Происхождение горючих ископаемых.

Происхождение горючих ископаемых.

Первые  теории, в которых рассматривались  принципы, определяющие залегание месторождений  нефти, обычно ограничивались главным  образом вопросом о местах ее скопления. Однако за последние 20 лет стало ясно, что для ответа на этот вопрос необходимо разобраться в том, почему, когда и в каких количествах произошло образование нефти в том или ином бассейне, а также понять и установить, в результате каких процессов она зарождалась, мигрировала и накапливалась. Эти сведения совершенно необходимы для повышения результативности разведки нефти.

Образование углеводородных ископаемых, согласно современным воззрениям, происходило  в результате протекания сложной  последовательности геохимических  процессов (см. рис. 1) внутри исходных газонефтеродных горных пород. В этих процессах составные части различных биологических систем (веществ природного происхождения) превращались в углеводороды и в меньшей степени в полярные соединения с различной термодинамической устойчивостью - в результате осаждения веществ природного происхождения и последующего их перекрывания осадочными породами, под влиянием повышенной температуры и повышенного давления в поверхностных слоях земной коры. Первичная миграция жидких и газообразных продуктов из исходного газонефтеродного слоя и последующая их вторичная миграция (через несущие горизонты, сдвиги и т. п.) в пористые нефтенасыщенные горные породы приводит к образованию залежей углеводородных материалов, дальнейшая миграция которых предотвращается запиранием залежей между непористыми слоями горных пород.

В экстрактах органического вещества из осадочных  горных пород биогенного происхождения  обнаруживаются соединения с такой  же химической структурой, какую имеют  соединения, извлекаемые из нефти. Для  геохимии имеют особо важное значение некоторые из таких соединений, которые считаются «биологическими метками» («химическими ископаемыми»). Подобные углеводороды имеют много общего с соединениями, встречающимися в биологических системах (например, с липидами, пигментами и метаболитами), из которых произошло образование нефти. Эти соединения не только демонстрируют биогенное происхождение природных углеводородов, но и позволяют получать очень важную информацию о газонефтеносных горных породах, а также о характере созревания и происхождения, миграции и биоразложения, приведших к образованию конкретных месторождений газа и нефти.

        Теории происхождения нефти и газа

Неорганическая  теория происхождения:

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. 
 
7. Связь нефтяных месторождений с глубинными разломами

Органическая теория происхождения:

 Эта теория появилась еще  при М.В.Ломоносове ,который предположил,что нефть образовалась «при действии жара на торф».Высказывались и другие представления – что нефть образовалась из углей под влиянием высокой температуры или при действии перегретого пара ,однако они продержались не долго.

   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… 
  Так опытным путем была доказана теория органического происхождения нефти.

      Этот этап можно смело назвать этапом становления теории органического происхождения нефти, или, как ее правильно назвал Н.Б. Вассоевич, теории осадочно-миграционного происхождения нефти и углеводородных газов. Начало данного этапа следует считать 1950 год потому, что именно этот год почти одновременно с советскими и американскими учёными были обнаружены У.В. в современных осадках. Американские исследователи под руководством П.В.Смита открыли углеводороды в современных осадках Мексиканского залива, прикалифорнийской части Тихого океана, а также некоторых пресноводных бассейнов. И хотя дальнейшие исследования показали, что углеводороды, содержащиеся в современных осадках, существенно отличаются от нефти, значение указанных открытий  трудно переоценить. Они показали, во-первых, что углеводороды образуются в осадках из остатков растительных и животных организмов. Тем самым был положен конец продолжавшейся в течение более двух столетий дискуссии о том, какое органическое вещество может быть исходным для образования нефти.

             Современные взгляды на происхождение  нефти и газа

   Биогенной теории придерживались многие серьезные отечественные и зарубежные ученые. Академик В. И. Вернадский, основоположник современной геохимии нефти, еще в начале века писал: «Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей». 
   Академик И. М. Губкин в своей книге «Учение о нефти» в 1932 году обстоятельно и полно подвел итог тогдашней истории нефтяного и газового дела. В качестве исходного вещества для образования нефти Губкин рассматривал сапропель — битуминозный ил растительно-животного происхождения. По мере погружения пласта, обогащенного органическими остатками, под воздействием последующего наноса и тектонических перемещений в глубину, в нем возрастают температуры и давления. Эти процессы, которые впоследствии получили название катагенеза, и приводят в конце концов к преобразованию органики в нефть. Взгляды Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее органического происхождения.

      Взгляды Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее органического происхождения. В наше время многие ее положения расширены и дополнены. Так, скажем, долгое время считалось, что первоначальное накопление органического вещества обязательно должно идти в океане. Но, видимо, нефть может формироваться и в континентальной обстановке, ведь в болотах, озерах, реках достаточно органического вещества.  
 
Детально рассмотрен и сам процесс формирования нефтяных месторождений. Выделяют пять основных стадий осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.  
 
Первая стадия: в осадок, образующийся в море или в пресном водоеме, вносятся органические вещества с небольшим количеством углеводородного нефтяного ряда, синтезированных живыми организмами.  
 
Вторая стадия: накопленный на дне осадок преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается. При этом часть вещества разлагается с выделением диоксида углерода, сероводорода, аммиака и метана. Словом, получается картина, частенько наблюдаемая на болотах.  
 
Третья стадия: биохимические процессы постепенно затухают. Сравнительно небольшая температура земных недр на данной глубине (порядка 50 С) определяет низкую скорость реакций. Концентрация битумов и нефтяных углеводородов возрастает слабо, в составе газовых компонентов преобладает диоксид углерода.  
 
Четвертая стадия: осадок погружается на глубину 3-4 километров, окружающие температуры возрастают до 150 С. Происходит отгонка нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества в пласт. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь, образует промышленные залежи.  
 
И наконец, пятая стадия: на глубине 4,5 километра и более при температурах свыше 180 С органическое вещество прекращает выделение нефти и продолжает генерировать лишь газ.

        Есть и еще одна интересная гипотеза. В соответствии с ней, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил подвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказаться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков в зону подвига жестких плит аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися жесткими деталями в различных технических устройствах и машинах.

      В 1980 году в штате Вайоминг поисковая скважина на глубине 1888 метров вошла в докембрийский фундамент, сложенный из гранита. Затем в скальных породах геонефтеразведчики прошли еще 2700 метров и обнаружили осадочные отложения мелового периода. Необъяснимое, казалось бы, чередование пород разного геологического возраста объяснялось весьма просто: на осадочные породы в свое время была надвинута плита гранита. Бурение было продолжено, и на глубинах 5,5 километров разведчики обнаружили промышленные залежи газа. К настоящему времени в Скалистых горах ведется промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива. Это уникальное месторождение.

        Образование  основных классов углеводородов  нефти

      Углеводороды в нефти представлены тремя типами соединений: парафиновыми, нафтеновыми и ароматическими. Отличительной особенностью углеводородного состава сырой нефти является отсутствие в ней ненасыщенных углеводородов.

       Парафиновые углеводороды:  

      В зависимости от количества атомов углерода в молекуле углеводороды могут принимать одно из трех агрегатных состояний. Например, если в молекуле от одного до четырех атомов углерода (СН₄ – С₄Н₁₀), то УВ представляют собой газ, от 5 до 16 (С₅Н₁₆ – С₁₆Н₃₄) - это жидкие УВ, а если больше 16 (С₁₇Н₃₆ и т.д.) – твердые.

      Таким образом, парафиновые углеводороды в нефти могут быть представлены газами, жидкостями и твердыми кристаллическими веществами. Они по-разному влияют на свойства нефти: газы понижают вязкость и повышают упругость паров; жидкие парафины хорошо растворяются в нефти только при повышенных температурах, образуя гомогенный раствор; твердые парафины также хорошо растворяются в нефти образуя истинные молекулярные растворы. Парафиновые УВ (за исключением церезинов) легко кристаллизуются в виде пластинок и пластинчатых лент.

         Жидкие парафины входят в состав  бензиновых и керасиновых фракций. Содержание твердых УВ в нефтях колеблется от десятых процента до 10%и выше.

        Нафтеновые углеводороды:

      Нафтеновые углеводороды в нефтях присутствуют в основном в виде углеводородов гибридного строения. Структурными звеньями гибридных углеводородов, кроме 5- и 6-членных колец, являются парафиновые цепи и ароматические циклы.

     Нафтены могут преобладать над другими классами углеводородов в нефти. Содержание их колеблется от 25 до 75 % масс. Наибольшей устойчивостью обладают 5- и 6-членные циклы: циклопентан, циклогексан, метилциклогексан, этилциклогексан. Они и преобладают в нефтяной системе. Циклоалканы могут быть бициклическими: С₈-С₁₂, это жидкости, и полициклическими: С₁₃ и более, это твердые вещества.

     В отличие от парафиновых углеводородов с тем же числом атомов углерода циклоалканы находятся в ассоциированном состоянии при более высокой температуре. Число молекул в ассоциате от 2 до 4-5 в зависимости от температуры и строения.

     Ароматические углеводороды:

   В большинстве случаев арены по содержанию в нефти уступают алканам и циклоалканам. Арены представлены в нефтях различными гомологическими рядами: моноциклические углеводороды ряда бензола; бициклические - ряда нафталина; три- и тетра - циклические углеводороды.

    Наиболее длинные боковые парафиновые цепи имеют моноциклические ароматические углеводороды: число углеродных атомов цепи С₃-С₁₂ и это может приводить к уменьшению степени ассоциации; затем – бициклические (С₂-С₇); наименьшее число атомов углерода в боковых парафиновых цепях (С₁-С₄) при кольцах полициклических ароматических углеводородов.

     Имеют циклическое строение; циклы состоят из шести атомов углерода, соединенных попеременно одинарной и двойной связью. В легких нефтепродуктах из дистиллятов каменноугольного дегтя ароматические углеводороды присутствуют в бóльших количествах, чем в первичных и крекинг-дистиллятах нефти. Они входят в состав бензина. В заметных количествах такие соединения присутствуют только в некоторых сырых нефтях, например на месторождениях о.Борнео (Калимантан). Они могут быть получены дегидрированием циклогексанов нефти с использованием катализаторов и высоких температур.