Органическая теория происхождения нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное учреждение высшего  профессионального образования

«Пермский Государственный Университет»

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

кафедра региональной и  нефтегазовой геологии

Курсовая работа

Теории органического  происхождения нефти

Введение

органический  нефтеобразование теория

Проблема происхождения  нефти и углеводородного газа давно привлекает внимание исследователей – геологов и геохимиков.

Происхождение нефти и газа является очень сложной проблемой, поскольку здесь тесно переплетаются вопросы химии, физики, геологии, геохимии и биохимии. Образование углеводородов и других веществ, входящих в состав нефти и газа, и их изменения представляют собой ряд химических, а образование нефтегазовых залежей – ряд физических и физико-химических процессов. Всё это происходит на фоне процессов геологического развития, влияющих на образование и миграцию нефти и газа и при том в аспекте геологического времени.

Нефть и все другие горючие полезные ископаемые, так же как рассеянное органическое вещество осадочных пород, генетически связаны с живым веществом нашей планеты, с биосферой прошлых геологических эпох. Проблема происхождения нефти, нижний возрастной предел её образования тесно связаны с возрастом возникновения жизни на Земле. На протяжении веков учёными было выдвинуто множество теорий происхождения нефти, но более правдоподобными и обоснованными на сегодняшний день являются теории, которые принимают за исходный материал для образования нефти органическое вещество, их ещё можно назвать органогенными. Данный вид теорий и будет рассмотрен в настоящей работе.

Проблема происхождения  нефти имеет не только теоретическую, но и практическую значимость. Изучение происхождения нефти необходимо для определения критериев возможного нахождения месторождений нефти при их поиске. Зная палеогеографические, фациальные, геохимические условия образования нефти, можно будет получить данные, какие территории являются перспективными для поисков и добычи нефти. Кроме того, знание условий образования нефти и закономерностей размещения её скоплений в земной коре позволяет научно обоснованно и эффективно вести поиски месторождений, подходить к открытию новых нефтеносных областей независимо от существования обычных видимых признаков нефтегазоносности. «Зная, где, из чего и при каких условиях образуется нефть, мы можем искать эти условия в природе и подходить к открытию новых нефтеносных областей, независимо от существования обычных видимых признаков нефтегазоносности в виде выходов нефти, газов и т.д.» - А.Д. Архангельский.

Для объяснения механизмов происхождения нефти и образования  её залежей было выдвинуто много  гипотез и теорий. Вполне законченная  теория генезиса нефти должна дать достаточно подробный ответ на следующие основные вопросы:

1. Из каких исходных веществ образовалась нефть и сопровождающий её газ?
2. Какие причины обусловили образование нефти и газа, и каков был ход нефте- и газообразования?
3. Каким путём образовались скопления или залежи нефти и газа?

Законченная теория генезиса нефти должна, следовательно, подробно и научно обоснованно объяснить весь путь от исходного вещества до крупных скоплений нефти и газа в многочисленных промышленных месторождениях, приуроченных к различным геологическим условиям.

Наиболее полно и  обоснованно, на мой взгляд, на перечисленные выше вопросы отвечает теория органического происхождения нефти. Поэтому основной целью курсовой работы было детальное рассмотрение вопросов, касающихся органической теории. Поскольку, основываясь на теории органического происхождения нефти и газа, советские геологи-нефтяники открыли крупнейшие нефтегазоносные провинции и зоны нефтегазонакопления в различных частях России (например, месторождения нефти Западной Сибири). Эта теория имеет огромное количество сторонников, как в России, так и за рубежом.

Факторы нефтеобразования

По современным представлениям основными факторами, обусловливающими возникновение и развитие процесса преобразования органического вещества в углеводороды нефтяного ряда, являются деятельность бактерий, каталитические свойства горных пород, температура, давление, радиоактивность вмещающих пород и геологическое время.

Деятельность  бактерий активно проявляется в начальной стадии накопления и переработки рассеянного органического вещества в осадке. Исследованиями Т.А. Гинзбург-Карагичевой, К. Зобелла и других установлено, что организмы играют активную роль:

В процессе распада органического  вещества в начальной стадии преобразования его в анаэробной обстановке;

При создании в осадке геохимической обстановки с низкими отрицательными значениями окислительно-воссиановительного потенциала, благоприятной для развития процессов преобразования органического вещества осадка в направлении битумообразования;

В качестве биокатализатора  в процессе образования битумной части органического вещества осадка.

Исследования химиков  и геохимиков (Зелинского, Фроста, Сатар-Заде и других) показали, что при образовании  углеводородов из органического  вещества большое значение имеют  каталитические свойства некоторых минералов, в частности алюмосиликатов. Лабораторными опытами доказано, что при каталитическом воздействии на органические соединения (спирты, эфиры, кетоны) алюмосиликатов при определённых температурных условиях образуются углеводороды, входящие в состав природных нефтей. В природных же условиях такими катализаторами, вероятно, служат алюмосиликатные соединения, т.е. глинистые образования, слагающие разрезы большей части нефтегазоносных районов.

По мере погружения осадка с рассеянным органическим веществом ведущими факторами, способствующими образованию углеводородов нефтяного ряда, становятся температура и давление. Установлено, что в нефтях содержится ряд углеводородов, которые не сохраняются при температуре 200-250 о С. Предполагается, что нижний предел существования углеводородов в жидкой фазе не может быть выше 200 о С. По мнению большинства учёных образование нефти в недрах происходит при сравнительно небольших температурах, колеблющихся в зависимости от геологических и геохимических условий в пределах от 50 до 200 о С.

Исследованиями В.А. Соколова (1937) впервые показано, что определённую роль при образовании углеводородов  нефтяного ряда из рассеянного в  породах ОВ может играть радиоактивность пород, что экспериментально подтверждено в лабораторных условиях.

Н.Д. Зелинским, П.Ф. Андреевым, М.Ф. Двали, А.Ф. Добрянскими другими исследователями было установлено, что при процессах преобразования органического вещества в осадках значение имеют также и внутренние источники энергии самого органического вещества. Активизация внутренней химической энергии органического вещества может происходить в связи с молекулярной перестройкой структуры вещества, возникающей при сочетании определённых геологических, физико-химических и биогеохимических условий окружающей среды. Однако механизм и масштабы действия внутренних источников энергии органического вещества на отдельных стадиях его преобразования изучены ещё слабо и многие аспекты этого вопроса ещё не выяснены.

История вопроса

Основоположником органической теории происхождения нефти является М.В. Ломоносов. Он объяснял образование каменного угля за счёт болотного торфа путём его обугливания при повышении температуры и давления. С этим же явлением он связывал возникновение нефти. В середине 18 века в своем трактате "О слоях земных" великий русский ученый Ломоносов писал: " Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя... и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменного масла, жидковская смола, нефть. Которые хотя чистотой разнятся. Однако из одного начала происходят" Таким образом, более 200 лет назад была высказана мысль об органическом происхождении нефти и каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть и газ. Родилась органическая гипотеза. М.В.Ломоносов был не единственный, кто высказался по интересующему нас вопросу в 18 веке. Правда, другие гипотезы того времени носили курьёзный характер. Так, один варшавский каноник утверждал, что Земля в райский период была настолько плодотворна, что на большую глубину содержала жировые примеси. После грехопадения этот жир частично испарился, а частично погрузился в землю, смешиваясь с различными веществами. Всемирный потоп содействовал превращению его в нефть.

Идеи Ломоносова поддерживали такие учёные как Ч. Лайель, Потонье, Д. Уайт.

В конце 19 века К. Энглер развивал гипотезу о животном происхождении нефти, позднее – о смешанном, растительно-животном характере исходного вещества. Он провёл первые экспериментальные исследования для подтверждения органического происхождения нефти.

В начале 20 века в работах  Г. Потоноье (1904, 1908), Г.П. Михайловского (1906) и Н.И. Андрусова (1908) были выдвинуты  положения об образовании нефти из сапропелевого органического вещества. Г. Потонье считал, что нефть является продуктом перегонки сапропелевых горных пород под действием подземного тепла. Г. Потонье в начале 20 века связывал образование нефти с сапропелевым органическим веществом, обогащенным живыми компонентами.

Позже, почти до начала ХХ в., исследователями предлагались различные гипотезы органического  происхождения нефти, причем одни учёные считали, что нефть образуется из растительных осадков, а другие основное значение придавали ОВ животного происхождения. Однако все варианты теории органического происхождения углеводородов объединяет то, что исходным материалом для образования нефти считается органическое вещество.

В 1906 году Михайловский выдвинул свою гипотезу происхождения нефти. Её можно охарактеризовать по следующим пунктам.

1. Исходное вещество – смешанное, растительно-животное.
2. Захоронение приурочено к глинистым илам
3. Первая стадия образования материнского органического вещества связывается с бактериальными процессами
4. Последующие стадии являются физико-химическими, а главными факторами – температура и давление
5. Первичная нефть – дифузионно-рассеянная
6. Скопление нефти в коллекторах является вторичным
7. Образование залежей нефти происходит в результате тектонических нарушений.

Эта схема получила развитие у Губкина («Учение о нефти» 1937)

С этими положениями  соглашается большинство геологов-нефтяников.

А.Д. Архангельским в 1925-1926 впервые были проведены работы по изучению состава и распределения  органического вещества осадочных пород. А.Д. Архангельский (1927) рассматривал образование нефти как процесс, обусловленный действием бактерий, и считал, что материнским веществом нефтей были органические соединения, содержавшиеся в глинистых отложениях. Аналогичные исследования были проведены П. Траском в США (1932, 1942). Он изучил около 35 тысяч образцов. Исследования Архангельского и Траска заложили основы представлений о нефтематеринских свитах.

В работах И.М. Губкина (1932, 1938) процесс нефтеобразования рассматривался как начинающийся в мелководных, органогенных илах и продолжающийся в течение всего диагенеза и позднее. На первоначальной стадии преобразования органического вещества основную роль по Губкину играют биохимические процессы, приводящие к образованию жидких и газообразных битумов, рассеянных по всей породе, а в дальнейшем наступает неизмеримо более длительный геохимический период, в которым основными факторами являются температура, давление и время. Миграция нефтесборных площадей приводит по Губкину к образованию нефтегазовых залежей.

С начала 20 века и до сороковых годов  были выдвинуты различные положения  об органическом происхождении нефти, отличавшиеся друг от друга по характеру  предполагаемых исходных для нефти веществ (жиры, белки, углеводы и др.), по факторам, вызывающим образование нефти (температура, давление, катализ, бактерии и др.), а также по другим условиям, касающимся времени и места образования нефти и газа, характера нефтематеринских пород, процессов накопления нефти и т.п.

Разнообразные мнения высказывались в тот период и о миграции нефти и газа, начиная от полного отрицания роли миграции в образовании нефтяных залежей и кончая представлениями, согласно которым накопление нефти и газа происходит вследствие их миграции на очень большие расстояния.

К середине ХХ века было доказано единство всех горючих полезных ископаемых: н6ефти, угля, газа, горючих  сланцев; установлена генетическая связь нефти с ископаемым органическим веществом осадочных пород.

Нужно сказать, что ни одна теория не касается всех трёх упомянутых звеньев генезиса нефти: исходное вещество - образование нефти - образование залежей нефти. Развивая те или иные взгляды на один или два из этих вопросов, выдвинутые теории, как правило, или совсем не касаются остальных вопросов, или если и касаются, то лишь в самых общих выражениях. Большинство гипотез и теорий вообще выдвинуто в виде подобных общих выражений, которые по существу ничего не объясняют и которые нельзя считать теориями, хотя в литературе они и фигурируют под этим термином. Например, во многих случаях выдвигается утверждение, что под действием повышенных температур и давлений органические остатки превращаются в нефть, или, что скопления нефти образовались в результате миграции, или что нефть образовалась благодаря воздействию на вещество анаэробных бактерий и т.д. Подобного рода положения общего характера не имеют доказательной силы и представляют собой лишь гипотезы, касающихся причин или общего направления процесса нефтеобразования.

Гипотезы органогенного  происхождения нефти у разных авторов имеют различие в отношении исходного вещества, из которого образовалась нефть, а также к вопросу о миграции.

Особое внимание при  разработке органической теории уделялось  вопросу об исходном органическом веществе. Одни учёные считали, что нефть образуется из растительных остатков, другие – из остатков животных, третьи – из растительно-животных остатков. Взгляд, предполагающий растительно-животный характер исходного материала, получил широкое признание благодаря исследованиям Потоноье (1905), Губкина (1932), Траска (1939). Надо было также решить, накапливается ли вещество в большой массе или возможно образование нефти из органического вещества, рассеянного в нефтематеринской свите.

Основные положения  различных гипотез и теорий происхождения  нефти

Осадочно-миграционная теория

Н.Б. Вассоевич предложил  концепцию нефтеобразования осадочно-миграционной теорией, а не органической или биогенной. Нефть образуется абиогенным путём, но источником её является ОВ, или кероген, захоронённый в процессе осадконакопления. Его потенциал закладывается в живом веществе, формируется в диагенезе, реализуется в мезокатагенезе. Ход этого процесса определяется как внутренней структурой керогена, способом «упаковки» его основных элементов, так и внешними факторами: температурой, скоростью прогрева, строением нефтематеринской толщи, определяющим эмиграцию образовавшихся продуктов, составом минеральной матрицы, влияющим на каталитические процессы, происходящие в керогене.

Поскольку залежь нефти  как объект поиска формируется в  процессе миграции жидких УВ, то для  названия теории происхождения нефти  слово «миграционная» является необходимой  составной частью. Это название, по мнению Вассоевича, отражает связь, как с осадочным процессом, так и с условиями формирования залежей нефти в результате миграции.

Согласно вертикальной зональности генерации углеводородов в разрезе осадочных бассейнов распределены и залежи УВ флюидов. Без учёта вертикальной миграции флюидов и их перетоков скопления УВ сверху вниз располагаются следующим образом: в верхней части разреза (ПК1-ПК2) – небольшие залежи сухого газа; ниже (ПК3-МК11) залежи нафтено-метановой нефти и полусухого газа, в газовых шапках – полужирный и жирный газ; с глубиной (МК12- МК2) в нефтях возрастает содержание метановых УВ, твёрдых парафинов и лёгких ароматических УВ, в газовых шапках – жирный газ; ниже (МК3) находятся залежи метаморфизированных, высокопарафинистых нефтей с повышенным содержанием нормальных алканов; ещё ниже (МК4) располагаются залежи газоконденсатов; в основании зоны МК – залежи сухого газа, еще ниже – только метан. В распределении залежей разного фазового состава УВ по вертикали отмечается сдвиг вверх примерно на половину градации относительно максимума генерации соответствующих флюидов.

Такое распределение  залежей УВ свойственно только первичным, или сингенетичным, скоплениям, не претерпевшим значительных перемещений. В природе  этот генетический ряд УВ скоплений обычно нарушается за счёт перетоков флюидов, состав первичных нефтей при этом претерпевает существенные изменения. В целом же для большинства бассейнов сохраняется зональность сверху вниз: газ – тяжёлая нефть – лёгкая нефть – газоконденсат – газ. В отдельных случаях между нефтью и «верхних» газоконденсатов. Нарушение указанной зональности может быть связано не только с перетоками и миграцией, а также с изменением состава исходного ОВ.

Таким образом, в конце 60-х годов в решении проблемы генезиса нефти произошёл качественный скачок – была создана концепция о главных фазах нефте- и газообразования, в целом теория стадийности нефтегазообразования. Нефтегазообразование стало рассматриваться как историческое явление, тесно связанное с определёнными стадиями эволюции осадочного бассейна. Было конкретизировано представление об очаге генерации УВ как естественном природном объекте, определяющем в пространстве и времени возможность и масштабы нефтегазообразования. Эта концепция подтвердилась на примере разновозрастных и разнофациальных толщ в многочисленных бассейнах мира. И если проблему исходного вещества для нефти и газа можно считать решённой на определённом уровне, то проблема механизма нефтегазообразования, являющаяся ключевой, требует уточнения и детализации

Динамика процессов  нефтегазообразования для различных нефтематеринских пород неодинакова. Основные положения термокаталитической (генерационной) модели нефтегазообразования и границы выделения ГФН были разработаны на примере терригенно-глинистых образований. В эту модель нечётко вписываются карбонатные толщи.

Большинство геологов считает, что образование скоплений нефти  обусловлено её миграцией, которая  может происходить и на большие  расстояния. Сюда относится ряд теорий, которые часто объединяют под  названием «Теория нефтепроизводящих  свит». Наиболее детальные построения в этой области были сделаны А.Д. Архангельским и П. Траском. Впервые идеи о существовании «материнского пласта» или «материнской породы», производящей нефть были высказаны в 1865 американским геологом и геохимиком Винчеллом. По мнению Губкина, нефтематеринскими свитами могут быть преимущественно глинистые, реже известняковые толщи. В качестве примера он приводил майкопские глины Северного Кавказа. Представления о нефтематеринских свитах в дальнейшем очень помогли геологам-нефтяникам при поисках месторождений нефти и газа.

По И.М. Губкину, преобразование захороняемого в осадке диффузионно-рассеянного  ОВ в УВ нефтяного ряда в потенциально нефтематеринских отложениях протекало  постепенно, начинаясь в органогенных или биогенных илах и не прекращаясь длилось во время диагенетического изменения как самой органогенной прослойки, так и вмещающих её пород, вплоть до начала горообразующих движений, когда нефть получала возможность мигрировать.

Нефтеобразование –  сложная совокупность процессов, протекающих в недрах, т.е. эти процессы в природе наблюдаемы быть не могут. Видны лишь их фиксированные результаты, запечатлённые в некоторых естественных телах, как в пространстве, в котором эти процессы протекали. Естественным телом, где осуществляются процессы нефтегазогенерации, является нефтегазоматеринская свита. Нефтегазоматеринская свита - парагенетическая ассоциация обогащённых автохтонным органическим веществом пород, рождающая в процессе литогенетической эволюции углеводороды, способные к аккумуляции.

Нефтегазоматеринские  породы и свиты

Нефтегазоматеринские  породы – осадочные породы, содержащие рассеянное органическое вещество, способные генерировать нефть и газ. Главные признаки:

1. Формируются в субаквальных условиях
2. Восстановительные обстановки в диагенезе
3. По литологическому составу – в основном глинистые породы. Обычно – тёмноцветные. Типичные породы: аргиллиты, глинистые карбонаты, мергели, доломиты.
4. Содержание органического углерода не более 20%

Для формирования нефтематеринских отложений большое значение имеют биологическая продуктивность водоёма и скорость осадконакопления в нём. При прочих равных условиях, чем выше биопродуктивность водоёма, тем богаче потенциальные нефтепроизводящие возможности его осадка.

Чтобы свита считалась  нефтегазоносной в промышленных масштабах содержание Сорг составляло не менее 1 миллиона тонн на квадратный километр (Q=Cорг*Hнгмп*d*107)

Исследования показали, что не всегда отложения, содержащие ОВ, реализуют свои возможности в отношении генерации нефти. Поэтому нефтематеринские породы

можно разделить на потенциально нефтематеринские, нефтепроизводящие, бывшие нефтематеринские.

Потенциально нефтематеринские – те, которые ещё не вступили в нефтеобразование, они ещё не погружались на глубины, где существуют благоприятные условия для нефтеобразования, так и не реализовали свои возможности по генерации нефти. Нефтепроизводящие – те, которые в настоящее время продуцируют нефть, характеризуются повышенным содержанием битумоидов или микронефти.

Бывшие нефтематеринские – породы, которые когда-то были нефтематеринскими.

Характеризуются нефтематеринским потенциалом – то количество нефти, которое могла дать порода за всю  свою историю (377 мг/1 г Сорг - максимальное количество нефтяных углеводородов, которое может дать сапропелевое вещество, гумусовое – 160 мг/1г Сорг).

В нефтематеринской свите  должно быть благоприятное сочетание  нефтематеринских пород и коллекторов (песчаники/глины = 1/3).

Главные диагностические  особенности нефтегазоматеринских отложений являются:

• Накопление в субаквальной среде с анаэробной (без доступа воздуха) обстановкой;
• Накопление на фоне относительно устойчивого погружения бассейна седиментации в течение рассматриваемого отрезка времени;
• Наличие в отложениях признаков возникновения и развития процессов нефтегазообразования, что может проявляться относительно повышенным содержанием углеводородов нефтяного ряда в битумной части органического вещества, содержащегося в породах.

Более правильно было бы рассматривать в качестве нефтематеринской не какую-либо одну свиту сравнительно однородных, глинистых или карбонатных отложений, а литолого-фациальный комплекс, сложенный литологически разнородными породами, образовавшимися как в морских и прибрежно-морских, так и в континентальных условиях в субаквальной восстановительной или слабовосстановительной обстановке. Формирование газоматеринских толщ, в отличие от нефтематеринских, может происходить также и в континентальных угленосных формациях.

Теория нефтематеринских свит детально рассматривается в  трудах Н.И. Андрусова, и Г.П. Михайловского, а затем в работах В.В. Вебера, Н.М. Страхова. 
Эти теории достаточно подробно разработаны в геологическом отношении и увязаны со стратиграфией и тектоникой многих месторождений.

По И.М Губкину, формирование толщ пород, продуцирующих нефтяные УВ (эти толщи и называют нефтематеринскими свитами), происходит «… в прибрежных частях морей – в заливах, бухтах, лиманах и даже в открытом море недалеко от берега в пределах так называемой терригеновой зоны, где происходит накопление органического материала не в пресной, а в солёной воде, т.е. в зоне, где совершается борьба между морем и сушей и где происходит чередование отложений: осадки глинистого характера, содержащие часто богатый органический материал, сменяются более грубым – песком, галечником, ракушечником….». В образовании нефти «… принимают участие остатки как животного, так и растительного происхождения, именно остатки зоофитоорганизмов планктона, водной растительности, зоофитоорганизмов бентоса, остатки высших береговых растений, а также остатки организмов и минерального вещества аллохтонного происхождения…..»

Свою теорию Губкин изложил в 1934. Согласно ей, зоны глубоких депрессий являются тем местом, где осадки сапропелитового характера, погружаясь на значительную глубину, попадают в особые условия температуры и давления, а процессы разложения органического вещества происходят в особо благоприятных условиях для возникновения диффузионно рассеянной нефти. Образовавшаяся нефть концентрируется в определённых местах, улавливаясь на своём пути сякого рода барьерами в виде различных тектонических структур. Концепция Губкина способствовала распространению в СССР и за рубежом верных представлений о происхождении нефти и формировании её месторождений, она выдержала проверку временем.

Органические и биогенные илы и образовавшиеся из них органогенные породы являются тем материалом, из которого, по представлениям Губкина, возникла нефть.

Взгляды И.М. Губкина на образование нефти и газа лежат  в основе современной теории происхождения  нефти. Некоторые положения Губкина дополнены, уточнены, значительно развиты, но основа сохранилась. Изменились представления о нефтематеринских свитах. Во-первых, доказано, что таковыми могут быть не только глинистые породы, а разнообразные осадочные породы (песчаники, глины, известняки, доломиты и т.д.) и даже вулканогенно-осадочные породы, содержащие органическое вещество вовсе не обязательно в аномально больших дозах. Процессы нефтегазообразования могут протекать также в карбонатных отложениях и даже в алевролитовых образованиях, если их накопление происходило в восстановительной обстановке. Требование к минимальному количеству органики для нефтематеринских толщ уменьшилось на порядок – от 2 до 0,2%.