовые ловушки (продолжение): стратиграфические и гидродинамические
- •Первичные стратиграфические ловушки
- •Линзы и фациальные замещения обломочных пород
- •Линзы и фации хемогенных пород
- •Вторичные стратиграфические ловушки
- •Гидродинамические ловушки
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 8 Пластовые ловушки (продолжение): комбинированные ловушки и соляные купола
- •Комбинированные ловушки
- •Соляные купола
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Часть третья. Термодинамические условия в природном резервуарах
- •Глава 9 Пластовые условия ‑ давление и температура
- •Пластовое давление
- •Измерение давления
- •Градиенты давления
- •Источники пластового давления
- •Аномальные пластового давления
- •Температура
- •Измерение температуры
- •Геотермическии градиент
- •Использование результатов температурных замеров
- •Источники тепловой энергии
- •Результаты воздействия тепла
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 10 Механика природного резервуара
- •Фазовые состояния
- •Поверхностные явления
- •Поверхностная энергия; поверхностное натяжение; межфазное натяжение
- •Капиллярное давление
- •Пластовая энергия
- •Газ, растворенный в нефти
- •Режим газовой шапки (газонапорный режим)
- •Водонапорный режим
- •Гравитационные силы
- •Комбинированные источники пластовой энергии
- •Движение нефти и газа в залежи
- •Явления, связанные с разработкой залежи
- •Максимально эффективный темп добычи
- •Коэффициент продуктивности
- •Уравнение материального баланса
- •Сверхвысокопродуктивные скважины
- •Малорентабельные скважины и залежи
- •Эксплуатационный период скважин и залежей
- •Вторичные методы разработки залежей
- •Добыча газа
- •Попутный газ
- •Свободный газ
- •Экономические и правовые вопросы
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Часть четвертая Геологическая история нефти и газа
- •Глава 11 Происхождение нефти и газа
- •Граничные условия
- •Неорганическое происхождение нефти и газа
- •Органическое происхождение нефти и газа
- •Современные теории органического происхождения нефти и газа
- •Природа органического материнского вещества
- •Современное органическое вещество
- •Органическое вещество неморского происхождения
- •Превращение органического вещества в нефть и газ
- •Деятельность бактерий
- •Теплота и давление
- •Изменение нефти под влиянием теплоты и давления
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 12 Миграция и аккумуляция нефти и газа
- •Геологические условия миграции и аккумуляции
- •Дальность миграции
- •Первичная миграция
- •Вода, выжимаемая из глин и сланцев
- •Циркуляция воды
- •Седиментационная и переотложенная нефть
- •Вторичная миграция
- •Перенос частиц нефти и газа водой
- •Явления, связанные с капиллярным давлением и давлением вытеснения
- •Плавучесть
- •Влияние растворенного газа на миграцию нефти
- •Аккумуляция
- •Наклонные водонефтяные контакты
- •Литологические и стратиграфические барьеры¹
- •Вертикальная миграция
- •Время аккумуляции
- •Приток нефти и газа
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Часть пятая Использование данных нефтегазовой геологии на практике
- •Глава 13 Глубинная геология
- •Типы глубинных карт
- •Структурные карты и разрезы
- •Карты изопахит ( карты равных мощностей)
- •Карты фаций
- •Палеогеологические карты
- •Геофизические карты
- •Геохимические карты
- •Другие типы глубинных карт
- •Счетно-решающие машины
- •Сухие скважины
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 14 Нефтегазоносные провинции
- •Характер отложений
- •Теория углеродного коэффициента
- •Седиментационные бассейны
- •Нефте- и газопроявления
- •Несогласия
- •Зоны выклинивания проницаемых отложении
- •Региональные своды
- •Локальные ловушки
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Глава 15 Перспективы нефтегазоносности¹
- •Открытие
- •Геологические факторы
- •Экономические факторы
- •Субъективные факторы
- •Заключение
- •Цитированная литература
- •Общие работы
- •Приложение Словарь специальных терминов1
- •Сокращения, принятые в английской литературе по нефти и газу
- •Литература
- •Дополнительный список литературы
Современные теории органического происхождения нефти и газа
Скачок, который произошел в настоящее время в понимании условий образования нефти и газа, связан с открытием широкого распространения во многих живых организмах нефтяных УВ, которые, будучи захоронены в осадках, практически не изменяются. С этим открытием связаны имена многих исследователей, работы которых перечислены в конце данной главы [24]. [Доля УВ, непосредственно унаследованных от живого вещества (т.е. био-УВ), значительно меньше, чем это можно себе представить, судя по высказыванию Леворсена. Почти вся масса низкокипящих УВ, составляющих бензиновую и керосиновую фракции нефти, образуется в результате мягкого термолиза и (или) термокатализа из более высокомолекулярных соединений, в частности из био-УВ, из соединений, которые можно называть предшественниками УВ (пред-УВ), например из жирных кислот, аминокислот, некоторых спиртов и др.
Нефть, как таковая, образуется не на стадии диагенеза, а значительно позже, на стадии катагенеза, в условиях повышенной температуры (90±25°С) и длительного геологического времени, в какой-то мере компенсирующего высокую температуру. По существу нефть образуется не столько биогенным, сколько абиогенным путем, но из биогенного органического вещества. Если учесть это, а также двусмысленность слова «органический», то лучше говорить не об органическом происхождении нефти, а об осадочно-миграционном. ]
Почти все глинистые и карбонатные породы содержат рассеянное ОВ трех основных видов: растворимые жидкие УВ, растворимые асфальтово-смолистые вещества и нерастворимый кероген¹. Количество растворимых IB изменяется от 1 до 50
¹Американские, а вслед за ними и некоторые советские авторы неправильно ограничивают понятие кероген лишь нерастворимыми в органических растворителях компонентами ОВ осадков и пород. Термин «кероген» (по-древнегречески ‑ «рождающий вое: был введен в употребление в 1912 г. английским автором проф. А. Грам-Брауном для ОВ шотландских горючих сланцев. Следует учитывать, что дебитуминизация ОВ производится разными исследователями различными органическими растворителями и нередко не одним, а двумя (последовательно). Это обусловливает неопределенность понятия о нерастворимом ОВ (или «керогене», в новой трактовке американских авторов).
У нас, к сожалению, часто дебитуминированное ОВ именуют «остаточным», что также неправильно. Остаточным в понимании геолога и геохимика является то ОВ (или его компоненты), которое осталось в породе после каких-либо естественных процессов (а не реакций в лабораториях) - термолиза, окисления, эмиграции наиболее подвижных компонентов и т.д. ‑ Прим. ред.
баррель/акрфут. Это то количество УВ, которое осталось в породе после удаления их в процессе диа- и катагенеза. Крайне важным является вывод Ханта [24] о том, что, за исключением некоторых красноцветных глин, песчаников и метаморфизованных отложений, все остальные породы-неколлекторы содержат нефтяные УВ.
Кроме растворимых нефтяных УВ, в органическом веществе содержится большое количество нерастворимых производных УВ с гетероэлементами (insoluble hydrocarbon compounds) и сложных органических соединений, часть которых также может быть трансформирована в нефтяные УВ благодаря воздействию тепла, давления, каталитических процессов или деятельности бактерий.
Сложные нерастворимые ОВ представлены керогеном - пиробитумом. В настоящее время известно два типа керогена: угольный и нефтяной. Кероген угольного типа не образует нефти, а участвует в формировании лигнита и газовых углей (cannel coal). Трансформация керогена нефтяного типа приводит к образованию нефти. Органическое вещество этого типа обычно бывает олеофильно, и нефтяные УВ находятся под его защитой.
Одни и те же УВ обнаружены и в породах-неколлекторах [в составе микронефти] и в живых организмах. Большая часть живых организмов содержит углеводороды [25] и гетеросоединения, жирные кислоты, терпе-ноиды и стероиды, захороняющиеся впоследствии в осадках почти без изменений. Этот непосредственный источник нефтяных УВ в изобилии распространен в осадочных отложениях во всех районах земного шара. Условия миграции УВ и аккумуляции их в залежах в виде нефти и газа рассматриваются в следующей главе.
Интересно сравнить состав ОВ пород-неколлекторов и нефти (в вес. %).
|
Органическое вещество |
Нефть |
|
Углерод |
|
52-71 |
83-87 |
Водород |
|
5-10 |
11-15 |
Кислород |
|
5-20 |
Следы ‑ 4 |
Азот |
|
4-6 |
Следы ‑ 4 |
Сера |
|
‑ |
Следы ‑ 4 |
Это органическое вещество встречается обычно в трех разновидностях:
1. Углеводороды, аналогичные по составу и строению тяжелой фракции нефтей.
2. Природные асфальты из коллекторов, аналогичные по составу и внешнему виду асфальтово-смолистым компонентам нефти.
3. Кероген, нерастворимое пиробитуминозное ОВ, обычно составляющее основную массу рассеянного ОВ в породах-неколлекторах.
Углеводороды. Рассеянные в породах углеводороды, по всей вероятности, происходят частично или полностью из живых организмов, растительных и животных. Они могли образоваться также в результате некоторых процессов, приведших к трансформации ОВ пли нефтеподобных гетеросоединений (асфальтово-смолистых компонентов) ОВ через ряд последовательных изменений в нефтяные УВ. Такое преобразование должно было происходить или до, или во время диагенеза и катагенеза осадков, поскольку УВ [микронефть] почти повсеместно распространены в глинистых и карбонатных породах.
Эрдман [26] изучил большое количество УВ нефтяного ряда, чаще всего встречающихся в осадочных породах. Он проанализировал наиболее характерные фракции этих УВ, которые содержатся как в нефти, так и в породах в измеримых количествах. Из данных Эрдмана следует:
1. Ароматические углеводороды низкого молекулярного веса ‑ бензин, нафталин, толуол, этил-бензол, ксилены и другие фракции, выкипающие до 250°С, ‑ составляют около 5 % общего количества углеводородных фракций нефти и широко распространены в древних отложениях. В современных осадках они не обнаружены, и, следовательно, химический механизм их образования не связан с жизнедеятельностью организмов.
Эрдман утверждает, что такие соединения, как сквалены, каротены, терпены и ненасыщенные (непредельные) жирные кислоты, содержащиеся в больших количествах в наземных и морских растениях и животных, могли быть предшественниками легких ароматических УВ.
2. Легкие алифатические углеводороды (предельные) ‑ метан, этан, пропан, бутан, пентан и т.д. ‑ характерные компоненты нефти; сюда же относится н-гептан, наиболее легкий углеводород, обнаруженный в живых организмах. Химический механизм образования этих УВ пока еще неясен.
Важнейшим, а возможно и основным, источником алифатических УВ являются протеины. В результате известных реакций взаимодействия аминокислот, приводящих к образованию протеинов, образуются и все изомеры алифатических УВ. Аминокислоты обнаружены и в древних, и в современных отложениях, причем в изобилии.
3. Средние и тяжелые алифатические, нафтановые и ароматические углеводороды найдены как в породах, так и в нефтях. Эрдман полагает, что одни из них возникли из таких биохимических компонентов живого вещества растений и животных, как липиды, сохраняющиеся благодаря своей устойчивости без заметных изменений в течение длительного геологического времени, а другие образовались из неуглеводородного вещества - жирных кислот, альдегидов и спиртов.
Асфальтово-смолистые вещества. Эти компоненты ‑ смолы, мальтены и асфальтены - представляют собой неуглеводородные фракции органической части осадков и нефтей, состоящие в основном из углерода и водорода с примесью кислорода, азота, серы, ванадия и никеля. Это сложные вещества высокого молекулярного веса (от сотен до сотен тысяч), встречающиеся в различных количествах от следов до 50 вес.% (в некоторых нефтях).
Асфальтово-смолистые вещества, обнаруживаемые в породах-неколекторах, сходны с асфальтово-смолистыми компонентами нефтей или природными асфальтами, встречающимися в местах высачивания нефти. Количество таких веществ в породах обычно колеблется от 1 до 70 баррель/акрфут, т.е. несколько выше, чем количество УВ. Эти сложные соединения в живых организмах не найдены, но могут быть получены химическим путем из таких биохимических компонентов, как целлюлоза (клетчатка), лигнин, пурины и пиримидины. Присутствие в нефти порфиринов (естественных пигментов - производных хлорофилла и гемоглобина) является доказательством ее биологического происхождения. В наибольшем количестве порфирины встречаются в нефтях с повышенным содержанием асфальтово-смолистых веществ, что свидетельствует о раннем (низкотемпературном) образовании последних [27]. Распространены порфирины в виде сложных металло-порфириновых соединений, что, кстати, также является одной из причин прилипания нефти к олеофильным частичкам пород-коллекторов.
Кероген. Большая часть органического вещества, рассеянного в породах (85-95%), состоит из керогена - твердого пиробитума, нерастворимого в обычных органических растворителях [28]¹ При повышении температуры кероген разлагается. Химический анализ показывает, что в его составе преобладают углерод, водород и кислород; в незначительном количестве имеются также азот и сера. Кероген, встречаемый в породах-неколлекторах, в высушенном виде представляет собой тонкий аморфный порошок темно-коричневого или черного цвета, обычно очень похожий на угольную пыль. При нагревании этого порошка в пробирке нефтяные дистилляты либо не выделяются,
¹См. подстрочное примечание на стр. 468 (Американские, а вслед за ними и некоторые советские…). - Прим. ред. (глава 11, современные теории органического… - А.Ф.)
либо выделяются в значительно меньшем количестве, чем при нагревании, например, горючих сланцев. По-видимому, керогены бывают различных типов даже при одинаковом элементарном составе. Некоторые керогены практически неотличимы от угля, другие, в особенности характеризующиеся высоким содержанием асфальтово-смолистых веществ, неотличимы от горючих сланцев. Кроме этих асфальтово-смолистых компонентов, кероген, очевидно, не содержит каких-либо веществ, которые можно было бы рассматривать в качестве исходного материала для нефти и газа. Однако в керогене могут содержаться как нефтяные углеводороды, так и их производные с гетероэлементами.