Происхождение нефти и газа

Происхождение нефти и газа

Пока не достигнуто еще полного согласия исследователей в отношении того, как образуется в природе жидкая нефть. Нефтеподобные вещества могут быть синтезированы в лабораториях как из неорганических, так и из органических веществ, но залегание нефти и газа почти исключительно в осадочных породах, которые одновременно содержат остатки древних растений и животных, является важным доказательством того, что исходный материал был органическим по своей природе. В основном предполагается, что остатки растений и животных, которые захоронились в иле, преобразуются в восстановительной среде, которая предохраняет органическое вещество от окисления. С погружением в глубину Земли температура и давление возрастают. Соответствующее время (вероятно, не менее 500 000 лет), умеренные температуры (вероятно, 35–40° С) и давления (вероятно, ок. 10 атм) ведут к преобразованию органического вещества в низкомолекулярные легкие углеводороды, обычно находящиеся в сырой нефти.

В процессе седиментации происходит накопление слоистых пород с дисперсным органическим веществом, которые имеют тенденцию к уплотнению. Одновременно формируются благоприятные для залегания нефти и газа пористые породы (известняки и песчаники).

Поры между частицами заполняются смесью нефти, газа и воды; эта смесь в процессе уплотнения выжимается и тем самым принуждается к миграции из пор пород. Породы с крупными порами, в которых собирается нефть, называются резервуарными или коллекторами.

Залежи образуются обычно в таких местах, где высокопористые пески отлагались вслед за отложением обогащенных органических веществом илов, например, в дельте Миссисипи. Здесь пески находятся в речных руслах и на морских побережьях, а между ними располагаются большие соленые марши (прибрежные болота), где в илах захороняется органический материал. Крупные нефтяные и газовые залежи Луизианы, Техаса, Персидского залива и тюменского Севера приурочены к дельтовым отложениям древних рек. Система рифов – это другой пример общей обстановки, благоприятной для образования как пород-коллекторов, так и нефтематеринских пород. В зарифовой области отлагаются известковые илы, обогащенные органическим веществом. Такие нефтяные месторождения обнаружены в провинции Альберта (Канада), западнее Флориды и в Мексике. Крупные месторождения нефти и газа в рифах открыты в Прикаспийской впадине, в Ливии, Узбекистане и многих других районах.

В современной науке общей концепции происхождения нефти и газа нет. Существуют две гипотезы их происхождения — органическая и неорганическая. Доминирующей в нефтяной геологии является органическая, сущность которой заключается в том, что нефть и газ являются продуктом разложения органических веществ, существовавших на Земле миллионы лет назад.

Что же касается процесса образования месторождений нефти и газа, то представление этого процесса у геологов одно. Это медленный процесс замещения в пласте молекул воды притекающими из вне молекулами углеводорода.

Скорее всего, все месторождения нефти и газа образовались в результате извержения углеводородов из-под фундамента земной коры, с последующим заполнением ими различных подземных резервуаров.

Эта теория доказывается следующими фактами:

1. Согласованность поднятий  земной коры в многопластовых  нефтяных месторождениях, вдоль  нормали к земной поверхности — результат фонтанного, направленного вертикально вверх, вулканического извержения углеводородов, с последующим выталкиванием ими воды из коллекторов и распределением углеводородов по плотностям [1].

Эти поднятия начинаются с фундамента, а в некоторых месторождениях выходят на поверхность, отражая структурные особенности залегания нефтенасыщенных пластов (Суторминское, Аганское, Черногорское поднятие Самотлорского месторождения и так далее). В результате согласованного поднятия в выше перечисленных месторождениях на поверхности образуются холмы.

Вулканы — это извержения углеводородов и следующей за ними магматической лавы такой силы, что они смогли достичь поверхности Земли. То, что при извержении вулканов выделяется большое количество газа известно, но где там нефть, спросите вы?

Газ, вступая в контакт с воздухом, взрывается, что обычно и происходит при вулканической активности. Ну а нефть? Нефть сгорает при извержении, выделяя чёрный, или серый, смешанный с паром попавшей в жерло вулкана воды, дым.

Вулканы, не достигшие поверхности Земли, создают месторождения нефти и газа. Эта подземная вулканическая активность видимо является причиной землетрясений.

Вертикально вверх направленное извержение создаёт эпицентр землетрясения. Современные сейсмически активные районы, и действующие вулканы, это места сбрасывания избыточного давления, создаваемого постоянно образующими под фундаментом Земной коры углеводородами.

2. Аномально низкое или  высокое давление в месторождении  возникает в зависимости от  того, произошёл прорыв части  углеводородов в верхние горизонты  и на поверхность, или нет.

Аномально низкое давление возникает в результате миграции части углеводородов по оставшимся или заново возникшим каналам.

Аномально высокое давление возникает после заполнения литологически замкнутых резервуаров — либо естественных, либо образованных в результате разлома. Разлом (разрыв) возникает под давлением извергаемых углеводородов из-за несогласованности поднятий — как следствие "нетягучести" верхних слоёв.

Хорошо известный дроссельный эффект (эффект Джоуля-Томсона), адиабатическое расширение газа и возникающеё при этом понижение температуры, могло быть причиной "мгновенного " замерзания мамонтов. Но и соответственно, расширение большого количества газа, прорвавшегося на поверхность, явилось первопричиной наступления ледникового периода.

3. Вытянутость любого нефтегазового месторождения, имеющего ВНК (водонефтяной контакт) в определённую сторону (в Западной Сибири — с юга на север, в Казахстане — с востока на запад, и так далее), — это результат растекания углеводородов и вытеснения пластовой воды по пути меньшего сопротивления — в близлежащие моря и океаны (в Северный ледовитый океан и в Каспийское море).

Одним из следствий вытеснения явился "Всемирный потоп", и именно такое происхождение всемирного наводнения описано в Библии.

Исчезновение Аральского моря, и начавшее обмеление озера Балхаш, может быть связано с разработкой расположенных рядом месторождений углеводородов. Количество отобранной нефти равно количеству исчезающей воды.

4. Вьетнамские месторождения "Белый тигр", "Дракон" и  другие, залегающие в породах  фундамента — результат углеводородных извержений и заполнение углеводородами пустот породы, из которой состоит фундамент.

Для объяснения факта существования нефти в породах фундамента, сторонниками органического происхождения нефти и газа была выдвинута гипотеза, что при большом пластовом давлении миграция нефти может происходить вниз.

Думаю, что заполнение пустот породы углеводородами из-под фундамента, более логично и не требует привлечения высшей математики.

5. Шельфовые месторождения  морей и океанов тоже образованы  в результате углеводородных  извержений. Месторождения шельфов, как известно, слабо объясняются  гипотезой органического происхождения  нефти и газа. Вышеизложенная  теория допускает возможность  существования месторождений практически  под любой площадью земной  и морской поверхности.

6. Каменный уголь образован  вследствие окаменения битума, оставшегося  после выделения лёгких фракций  углеводородов из нефти изверженной  на поверхность.

Самым главным доводом органического происхождения угля являлись отпечатки растений и сами растения, исчезнувшие много миллионов лет назад. Они поэтому и остались, что были залиты нефтью и законсервированы.

Бурый уголь – это может быть единственный остаток от органики растений живших много лет назад, в значительной мере перемешанный с нефтью и другими породами (песок, глина и тому подобное).

Аттабассовское месторождение битумов в Канаде, разрабатываемое карьерным способом, является примером недосформировавшегося угольного бассейна.

7. Повышенная температура  в нефтяных и газовых месторождениях [4] по сравнению с региональным  фоном объясняется тем, что приток  углеводородов в пласты происходил  практически мгновенно. Более горячие, поступающие снизу углеводороды, не успевали охлаждаться.

8. Тёмный цвет базальта, современного строительного материала  для нижних слоёв Земной коры, обусловлен смешиванием мантийного  вещества с чёрными углеводородами (нефтью), которые в свою очередь  накапливаются в верхних слоях  астеносферы (в верхнем слое мантии).

Доказательством существования углеводородов под фундаментом может служить слой Гутенберга, верхний слой астеносферы, отличающийся пониженной скоростью распространения сейсмических волн. Если допустить, что этот слой в основном состоит из накапливающегося под фундаментом земной коры газа, то закономерно понижение скорости распространения сейсмических волн в этом слое.

Концепции неорганического происхождения нефти.

Идея возможности неорганического происхождения нефти была выдвинута в XIX веке замечательным естествоиспытателем А.Гумбольтом. Позднее популярность неорганической теории была связана с авторитетом Д.И.Менделеева и с привлекательностью космических идей В.Д.Соколова. Позднее концепции неорганического происхождения развивались петербургским геологом Н.А.Кудрявцевым, киевским исследователем Б.Н.Кропоткиным, а также зарубежными учеными – К.Мак-Дерматом, Ф.Хойлем и др.

В нашей стране наиболее широкую известность получила теория, сформулированная Д.И.Менделеевым, доложенная им в 1876 году в Русском химическом обществе. По его мнению, вода, проникая по разломам в глубинные недра Земли, вступает во взаимодействие с карбидами металлов. Образовавшиеся при этом взаимодействии углеводородные пары по тем же разломам поднимаются в верхние части земной коры, где конденсируются, образуя скопления нефти.

В 1889 году в Московском обществе испытателей природы В.Д.Соколов доложил свою концепцию неорганического происхождения нефти. Это было время увлечения теорией космизма, начинал работать К.Э.Циолковский. Идеи единства вещественного состава Солнечной системы, естественных связей земного и небесного носились в воздухе. Сущность же теории сводилась к следующему:

Углеводороды возникают в космических телах на ранних стадиях их развития из углерода и водорода, количество которых во всех космических телах, в том числе и в Земле огромны.

Возникшие таким образом углеводороды на Земле поглощаются расплавленной магмой.

При остывании магмы и кристаллизации магматических горных пород, углеводороды отделяются от нее, и мигрируют по трещинам и разломам.

Попадая в верхние части литосферы, и конденсируясь, углеводороды дают основной материал для образования различных битумов.

В настоящее время имеется много различных моделей неорганического происхождения нефти. Они основываются на следующих фактах.

Многочисленные месторождения приурочены к зонам разломов.

Встречаются месторождения в магматических и метаморфических горных породах.

Углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов, в ультраосновных породах (кимберлитах) алмазоносных трубках взрыва, в метеоритах и хвостах комет, атмосфере планет и в рассеянном космическом веществе.

Схематически неорганическая теория в современной интерпретации выглядит следующим образом. Источником углеводородов является вода и углекислый газ, которых в мантии содержится в 1 куб. м 180 кг и 15 кг соответственно (по данным Е.К.Мархинина). В присутствии закисных соединений металлов (главным образом закиси железа) образуются углеводороды. Высокие давления недр Земли подавляют термическую деструкцию сложных молекул углеводородов. По расчетам Э.Б.Чекалюка оптимальные глубины для синтеза, полимеризации и циклизации углеводородов из воды и углекислого газа составляют 100-200 км.

На эти аргументы можно возразить следующее:

Не все месторождения приурочены к зонам разломов.

В магматические и метаморфические горные породы углеводороды могли попасть из осадочных пород в результате миграции.

Углеводороды космоса и магматических проявлений существуют в единичных молекулах и совершенно незначительных примесях. Никто не спорит, что углеводороды образуются химическим путем. Однако крупные скопления таким образом сформироваться не могут.

Важным достоинством концепций неорганического происхождения нефти является ее оптимистичность. Количество воды и углекислого газа в мантии по человеческим меркам неисчерпаемо и это дает нам надежду на то, что ресурсы нефти и газа на Земле значительно больше разведанных сегодня, и продолжают пополняться, то есть теоретически безграничны.

Концепции органического происхождения нефти

Соображения об органическом происхождении нефти были сделаны в 1759 году М.В.Ломоносовым в работе «О слоях земных». Он полагал, что нефть образовалась из каменного угля под воздействием высоких температур. «…Выгоняется подземным жаром из приуготовляющихся каменных углей оная бурая и черная масляная материя и вступает в разные рассолы…». Первые эксперименты получения нефтеподобных продуктов из органического вещества животного происхождения были проделаны немецким химиком Г.Гефером, который нагревал животные жиры при повышенном давлении до температуры 320-4000.

Современная концепция органического происхождения нефти восходит к монографии И.М.Губкина «Учение о нефти». В соответствии с этой моделью, нефть образуется следующим образом:

Исходное вещество для образования нефти – органическое вещество морских илов, состоящее из животных и растительных организмов. Перекрывающие илы осадки предохраняют его от окисления. Погруженный на глубины до 50 м он перерабатывается анаэробными микробами. При погружении в глубокие недра горные породы, содержащие РОВ (рассеянное органическое вещество) попадают в область давлений 15-45 МПа и температур 60 - 150°. Такие условия находятся на глубинах 1,5 – 6 км. Под действием возрастающего давления нефть вытесняется в проницаемые породы (коллекторы), по которым она мигрирует к месту образования будущих залежей.

Отечественная нефтегазовая геология подтвердила положения И.М.Губкина. На основе прогнозов, сделанных на базе этой теории, развитой его многочисленными последователями, отечественная нефтегазовая геология долгие годы позволяла прогнозировать и открывать месторождения, что сделало Советский Союз ведущей нефтегазовой державой мира. Основные аргументы в пользу биогенного происхождения нефти следующие:

Приуроченность 99,9% промышленных скоплений нефти к осадочным породам.

Сосредоточение наибольших запасов в отложениях геологических периодов с наибольшей активностью биосферы.

Сходство элементного, и, главное, - изотопного состава живого вещества и нефтей.

 Оптическая активность  нефтей.

Образование природного газа

Природный газ распространен в природе гораздо шире, чем нефть. Его формирование может происходить различными способами.

При биохимическом процессе образование метана происходит в результате переработки органического вещества бактериями. (Иногда эти бактерии поселяются на нефти, которые перерабатывают ее в метан, азот и углекислый газ).

Термокатализ заключается в преобразовании в газ органического вещества под действием давлений и температур в присутствии катализаторов – глин. Наиболее интенсивно термокатализ происходит при температуре 150-200°.

Если глины с повышенным содержанием органического вещества обогащены ураном, может запуститься радиационно-химический процесс образования газа, который заключается в воздействии радиоактивного излучения, на углеродные соединения. В результате органическое вещество распадается на метан, водород и окись углерода. Оксид углерода, в свою очередь, распадается на кислород и углерод, при соединении с водородом которого также образуется метан.

При механических воздействиях на угли на контактах зерен возникают напряжения, которые служат источниками энергии для механохимического образования метана.

Космогенный процесс описан при описании космической модели образования нефти В.Д.Соколова.

Главное значение в природе, вероятно, имеют термокаталический и биохимический способы образования метана. Возможно, определенную роль играет и «космический» (он же «мантийный») метан, наблюдаемый в «черных курильщиках».

Современная модель образования залежей нефти и газа.

В обобщенном виде современная модель формирования залежей нефти и газа в результате накопления органического вещества (ОВ) и его преобразования в углеводороды (УВ) приведена в таблице 1.

Таблица 1. Образование залежей углеводородов.

В отличие от другого горючего ископаемого – угля, происхождение которого достаточно очевидно благодаря находкам отпечатков листьев и даже целых окаменевших стволов деревьев и было разгадано еще М.В. Ломоносовым, происхождение нефти долгое время было предметом жарких споров, которые полностью не затихли и в наши дни. Существуют две противоположные версии происхождения нефти: неорганическая и органическая. Выбор между этими версиями осложняется тем, что нефть и газ – весьма подвижные вещества-флюиды, они способны к перемещению – миграции внутри земной коры и ее осадочной оболочки на большие расстояния, и их скопления нередко находятся достаточно далеко от предполагаемого места образования.

Неорганическая гипотеза происхождения нефти была относительно наиболее популярной в СССР, где ее отстаивали две научные школы – в Санкт-Петербурге (тогда Ленинграде) во главе с Н.А. Кудрявцевым и Киеве во главе с В.Б. Порфирьевым. Адепты этого направления опирались на авторитет Д.И. Менделеева, который высказал предположение о том, что нефть могла образоваться при воздействии воды на карбид железа. Главными же геологическими фактами, легшими в основу построений "неоргаников", было нахождение некоторых залежей нефти в вулканических, интрузивно-магматических и метаморфических породах. Такие залежи действительно существуют. Особенно показателен пример крупного скопления нефти в трещиноватых и выветрелых гранитах на месторождении "Белый тигр" на юге Вьетнама, в дельте Меконга.

С позиций противоположной, органической концепции генезиса нефти все такие залежи – результат миграции нефти из смежных осадочных пород. Но следует признать, что углеводороды в принципе могут иметь в природе и неорганическое происхождение – иначе как объяснить их присутствие в метеоритах и атмосфере некоторых планет и их спутников, а также выделение метана в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов, практически лишенных осадков. Однако все эти местонахождения представляют лишь научный интерес, а речь должна идти о залежах промышленного значения.

Противники "неоргаников" приводили в качестве доводов в пользу органического происхождения присутствие в нефтях спор и пыльцы растений и специфических органических соединений – порфиринов. Однако "неорганики" объясняли все это заимствованием из вмещающих залежи осадочных пород. Решающее доказательство органического происхождения нефти принесли данные органической геохимии, установившие тождество нефтяных и биогенных углеводородов на молекулярном уровне. Молекулы таких органических соединений получили название "биомаркеров", то есть меток, указывающих на биогенное происхождение данной нефти. Несмотря на это, отдельные исследователи как в нашей стране, так и за рубежом продолжают отстаивать неорганическое происхождение нефти. Соответствующие взгляды высказывались совсем недавно на страницах журнала "Эксплорер", издаваемого авторитетной Американской ассоциацией геологов-нефтяников. А в Швеции была даже пробурена довольно глубокая скважина в кристаллических породах Балтийского щита, но никаких притоков нефти получено не было.

В общем по всей сумме накопленных фактов достаточно обоснованной может считаться лишь концепция органического, биогенного происхождения нефти, выдвинутая немецким ботаником Г. Потонье в начале XX века. В нашей стране она была разработана Г.П. Михайловским, И.М. Губкиным, но наиболее полно и на современном уровне Н.Б. Вассоевичем, который назвал ее осадочно-миграционной теорией нефтеобразования. Согласно этой теории, источником нефти является захороненное в осадках органическое вещество – продукт разложения организмов, – отлагающееся вместе с минеральными частицами осадков.

В свою очередь, источником этого органического вещества являются две группы организмов: наземная растительность, остатки которой сносились реками в морские или озерные бассейны, бактерии и морской зоо- и фитопланктон, причем именно последнему принадлежит главная роль в нефтеобразовании.

Различия в составе органического вещества, отложенного из двух этих источников – гумуса и сапропеля, прослеживаются в составе нефтей, возникших за их счет. Накопление значительных масс органического вещества в осадках было возможно в условиях отсутствия или ограниченного доступа свободного кислорода, что могло происходить лишь в водной среде.

Органическое вещество находится в осадках в рассеянном состоянии. Одни типы осадков им обогащены в большей степени, другие – в меньшей или даже практически его лишены, но среднее содержание очень редко превосходит 1% от массы осадка. И лишь относительно небольшая часть этого вещества (10-30%) затем преобразуется в нефть, остальная сохраняется в осадке и переходит в образующуюся из него осадочную породу. Более всего обогащены органическим веществом темные глинистые толщи типа олигоцен-миоценовой майкопской серии Кавказа, девонского, так называемого доманика Волго-Уральского и Тимано-Печорского бассейнов. Именно их долго рассматривали как классические нефтепроизводящие или нефтематеринские толщи. Однако в дальнейшем выяснилось, что свойством продуцировать нефть обладали и другие типы осадочных формаций, в частности карбонатные.

Преобразование исходного органического вещества в нефть – процесс длительный, сложный и еще до конца непонятый. Известно, что углеводороды нефтяного ряда образуются уже в телах живых организмов и их обнаруживают в современных осадках. Однако, как показал Н.Б. Вассоевич, процесс идет очень медленно, пока осадки не погрузятся на глубину более 2 км, будучи перекрыты более молодыми слоями, и не нагреются до 80-100°C. Лишь тогда наступит главная фаза нефтеобразования. На большей же глубине, порядка 6 км, и при более высокой, более 120°C температуре вместо нефти начнет образовываться газ.

По более современным представлениям (Ш.Ф. Мехтиев, Б.А. Соколов) нефтеобразованию существенно способствуют (кроме погружения и роста температуры с глубиной) поступающие из мантии флюиды. Это особенно заметно в молодых рифтогенных бассейнах типа Суэцкого залива Красного моря, но должно было играть большую роль на ранней стадии развития и более древних бассейнов вроде Западно-Сибирского. В этом смысле можно признать, что в представлениях "неоргаников" было хотя и небольшое, но зерно истины – глубинный эндогенный фактор принимает определенное участие в процессе нефте- и газогенерации. А так как действие этого фактора во времени проявляется неравномерно, отдельными импульсами, то и генерация углеводородов может протекать не в одну фазу, а в несколько таких фаз, как недавно отметил украинский ученый А.Е. Лукин.

Но по существу процесс нефтеобразования завершается лишь тогда, когда капли нефти начнут собираться в более крупные скопления. А это происходит только при отжимании нефти вместе со связанной водой из материнской породы под весом вышележащих слоев, напором газа и при ее переходе в пористые породы-коллекторы, в частности пески и песчаники.

Необходимо иметь в виду, что вместе с нефтью и даже раньше нее из материнской породы отжимается и вода, притом в неизмеримо больших количествах. А породы-коллекторы обязательно являются водоносными. Вода может иметь в них различное происхождение – она может захороняться вместе с осадками (погребенные воды) или проникать с поверхности на выходе пластов на эту поверхность (инфильтрационные воды). Все нефтегазоносные осадочные бассейны, как подчеркнул И.О. Брод, являются одновременно артезианскими, и нефть и газ перемещаются, мигрируют не сами по себе, а вместе с водой, нефть по существу первоначально в виде нефтеводной смеси (капли нефти в воде). Но вскоре происходит отделение нефти и газа от воды, вследствие более низкого удельного веса нефть всплывает над водой и скапливается в залежи, стремясь занять в пласте-коллекторе наиболее высокое гипсометрическое положение. Это тем более относится к газу и газоконденсату, но о происхождении газа следует сказать особо.

Диапазон глубин газообразования гораздо шире, чем у нефти, а его источником могут являться не только вещества органического происхождения, захороненные в субаквальных осадках, но и вещества, получающиеся в результате углефикации наземной растительности. Залежи газа, продуцированного угленосной толщей среднего карбона, известны в верхнем карбоне и нижней перми в южной части Северного моря и других районах. Выделения метана наблюдаются практически во всех угленосных толщах, и его взрывы в шахтах нередко имеют катастрофические последствия. Образование метана начинается уже в болотах, а промышленные залежи газа выявлены в очень молодых, плиоцен-четвертичных осадках. Газообразование продолжается и на больших глубинах, но, как отмечалось выше, его главная фаза приходится на область более высоких температур, чем главная фаза нефтеобразования. В последнее время в Скалистых горах США обнаружены скопления газа в слабопроницаемых отложениях верхов мела, их называют нетрадиционными, к ним относятся и упомянутые выше глинистые толщи. Следует упомянуть наконец о широком распространении в осадочных толщах морей и океанов и придонном слое осадков залежей газогидрата – сжиженного и замерзшего растворенного в воде газа.