Современные представления об образовании нефти и газа кратко

Обновлено: 28.06.2024

Характерной чертой современного развития геологии является формирование нового геологического мышления, в основу которого положено представление о горизонтальном движении отдельных блоков литосферы, так назьюаемых литосферных плит. В недрах нашей планеты без устали происходит круговорот вещества - конвектйвное движение. Оно начинается на глубине около 3 тыс. км на границе адра и мантии, откуда горячий и относительно легкий материал всплывает вверх и через 15-16 млн.лет достигает подошвы литосферы - верхней и наиболее тонкой земной оболочки. Растекаясь по ее подошве, мантийное вещество за счет сил вязкого трения „разрывает" литосферу на несколько плит, которые раздвигаются от области выхода глубинного потока и дрейфуют в горизонтальном направлении. В этом месте образуются вначале своеобразные структуры в виде огромных провалов - рифты, а потом они трансформируются в океан. В наши дни типичные континентальные рифты известны в Восточной Африке, где они обычно заполнены водой (озера Ньяса, Танганьика, Рудольфа и т.д.). Примером современного морского рифта, отражающего следующую стадию перехода рифтовых структур в океан, является Красное море.

Горизонтальное движение литосферных плит приводит в конце концов к их столкновению и одна плита как бы „заталкивается" под другую. Возникает зона субдукции. При погружении литосферной плиты силы трения разогревают эту зону на сотни градусов, что способствует плавлению пододвигаемой плиты и возникновению вулканических процессов. Современные зоны субдукции широко распространены по побережью Тихого океана, на востоке Индийского океана. Процессы сопровождаются не только активным вулканизмом, но и сильными землетрясениями. Таким образом, верхняя и самая тонкая оболочка Земли (литосфера) находится в непрерывном движении. Какое же отношение имеет рождение нефти к этим мощным природным явлениям? Оказывается - прямое. Дело в том, что образование нефти очень энергоемкий процесс. Он выражается в диссоциации различных соединений, в разрыве химических связей между углеродом и кислородом, азотом, серой. А для этого нужны затраты энергии и немалые. Например, для разрыва связи С-С надо затратить 70-100 ккал/моль, для С-О - 70-200 ккал/моль и т.д. Для того чтобы эти процессы начали протекать и активно развиваться, необходимо повышение температуры до 100-400 °С. В противном случае преобразование рассеянной органики в нефть будет протекать медленно, вяло, полностью не используя весь потенциал органического вещества. Вспомним, химикам удавалось в лабораторных опытах практически мгновенно получать из естественной органики продукты близкие к природным нефтям. Условие было одно - высокая температура в перегонном кубе. Следовательно, если в природе создается ситуация, когда осадочные породы с органикой попадают в зону относительно высоких температур, то начинается образование нефти. В обычных условиях пласт для этого должен погрузиться на глубину минимум в 2-3км,там-то и наступает, по Н.Б. Вассоевичу, главная фаза нефтеобразования. А если осадки попадают в зону рифта или субдукции? Здесь прогретость недр в 5-6 раз выше, чем в обычных областях. Следовательно, и преобразование органики в капельно-жидкую нефть может начаться намного раньше. Практически одновременно с осадконакоплением. Поэтому зоны рифтов и субдукции так привлекают сейчас внимание геологов-нефтяников. Исследование их дает ключ к правильному пониманию генезиса УВ. Что же там происходит?

Геологические события иного типа протекают в зонах субдукций, но результат их тот же: ускоренное преобразование рассеянной органики в нефть. В зонах поддвига происходят два очень важных для нас явления: образование аккреционных призм (линз) и проскальзывание океанических осадков в мантию вместе с пододвигаемой плитой.

Нефть - пища века.

Одно из перспективных направлений в нефтехимии - биохимическая переработка нефтяных УВ для получения белковых веществ. Работы были начаты во Франции еще в 1957 г., но в последние годы актуальность их значительно увеличилась. Это объясняется растущей диспропорцией между народонаселением Земли и производством пищи. Как известно, население земного шара превысило 5 млрд. человек. Ожидается, что при существующих темпах роста к 2010 г. на Земле будут жить почти 8 млрд. человек. Уже сейчас, по данным журнала „Сайенс" (США), около 500 млн. людей в мире испытывают недостаток в продуктах питания. К концу века эта цифра удвоится. Как сообщает директор Марсельской лаборатории А.Шампанья, недостаток животного белка в настоящее время достигает 3 млн.т, т.е. 15 млн. т мяса. По другим материалам, этот дефицит составляет 40-60 млн. т в год. Журнал „Сайенс" пишет о том, что мир недополучает в год 25 млн.т хлебопродуктов. В связи с этим проблема получения искусственной пищи стоит особенно остро. Предлагают различные способы изготовления белка. Один из них, наиболее обнадеживающий, - его производство из нефти. Разработка этой идеи принадлежит немецкому ученому Феликсу Юсту (1952 г.). Технология получения синтетического белка из нефти проста. Углеводороды используют для получения парафина. В него добавляют соли азота, фосфора, калия и других элементов. Из этой массы и воды приготовляется питательная среда. В нее при определенной кислотности и температуре 32-34°С „засевают" бактерии Candida quillirmondi, которые образуют так называемую чистую культуру - закваску для выращивания в промышленных условиях белковой массы. За несколько часов микроорганизмы „съедают" парафин и образуют белок. За сутки 1 т культуры дает до 400 т белка. По сравнению с другими питательными средами для бактерий парафин очень экономичен. В этом случае 1 кг нефти дает 1 кг белка, а, например, 1 кг сахара - всего 0,5 кг белка.

Пока синтетический белок идет в сельское хозяйство на откорм животных и птиц, хотя при этом возникает слишком много довольно-таки сложных проблем. Но и в меню человека давно уже прочно вошли некоторые продукты, приготовленные из нефти. Наверное не все знают, что масло в шпротах – это продукт нефтехимии. [13. Стр. 13]

Не следует забывать, что нефть - это сырье для получения керосина, бензина, смазочных масел, т.е. всего того, без чего невозможна современная эксплуатация автомашин, самолетов, ракет.Не будет ошибкой, если сказать, что нефть - это не только будущий продукт питания людей, но и нынешняя „пища" моторов. Поэт А. Вознесенский в одном из своих стихотворений призывает:

Нас тёмные, как Батый,

В судахих клевреты наглые,

Из рюмок дуя бензин,

Вычисляют: кто это в Англии

Вел бунт против машин?"

Проблема осложняется еще и тем, что нефть и газ относят к полезным ископаемым, запасы которых невосполнимы. Из всех горючих пород на долю каменного угля приходится 83 % запасов, на долю нефти - 11 % и газа - 5 %. Неизбежно придет время, когда запасы нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны. Некоторые ученые считают, что через 20-30 лет человечество останется в основном с твердыми горючими ископаемыми, которые еще можно будет добывать из земли. Поэтому уже сейчас необходимо заботиться о том, чтобы спасти нефть и газ от сжигания. Если принять количество нефти, газа и каменного угля, сожженных в топках в 1972 г., за 100 %, то к 2010 г. это количество планировалось уменьшить, - до 84%, к 2030 г. - до 62%. Взамен для получения энергии человек должен научиться использовать энергию солнца, ветра и других природных факторов. [13. Стр. 14]

Происхождение нефти имеет несколько теорий, каждая из которых имеет право на существование. У каждой есть множество известных приверженцев и достаточное число научных трудов и обоснований. На этой странице мы расскажем о том, как образуется нефть в природе и опишем наиболее популярные теории происхождения этого ресурса.

Как образовалась нефть

Современная мировая экономика не может обойтись без нефти. Именно поэтому ее все чаще сравнивается с золотом. Спрос на этот энергоресурс возрастает с каждым днем, позволяя компаниям, занимающимся добычей углеводородов, получать солидные прибыли. Каково же происхождение нефти? Почему одни страны богаты этим ресурсом, а другие страдают от его недостатка?

Для того, чтобы понять, как образуется этот ресурс, важно разобрать его состав. Нефть состоит из:

Метановых, парафиновых, нафтеновых и других углеводородов
Смолистых веществ и асфальтенов
Серосодержащих веществ
Азотистых и кислородных соединений
Меньше 1% составляют тяжелые металлы

Откуда взялась нефть на нашей планете? Проанализировав состав этого вещества ученые разработали несколько теорий происхождения нефти. Причем каждая из них имеет многочисленное число сторонников и ярых противников остальных теорий. Наиболее популярные гипотезы происхождения нефти:

Биогенная
Неорганическая
Космическая

Современные теории происхождения нефти появились в начале XIX века и лишь в XX столетии приобрели более научный вид. Но, о том, как образуются углеводороды в недрах земли, спорят и по сей день. На данный момент ученые не пришли к единому мнению на этот счет. Поэтому точного ответа на вопрос, откуда берется это вещество под землей, вам никто не даст.

Биогенная или органическая теория

Жидкие углеводороды, освободившись из органической массы, заполняют собой пустоты. Сегодня их называют месторождениями. Нефть, которая находится на большой глубине, содержится при температуре окружающей среды около 200 градусов. Высокая температура позволяет выделить из нее природный газ.

Версии биологического происхождения нефти имеют свою доказательную базу. Немецкие специалисты Энглер и Гефер провели опыт по перегонки рыбьего жира под высоким давлением и температуры. Им удалось получить вещество, состав которого отдаленно напоминал нефть. Русский ученый Н. Д. Зелинский провел похожий опыт, но взял за исходный материал растительный ил озера Балхаш. Ему удалось получить бензин, керосин, метан и тяжелые металлы.

Абиогенная или неорганическая теория происхождения

Абиогенная теория происхождения нефти является второй по популярности. Кроме Д. И. Менделеева ее сторонниками являются такие видные ученые своего времени как А. Гумбольд, Н. А. Кудрявцев, Т. М. Голд и другие. Успех этой теории связан с удачными экспериментами по выявлению этого вещества из минерального сырья в лабораториях. Неорганическое происхождение нефти в конце XIX века стала одной из главных гипотез происхождения этого маслянистого вещества.

Д. И. Менделеев называл свою абиогенную теорию – карбидной. И хоть многие геологи не соглашались с его доводами, эксперимент по доказательству этой версии подтвердил ее право на существование. Известный химик считал, что земля состоит из расплавленного железа. Карбиды, которые являются спутниками этого металла, являются исходным материалом для образования самого значимого полезного ископаемого в истории человечества.

А вот основатель советской нефтяной геологии Иван Михайлович Губкин был главным противником теории Менделеева и всегда выступал с критикой в ее адрес. Он считал, что базальтовый пояс не даст воде проникнуть к ядру земли и встретится с карбидами железа.

Многое сделал для понимания образования углеводородов в недрах земли знаменитый американский геолог Арвилл Леворсен. Он придерживается осадочно-миграционной теории происхождения.

Теория космического происхождения нефти

Главной альтернативой вышеописанных гипотез является космическая теория происхождения нефти. Ее основоположник, В. Д. Соколов считал, что образование этого ресурса стало возможным благодаря попаданию на землю неорганических компонентов из космоса. Теория стала возможным, после подтверждения наличия углеводородных радикалов на звездах и метеоритах.

Нефтяная космическая теория находит новых последователей каждый день. Современные исследовательские орбитальные станции, телескопы для проведения спектрального анализа далеких объектов и другие технические возможности науки доказывают право этой гипотезы на существование.

Последние исследования показали наличие метана и аммиака в атмосферах близких планет: Юпитера, Нептуна, Урана и Сатурна. Это позволяет сделать вывод, что углеводород может содержаться на любом космическом теле.

По сути, образование жидких углеводородов по этой версии можно отнести как к органической, так и неорганической теории. Уже доказано, что метеориты могут принести на землю не только минералы, но и различные бактерии и микроорганизмы, которые могут стать сырьем для нефти.

Другие версии

Сегодня популярна альтернативная теория происхождения нефти, разработанная российскими учеными из Института проблем нефти и газа РАН. Специалисты сформулировали свою теорию, основываясь на круговороте углерода и воды в природе. Дождевая вода содержит углерод в виде гидрокарбоната. Он попадает в землю и приобретает форму для дальнейшего формирования нефти, которая формируется и попадает в природные резервуары, называемыми осадочными бассейнами.

Согласно этой гипотезе, таким образом формируется 90% нефти и только 10% ее было получено в результате разложения органических останков животных и растений.

Как и в случае с абиогенной теорией, скорость восстановления нефтяных запасов происходит не тысячелетиями, а всего лишь, десятками лет. При этом, основоположники этой теории считают, что чем интенсивнее человек будет перерабатывать углеводороды, тем быстрее они будут попадать обратно в землю и образовывать новые нефтяные массы.

Нефть является важнейшим ресурсом в истории человечества. Именно ископаемые углеводороды стали причиной значительного технического прогресса. Последние данные показывают, что этого ресурса хватит еще на 70 – 80 лет. За это время необходимо перейти на альтернативные виды топлива. Иначе человечеству придется очень сложно. Именно это толкает ученых на изучение возможности переработки солнечной и ветряной энергии.

Таким образом, все химические, геохимические и геологиче ские данные с несомненностью свидетельствуют об органиче ском происхождении нефти.

1.3. Современные представления об образовании нефти и газа

Известно, что при нагревании сапропелевых сланцев до 150—170°С начинается слабое термическое разложение органического вещества, приводящее к повышению выхода экстрактив ных веществ; при 200°С их образуется заметно больше, а при 370—400°С после нагревания в течение 1 часа уже до 60— 80 % органического вещества сланца переходит в растворимое со стояние. Образуется много асфальтово-смолистых веществ, со держащих все основные классы нефтяных углеводородов, а так же газы (СО₂, СН₄, H ₂ S ) и пирогенетическая вода.

В принципе тот же самый процесс термического (или термокаталитического) разложения происходит и в природных усло виях при погружении содержащих сапропелевое органическое вещество отложений под накапливающимися над ними более молодыми осадками. Только в природных условиях он проте кает крайне медленно, со скоростью погружения осадков обычно от 50—100 до 300 м/млн. лет.

Опускание на глубину 2—3 км, характеризующуюся распространением большей части залежей образовавшейся нефти и температурой до 150—160°С, осуществ ляется за время от 10 до 60 млн. лет. Такой очень медленный природный "технологический" процесс термического превращения сапропелевого органического вещества с подъемом темпера туры на 1°С за 60—400 тыс. лет трудно себе представить, однако проведенные исследования подтверждают, что в природ ных условиях он действительно реализуется очень широко во многих впадинах, заполненных мощными толщами накопленных осадков.

Детальные геолого-геохимические исследования позволяют проследить последовательные стадии этого процесса (рис. 1.1). На начальном этапе погружения (до 1,5—2 км при росте тем пературы до 50—70°С) в керогене возрастает содержание угле рода и водорода в основном вследствие потери кислорода за счет отщепления периферических кислородсодержащих функ циональных групп молекулярной структуры органического вещества.

Рис. 1.1. Превращение органического вещества осадочных пород (а — в) и генераций нефти и газа (г) при росте глубины погружения (Н) и температуры (Т): С — содержание в органическом веществе углерода; Н —водорода, Б — битумоида; ∑Н—генерация нефти; ∑ CH ₄ — генерация метана; V _н — скорость генерации нефти; V_M — скорость генерации метана

Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает

Две гипотезы

У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.

60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков

Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.

Состав и свойства нефти

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — водород — и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др.).

От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.

Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?

С точки зрения современных сторонников неорганической, или минеральной, гипотезы, углеводороды образуются из содержащихся в мантии Земли воды и углекислого газа в присутствии закисных соединений металлов на глубинах Высокое давление в недрах земли препятствует термической деструкции сложных молекул углеводородов. В свою очередь сторонники органики не отрицают, что простые углеводороды, например метан, могут иметь и неорганическое происхождение. Опыты, направленные на подтверждение абиогенной теории, показали, что получаемые углеводороды могут содержать не более пяти атомов углерода, а нефть представляет собой смесь более тяжелых соединений. Этому противоречию объяснений пока нет.

Этапы образования нефти

СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ

В ловушке

Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.

В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.

Типы коллекторов

БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ

Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.

Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.

Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др.) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.

Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.

Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.

Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.

Нефть - пища века.

Нас тёмные, как Батый,

В судахих клевреты наглые,

Из рюмок дуя бензин,

Вычисляют: кто это в Англии

Вел бунт против машин?"

Читайте также: