Современные концепции нефтеобразования
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
ГЕЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых
Курсовая работа
на тему
Современные концепции
нефтеобразования
Выполнил:
студент 3 курса
Биляк Игорь
Анатольевич
Научный
руководитель
Доцент
Соболева Елена Всеволодовна
Москва, 2014
Введение
Проблема о происхождении нефти обсуждается с начала 19 века, однако
ученые до настоящего времени не смогли прийти к единому мнению на этот счет.
Многочисленные исследования в области нефтяной геологии, геохимии привели к
появлению многочисленных гипотез нефтеобразования, причем эти гипотезы
основываются часто на одних и тех же фактах, но делают противоположные выводы.
Согласно подсчетам мировых запасов углеводородных флюидов, запасы нефти
истощаться уже в ближайшие 20-30 лет. Однако некоторые из концепций
подразумевают возможность полной регенерации нефти в довольно быстрые сроки,
либо синтез углеводородного топлива и простейших углеродистых соединений (CO,CO2) из неорганических веществ. «Правильное понимание вопроса о
происхождении нефти состоит в том, что дает нам истинное представление о
протекавших в недрах Земли процессах, в результате которых образовались
углеводородные флюиды и сформировались, в конечном итоге их залежи,
удовлетворяет наше стремление к познанию природы и установлению закономерной
связи между происходящими в ней явлениями в процессе их непрерывного развития»
(Н.Б. Вассоевич, 1924)
В данной работе рассматриваются основные современные концепции нефтеобразования,
имеющие наибольшую известность и аргументацию. Концепции разделены на
органическую (биогенную) и неорганическую (минеральную). Первая исходным для
нефти считает некрому живых организмов, а вторая предполагает синтез сложнейших
органических молекул из простейших неорганических. Стоит отметить, что в каждой
из них присутствуют свои плюсы и минусы - некоторые моменты, связанные с
процессом нефтеобразования до настоящего времени не имеют полностью
аргументированных доказательств.
Происхождение и условия залегания нефти издавна привлекали внимание
естествоиспытателей.
Г. Агрикола в 1546 г. писал о том, что нефти и каменные угли имеют
неорганическое происхождение. Уголь, согласно его гипотезы - результат сгущения
и последующего затвердевания нефтей.
М.В. Ломоносов в учении “О слоях земных” (1763) высказался о
дистилляционном происхождении нефти под действием эндогенного тепла из
органического вещества, из которого также получаются каменные угли.
В связи с развитием нефтяной промышленности вопрос генезиса углеводородов
стал особенно актуален, начиная со второй половины XIX века были предложены
разнообразные гипотезы об органическом и неорганическом (в частности
минеральном) происхождении. Французский физик М. Бертелло в 1866 выдвинул
предположение о том, что нефть образуется в недрах земли при воздействии
углекислоты на щелочные металлы. В 1871 г. другой французский химик Г. Биассон
выступил с идеей о генезисе нефтей путем взаимодействия воды, углекислого газа
(CO2), сероводорода (H2S) с раскаленным железом. Д.И. Менделеев выдвинул
минеральную концепцию в 1877 году. В. Д. Соколов в 1882 предложил гипотезу
космического происхождения нефти, исходным материалом в которой явились
углеводородные флюиды, содержавшиеся в газовой оболочке Земли во время ее
звездного состояния. Нефть образовывалась в результате остывания Земли -
углеводородные флюиды поглощались раскаленной магмой и конденсировались. В
процессе отвердевании коры они распределялись в пустотах, а в последствии
концентрировались и формировали залежи. Также излагались гипотезы
вулканического (Кост 1905), минерального мантийного (Кижнер, 1914, Мак-Деморт,
1939, Ван Орстранд 1948) происхождения УВ.
В дальнейшем выдвигалось множество неорганических гипотез образования
нефти, однако на международных конференциях они не получали поддержки. Такое
отношение к неорганической концепции нефтеобразования напрямую связано с
открытием в конце XIX- начале XX веков оптической активности нефтей, а также ее
тесной связи с сапропелевым органическим веществом осадочных горных пород. Это
привело к появлению сапропелевой гипотезы Г. Потонье в 1904-05 гг. Позже она
развивалась В.И. Вернадским, И.М. Губкиным, Н.И. Андрусовым и другими.
В 1920-ые начались геолого-геохимические исследования нефти, в 1932 г.
И.М.Губкин опубликовал книгу «Учение о нефти», сыгравшая огромную роль в
развитии представлений о генезисе нефтей, а также формировании нефтяных
залежей. Важными открытиями стали нахождение в составе нефтей хемофоссилий,
унаследованных от живого вещества, а также изучение распределения стабильных
изотопов углерода, серы, азота, кислорода, водорода в нефти, органическом
веществе пород и в живых организмах.
Глава 1.
Неорганическая концепция нефтеобразования
Хотя биогенная концепция и имеет достаточно серьезную аргументацию, она
не до конца описывает процесс генезиса нефтей. Это привело к появлению критики
в адрес сторонников органической концепции, а также формированию альтернативных
абиогенных моделей нефтеобразования, которые призваны объяснить моменты, не
описанные органиками.
1.1
Минеральная и вулканическая гипотезы
Минеральные гипотезы разрабатывались в качестве альтернативы биогенной
концепции, поскольку несмотря на всю универсальность биогенной модели, она не
могла объяснить многие важные факторы или удовлетворительно обосновать
некоторые собственные принципиальные теоретические предположения. К числу таких
факторов и предположений относятся крайняя неравномерность в распространении
запасов нефти на Земле, наличие во многих районах залежей нефти и
углеводородного газа в кристаллических, в том числе и магматических, породах,
залегающих глубже осадочных горных пород, приуроченность нефтяных и газовых
месторождений к зонам разломов, отсутствие специфических признаков
“нефтематеринских” горных пород, кроме наличия рассеянного органического
вещества, близкого по составу к нефти и т.д.
В 1866 году французский химик Бертело впервые высказал предположение о
том, что нефть образовалась в глубинных зонах земной коры из минеральных
веществ. Его можно считать отцом современных гипотез неорганического
происхождения нефти.
Спустя несколько лет начались экспериментальные исследования по синтезу
УВ нефтяного типа с использованием различных катализаторов и реагентов из
простых углеродистых соединений при разных температурах.
Опыты, проведенные в 1877г. химиком Клоец, состояли в действии НCl или H2SO4 на зеркальный
чугун, содержащий 4% C. В
результате получались H и
значительное количество насыщенных и ненасыщенных УВ с нефтяным запахом. Удалив
из сырой смеси олефины (алкены), он получил УВ алканового ряда с декана
(С10Н22) до гексадекана (C16H34).
На основании опытов многочисленных исследователей и своих собственных Д.
И. Менделеев создал и научно обосновал в 1877 г. карбидную гипотезу о
минеральном происхождении нефти за счет взаимодействия воды и карбидов железа.
Менделеев связывал образование нефти с карбидами литосферы, поступившими туда
из ядра: по трещинам, образовавшимся в земной коре во время орогенеза, в глубь
Земли проникала вода, которая действовала на карбиды металлов, образуя окислы металлов
и УВ. Схема процесса такова:
FeC + 3H2O = Fe2O3 + C2 H6C + 4H2O = 2Fe(OН) + CH4
В результате образовавшиеся углеводороды в газообразном состоянии
поднимались в верхнюю холодную часть земной коры, где происходила их
конденсация и последующее накопление в осадочных породах. На момент создания
минеральной концепции науке не были известны карбиды металлов. В настоящее
время известны карбиды ряда элементов (FeС, TiC, Cr2C3, WC, SiC), однако они не
образуют больших скоплений, а встречаются в виде мельчайших рассеянных
минеральных выделений. В виду этого объяснить образование УВ в больших
количествах в рамках данной концепции не представляется возможным.
В начале XX века интерес к
минеральной концепции угас, что напрямую связано с развитием суждений об органическом
образовании нефти. Однако в дальнейшем ряд ученых возвращался к ней, поскольку
органическая концепция не вносила достаточной ясности в некоторые вопросы,
касающиеся генерации и миграции нефти.
Огромную известность получили взгляды Н.А.Кудрявцева (1966г).
Прежде всего, Кудрявцев обратил внимание на то, что многие месторождения
нефти и газа находящегося в зонах глубинных разломов в земной коре. Сама по
себе такая мысль не была новой: на это обстоятельство обратил еще
Д.И.Менделеев. Однако выводы Кудрявцева идут несколько дальше -он сделал выводы
о том, что причиной нефтеносности стал глубинный разлом.
По результатам своих наблюдений Н.А.Кудрявцев выдвинул магматическую
концепцию нефтеобразования.
Обобщив эти и множество других фактов, Н.А.Кудрявцев создал свою
магматическую гипотезу происхождения нефти. В мантии под воздействием высоких
температур и давлений образуются углеводородные радикалы (-CH), (-CH2), (-CH3),
они движутся из областей высокого давления в области низкого давления (в
приразломных зонах, где из них синтезируются нефтяные углеводороды).
Впоследствии УВ с участием водородаконцентрируются в ловухшках, формируя
залежи. Исходя из теоретических представлений, Н.А.Кудрявцев предпологал искать
нефть не только в верхних слоях осадочной оболочки, но и в более глубоких.
В настоящее время в качестве обоснования магматической гипотезы
приводится пример вулкана Узон, где наблюдается пленки нефтеподобных веществ на
поверхности озера в калдере.
Выходы нефти в кальдере вулкана Узон наблюдаются в восточной фумароле в
изотермическом районе 40-60оС. При более высоких температурах нефть не
наблюдается. Стоит отметить, что выходы нефти замечены в определенных частях
кальдеры, что связано с глинистыми прослоями в плейстоценовом гравии.
Исследования нефти, полученной в кальдере, показали ее гидротермальное
происхождение, а также слабую зрелость. Накопление нефти, судя по всему,
происходит в настоящее время и протекает в менее жестких термобарических
условиях, чем остальные известные гидротермальные нефти (О. К. Баженова, О. А.
Арефьев, Е. Б. Фролов, 1998).
1.2
Космическая гипотеза нефтеобразования
Идею о космическом происхождении нефти предположил В. Д. Соколов (1892).
Он считал, что УВ образовались из рассеянных С и Н компонентов в космическом
пространстве и попали в состав земного вещества на стадии формирования планеты
(на начальном этапе). Сущность теории сводится к следующему:
1. 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.
2. Таким образом возникшие в космосе
углеводороды поглощались на Земле расплавленной магмой.
3. При остывании магмы и кристаллизации
магматических горных пород, углеводороды отделяются от нее, и мигрируют по
трещинам и разломам.
4. Попадая в верхние части литосферы, и
конденсируясь, углеводороды дают основной материал для образования различных
битумов.
В качестве аргументации космогенной концепции приводятся данные
астрофизики, свидетельствующие о наличии углеродсодержащих радикалов в хвостах
комет, а также данные геохимических исследований метеоритов. Углеродсодержащие
вещества во внеземном пространстве обнаружены по данным спектроскопических
наблюдений.
За счет высоких температур в межзвездном пространстве (температуры
достигают 10 000°С) существование молекул не представляется возможным,
приборами фиксируются радикалы -CH, -CN, -OH, -NH. Возможно наличие
углеводородов в газовых туманностях, однако фактического подтверждения этому
пока что нет.
Спектроскопические наблюдения показали, что в атмосфере Юпитера, Сатурна,
Урана, Нептуна имеются метан и аммиак. Косвенные данные говорят, что планеты
Уран и Нептун целиком состоят из метана, аммиака, углекислого газа. Не
исключено и присутствие более сложных молекул, в составе которых находятся
углерод, водород, азот и кислород.
В головах и хвостах комет обнаружили радикалы, куда входят те же
элементы. Космическое пространство содержит в достаточном количестве эти
элементы, которые либо под воздействием высоких температур, либо под действием
радиоактивного излучения образуют радикалы. При снижении температуры радикалы
соединяются и молекулы, что, вероятно, и происходит в космосе.
Исследования метеоритов показали присутствие органических соединений (УВ,
аминокислот, гетероциклических соединений). Парафиновые УВ, выделенные из
метеоритного вещества, в основном состоят из нормальных УВ. В УВ, имеющих
метеоритное происхождение, обнаружили оптически активные молекулы, что
позволило сторонникам космической концепции говорить о родстве метеоритного
вещества и нефтей.
1.3 Современные гипотезы минеральной
концепции
Э.Б. Чекалюк - представитель украинской школы, полагал, что нефть
образуется в астеносфере, которую называл основным нефтепроизводящим слоем
мантии, в условиях высоких Т (более 1200°С) и Р.
Единственными донорами Н и С для синтеза углеводородных систем в глубоких
недрах Земли могут быть только вода и диоксид углерода в среде не насыщенной О,
т.е. в ультраосновных породах верхней мантии, где УВ находятся в термодинамически
уравновешенном состоянии. (Э.Б. Чекалюк, 1967)
Отсюда следует следующая схема процесса:
гипербазиты + вулканические газы → среда астеносферы + нефть
Его точку гипотезу о генерации УВ в астеносфере поддерживал Г.Н.Доленко
(1968)
Рис 1. Принципиальная схема образования нефтегазоносных провинций и
формирования нефтяных и газовых месторождений (Г.Н. Доленко, 1968): 1 -
континентальная кора; 2 - океаническая кора. Верхняя мантия: 3 -
надастеносферный слой; 4 - астеносфера; 5 - отложения платформы; 6 - отложения
геосинклинали; 7 - астеносферные очаги синтеза нефтяных УВ; 8 - глубинные
разломы; 9 - направление поддвига океанической коры под континентальную
Интересны и оригинальны взгляды Серебровской К.Б. о возможной роли
абиогенной нефти в возникновении жизни на Земле (1986). По ее представлениям
простейшие организмы и нефть образовались на Земле одновременно из абиогенно
синтезированных органических соединений. Далее их эволюция пошла в разных
направлениях:
) если органические соединения попадали на поверхность, то их дальнейшие
превращения могли привести к возникновению жизни;
) если они насыщали пористые породы под поверхностью Земли, то процесс
приводил к нефтеобразованию.
Изучение дна океана позволило оценить масштабы разгрузки углеводородов на
поверхность Земли. Оказалось, что грязевые вулканы, через каналы которых
происходит наиболее активный вынос метана в атмосферу, широко распространены на
дне окана (Milkov, 2000). По новейшим оценкам многих
западных специалистов глобальный привнос метана в атмосферу составляет n*1013 г/год. К. Квенволден оценил
“геологическую эмиссию” метана в атмосферу в 4,5*1013 г/год (Kvenvolden, 2005). Выходы нефти по средним
оценкам специалистов оцениваются в 1*1012 г/год. При таких величинах истечения
УВ возникают вопросы, связанные с поисками их источников, за счет которых
образуются струи метана и нефти, разгружающиеся на поверхность Земли. Ими не
могут служить современные месторождения, запасы которых в 5*1017 г исчерпались
бы в первые тысячелетия. Генерация нефти в 2,4*1011 г/год, связанная с
органическим веществом (по В.А. Успенскому, 1970), также недостаточна (Б. М.
Валяев, 2006).
Среди сторонников неорганической концепции широко распространено мнение о
возможной подпитке нефтяных месторождений за счет дегазации нижней части мантии
и последующей конденсации УВ. Приуроченность залежей к осадочным бассейнам
объясняется тем, что только в осадочных образованиях может существовать
региональная покрышка, способная удерживать залежи нефти, газа (В. А. Трофимов,
2002).
Сторонники глубинной генерации нефти считают особо важной связь
месторождений с зомами разломов, причем только определенные типы разломов
связаны с нефтяными месторождениями и рассматриваются как нефтеносные
(нефтеподводящие). Нефтеносность нарушений обычно ограничена узкими участками,
названными нефтеподводящими каналами, за счет деятельности которых и происходит
формирование месторождений. В представленной схеме формирования месторождений
предлагается наличие расположенных на значительных глубинах резервуаров,
содержащих нефтеподобный флюид.
Таким образом, строение месторождения сводится к трем элементам: ловушке,
глубинному резервуару и нефтеподводящему каналу. Причем информация о ловушках и
залежах достаточно обширна, а о резервуарах и нефтеподводящих каналов данные
практически отсутствуют (В. А. Трофимов, 2006).
Глубинные резервуары условно выделаются на глубинах 10-20 км по данным
глубинной сейсморазведки. На этих глубинах наблюдаются объемные динамические
аномалии. Данные аномалии обнаружены в Татарстане, Западной Сибири,
Узбекистане, Баренцевом море и других регионах. По данным Р. Х. Муслимова, И.
Н, Плотниковой (1996), в Ново-Елховской сверхглубокой скважине номер 20009 в
кристаллическом фундаменте было установлено увеличение с глубиной содержания
битумоидов и углеводородных газов, что может свидетельноствать о наличии
глубинного резервуара.
Нефтеподводящие каналы (НПК), являясь частью тектонических разломов,
представляют собой довольно узкие зоны нарушенных, трещиноватых пород,
отличающихся по физическим свойства от вмещающей толщи. Это создает предпосылки
для их обнаружения геофизическими методами. В частности, анализ
сейсморазведочных материалов по некоторым месторождениям в доюрских отложениях
Западной Сибири показал, что в районе высокодебитных или длительно работающих
скважин (Ново-Портовское, Ханты-Мансийское и другие месторождения) наблюдаются
наклонные, подходящие снизу оси синфазности. Факт наличия такой оси на
Ханты-Мансийском месторождении в районе скважины номер 5, работающей
практически с постоянным дебитом более двадцати лет, и их отсутствие в районе
так называемых “пустых” скважин позволяет высказать предположение о том, что
выявленные наклонные отражатели отображают нефтеподводящие каналы. Подобные
отражатели выявлены также на месторождении Оймаша в Казахстане.Таким образом,
можно выделить по крайней мере, два типа нефтеподводящих каналов:
субвертикальные и наклонные (В. А. Трофимов, 2006).
Причем отсутствие подпитки в месторождении обосновывается тем, что нефтеподводящий
канал может перестать быть источником флюида в случае сильного окисления нефти.
Возможность подпитки месторождений за счет дегазации мантии и/или за счет
существования глубинных резервуаров не может быть доказана полностью, поскольку
требуется получить достаточно большое количество фактических данных,
подтверждающих это.
Однако неорганическая концепция подвергается критике, против которой
трудно что-либо возразить:
Все полученные УВ в результате неорганического синтеза нефти являются
оптически неактивными, тогда как почти все природные нефти оптически активны.
Карбидная гипотеза не могла дать удовлетворительного объяснения этого факта.
К 1877 г. был известен всего один природный карбид - когенит -Fe3C, открытый в метеоритах, а затем обнаруженный в базальтоидах.
Немного позже был открыт в метеоритах муассанит - SiC, а затем обнаруженный на Земле. За прошедшее время
число природных карбидов металлов значительно не увеличилось - NiC, WC, Cr2C3 (Ю.И. Пиковский, 1986)
Современные данные о составе и строении оболочек Земли также входят в
противоречие с геологическим обоснованием карбидной гипотезы: во-первых,
магматические породы, которые являются продуктом мантии, не содержат карбидов
не только Fe, но и других металлов, кроме карбида
Si, который, как и карбид Fe, был обнаружен в составе метеоритов,
во-вторых, в вулканических областях, где возможна связь с глубокими сферами
Земли, не отмечается крупных скоплений нефти, обнаружены лишь незначительные
нефтепроявления, в третьих, разломы в литосфере существуют, но они не достигают
ядра Земли и многое другое.
Синтез углеводородов по методу Фишера-Тропша.
Метод Фишера-Тропша - общее название для всех реакций, позволяющих
синтезировать УВ из окислов С и Н, которые давно освоены химической
промышленностью.
Метод был предложен в Германии в ХХ века с целью получения жидкого
топлива из-за отсутствия нефтяных месторождений. Во время Второй мировой войны
использовался Германией и Японией с целью производства альтернативного топлива.
По окончанию войны работа над синтетическим топливом продолжилась в США, чему
способствовали захваченные во время войны в плен немецкие ученые.
-300°С при атмосферном либо средних давлениях. Реакции могут катализировать
также соединения никеля, рутения, родия, которые наносят на диатомиты, аморфные
алюмосиликаты, синтетические аналоги природных цеалитов (Лапидус А.Л., Локтев
С.М., 1986).
Синтетические смеси топливного назначения могут быть получены из оксида
углерода (СО) и водорода (Н2) прямым синтезом.
Рис 2. Трубчатый реактор для синтеза
nCO + (2n+1) H2 → Cn H2n+2 + nH2O+ 3H2 → CH4 + H2O
В процессе образуются смеси алифатических УВ (алканов и олефинов) с
числом углеродных атомов от С1 до С30-40 (28-70%), одновременно получается вода
и небольшое количество спиртов, карбоновых кислот, эфиров, кетонов (4-12%).
минеральный
нефтеобразование флюидодинамический вулканический
Глава 2. Органическая концепция нефтеобразования
Первыми гипотезами происхождения нефти были неорганические, которые
предполагали образование УВ из простейших веществ поступавших из глубин Земли.
Но в последствии самыми научно обоснованными стали концепции, связанные с
органическим веществом, исходным для живых организмов. Они получили обоснование
в результате обнаружения свойства оптической активности нефтей, а также
выделения биомаркеров, связывающих нефть с основными биопродуцентами ОВ -
фитопланктоном, зоопланктоном, бактериями и высшей растительностью.
2.1 Биогенная гипотеза
Органическая гипотеза нефтеобразования впервые была высказана М.В.
Ломоносовым в учении «О слоях Земных» (1763). Про возникновение нефти он писал:
«Между тем, выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей оная
бурая и черная масляная материя и вступает в разные расселины и полости, сухие
и влажные».
Существенную лепту в познание условий образования нефти внес своими
трудами в области химии нефти, жиров и жирных кислот (80-е и 90-е годы XIX в.)
немецкий химик К. Энглер. Он привлек внимание химиков и геологов к живым и
растительным жирам как наиболее вероятным исходным веществам для образования
нефти и в этом отношении оказался прав.
К. Энглер развивал сначала (1890 г.) гипотезу о животном ОВ исходным для
нефти, позже (1900, 1907 гг.) он стал склоняться уже к гипотезе о смешанном
(растительно-животном) составе исходного вещества.
Очень много сделал, начиная с 1904 г., для познания каустобиолитов Г.
Потонье. Вместе с К. Энглером он показал, что жировыми веществами, которые мы сейчас
называем липидами и липоидами, богаты низшие растительные организмы -
водоросли. Г. Потонье связывал образование нефти с сапропелевым ОВ, обогащенным
липидами. "Сапропелитовую теорию" разделял и развивал И.М. Губкин
(1937).
Взгляды Г. П. Михайловского (1904) во многом схожи с современной
осадочно-миграционной теорией. Он высказывался о следующем:
· исходное органическое вещество является растительным и
животным (то есть смешанным);
· захоронение его приурочивается к глинистым илам;
· первая стадия преобразования органического вещества связана с
бактериальными процессами;
· дальнейшие стадии являются физико-химическими, главнейшие
факторы - давление и температура;
· первичная нефть - диффузно рассеянная;
· скопления нефти в коллекторах вторичны;
· залежи нефти формируются в результате тектонических нарушений
и, в частности, формирования антиклиналей.
На тот момент теория Михайловского была слабо аргументирована и смогла
получить развитие только в работе Губкина «Учение о нефти» (1937 -второе
издание), а также более поздних гипотезах органического генезиса.
А. Д. Архангельский (1931) осуществил обширное исследование пород и ОВ, в
которых образуется нефть и сделал следующие выводы:
- нефтематеринскими породами являются глины и мергели, но не
пески;
- глины должны содержать больше 2% Cорг (формирование в
условиях сероводородного заражения придонных слоев воды) - хотя, в дальнейшем,
Н. М. Страхов отвергнул это положение.
Среди иностранных геологов, развивавших представление о свойствах о НМП,
надо назвать исследователей П. Траска и К. Крейчи-Граф. К. Крейчи-Граф полагал,
что начальная миграция нефти (как компонента битумоидов пород) возможна лишь
при высокой концентрации жидких УВ в исходном ОВ. В дальнейшем такого же мнения
придерживался В. А. Соколов (1951). Работы этих ученых стали отправной точкой
для развития идей о первичной и вторичной миграции углеводородных флюидов.
Основываясь на достижениях геологии и геохимии, в рамках биогенной
концепции выкристаллизовались положения осадочно-миграционной теории образования
нефти, т.е. гипотеза перешла в ранг теории (Вассоевич Н.Б. и др. 1967).
Суть этой теории сводится к следующему.
• все горючие ископаемые (нефть, природный газ, нафтиды, уголь,
горючие сланцы) признаются генетически родственными образованиями, связанными с
биогенным веществом.
• горючие ископаемые возникли из отмерших концентрированных (угли,
горючие сланцы, частично газ) или рассеянных (нефть, газ) остатков ОВ живых
организмов, обитавших на Земле в прошлые геологические эпохи с протерозоя до
неогена включительно.
• исходным веществом для образования нефти и газа были продукты
распада и преобразования биогенного материала рассеянного в донных отложениях
водных бассейнов, в основном сапропелевого (некрома водорослей, бактерий) или
гумусово-сапропелевого (с добавлением высшей растительности) состава, главным
образом липидов, липоидов и родственных им веществ (панлипоидинов).
• повышенные концентрации ОВ обычно накапливались в глинистых или
глинисто-карбонатных, карбонатно-кремнисто-глинистых осадках, в относительно
восстановительных придонных обстановках. Концентрации ОВ (Сорг.) более 0,1% для
сапропелевого и более 0,2% для смешанного гумусово-сапропелевого ОВ позволяют
их выделять как потенциально НГМ.
• в процессе литогенеза, начиная с седиментогенеза, и далее в
диагенезе и катагенезе происходили преобразования донных отложений в осадочные
горные породы, вместе с породами в результате геологических, биохимических и
химических процессов происходило преобразование (фоссилизация) находящегося в
них ОВ в высоко конденсированные макромолекулы и/или ассоциаты - кероген.
• дальнейшее созревание керогена в зоне мезокатагенеза (Главная
зона нефтеобразования, температуры 60-180°С) сопровождалось постепенным
отделением от керогена углеводородных компонентов - «микронефти», генерация
сопровождалась первичной миграцией углеводородных флюидов.
• Этот процесс был длительным и стадийным, продолжался десятки и
сотни миллионов лет.
• микронефть и газ эмигрировали из НМП в проницаемые пласты
коллекторы-проводники, по которым под действием градиента давления (вторичная
миграция) углеводородные флюиды мигрировали в основном в собственной фазе (газ
в водорастворенном состоянии) в ловушки (пласты-коллекторы, ограниченные слабо
проницаемыми породами-флюидоупорами) и формировали в них скопления - залежи
нефти и/или газа.
Процессы генерации начинаются в седиментогенезе, продолжаются в диагенезе
и катагенезе.
Диагенез - совокупность природных процессов преобразования рыхлых осадков
в породу или процессов физико-химического уравновешивания первичных компонентов
осадка в термодинамических условиях поверхности Земли (Н. М. Страхов, 1947)
Диагенетические преобразования происходят на глубинах, редко превышающих
первые сотни метров. Температура в этих интервалах доходит до 25оС, давление незначительно
возрастает. ОВ в диагенезе подвергается воздействию микроорганизмов - аэробных
и анаэробных бактерий. В раннем диагенезе деятельность микроорганизмов
определяет практически все процессы, поэтому это - микробиальная стадия
литогенеза. В позднем диагенезе ОВ также испытывает преобразования, связанные с
микробиальной деятельностью, поэтому в целом диагенез - биогенная стадия
преобразования ОВ и осадка.
Н.М. Страхов выделил 4 этапа диагенеза:
- Первый этап протекает в верхнем слое осадка, находящемся в
окислительной или нейтральной обстановке. В зависимости от кислородного режима
толщина этого слоя может варьироваться, но в среднем она равна 10-15 см. В
течение этого этапа образуются железомарганцевые конкреции, фосфориты.
Продолжительность - от нескольких дней до тысячелетий.
- Второй этап - в современных осадках на глубинах до 10 метров.
Он характеризуется восстановлением сульфатов Fe и Mn.
- Третий этап - прекращение бактериальной деятельности,
перераспределение новообразованных минералов, формирование конкреций, локальной
цементацией и перекристаллизацией ранее образовавшихся минералов.
- Четвертый этап - литификация, отжим поровых вод на глубинах
до 300 м. Происходит дегидратация водных минералов и частичная
перекристаллизация глинистых минералов.
Процесс разложения ОВ протекает по-разному, в зависимости от
окислительно-восстановительных условий в осадке. Количество и качество ОВ
формируют окислительно-восстановительный потенциал осадка (Eh). Он определяет
степень изолированности среды от прямого доступа свободного кислорода и
деятельность МО, зависящих от количества и качества ОВ, присутствующего в
осадке.
В окислительных обстановках бактерии используют кислород и окисляют ОВ до
углекислого газа и воды.
В условиях продолжающегося доступа кислорода органическое вещество может
полностью израсходоваться (таким образом, в хорошо аэрируемых песках
практически отсутствует Сорг).
За счет высокой биопродуктивности ОВ появляются обстановки,
характеризующиеся дефицитом кислорода, выражающимся в низких и отрицательных
значениях Eh.
Анаэробное разрушение ОВ разделяется на две стадии.
Первая стадия - ферментативный гидролиз и брожение основных классов
органических соединений под действием гетеротрофной группы анаэробных бактерий
(первичных анаэробов), с образованием низших жирных кислот, спиртов,
альдегидов, китонов, углекислого газа и воды (метаболиты).
На второй стадии метаболиты служат субстратами для вторичных анаэробов -
сульфатредуцирующих, углеводородгенерирующих и других бактерий.
Обычно первая стадия анаэробного разложения опережает вторую, поэтому в
иловых водах осадков накапливается некоторое количество простых веществ (жирных
кислот, спиртов, альдегидов, кетонов).
Разрушение белков с образованием спирта идет по следующей схеме:
гидролиз, дезаминирование, декарбоксилирование. Спирты в дальнейшем включаются
в метаболизм вторичных анаэробов.
Липиды и липоиды менее подвержены изменению в седиментогенезе (что
обусловлено биохимической стойкостью биомолекул, устойчивостью к разрушению в
осадке и химической стойкостью). Из молекул образуются:
- геолипоидины - соединения, способные растворяться в
органических растворителях (битумоиды)
- геополимерлипоидины - высокомолекулярные соединения,
потерявшие способность растворяться в органических растворителях - компоненты
керогена.
Преобразование липидов включает в себя реакции декарбоксилирования жирных
кислот, гидрирования, солеобразования, ангидризации жирных кислот, этерификации
жирных спиртов и кислот - образование сложных эфиров, диспропорционирования
водорода.
Та часть ОВ, которая не была включена в метаболизм анаэробов, оказывается
в составе гуминовых веществ, включающих в себя гуминовые и фульвокислоты. По
мере увеличения глубины захоронения гуминовые кислоты превращаются в
нерастворимые гумины. С дальнейшем, с увеличением глубины, нерастворимые гумины
начинают преобладать над фульвовыми и гуминовыми кислотами. Органический
материал приобретает более конденсированную структуру и начинает формироваться
незрелый кероген.
Таким образом, в диагенезе преобразование ОВ определяется
микробиологическими процессами, в которых расходуется до 99% ОВ, достигшего дна
бассейна. Также диагенетический этап определяет нефтематеринский потенциал ОВ.
К началу катагенеза в ОВ присутствуют УВ двух генераций - унаследованные
от ЖВ (хемофоссилии) и новообразованные в катагенезе.
В дальнейшем происходят катагенетические преобразования ОВ под
воздействием больших температур и давления.
Н.Б.Вассоевич ввел понятие главной фазы нефтеобразования (ГФН).
В раннем катагенезе происходит слабый термолиз, ведущий к новообразованию
и преобразованию УВ и пред-УВ. Вначале этот процесс медленный, но он быстро
ускоряется к началу МК, образуется большое количество жидких УВ керосиновых и
бензиновых фракций.
В результате преобразований ОВ в протокатагенезе происходит следующее:
- уменьшается содержание кислорода за счет удаления
карбонильных и карбоксильных групп
- растет доля смол, асфальтенов
- незначительно меняется углеводородная часть ОВ
- к концу ПК происходит превращение ненасыщенных
полициклических соединений в насыщенные
- в большом количестве образуются углекислый газ, вода и
некоторые гетероатомные соединения.
ГФН связана с глубинами в 2-4 км и температурами 60-180 оС. Она
знаменуется тем, что одновременно с новообразованием УВ, значительным увеличением
содержания в породах микронефти и ее созреванием также широко развиваются
процессы десорбции микронефти, отрыва ее от материнской органики и от
минеральных компонентов породы и интенсивной миграции путем усиленного
растворения и перемещения в сжатых газах и воде или собственной фазе.
Рождение нефти происходит в главной зоне нефтеобразования (ГЗН), которая
располагается в подзоне МК, в интервале МК1-МК3 (рис. 4). В ГЗН в большом
количестве генерируются жидкие легкие УВ, составляющие бензиновую и керосиновую
фракции нефти. Микронефть становится более схожа с нефтью по составу - процесс
созревания микронефти. В ГЗН в составе водорастворенного ОВ заметно
увеличивается содержание УВ, меняется состав водорастворенных газов, происходит
перестройка глинистых минералов - гидрослюдизация монтмориллонита, которая
сопровождается выделением воды, способствующей миграции образовавшихся УВ.
В мезокатагенезе происходят изменения, подготавливающие кероген к
перестройке и генерации УВ в метакатагенезе. Происходит перестройка структуры
керогена, образуются УВ.
Рис
3. Общая эволюция ОВ с момента его отложения до начала метаморфизма: У -
углеводы, АК - аминокислоты, ФК - фульвокислоты, ГК - гуминовые кислоты, Л -
липиды. (А. Е. Ковешников, 2010)
В
результате катагенетического преобразования ОВ любого типа происходит снижение
начального потенциала ОВ, сопровождающееся генерацией не только жидких, но и
газообразных продуктов.
Процесс
газообразования протекает с разной интенсивностью от диагенеза до метагенеза.
При
дальнейшем погружении отложений в условия температур 180-230 (240) оС породы
вступают в главную зону газообразования (ГЗГ), в которой происходит интенсивная
генерация углеводородных жирных газов (МК4-МК5). Переходной зоной между ГЗН и
ГЗГ является зона образования легких нефтей и газоконденсатов (главная зона
конденсатообразования - ГЗК).
В
апокатогенезе полностью прекращается образование углеводородов, снижается
генерация CH4, происходит образование кислых газов CO2, H2S. В дальнейшем
образовавшиеся флюиды подвергаются процессам миграции до коллекторских
горизонтов, захораниваясь в структурах - ловушках.
Осадочно-миграционная
теория освещает также процессы аккумуляции углеводородных флюидов и консервацию
залежей.
В
рамках биогенной концепции содержатся гипотезы имеющие иногда принципиальные
разногласия друг с другом
По
сей день остаются дискуссионные вопросы:
о
положении основной зоны генерации в литогенезе;
источники
энергии для генерации нефтяных УВ из керогена;
источники
Н для гидрирования ненасыщенных соединений,
механизм
аккумуляции рассеянных УВ в скопления;
формы
и движущие силы как первичной внутри НГМП, так и вторичной миграции нефти в
коллекторах-проводниках;
происхождение
типов нефтей и другие.
На
некоторые вопросы биогенная концепция пока не дает однозначных ответов, многие
решения имеют альтернативы.
Стоит
отметить, что спор на тему абиогенного происхождения нефтей обострился с
открытием так называемых “гидротермальных нефтей” и проявлений УВ в
гидротермальных системах как континентов, так и океанов.
Жидкие
нафтоиды и битумоидные экстракты были получены из сульфидных руд
высокотемпературных черных курильщиков Срединно-Атлантического хребта, в
разрезе которых полностью отсутствуют осадочные отложения. Содержание Сорг
колеблется от 1 до 3%, в то время, как за пределами гидротермального поля
концентрация Сорг не превышает 0,3%. Вкупе с аномальным изотопным составом и
характером распределения биормаркеров (состав липидов и фосфолипидов полностью
идентичен таковым прокариотов и эукариотов, установлено присутствие фитанильных
эфиров - характерных органических молекул живого вещества метаногенных
бактерий) позволило авторам сделать вывод, что ОВ в зонах черных курильщиков
накопилось из некромы термофильных и метаногеннных бактерий. (А.Ю Леин, Н.Н
Глущенко, Н.В Ульянова, О.К. Баженова, 1998).
Особый
интерес для неоргаников представляют гидротермальные поля, приуроченные к
серпентинитовым протрузиям - Рейнбоу и Логачева. Газы этих гидротермальных
полей обогащены метаном и водородом, причем концентрация метана в них на 1-2
порядка выше остальных гидротермальных полей Срединно-Атлантического хребта.
Такие аномально высокие концентрации метана и его тяжелый изотопный состав
углерода могут свидетельствовать об абиогенном генезисе УВ.
Образование
метана могло происходить по следующей схеме:
1. образование водорода в процессе серпенитизации ультрабазитов
2. образование метана путем синтеза из водорода и углеродсодержащих
компонентов океанской воды в присутствии Ni катализаторов. Возможность абиогенного синтеза
распространялась некоторыми авторами и на жидкие УВ и нефтеподобные продукты (N.G. Holm, J. L. Charloul, 2001).
Исследования хлороформенных экстрактов сульфидных руд поля Реинбоу
показали сингенетичность битумоидов (коэффициент ß - 1-2%).
Хроматографическая картина распределения н-алканов из сульфидной руды
близка к таковой из ОВ морского генезиса, переработанного бактериями в осадке.
На фоне высокого нафтенового фона наблюдается одномодальный ряд распределения
н-алканов C16-C30 с максимум на C25-27 и минорной концентрацией алканов C14-C15 и C30-C36. Наиболее интересен состав изопреноидных алканов: основную
массу изопреноидов составляют три УВ - регулярные фитан (50%), нерегулярные
сквалан (30%) и дифитил (20%). При этом высшие изопреноиды - типичные
соединения бактериального происхождения из фитанильных эфиров липидолипоидов.
Синтез н-алканов, согласно реакции Фишера-Тропша, возможен, однако, несмотря на
многочисленные попытки, синтез изопреноидов и оптически активных
полициклических нафтеновв не увенчался успехом. Характер распределения
изопреноидов в изученных образцах несколько отличается от такового в ОВ
ископаемых и современных осадков, что позволяет полагать, что источником
идентифицированных высших изопреноидов являются липидолипоиды мембран бактерий
(архебактерий). Специфической особенностью некромы бактерий “черных
курильщиков” (термофильных и метаногенов) является необычно высокое содержание
гомогопанов C31, C32, C35.
Эти УВ могут образовываться из гопанотетрола , входящего в мембраны бактерий.
(О. К. Баженова, О. А. Арефьев, В. И. Пересыпкин, А. Ю. Леин, 2001).
Получение УВ экстрактов существенно изопреноидного состава из осадков
гидротермальных зон, обогащенных рудными компонентами, подтверждает их
генетическую связь с гидротермальным биологическим сообшеством бактерий и
других организмов. Это служит бесспорным доказательством образования жидких УВ
и нефтеподобных продуктов в гидротермальных системах в результате быстрого
современного нафтидогенеза из некромы живых организмов.
2.2 Флюидодинамическая гипотеза
Флюидодинамическая гипотеза нефтеобразования развивает идеи, появившиеся
в некоторых НГБ (И. М. Губкин, 1920-40е гг.), опиравшемся на общность
геологического строения отдельных территорий, и в дальнейшем переросшем в общее
бассейновое направление (И.О. Брод, Н.Б. Вассоевич, В. Е. Хаин, И. В. Высоцкий,
1950-1960е гг.), которое подробно рассматривало историю формирования очагов
генерации УВ.
Гипотеза возникла во второй четверти XX века и базируется на способности осадочных пород
расслаиваться в процессе литогенеза на зоны уплотнения и разуплотнения. По мере
развития бассейнов образуются насыщенные флюидами зоны разуплотнения, которые
находятся в условиях повышенного давления, и, вследствие этого, создается
флюидодинамическая система.
Большую роль в развитии флюидодинамической концепции нефтеобразования
сыграли идеи о саморазвитии и самоорганизации открытых неравновесных систем,
разрабатываемых И.Р. Пригожиным, а применительно к геологии - Ю.М. Пущаровским.
Наиболее полно флюидодинамическую модель описал Б.А. Соколов. Идеи
Пущаровского выражаются в трех положениях:
1. установление закона вертикальной тектонико-петрологической
расслоенности литосферы и верхней мантии (зоны уплотнения и разуплотнения);
2. разуплотненные зоны представляют собой вместилища природных
породных растворов и расплавов (ППРР);
. флюиды, насыщающие зоны разуплотнения, при нагреве значительно
повышают внутреннее давление и за счет этого расширяются;
Последнее приводит к созданию своего рода гидравлической подушки, которая
приподнимает и/или прорывает вышележащие слои.
В итоге возникает неравновесная и неустойчивая система, позволяющая, с
одной стороны, перемещаться отдельным блокам земной коры относительно друг
друга в вертикальном и горизонтальном направлениях, а с другой - за счет
прорыва флюидов осуществлять тепломассоперенос из глубоких частей Земли в ее
верхние горизонты (рис. 4).
Рис4. - Флюидодинамическая модель нефтеобразования (Соколов Б.А, 1999): 1
- осадочный разрез в зонах погружения (I), 2-7 - флюидонасыщенные зоны разуплотнения (2-
нефтегазовая, 3 - ГЗН, 4 - ГЗГ, 5 - термального газа, 6 кислых газов, 7 -
газорудная); 8 - астеносфера, 9 - земная кора, 10 - верхняя мантия, 11 -
соляные купола (V); 12 - грязевые
диапиры (VI); 13 - листрические нарушения; 14 -
изотермы, oC; 15- перемещение не УВ
теплоносителей (III); 16 -
перемещение углеводородных потоков (II); 17 - направление движения УВ; 18 - направление движения
водноуглекислых флюидов
Флюидодинамическая модель предоставляет возможность роста оценки
генерационного потенциала нефтематеринских толщ каждого энергетического уровня
за счет влияния флюидных потоков из нижележащих горизонтов. Оно же может
привести к локальной инициализации вещества, не достигшего уровней генерации УВ
в основном своем объеме. Также существенно повлиять на оценку количества
ресурсов может наличие подфундаментальных бассейнов.
Заключение
Несмотря на большое количество фактического материала в пользу доводов
каждой из предложенных концепций, они не лишены ошибочных заключений и не до
конца описывают процесс генезиса нефти. Биогенная гипотеза, как самая
распространенная, наиболее активно критикуется с позиций слабой аргументации
процессов миграции и генерации флюидов. Неорганические концепции, в свою
очередь, способны пролить свет на неохваченные биогенной концепцией моменты,
однако не способны покрыть весь процесс нефтеобразования.
Изобретенный в XX
веке синтез Фишера-Тропша позволяет синтезировать нормальные алканы и,
возможно, в будущем развитие этого метода позволит добиться больших результатов
в получении неорганического топлива, поскольку успешно синтезировать
изопреноидные алканы, а также тяжелые нефти, пока не удалось.
К сожалению, сегодня нельзя еще точно сказать о скором завершении споров
на тему генезиса УВ. Разработанные концепции не позволяют быстро и дешево
определить расположение месторождения и оценить его запасы. Поиск месторождений
ведется при помощи комплекса бурения скважин геофизических исследований. В
связи с этим вопрос генезиса углеводородов не получает должного внимания,
поскольку нефтегазоносная отрасль не заинтересована в развитии вопроса, не
позволяющего просто выделять месторождения. Однако уменьшение запасов нефти по
всему миру и возможное будущее истощение крупнейших месторождений вносит свой вклад
в развитие представлений о нефтеобразовании: появляются все новые и новые
концепции, некоторые из которых говорят о быстрой возобновляемости запасов
флюидов в месторождениях. Хотя большое количество самых разных концепций
усложняют поиск истины, их идеи позволяют увидеть проблемы, которые имеются у
уже имеющихся концепций, проблемы, которым требуется найти решение, дабы было
возможным поставить точку в спорах между учеными.
Выражаю благодарность за помощь в написании курсовой работы доценту
Соболевой Елене Всеволодовне.
Список литературы
1. Баженова
О. К., Арефьев О. А., Пересыпкин В. И., Леин А. Ю.. Новые доказательства
биогенной природы углеводородов в гидротермальных сульфидных рудах Рейнбоу
(Срединно-Океанический хребет), 2001
. Баженова О.
К., Бурлин Ю. К., Соколов Б. А., В. Е. Хаин. Геология и геохимия нефти и газа.
Москва, 2011
. Валяев Б.М.
Проблема генезиса нефтегазовых месторождений: теоретические аспекты и
практическая значимость. В кн.: Генезис углеводородных флюидов и месторождений,
М.: ГЕОС, 2006
. Вассоевич
Н.Б. Геохимия органического вещества и происхождение нефти. М.: Наука, 1986
Соколов Б.А., Абля. Э.А. The fluid-dynamic model
of hydrocarbon generation. EAGE 58th Conferance, Amsterdam 1996
. Корчагин В.
И., Трофимов В. А. Нефтеподводящие каналы и современная подпитка нефтяных
месторождений. В кн.: Дегазация земли: геодинамика, геофлюиды, нефть и газ.
Материалы Межд. Конф. Памяти ак. П. Н. Кропоткина. М.: ГЕОС, 2002.
. Леин А. Ю.,
Глущенко Н. Н., Ульянова Н. В., академик Иванов М. В., Биомаркеры сульфидных
руд современных и древних "черных курильщиков", Доклады РАН, 359,
(4), 525-528, 1998.
. Пиковский
Ю. И. «Две концепции происхождения нефти: нерешенные проблемы» Журнал
всесоюзного химического общества им Д.И. Менделеева том XXXI. Москва. «Химия», 1986.
. Потехин
В.М., Потехин В.В. «Основы теории химических процессов технологии органических
веществ и нефтепереработки», Санкт-Петербург, «Химиздат», 2005.
. Соколов Б.
А., Абля Э.А. Флюидодинамическая концепция нефтеобразования. Москва, Изд. ПГУ
1999
. Соколов
Б.А., Гусева А.Н. О возможности быстрой современной генерации нефти и газа.
Вест. МГУ, сер.геол.№ 5, 1993
. Соколов
Б.А., Старостин В.И., Флюидодинамические системы рудо- и нефтеобразования.
Вест. МГУ, сер.геол., 1998
. Трофимов В.
А., Корчагин В. И. Нефтподводящие каналы: пространственное положение, методы
обнаружения и способы их активизации // Георесурсы. 2002
. Трофимов В.
А. Нефтеподводящие каналы и современная подпитка нефтяных месторождений. В кн.:
«Генезис углеводородных флюидов и месторождений», М.: ГЕОС, 2006
. Успенский
В. А. Введение в геохимию нефти. Л.: Недра, 1970
. Хаин В.Е.,
Соколов Б.А. Роль флюидодинамики в развитии нефтегазоносных бассейнов. Вест.
МГУ, сер.геол.№3, 1994
.
Bazhenova O. K. , Arefiev O. A., Frolov E. B. Oil of the volcano Uzon caldera,
Kamchatka,1998
. Kvenvolden K., Rogers B. Gaia’s breath- global methane exhalations // Marine and Petroleum Geology. 2005