Теории происхождения нефти и газа

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДРАСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

на  тему: «Проблема происхождения нефти»

Оглавление

Введение 3

1. Теории происхождения нефти и газа 4

2.1 Органическая теория происхождения нефти и газа 5

2.2 Неорганическая теория происхождения углеводородов……………….……..10

3. Заключение……………………………………………………………………………………………………12

Введение

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.».

Работа  посвящена одной из сложнейших проблем  современной геологии - флюидодинамике осадочных бассейнов (ОБ), происхождению нефти и формированию месторождений углеводородов (УВ), обсуждаемой в научной литературе более 100 лет и не нашедшей к настоящему времени однозначного решения. В работе сделана попытка обобщения накопившейся к настоящему времени информации, включающей огромный и разнообразный теоретический, экспериментальный и эмпирический материал о нефтегазоносных структурах, геохимических исследованиях, геодинамике, гидрогеодинамике и др.

1. Теории происхождения нефти и газа

Существует  две теории происхождения нефти  органическая и неорганическая. Проблема состоит в том какая из них верна.

К 19 веку споры, в основном, сводилось  к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования  нефти: остатки растений или животных?

Немецкие  ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 С и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.

Позднее, в 1919 году, академик Н.Д.Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного  происхождения - сапропель - из озера  Балшах. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…

Но  с другой стороны, в 1866 году французский  химик М.Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ.

Десять  лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании  Русского химического общества выступил с обстоятельным докладом Д.И.Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования  нефти. Ученый считал, что во время  горообразовательных процессов  по трещинам-разломам, рассекающим  земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа, под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Так образуются газовые и нефтяные месторождения.

В своих рассуждениях Менделеев ссылается  на опыты по получению водорода и  ненасыщенных углеводородов путем  воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.

Однако  неожиданно карбидная или, как ее еще называют, абиогенная теория о  происхождении нефти получила новые  доказательства - от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что  в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых  оболочках комет встречаются  соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики. Но ведь именно на этом и построена теория Менделеева.

И хотя большинство геологов придерживается все-таки биогенной теории, отзвуки  этих споров не затихли и по сей  день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа… Словом, все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться.

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.

2.1 Органическая теория происхождения  нефти и газа

В основе органической, биогенной теории нефтеобразования лежит представление о происхождении нефти из биогенного органического вещества подводных (субаквальных) осадочных отложений. Этот процесс, по мнению сторонников органической теории, носит стадийный характер. Нефть представляет собой продукт превращения органического вещества.

Нефть - результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях.

Нефтеобразование - стадийный, весьма длительный (обычно 50--350 млн. лет) процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Выделяется ряд стадий:

- осадконакопление - во время которого остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов;

- биохимическая - процессы уплотнения, обезвоживания и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;

- протокатагенез - опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5-2 км, при медленном подъёме температуры и давления;

- мезокатагенез или главная фаза нефтеобразования (ГФН) -- опускание пласта органических остатков на глубину до 3--4 км, при подъёме температуры до 150 °C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит отгонка нефти за счёт перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в песчаные пласты-коллекторы, а по ним в ловушки;

- апокатагенез керогена или главная фаза газообразования (ГФГ) - опускание пласта органических остатков на глубину более 4,5 км, при подъёме температуры до 180-250 °C.

При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и реализовывает метаногенерирующий потенциал.

Уже давно было установлено, что большинство  осадочных отложений морского (субаквального) происхождения содержит определенное количество рассеянных органических веществ: остатки растительного и животного  мира. В количественном отношении  органическое вещество осадочных отложений  составляет от граммов на 1 м3 породы в соленосных отложениях до 6 кг на 1 м3 в горючих сланцах. В глинах содержание органического вещества (ОВ) составляет 300-500 г на 1 м3, в алевролитах - 200 г на 1 м3, в известняках - 250 г  на 1 м3 породы. Кларковое значение органического вещества принимается 400 г на 1 м3 породы. Различают органическое вещество сапропелевого типа и гумусового типа. Если накопление и изменение органического вещества происходит под водой при недостаточном доступе воздуха, оно сводится к процессу перегнивания, возникают углеводы. Это гумусовые вещества (главная часть почвы). Если же изменение органического вещества происходит под водой, без доступа кислорода, то происходит процесс гниения - это восстановительный процесс в химическом отношении (еще Потонье назвал «медленную перегонку»). И.М. Губкин писал в своей книге «Учение о нефти», что «мелкие застойные бассейны являются типичными районами отложения органического вещества углеводородного состава. В огромных количествах здесь развиваются сине-зеленые водоросли, мелкие членистоногие и другой планктон. Умирая, последние вместе с остатками других растений падают на дно бассейна, образуя мягкий, иногда мощный слой органического ила, который называется «сапропель» (гнилой ил).

Накопления  сапропеля, отмечает Губкин, происходит в прибрежных частях морей (в лагунах, лиманах). Сапропель при сухой перегонке дает до 25% по весу жирных, похожих на нефть масел (Учение о нефти. 1975. С. 26).

Нефтеобразование - сложный процесс, который происходит в недрах Земли за большой промежуток времени. Мы видим только фиксированные результаты - в виде залежей и месторождений нефти. Эти процессы происходили в нефтематеринских свитах. Нефтематеринскими являются самые разнообразные отложения, формировавшиеся под водой и содержащие рассеянное органическое вещество не ниже кларкового. Наиболее высокопотенциальные нефтематеринские отложения - это глинисто-карбонатные образования, содержащие сапропелевое органическое вещество в количестве почти на порядок выше кларка - это так называемые доманикиты. Они присутствуют во всех системах фанерозоя, отмечаются в докембрийских толщах, они прослеживаются на разных континентах на одних и тех же стратиграфических уровнях. Наиболее значительные по масштабам накопления органического вещества отмечены на границе венда-кембрия, в конце девона - начале карбона, в конце юры - начале мела. Величина органического вещества за счет продукции фитопланктона (растительный планктон, обитающий в воде на глубинах 100-200 м, «блуждающий» зоопланктон - в основном фораминиферы с известковой раковиной, радиолярии и т.д.) в мировом океане составляет 18 млрд. тонн в год.

Первичная жизнь зародилась на Земле 3,5 млрд лет назад.  
В кембрийской эпохе в водной оболочке Земли уже были разнообразные формы жизни. В раннем палеозое огромные пространства Земли были заняты океанами и морями, животный мир был представлен беспозвоночными организмами и водорослями. Уже в силуре органический мир начал осваивать сушу, появились первые наземные растения.

Наиболее  благоприятные условия для развития жизни в водоемах находятся в  интервале глубин 60-80 м. Это шельфовая  часть подводных окраин континентов. Накопление органического вещества в водоемах зависит от типа бассейна - океан ли это, озеро или эпиконтинентальное море. В отложениях внутриконтинентальных  морей, от берега дальше в направлении  центра, содержание органического вещества нарастает. Считается, что 50% всего органического  вещества приходится на подводные окраины  континентов. Как отметил в своей  книге «Учение о нефти» академик Губкин , наилучшие условия для накопления органического вещества имеются в прибрежных частях морей (в заливах, бухтах, лиманах, в открытом море недалеко от берега), где осадконакопление идет в пресной и в соленой воде, где идет борьба между морем и сушей, где происходит чередование отложений: осадки глинистого характера, содержащие богатый органический материал, сменяются песком. В этой части бассейна отлагаются те отложения, которые являются нефтематеринскими. «Как мы видим теперь, родина нефти не в пресноводных бассейнах, не в болотах, а в областях древних мелководных морей, их заливах и прочих частях...» (Губкин И.М. Учение о нефти. 1975. С. 335).

В основе всего живого лежат 6 элементов: углерод С; кислород О; фосфор Р; водород Н; азот N; сера S. Основными биохимическими компонентами живых организмов являются белки; углеводы, липиды, лигнин, целлюлоза, причем углеводы и белки составляют 90% живого организма.

Обогащенные органическим веществом нефтематеринские толщи погружаются, попадают в область высоких температур и давлений.

Академик  Губкин написал также в своей  известной книге, что нефтеобразование идет стадийно. На стадиях седиментогенеза и диагенеза формируются нефтематеринские и газоматеринские осадки, формируется исходное органическое вещество. На первой стадии в органическом веществе осадков происходят биохимические процессы, в результате которых возникает «кероген» - нерастворимое органическое вещество (для большинства наших ученых кероген - это органическое вещество в целом, для зарубежных ученых под керогеном понимается часть органического вещества, нерастворимая в органических растворителях). Образуется много газообразных продуктов, но они рассеиваются. Часть газа растворяется в воде и захороняется и при повышенных концентрациях может представлять интерес для промышленной добычи (в водах острова Киву в одном из рифтовых озер Африки, в глубоководной части содержатся 50 млрд м3 метана). В Японии из плиоцена и плейстоцена, в пластовых водах которых много метана, производится добыча газа, в составе которого метана - 90-97%, углекислого газа - 1-8%, азота - 0,5-3%, но, в целом, на этой стадии нефти пока нет.

Дальнейшее  погружение приводит к тому, что  нефтематеринские породы попадают в зону катагенеза (катагенез - это изменение осадочных пород в условиях повышенных температур и давлений), где происходит образование от исходного органического вещества газообразных (углекислый газ, метан, сероводород, аммиак) и жидких продуктов углеводородов.

В 1967 г. Н.Б.Вассоевич выступил с утверждением, что нефтеобразование происходит на стадии среднего катагенеза при глубине отложений 2-3 км и температуре 80-150?С. Он назвал этот интервал «главной фазой нефтеобразования», в которой решающим фактором является температура. Это наиболее оптимальные условия нефтеобразования. За рубежом этот интервал называют «нефтяным окном».

Газообразование - более распространенный процесс  и происходит с разной интенсивностью на стадиях диагенеза и катагенеза.

Еще В.А.Соколов в 1948 г. выделил в осадочных  отложениях сверху вниз несколько зон  по их способности к нефтегазогенерации. 
Зона I - глубина 0-150 м - биохимическая. Характеризуется развитием биохимических процессов в органическом веществе с выделением газов.  
Зона II - глубина 1-1,5 км - переходная. Биохимические процессы затухают. 
Зона III - глубина от 1,5 до 6 км - термокаталитическая. Самая важная для нефтеобразования.

Зона IV - глубина 6 км и более - газовая. В  ней образуется преимущественно  метан.

Указанные Соколовым глубины были ориентировочные, но они свидетельствовали о намечаемой вертикальной зональности в распределении  месторождений углеводородов в  осадочной толще.

Итак, процесс нефтеобразования согласно органической теории - стадийный. На стадиях осадконакопления и диагенеза (становления осадка) формируются нефтегазоматеринские породы, обогащенные органическим веществом. На стадии катагенеза реализуются потенциальные возможности нефтегазоматеринских пород генерировать газ, нефть, конденсат. Процесс начинается с образования газа, которое сопутствует нефтеобразованию и завершает его.

Процесс интенсивного образования нефти  Н.Б.Вассоевич назвал Главной фазой нефтеобразования, а глубинный интервал - Главной зоной нефтеобразования (ГЗН). Температура в Главной зоне нефтеобразования - 60-150?С. Такие температуры в среднем существуют на глубинах 2-4 км, в зависимости от геотермического градиента. При температуре 150?С из керогена интенсивно генерируются нефть, конденсат и жирный газ.

А.Э.Конторович подсчитал, что в Главной зоне нефтеобразования из одной тонны органического вещества сапропелевого типа образуется 37 кг битумоида, а в случае гумусового типа - 16-19 кг.

Ведущими  факторами превращения нефтематеринских пород в нефтепроизводящие являются температура, давление, геологическое время и тектонические движения. Под действием этих факторов происходит катагенез.

Погружение  нефтематеринских пород до глубин с температурой 200-300?С приводит к тому, что кероген генерирует метан. Нижняя зона метанообразования не установлена, бурением подошвы этой зоны, по мнению французских ученых Б.Тиссо и Д.Вельте , не может быть достигнута.

Таким образом, на основании вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1. Органическая теория происхождения  нефти считает первым доказательством  нефтеобразования за счет органического вещества приуроченность месторождений нефти и газа к осадочным бассейнам. Причем имеется связь между запасами нефти и газа с объемом нефтегазоматеринских отложений, находившихся в очаге генерации.

2. Второе доказательство связи  нефти с живым веществом - присутствие  в нефти реликтовых углеводородов,  или хемофоссилий, которые являются биологическими маркерами между нефтью и исходным органическим веществом.

3. Оптическая активность или способность  нефти вращать плоскость поляризованного  света связана с присутствием  в молекуле асимметричного атома  углерода, все валентности которого  насыщены различными атомами  или радикалами, что свойственно  только биологическим системам.

Получается, что на сегодня органическая теория происхождения нефти лучше аргументирована, чем неорганическая, но все же вопросы  происхождения нефти, миграции, аккумуляции, формирования месторождений являются нерешенными, дискуссионными в силу наличия совершенно противоположных мнений.

2.2 Неорганическая теория происхождения углеводородов

Исторически неорганическая теория возникла раньше органической. До середины XIX в. нефть использовалась там, где имелись её выходы на поверхности - в Средиземноморье, в Калифорнии, Венесуэле и др. Ряд ученых того времени, например немецкий естествоиспытатель А.Гумбольдт, связал образование нефти и асфальта с вулканами.

Во  второй половине XIX в. химикам удалось  в лабораторных условиях синтезировать  ацетилен С2Н2, углеводороды метанового ряда.

Знаменитый  химик Д.И.Менделеев создал свою известную «карбидную» теорию происхождения  нефти и выступил на заседании  Русского химического общества в 1877 г., причем его гипотеза была обоснована на большом фактическом материале  и сразу же завоевала популярность. Менделеев указал, что открытые к  тому времени месторождения нефти  сконцентрированы в окраинах горно-складчатых сооружений, линейно вытянуты, тяготеют к зонам крупных разломов. Через  эти разломы вода проникает вглубь Земли, вступает в реакцию с углеродистыми  металлами - с карбидами металлов, в результате чего возникает нефть, которая поднимается вверх, образует залежи:

2FeC+3H2O=Fe2O3+C2H6

Этот  процесс, по Менделееву, происходил не только в прошлые геологические  периоды, но и происходит сейчас.

Карбидную теорию критиковал академик И.М.Губкин. Для карбидного варианта происхождения  нефти необходимо существование  проводящих путей воды к жидким карбидам и обратно, из очагов генерации к  местам скопления нефти и газа. Губкин показал невозможность существования  подобных трещин - проводящих путей  от ядра Земли к верхней твердой  оболочке. Препятствием является, по Губкину, пластичный базальтовый пояс, затрудняющий как проникновение воды вниз, так  и обратный восходящий поток нефти  и газа. Кроме того, в качестве аргумента против карбидной теории Губкин ссылался на тот факт, что  образованные неорганическим путем  нефти оптически неактивны, в  то время как природная нефть  оптически активна, способна вращать  плоскость поляризации светового  луча.

Кроме карбидной известна космическая  теория происхождения нефти. Автор  этой теории русский геолог Н.А.Соколов  выдвинул её в 1892 г. Он считал, что углеводороды изначально существовали в первозданном веществе Земли или образовались на ранних высокотемпературных стадиях  её образования. С охлаждением Земли  нефть поглощалась и растворялась в жидкой расплавленной магме. Впоследствии, когда возникла земная кора, из магмы  выделились углеводороды, которые по трещинам в земной коре поднимались в верхние части, сгущались и там образовали скопления.

Н.А. Соколов в качестве аргумента  своей теории принял факты обнаружения  углеводородов в метеоритах.

Академик  Губкин, критикуя эту теорию, написал, что она основана лишь на теоретических  рассуждениях и не подтверждается геологическими наблюдениями. Губкин считал, что в  природе в очень небольших  количествах можно допускать  образование нефти неорганическим путем, но это не имеет практического  значения, основная масса скоплений  нефти имеет все-таки органическое происхождение.

Необходимо  сказать о некоторых наших  крупных ученых-нефтяниках, которые  в середине XX в. выступили с наиболее обоснованной теорией неорганического  происхождения нефти. Это Н.А. Кудрявцев, В.Б.Порфирьев, П.Н. Кропоткин и их сторонники.

Кудрявцев считал, что из углерода и водорода, имеющихся в магме, образуются радикалы СН, СН2, СН3, которые выделяются из магмы, как и кислород, и служат исходным материалом для образования нефти в более холодных зонах земной коры. По мнению Кудрявцева, нефть, газы из мантии Земли по глубинным разломам поднимаются вверх в осадочную оболочку Земли.

Порфирьев считал, что нефть поступала с  глубинных зон Земли не в форме  углеводородных радикалов, а со всеми  свойствами, присущими естественной нефти. Флюиды поднимались в сильно нагретом состоянии и под огромным давлением прорвались в пористые породы. Таким путем образовались все нефтяные месторождения. Где  и на каких глубинах находилась нефть  до её миграции по разломам остается неясным. В.Б.Порфирьев считает несомненным  одно - в подкоровых зонах.

В качестве основных аргументов для подкрепления неорганической теории происхождения  нефти сторонники её приводят следующие  факты:

1. Наличие месторождений нефти  в кристаллических породах фундамента.

2. Нефтегазопроявления, нахождение углеводородов в продуктах деятельности вулканов, в космосе, «в трубках взрыва».

3. Факты получения углеводородов  лабораторным путем, в условиях  высоких температур и давлений (реакция Фишера-Тропша).

4. Присутствие углеводородных газов  и жидких углеводородных флюидов  в глубоких скважинах, вскрывших  кристаллический фундамент (в  Татарстане Миннибаевская и Новоелховская скважины, скважина Гравберг в Швеции и др.).

5. Невозможность объяснения с позиций  органической теории огромных  концентраций нефти в гигантских  месторождениях мира, невозможность  объяснения, как происходит отрыв  рассеянных углеводородов от  материнской толщи (эмиграция).

6. Молодой (кайнозойский) возраст залежей  газа и постпалеозойский (преимущественно кайнозойский) возраст залежей нефти на древних платформах. В.Б.Порфирьев считал, что все известные в мире нефтяные месторождения образовались недавно - в промежутке времени от миоцена до четвертичного периода. К.Б.Аширов также считал, что все залежи нефти недавно формировались, в результате альпийских тектонических движений.

Заключение

Знаем ли мы правду об истинных запасах нефти  и газа? Почему нефтяным компаниям  выгодно занижать свои запасы нефти? Почему запасы нефти в России засекречены  и охраняются законом? Почему геология - наука не точная? И хватит ли нам  нефти до конца тысячелетия?

Как же изучаются запасы нефти и газа? Очень просто. На поверхности земли  производится взрыв, взрывная волна  проникает вглубь земли, отражается и возвращается назад. Там ее улавливают сейсмоприемники, записывают колебания  на магнитную ленту, а потом компьютер  по этим данным строит профиль земной коры, где видны полости, заполненные  нефтью, газом, и т.д.

Вот уже примерно 130 лет сосуществуют две теории на этот счет. Согласно первой, общепризнанной, нефть - невозобновляемый ресурс, имеет органическое происхождение и образуется с участием останков древней флоры и фауны.

Альтернативная  теория предполагает неорганическое происхождение: образуется благодаря круговороту  воды в природе. Таким образом, вода переносит углеводороды, вступающие в реакцию с водородом из недр Земли. Поэтому нефть - возобновляемый ресурс.

По  моему мнению, нефть всё же имеет  органическое происхождение, так как  этому находит подтверждение  множество фактов.

Астрахань 2013