Исторические сведения о нефти. Геология нефти и газа, физические свойства. Элементный состав нефти и газа. Применение и экономическое значение нефти. Неорганическая теория происхождения углеводородов. Органическая теория происхождения нефти и газа.
Аннотация к работе
«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.». Различного типа залежи нефти в гидравлически незамкнутых (1-3) и замкнутых (4 - 6) ловушках: 1 - пластовые сводовые нефтяные и газонефтяные залежи; 2 - массивная сводовая газонефтяная залежь; 3 - нефтяная залежь в выступе палеорельефа, первичного (напр., рифа) или вторичного (эрозионного); 4 - нефтяная залежь, экранированная стратиграфическим несогласием; 5 - нефтяная залежь в ловушке первичного (фациального, литологического) выклинивания коллектора; 6 - тектонически экранированная залежь нефти; а - нефть; б - газ; в - вода. Нефть в залежи находится под давлением (упругого расширения и/или краевой воды и/или газа, как растворенного так и газовой шапки) вследствие чего вскрытие залежи, особенно первыми скважинами, сопровождается риском газонефтепроявлений (очень редко фонтанными выбросами нефти). От величины вязкости нефти и от ее соотношения с вязкостью воды зависят динамика обводнения залежи и условия эффективной добычи нефти. Благодаря этому, сокращение добычи нефти приводит к росту цен лишь в первые годы, а затем цены на нефть опять падают.И хватит ли нам нефти до конца тысячелетия? 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. Химически нефть - это сложная смесь углеводородов с различным числом атомов углерода в молекулах; в их составе могут присутствовать сера, азот, кислород и незначительные количества некоторых металлов. 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. Так, специалист известнейшего в мире Института проблем нефти и газа Российской Академии наук Азарий Баренбаум уверен: традиционное мнение о том, что нефть образуется из остатков отмерших живых организмов - в корне неверно.
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. Все 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 ее образования тесно связаны с возрастом возникновения жизни на Земле. На протяжении веков учеными 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 еще 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 ее 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. Общие сведения о нефти и газе
1.1 Исторические сведения о нефти
Нефть известна человечеству с древнейших времен. Раскопками на берегу Евфрат а установлено существование нефтяного промысла за 6000-4000 лет до н. э. В то время ее применяли в качестве топлива, а нефтяные битумы - в строительном и дорожном деле. Нефть известна была и Древнему Египту , где она использовалась для бальзамирования покойников. Плутарх и Диоскорид упоминают о нефти, как о топливе, применявшемся в Древней Греции . Около 2000 лет назад было известно о ее залежах в Сураханах около Баку. К 16 веку относится сообщение о «горючей воде - густе», привезенной с Ухты в Москву при Борисе Годунове . Несмотря на то, что, начиная с 18 века, предпринимались отдельные попытки очищать нефть, все же она использовалась почти до 2-й половины 19 века в основном в натуральном виде. На нефть было обращено большое внимание только после того, как было доказано в России заводской практикой братьев Дубининых (с 1823 ), а в Америке химиком Б. Силлиманом (1855 ), что из нее можно выделить керосин - осветительное масло, подобное фотогену, получившему уже широкое распространение и вырабатывавшемуся из некоторых видов каменных углей и сланцев. Этому способствовал, возникший в середине 19 в., способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев.
1.2 Геология нефти и газа
Заключающие нефть породы обладают сравнительно высокой пористостью и достаточной для ее извлечения проницаемостью. Породы, допускающие свободное перемещение и накопление в них жидкостей и газов, называются коллекторами. Пористость коллекторов зависит от степени отсортированности зерен, их формы и укладки, а также и от наличия цемента. Проницаемость определяется размером пор и их сообщаемостью. Главнейшими коллекторами нефти являются пески, песчаники, конгломераты, доломиты , известняки и другие хорошо проницаемые горные породы , заключенные среди таких слабопроницаемых пород, как глины или гипсы . При благоприятных условиях коллекторами могут быть трещиноватые метаморфические и изверженные породы, находящиеся в соседстве с осадочными нефтеносными породами.
Часто нефтяная залежь занимает лишь часть коллектора и поэтому в зависимости от характера пористости и степени цементации породы (гетерогенности залежи) обнаруживается различная степень насыщенности нефтью отдельных ее участков в пределах самой залежи. Иногда этой причиной обусловливается наличие непродуктивных участков залежи. Обычно нефть в залежи сопровождается водой, которая ограничивает залежь вниз по падению слоев либо по всей ее подошве. Кроме того, в каждой залежи нефти вместе с ней находится т. н. пленочная, или остаточная вода, обволакивающая частицы пород (песков) и стенки пор. В случае выклинивания пород коллектора или обрезания его сбросами, надвигами и т п. дизъюнктивными нарушениями залежь может либо целиком, либо частично ограничиваться слабопроницаемыми породами. В верхних частях нефтяной залежи иногда сосредоточивается газ (т. н. «газовая шапка»). Дебит скважин, помимо физических свойств коллектора, его мощности и насыщения, определяется давлением растворенного в нефти газа и краевых вод. При добыче нефти скважинами не удается целиком извлечь всю нефть из залежи, значительное количество ее остается в недрах земной коры.
Различного типа залежи нефти в гидравлически незамкнутых (1-3) и замкнутых (4 - 6) ловушках: 1 - пластовые сводовые нефтяные и газонефтяные залежи; 2 - массивная сводовая газонефтяная залежь; 3 - нефтяная залежь в выступе палеорельефа, первичного (напр., рифа) или вторичного (эрозионного); 4 - нефтяная залежь, экранированная стратиграфическим несогласием; 5 - нефтяная залежь в ловушке первичного (фациального, литологического) выклинивания коллектора; 6 - тектонически экранированная залежь нефти; а - нефть; б - газ; в - вода.
Для более полного извлечения нефти применяются специальные приемы, из которых большое значение имеет метод заводнения (законтурного, внутриконтурного, очагового).
Нефть в залежи находится под давлением (упругого расширения и/или краевой воды и/или газа, как растворенного так и газовой шапки) вследствие чего вскрытие залежи, особенно первыми скважинами, сопровождается риском газонефтепроявлений (очень редко фонтанными выбросами нефти). Весьма продолжительное время (со 2-й половины XIX в.) геологи полагали, что нефтяные залежи приурочиваются почти исключительно к антиклинальным складкам, и только в 1911 И.М. Губкиным был открыт в Майкопском районе новый тип залежи, приуроченной к аллювиальным пескам и получившей название «рукавообразной». Спустя более 10 лет подобные залежи были обнаружены в США.
Дальнейшее развитие разведочных работ в СССР и в США завершилось открытием залежей, связанных с соляными куполами, приподнимающими, а иногда и протыкающими осадочные толщи. Изучение нефтяных месторождений показало, что образование нефтяных залежей обусловлено различными структурными формами изгибов пластов, стратиграфическими соотношениями свит и литологическими особенностями пород. Предложено несколько классификаций месторождений и залежей нефти как в России, так и за рубежом. Нефтяные месторождения различаются друг от друга по типу структурных форм и условиям их образования. Залежи нефти и газа различаются друг от друга по формам ловушек-коллекторов и по условиям образования в них скоплений нефти.
1.3 Физические свойства
Нефть - жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до темно-бурого (почти черного) цвета (хотя бывают образцы даже изумрудно- зеленой нефти).
Средняя молекулярная масса 220 - 300 г/моль (редко 450 -470).
Плотность 0,65 - 1,05 (обычно 0,82 - 0,95) г/см?; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется легкой, 0,831 - 0,860 - средней, выше 0,860 тяжелой Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления.
Плотность нефтей определяют при температуре 20 °С. Она колеблется в пределах 0,730-1,06. Плотность азербайджанских нефтей 0,78-0,93, грозненских 0,84-0,87. В восточных районах РФ она изменяется в среднем от 0,852 до 0,899. Плотность калифорнийских нефтей 0,78-0,93, а некоторых мексиканских нефтей около 1,05.
В США плотность нефти определяют в градусах АНИ (Американский нефтяной институт) при 60 °F (около 15,50С); плотность воды в этой системе равна 10° АНИ. Пересчетная формула от градусов АНИ к системе, принятой в России, следующая откуда 10° АНИ соответствуют p1515 = 1.
Вязкость или внутреннее трение - в СИ динамическая вязкость нефти намеряется в Па•с, кинематическая - в м2/с.
Условная вязкость в градусах Энглера (°ВУ) представляет собой отношение времени истечения из вискозиметра 200 см3 испытуемой жидкости к «водному числу» - времени истечения 200 см3 дистиллированной воды при 20 °С, обычно равному 50-52 с.
Вязкость нефтей колеблется в широких пределах и зависит от пластового давления, температуры и растворенного в нефти газа. Зависимость вязкости от давления весьма незначительная; с увеличением температуры вязкость нефти уменьшается; с увеличением количества растворенного газа она заметно уменьшается.
Вязкость нефти играет большую роль при движении ее по пласту. От величины вязкости нефти и от ее соотношения с вязкостью воды зависят динамика обводнения залежи и условия эффективной добычи нефти.
Поверхностное натяжение жидкости заключается в противодействии нормальным силам, приложенным к этой поверхности и стремящимся изменить ее форму. Единицы измерения Н/м или Дж/м2.
Поверхностное натяжение существует на границе раздела любых двух фаз. В среднем его величина на границе нефти с воздухом составляет 2,5-3,5 Н/м2, а с водой - 7,2-7,6 Н/м2 (поверхностное натяжение вод нефтяных месторождений вследствие их минерализации достигает 7,9 Н/м2).
Это свойство имеет существенное значение при движении нефти в пористой среде. В самом деле, поровое пространство нефтяных пластов в значительной части представлено капиллярными трубками переменного сечения, поэтому частицы нефти при своем движении по этим капиллярам должны менять форму и поверхность. При этом на преодоление сил поверхностного натяжения расходуется часть пластовой энергии: чем больше величина поверхностного натяжения, тем больше будет расходоваться пластовой энергии на его преодоление.
Обычно, чем больше плотность нефти, тем больше ее поверхностное натяжение; с ростом пластового давления его величина также несколько возрастает; с увеличением количества растворенного газа и повышением температуры поверхностное натяжение нефти уменьшается.
Нефть содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно >28 °C, реже ?100 °C в случае тяжелых нефтей) и фракционным составом - выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определенных температурных пределах, как правило до 450-500 °C (выкипает ~ 80 % объема пробы), реже 560-580 °C (90-95 %). Температура кристаллизации от ?60 до 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и легких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже).
Нефть - легковоспламеняющаяся жидкость; температура вспышки от 35 до 121 °C (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворенных газов). Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии . В технологии для отделения от нефти воды и растворенной в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.
1.4 Элементный состав нефти и газа
Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды (> 500 или обычно 80-90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5 %), преимущественно сернистые (около 250), азотистые (> 30) и кислородные (около 85), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты - растворенные углеводородные газы (C1-C4, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси (частицы глины, песка, известняка).
Разделим соединения входящие в состав нефти на пять групп: 1) Парафины (алканы) - устойчивые насыщенные соединения, характеризующиеся формулой CNH2n 2, имеют прямую или разветвленную цепь.
2) Нафтены (циклоалканы) - насыщенные циклические соединения, характеризующиеся формулой CNH2n, оба атома водорода в которых могут быть замещены алкильными группами.
3) Ароматические углеводороды (арены) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, характеризующиеся формулой CNHN, содержат в кольце на шесть атомов водорода меньше, чем соответствующие нафтены; атомы водорода в этих соединениях могут быть также замещены алкильными группами.
4) Гетероатомные (серо-, азот- и кислородсодержащие) и минеральные соединения, содержащиеся во всех нефтях, являются нежелательными компонентами, поскольку резко ухудшают качество получаемых нефтепродуктов, осложняют переработку (отравляют катализаторы, усиливают коррозию аппаратуры и т.д.) и обусловливают необходимость применения гидрогенизационных процессов.
5) Гибридные углеводороды - химические соединения, включающие в себя элементы 3-х первых групп.
Между содержанием гетероатомных соединений и плотностью нефтей наблюдается вполне закономерная зависимость: легкие нефти с высоким содержанием светлых фракций бедны гетеросоединениями и, наоборот, ими богаты тяжелые нефти. В распределении их по фракциям наблюдается также определенная закономерность: гетероатомные соединения концентрируются в высококипящих фракциях и остатках.
Основную часть нефти и нефтепродуктов составляют углерод (83-87%) и водород (12-14%). Их содержание, иногда и соотношение, полезно знать для расчетов некоторых процессов. Например, теплота сгорания котельных топлив является важным показателем, от которого зависит расход топлива. Теплота сгорания зависит от элементного состава топлив. Высокая теплота сгорания жидких топлив объясняется высоким содержанием в них водорода и углерода и малой зольностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, влага и негорючие минеральные вещества являются балластом.
Процентное отношение массового содержания водорода к содержанию углерода (100НС) показывает, сколько необходимо добавить водорода к сырью в процессе гидрокрекинга, чтобы получить желаемые продукты. Отношение 100 Н/С в бензине равно 17-18, в нефти 13-15, в тяжелых фракциях 9-12.
Данные элементного состава и структурно-группового состава узких фракций масел и тяжелых остатков, из которых выделение индивидуальных соединений невозможно, позволяет значительно расширить представления о структуре веществ, входящих в эти фракции, и построить модель их "средней" молекулы.
Во всех нефтях наряду с углеводородами имеется значительное количество соединений, включающих такие гетероатомы, как сера, азот и кислород. Содержание этих элементов зависит от возраста и происхождения нефти.
Содержание серы может составлять от 0,2 до 7,0%, кислорода в нефти содержится от 0,05 до 3,6%, а содержание азота не превышает 1,7%.
Распределение гетероатомов по фракциям нефти неравномерно.
Обычно большая их часть сосредоточена в тяжелых фракциях и, особенно, в смолистой ее части.
Серосодержащие соединения. Как и кислородсодержащие соединения нефти, серосодержащие неравномерно распределены по ее фракциям. Обычно их содержание увеличивается с повышением температуры кипения. Однако в отличие от других гетероэлементов, содержащихся в основном в асфальто-смолистой части нефти, сера присутствует в значительных количествах в дистиллятных фракциях.
1.5 Применение и экономическое значение нефти
Нефть занимает ведущее место в мировом топливноэнергетическом балансе: доля ее в общем потреблении энергоресурсов составляет 68 %. В перспективе эта доля будет уменьшаться вследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а также увеличения стоимости добычи.
В связи с быстрым развитием в мире химической и нефтехимической промышленности, потребность в нефти увеличивается. Нужна она не только с целью повышения выработки топлив и масел, но и как источник ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, ПАВ, моющих средств , пластификаторов, присадок, красителей и др. (более 8 % от объема мировой добычи). Среди получаемых из нефти исходных веществ для этих производств наибольшее применение нашли: парафиновые углеводороды -метан , этан , пропан , бутан ы, пентан ы, гексан ы, а, также высокомолекулярные (10-20атомов углерода в молекуле); нафтеновые - циклогексан ; ароматические углеводороды - бензол , толуол , ксилол ы, этилбензол , олефиновые и диолефиновые -этилен , пропилен , бутадиен , ацетилен . Истощение ресурсов нефти, рост цен на нее и др. причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.
Цены на нефть, как и на любой другой товар, определяются соотношением спрос а и предложения . Если предложение падает, цены растут до тех пор, пока спрос не сравняется с предложением. Особенность нефти, однако, в том, что в краткосрочной перспективе спрос малоэластичен: рост цен мало влияет на спрос. Редкий владелец автомобиля начнет ездить в автобусе изза роста цен на бензин. Поэтому даже небольшое падение предложения нефти приводит к резкому росту цен.
В среднесрочной перспективе (5-10 лет), однако, ситуация иная. Рост цен на нефть заставляет потребителей покупать более экономичные автомобили, а компании - вкладывать деньги в создание более экономичных двигателей. Новые дома строятся с улучшенной теплоизоляцией, так что на их обогрев тратится меньше топлива. Благодаря этому, сокращение добычи нефти приводит к росту цен лишь в первые годы, а затем цены на нефть опять падают.
В долгосрочной перспективе (десятилетия) спрос непрерывно увеличивается за счет увеличения количества автомобилей и им подобной техники. Относительно недавно в число крупнейших мировых потребителей нефти вошли Китай и Индия . В XX век е рост спроса на нефти уравновешивался нахождением новых месторождений, позволявшим увеличить и добычу нефти. Однако многие считают, что в XXI век е нефтяные месторождения исчерпают себя, и диспропорция между спросом на нефть и ее предложением приведет к резкому росту цен - наступит нефтяной кризис . Некоторые считают, что нефтяной кризис уже начался, и рост цен в 2003 -2005 годах является его признаком.
Так, потерпев поражение в Войне Судного Дня, арабские страны решили в 1973 -1974 годах сократить добычу нефти на 5 млн. баррелей в день, чтобы «наказать» Запад. Другие страны сумели увеличить добычу на 1 млн. баррелей в день. Общая добыча нефти сократилась на 7 %, но цены выросли в 4 раза. Это, кстати, способствовало резкому скачку благосостояния советских людей на заключительном этапе «периода застоя» . Цены на нефть сохранялись на высоком уровне (хотя и не таком высоком, как во время бойкота) и в середине 1970-х годов, дальнейший толчок им дала иран ская революция и ирано-иракская война . Своего пика цены достигли в начале 1980-х годов. После этого, по причинам, описанным выше, цены начали падать. За несколько лет они упали более чем втрое. После вторжения Ирака в Кувейт в 1990 году цены выросли, но быстро упали опять, после того как стало ясно, что другие страны легко могут увеличить добычу нефти. После разгрома Ирака в 1991 году цены продолжали падать и достигли своего минимума ($11 за баррель) в 1998 году, что с учетом инфляции соответствует уровню начала 1970-х годов. В России это привело, в частности, к упадку нефтяной промышленности и стало одной из причин дефолт а.
Страны ОПЕК сумели договориться о сокращении добычи нефти, и к середине 2000 года цены достигли $30 за баррель. С конца 2003 до 2005 включительно произошел новый резкий скачок цен, в августе 2005 была достигнута цена $70, и удерживается на уровне выше $55. Некоторые считают причиной этого скачка цен вторжение США в Ирак , по мнению других, он знаменует начало давно ожидаемого нефтяного кризиса, когда истощающимся месторождениям все труднее удовлетворить растущий спрос на нефть.
2. Теории происхождения нефти и газа
Про уголь, вы, наверно, уже знаете. Точка зрения на этот счет довольно устоявшаяся: он образовался (и продолжает образовываться) из остатков буйной вечнозеленой растительности, покрывавшей некогда всю планету, включая даже нынешние районы вечной мерзлоты, и занесенной сверху обычными горными породами, под воздействием давления недр и при недостатке кислорода.
Логично предположить, что и нефть была изготовлена по аналогичному рецепту на той же кухне природы. 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…
Так опытным путем была доказана теория органического происхождения нефти. Какие же тут могут быть еще сложности ?...
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.
Правда, идеи "чистого химика" Менделеева поначалу не имели успеха у геологов , которые считали, что опыты, проведенные в лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе.
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.
Итак, на сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна - биогенная. Согласно ей, нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория - абиогенная. Подробно разработал ее Д.И.Менделеев, предположивший, что нефть в природе может синтезироваться из неорганических соединений.
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.
Давайте посмотрим, какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез.
Но прежде несколько слов о строении Земли. Это поможет нам быстрее разобраться в логических построениях ученых. Упрощенно говоря, Земля представляет собой три сферы, расположенные внутри друг друга. Верхняя оболочка - это твердая земная кора. Глубже расположена мантия. И наконец, в самом центре - ядро. Такое разделение вещества, начавшееся 4,5 миллиарда лет тому назад, продолжается и по сей день. Между корой, мантией ядром осуществляется интенсивный тепло- и массообмен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями - землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями материков...
Для объяснения механизмов происхождения нефти и образования ее 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 ее газ?
2. Какие причины обусловили образование нефти и газа, и каков был ход нефте- и газообразования?
3. Каким путем 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 еще 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 подъеме температуры и давления;
- мезокатагенез или главная фаза нефтеобразования (ГФН) - опускание пласта органических остатков на глубину до 3-4 км, при подъеме 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 счет 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 подъеме 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 т 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 оса
Вывод
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.
Это в теории. На практике наше знание о земных глубинах ограничено слоем (поверхностью) Мохоровичича. От 5 до 70 км в разных частях земного шара. Так вот, открою секрет. Наука вообще не знает, что творится за этим слоем. Есть невнятные гипотезы, одна противоречивее другой. Все они не работают. Вот такая длинная амбула, что бы вам было интереснее.
А что такое нефть и газ? Вот банальное определение: Сырая нефть - природная легко воспламеняющаяся жидкость, которая находится в глубоких осадочных отложениях и хорошо известна благодаря ее использованию в качестве топлива и сырья для химического производства. Химически нефть - это сложная смесь углеводородов с различным числом атомов углерода в молекулах; в их составе могут присутствовать сера, азот, кислород и незначительные количества некоторых металлов.
Природный (нефтяной) газ, состоящий из метана и других легких насыщенных углеводородов, - весьма дешевое и удобное топливо. Все. Все остальные определения и попытки понять, что это такое - это гадание на кофейной гуще.
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.
Обратимся к практике
Так, специалист известнейшего в мире Института проблем нефти и газа Российской Академии наук Азарий Баренбаум уверен: традиционное мнение о том, что нефть образуется из остатков отмерших живых организмов - в корне неверно. Он развил теорию Менделеева, а заодно и опроверг теорию парникового эффекта. Как все происходит? Углерод, попадающий в атмосферу, вымывается из нее дождями и с дождевой водой снова падает в землю в форме гидрокарбоната. Одновременно с накоплением в земной коре углерода в толще недр из мантии выделяются мощные потоки водорода. При высоких температурах и давлении происходят химические реакции, в результате которых появляются газы, в том числе метан и капельная нефть. И что особенно удивительно, весь этот процесс происходит не за миллионы, а всего за несколько десятков лет. Выводы ученого подтверждают возобновление запасов нефти на давно эксплуатируемых нефтегазовых месторождениях, а потом заброшенных в 40 - 50-е годы прошлого века: в Татарии, Чечне, Мексике, американских штатах Техас и Оклахома.
Так на чем же основан феномен необъяснимого роста запасов существующих месторождений? Поясню на примере. Когда нефть была открыта в Татарстане, ее запасы оценили в 709 млн. тонн. Ошибки вроде не было. Однако на сегодняшний день в Татарстане уже добыто почти в четыре раза больше нефти, чем было предсказано, - около 2,7 млрд. тонн. И заканчиваться татарская нефть не собирается. В обозримом будущем.
Один из авторов открытия, профессор ГАНГ Виктор Гаврилов может часами перечислять примеры таких «аномалий». Суть его теории - природа умеет пополнять свои кладовые. Известно, что углеводороды постоянно поднимаются из глубин планеты к поверхности земной коры. Считалось, что это происходит очень медленно. Для восстановления запасов месторождений нужны десятки миллионов лет.
Но ученые из ГАНГ уверены, что процесс идет значительно быстрее. Чтобы вновь наполнить скважины «черным золотом», достаточно времени, сопоставимого с продолжительностью жизни человека. «Мы проводили эксперименты на Талинском месторождении в Западной Сибири. Оказалось, что скорость перемещения нефтяных флюидов (летучих компонентов нефти) от скважины к скважине составляет почти 6 км в сутки», - рассказывает Гаврилов.
Если нефть и газ действительно окажутся возобновляемыми ресурсами, в этом не будет ничего удивительного. Они - одни из главных загадок природы. Известен их химический состав, совершенствуются методы добычи, но их происхождение - тайна за семью печатями.
Кстати, считается, что абсолютно точной информации (государственной) о реальных запасах нефти в России нет. Запасы газа известны, они публикуются, а запасы нефти - нет - запрещено еще с советских времен. Так ли это, мне точно выяснить не удалось. Мнения же экспертов разделились. Есть мнение, что реальные запасы в России в 3-4 раза больше, чем по данным BP Statistical review of world energy за 2009 год - 79 млрд. баррелей. Впрочем, есть мнение что нефтяные запасы Земли в настоящее время сознательно завышаются, дабы избежать паники и чудовищного роста цен.
Итак, к чему мы пришли? Геологи не знают истинных запасов нефти, а политики и бизнесмены этими цифрами манипулируют в зависимости от обстоятельств. Но приблизительно можно предположить, (по многочисленным публикациям), что запасов нефти и газа в России хватит до конца нынешнего века. Т.е. поводов для паники нет.
Да и теория о «возобновляемости» нефти и газа мне очень понравилась.
В силу ее непротиворечивости и подтверждением реальными фактами. Поэтому полагаю, что в этом вопросе мы можем быть оптимистами, и вспомнить главу из книги Дейла Карнеги, как перестать беспокоится и начать жить.
Список литературы
1. Алиев А.И. Грязевые вулканы - очаги периодической газогидродинамической разгрузки быстропогружающихся осадочных бассейнов и важные критерии прогноза газоносности больших глубин Геология нефти и газа. - 2006. - № 5.
2. Запивалов Н.П. Флюидодинамические модели залежей нефти и газа Н.П. Запивалов, И.П. Попов. - Новороссийск: Изд-во СО РАН, 2003.
3. Лапинская Т.А. Древнейшие метаморфические толщи фундамента как возможный источник углеводородов осадочного чехла Т.А. Лапинская, Л.П. Попова, А.В.Постников Нефтегазоносность фундамента осадочных бассейнов. - М.: Изд-во РГУНГ.