ТЕОРИИ ОБРАЗОВАНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

Как образуется нефть. Отличия органического вещества в осадочных и магматических породах. Захоронение органического вещества

Принципиальные отличия органического вещества, содержащегося в осадочных и магматических породах, обусловливаются также тем, что не все захороненное органическое вещество впоследствии может стать источником образования нефти и газа. Дело в том, что степень сохранности захороненного вещества и пути его преобразования зависят в конечном итоге от доступа кислорода и условий для удаления продуктов окисления. Так, при свободном доступе кислорода происходит тление органического вещества, и если к тому же существуют условия для удаления продуктов реакции, то органическое вещество разрушается полностью, образуя преимущественно углекислоту и воду. Такова судьба органического вещества, которое захороняется на суше выше уровня грунтовых вод, а также в водоемах со свободной циркуляцией поверхностных вод, насыщенных кислородом, или оказавшегося в слоях грубозернистого материала (песка, галечника и др.), по которым циркулируют насыщенные кислородом воды, удаляющие как само органическое вещество, так и продукты его разрушения.

 При ограниченном доступе кислорода или полном отсутствии его доступа органическое вещество в зависимости от его типа, наличия условий, благоприятных для развития микроорганизмов, подвергается процессам гниения или брожения, при которых образуются сначала метан, а затем и другие углеводороды и различные вещества (воски, смолы и др.). Вот почему наиболее благоприятные условия для захоронения органического вещества и его преобразования в сторону горючих ископаемых существуют в осадках водоемов, придонные части которых характеризуются застойными условиями, т. е. в осадках морей, океанов, озер, болот, стариц.

 Вне водных бассейнов условия, благоприятные для захоронения и сохранения органического вещества и затем его медленного преобразования без существенного окисления, как правило, отсутствуют или, точнее, встречаются в сравнительно редких случаях: при крупных извержениях, особенно если последние сопровождаются выпадением огромных количеств вулканического пепла, в зонах многолетней мерзлоты и т. д.

 Вероятно, уместно будет сравнить площади накопления осадков в водных бассейнах с засеянным полем, на котором роль хлебороба исполняет вода, равномерно рассеивающая органическое вещество и даже создающая условия для его образования (для жизни микро‑ и макроорганизмов), а территории образования магмаэтических пород ‑ с пустырем, заросшим сорняками, на котором лишь в редких случаях прорастают отдельные колосья хлеба из зерен, занесенных ветром, оброненных человеком, или попавших случайно другим путем.

 Если это так, что и закономерности распределения органического вещества должны быть принципиально различными для осадочных и магматических пород. И действительно, распределение органического вещества в осадочных породах характеризуется такими же особенностями, как и распределение органического вещества в современных осадках: его количество зависит от состава пород и возрастает с уменьшением размера зерен и обломков, достигая максимума в глинистых разностях; зоны различного содержания (в том числе и повышенного) органического вещества прослеживаются на огромных площадях. Так, глинистые породы баженовской свиты Западной Сибири, характеризующиеся высоким содержанием органического вещества (до 10‑13%), распространены на площади, измеряемой многими сотнями тысяч квадратных километров. Такие же примеры имеются и среди девонских отложений Волго‑Уральской области (доманик) и среди пермских отложений Европы и т. д.

 Совершенно иной характер имеет распространение органического вещества в магматических породах: как правило, органическое вещество не образует в них заметных скоплений и лишь спорадически обнаруживается в самых различных количествах. При этом не наблюдается определенных закономерностей в его распределении по площади и разрезу магматических пород, и нередко участки повышенного содержания органического вещества в магматических породах бывают приурочены к зонам контакта этих пород с осадочными или к включениям обломков последних.

 Указанными закономерностями распределения органического вещества в осадочных и магматических породах можно объяснить и наблюдаемые особенности распределения этого вещества в третьей группе пород ‑ метаморфических, образующихся, как отмечалось выше, при метаморфизме пород первых двух групп. Благодаря исследованиям советских ученых, и в первую очередь академика А. В. Сидоренко и С. А. Сидоренко, установлено, что в метаосадочных породах, представляющих собой метаморфизованные осадочные породы, как правило, содержится органическое вещество, количество которого несоизмеримо меньшее, чем в нормальных осадочных породах. Но все же и содержание органического вещества и его состав находятся в прямой зависимости от состава включающих его метаосадочных пород. В метаизверженных породах, как правило, органического вещества в ощутимых количествах не содержится, и если оно встречается, то незакономерно, локально.

 Но только захоронение органического вещества не обеспечивает нефтегазообразования. Продолжая аналогию между захоронением органического вещества и посевом пшеницы или каких‑либо других культур, можно заметить, что, как в растениеводстве, хорошая заделка семян ‑ необходимое, но далеко не достаточное условие для получения урожая, так и захоронение органического вещества ‑ первый, но далеко не достаточ‑ный этап в длительном процессе нефтеобразования и в несколько более коротком процессе газообразования.

 Это связано со многими причинами. Во‑первых, в природе слишком много "любителей" энергии, заключенной как в захороненном органическом веществе, так и в любом зерне, состоящем из органического вещества. Во‑вторых, так же как и растения для своего роста нуждаются в определенных благоприятных условиях, достаточной температуре, соответствующей плотности включающего грунта, обеспечивающей возможность прорастания семян, так и преобразование органического вещества в сторону нефти может происходить лишь при определенных благоприятных условиях, в первую очередь температурных и др.

 Более того, если зерна растений в процессе эволюции приобрели защитные приспособления в виде достаточно прочной непроницаемой для микроорганизмов и инертной для разных химических реагентов оболочки, то обрывки и кусочки органического вещества такой защитной оболочки, как правило, не имеют, хотя если в породу попадают те же зерна, пыльца, споры, то они в начальный период менее подвержены действию различных неблагоприятных условий.

 Как отмечалось выше, при доступе кислорода происходит окисление органического вещества с образованием преимущественно углекислоты и воды. Этому процессу способствует жизнедеятельность многих микроорганизмов. Поэтому на поверхности земли, а также на дне водоемов в грунтах, хорошо промываемых водой (крупнозернистых песчаных, галечниковых и т.д.), происходит окисление органического вещества. Нередко вода не только приносит кислород, но и выносит продукты окисления, благодаря чему процесс может развиваться почти до полного разложения органического вещества. Исключения могут составлять крупные обрывки растительной ткани, семена, споры и пыльца растений,

 нередко сохраняющиеся в песках и даже галечниках. В наиболее распространенных осадках ‑ илах, глинистых илах, накапливающихся в спокойных водах бухт, заливов, озер, болот, стариц рек, доступ кислорода, как правило, затруднен, и поэтому нет условий для полного окисления содержащегося в них органического вещества. В таких осадках развиваются микроорганизмы, которые "набрасываются" в первую очередь на легко‑разрушаемые органические соединения ‑ белки, углеводы и др. При этом образуется много углекислого газа, воды, метана и незначительное количество жидких и твердых углеводородов. Эти углеводороды обнаружены в современных осадках почти всех морей, океанов, озер, стариц рек и т. д. О широком образовании метана в болотах свидетельствует и его второе название ‑ болотный газ.

 В указанный биогенный этап захороненное в осадках органическое вещество так сильно преобразуется, что и по составу, и по физико‑химическим свойствам, и по морфологии, и другим признакам становится абсолютно непохожим на то исходное вещество, которое захоронялось в осадках: в результате потери легко гидролизуемых компонентов в нем остаются устойчивые и синтезируются сложные и также устойчивые соединения.

 Это органическое вещество состоит из трех групп соединений, которые дифференцируют по растворимости в различных растворителях. Значительную часть этого вещества составляют соединения, растворимые в едком калии, которые называются гуминовыми кислотами. В несколько меньшем количестве содержится не растворимое в органических растворителях вещество, именуемое в зарубежной литературе керогеном. В небольших количествах присутствуют растворимые в бензоле, хлороформе и других органических растворителях компоненты ‑ битумы, или, как их теперь называют, битумоиды, в составе которых определены жидкие и твердые углеводороды всех трех групп. На всех стадиях изменения в осадках и в заключенном в них органическом веществе всегда содержатся в разных состояниях (свободном, сорбированном, в закрытых порах) газообразные компоненты, среди которых нередко преобладает метан, присутствуют этан и другие газообразные углеводороды.

 По мере отложения все новых и новых порций осадков затрудняется и почти прекращается обмен веществами с придонным слоем воды, что приводит к гибели микроорганизмов вследствие отравления их продуктами своей жизнедеятельности. Намечается новый этап, обусловленный повышением температуры, происходящим из‑за увеличения глубины залегания (см. главу III). Температура в осадках может также повышаться вследствие развития в них различных экзотермических химических процессов: выпадения солей, образования новых минералов и т. д.

 Повышение температуры вызывает разложение или, как говорят, деструкцию органического вещества: более сложные полимерные соединения разлагаются, образуя менее сложные соединения, в том числе и углеводороды. Благодаря этому с увеличением глубины залегания в органическом веществе осадочных пород растет содержание битумов и в составе последних ‑ количество жидких и твердых углеводородов. Увеличивается и количество газообразных углеводородов.

 Источники образования отдельных компонентов нефти показаны на рис. 32. Темп деструкции органического вещества резко повышается после достижения температуры порядка 60°С, что в большинстве случаев характерно для глубин порядка 1500‑2000 м. По мере дальнейшего повышения температуры темп деструкции несколько снижается, но при этом из керогена продолжается образование новых порций битума, в которых содержатся новые и новые порции твердых, жидких и газообразных углеводородов и других соединений (рис. 33). Этот процесс продолжается до температур порядка 180‑200°С. Дальнейшее повышение температуры приводит к деструкции образовавшихся жидких и твердых углеводородов, когда из органического вещества образуются только или почти только газообразные углеводороды и графит.

Рис. 32. Источники образования отдельных компонентов нефти

Схема превращения керогена в нефть и газ

 Интервал глубин, в котором из органического вещества образуются максимальные количества жидких углеводородов, Н. Б. Вассоевич предложил называть главной зоной нефтеобразования. Эта зона располагается на глубине порядка 1500‑3000 м (в разных регионах по разному). Верхний интервал глубин, на которых образуется газ, назван Н. Б. Вассоевичем зоной газообразования, нижний интервал ‑ главной зоной газообразования (табл. 2).

Глубины и характеристика зон нефте и газообразования (по Н. Б. Вассоевичу и др.)

 Описанная выше картина весьма схематизирована. Дело в том, что количество и битумов и углеводородов, образующихся на разных глубинах, а стало быть, и при разных температурах, во многом зависит от состава исходного органического вещества, степени его раздробленности, характера осадков, в котором оно находится и т. д. Так, установлено, что органическое вещество, представленное в основном остатками наземной растительности (так называемое гумусовое) дает при разложении больше газообразных углеводородов, жидкие углеводороды начинают образовываться из него при борее высоких температурах. Органическое вещество, накапливающееся в морских осадках, как правило, генерирует больше нефти.

 Приведенная выше зависимость количества и состава органического вещества от температуры не только установлена в самых различных областях мира, но и наблюдается при проведении подобных экспериментов на моделях в лабораториях. Не останавливаясь на химической стороне указанного процесса, отметим лишь, что многими исследователями создана математическая модель этого процесса, позволяющая с помощью ЭВМ производить необходимые расчеты.