Происхождение нефти и строение месторождений.

Несколько скомпанованных неплохих статей по происхождению нефти. Коротко рассматривается биогенная и абиогенная теории.

"Как образовались месторождения нефти? Удивительно, но у учёных до сих пор нет единого мнения на этот счёт. Теории происхождения большинства других полезных ископаемых — угля, руд металлов, алмазов — давно устоялись. Происхождение нефти до сих пор вызывает споры и приверженцев двух разных теорий — биогенной и абиогенной.

Биогенная теория, признаваемая в настоящее время большинством специалистов, основана на том, что нефть образовалась из останков древних организмов, ранее населявших планету. Скорее всего это были не динозавры, которых принято изображать на популярных картинках о происхождении нефти, а более простые существа вроде водорослей и зоопланктона. Оседая на дно морей и океанов, они образовали породы, пропитанные керогеном.

Кероген — это смесь высокомолекулярных горючих органических веществ. Оказавшись на глубинах 2100-5400 м кероген постепенно превращался в нефть, газовый конденсат и природный газ. Глубины, на которых существуют подходящие условия для возникновения нефти, называют «нефтяным окном». В верхней части «окна» температура недостаточно высока для полного преобразования керогена и нефть получается тяжёлой. При более высокой температуре этот процесс протекает с образованием лёгкой нефти и конденсата. Ниже «нефтяного окна» температура пластов поднимается настолько, что молекулы керогена дробятся на самые простые углеводороды — образуется природный газ. Поскольку нефть имеет меньшую плотность, чем окружающие породы, она может мигрировать только вверх. Значит, нефтяные месторождения могут находиться выше «окна» или в его пределах. Действительно, практика подтверждает, что нефть не встречается глубже 5400 м за исключением единичных случаев. Залежи, обнаруженные вблизи этой границы, имеют значительное содержание конденсата и насыщены газом, что также хорошо укладывается в данную теорию.

В 1919 году академик Н.Д.Зелинский провёл опыты с органическим илом растительного происхождения (сапропелем), взятым из озера Балхаш. При его нагреве удалось получить бензин, керосин, тяжелые дистилляты, метан. Другими учёными проводились опыты со сланцами, пропитанными керогеном. В результате длительного нагревания происходило выделение веществ, очень похожих на природную нефть. Дополнительным подтверждением биогенной теории случит присутствие в большинстве нефтяных месторождений особых веществ — порфиринов. Эти вещества характерны для биологических организмов, образование их путём неорганического синтеза представляется маловероятным.

Миллионы пробуренных скважин также подтверждают биогенную теорию возникновения нефти и газа. Почти все открытые месторождения находятся в пределах осадочных бассейнов и соответствуют условиям биогенного происхождения. Казалось бы, какие могут быть сомнения?

Тем не менее, не все месторождения могут быть описаны в рамках биогенной теории. Ярким примером служит открытие в 1988 году крупного месторождения «Белый тигр» на шельфе Вьетнама. Это месторождение располагается не в толще осадочных пород, а в гранитном фундаменте. Нефть была обнаружена совершенно случайно, когда буровое задание продлили на несколько десятков метров ниже осадочной толщи. Присутствие живых организмов или планктона, из которых могла бы образоваться нефть, в такой среде не представляется возможным. Несмотря на это, месторождение «Белый тигр» до сих пор даёт нефть. Как она могла образоваться в толще гранитов? Об этом — в следующей статье, описывающей альтернативную теорию происхождения нефти.

Сторонники абиогенной теории считают, что образование жидких углеводородов является результатом геологических процессов, происходящих в недрах Земли и никак не связано с биологическими объектами.

Одним из первых такое предположение высказал французский химик М.Бертло в 1866 году. 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 с обстоятельным докладом выступил 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 встречается с карбидами железа и под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию. В результате реакции образуются оксиды железа и углеводороды, например этан.

Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Лабораторные опыты подтвердили возможность таких химических реакций. Впрочем, идеи «чистого химика» Менделеева подверглись критике со стороны геологов, которые считали, что опыты, проведенные в лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе.

Несколько десятилетий назад абиогенная теория получила сильный аргумент с неожиданной стороны. Исследования космического пространства показали, что во Вселенной существуют планеты, на которых отмечается присутствие углеводородов. Есть такие космические тела и в нашей Солнечной системе. Присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, найдены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Отличный набор сырья для газохимического комбината, не правда ли? Если на других планетах Солнечной системы углеводороды могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?

«Конечно, абиогенное образование метана возможно», — говорят исследователи океанов. Подтверждением служат геотермальные гейзеры, также называемые «чёрными курильщиками». Их находят на дне океанов в местах расхождения тектонических плит. Морская вода взаимодействует с породами, содержащими железо, в результате чего образуется водород. В дальнейшем водород реагирует с углекислым газом или углеродосодержащими минералами с образованием метана, который выбрасывается из жерла гейзера. В местах расположения геотермальных гейзеров отсутствуют осадочные породы, что не оставляет сомнений в том, что в данном случае метан образуется из неорганических соединений.

Вместе с тем, пока достоверно известно о возможности абиогенного происхождения органических молекул, содержащих не более 5 атомов углерода. Нефть представляет собой смесь более тяжёлых веществ. Кроме того, возможность образования углеводородов ещё не означает формирования месторождений, имеющих коммерчески привлекательные запасы углеводородного сырья. Не считая редчайших исключений, все месторождения нефти и газа на Земле были найдены на основе предположений, основанных на биогенной теории. Единичные случайно обнаруженные месторождения в трещиноватом граните и вулканическом туфе указывают на возможное абиогенное происхождение нефти, но такие находки встречаются очень редко. Практическим подтверждением абиогенной теории могло бы стать массовое обнаружение месторождений за пределами осадочных бассейнов, но как раз этого пока не происходит.

Существуют и другие теории возникновения нефти. Например, в конце 19 века один американский промышленник высказал мнение, что нефть образуется из мочи арктических китов и по подземным ходам проникает в Пенсильванию. Уже тогда многие учёные считали подобные предположения вздорными, но это нисколько не помешало промышленнику успешно добывать нефть и прилично разбогатеть на этом. Дело в том, что нефть скапливается не в местах её образования, а в особых геологических объектах, называемых ловушками. Для нефтяной компании, нашедшей ловушку с коммерчески привлекательными запасами нефти, по большому счёту всё равно, как получилась эта нефть — из древних организмов, путём реакции воды с карбидом железа или ещё каким-либо другим способом. С практической точки зрения намного важнее характеристики пород, из которых сложена ловушка, их пористость и проницаемость.

Согласно биогенной теории, условия для превращения керогена в нефть присутствуют в интервале глубин от 2100 м до 5400 м. При этом известно, что первая скважина, пробуренная в Пенсильвании, дала нефть после достижения отметки 21 м. На бакинских промыслах нефть добывали, вычёрпывая вёдрами из глубоких колодцев. Как же она оказалась так близко к поверхности земли?

Дело в том, что добыча нефти ведётся вовсе не из тех пород, где она возникла. Процесс превращение керогена в нефть протекает очень медленно, а поскольку нефть обладает меньшей плотностью по сравнению с окружающими её породами, она постепенно вытесняется вверх. Из-за этого в местах образования нефть присутствует в незначительном количестве и она распределена по всему объёму породы. В промышленных объёмах нефть скапливается в геологических структурах, называемых ловушками.

Вопреки расхожему мнению, подземных нефтяных озёр под землёй не существует. Нефтяной пласт представляет собой горную породу, пропитанную нефтью, газом и водой. Из-за высокого давления порода спрессовывается до весьма плотного состояния и на ощупь обычно напоминает бетон. Такой пласт геологи называют коллектором, а вещества, находящиеся в коллекторе — флюидом. С точки зрения нефтедобытчика пласт-коллектор обладает двумя основными параметрами — пористостью и проницаемостью.

Пористость определяется долей пустот в горной породе, способных вмещать флюид. Чем больше пористость коллектора, тем в нём поместится нефти и газа. Хорошим показателем является пористость в пределах 15-25%. Проницаемость — свойство горной породы пропускать через себя флюид. Некоторые породы оказываются практически непроницаемыми для жидкостей и газов (глины, сланцы), другие легко пропускают флюид (песчаники, доломиты). Для эффективного извлечения нефти из коллектора важно благоприятное сочетание обоих этих параметров. Классический пример дисбаланса пористости и проницаемости — мел, который обладает исключительно высокой пористостью за счёт пронизывающих его капилляров, но эти капилляры имеют очень небольшие размеры и проницаемость у мела плохая.

Одного только коллектора для формирования ловушки недостаточно, поскольку он не только накапливает, но и легко отдаёт флюид. Миновав пористую и проницаемую породу, нефть и газ продолжат своё движение к поверхности земли. Чтобы этого не произошло, путь должна преграждать покрышка — слой пород, непроницаемых для нефти и газа. Покрышки часто бывают сложены из глины или каменной соли. Коллектор, сверху которого расположена покрышка, называется ловушкой. Несколько ловушек образуют месторождение.

Существует 4 основных вида ловушек. Одна из самых распространённых — антиклинальная ловушка, представляющая собой выпуклый вверх изгиб пласта. Тектонически экранированные ловушки формируются при вертикальном перемещением пластов, когда пласт непроницаемых пород располагается напротив пласта проницаемых пород. Соляной купол образуется при внедрении соляного штока в другие пласты. Стратиграфическая ловушка получается при замещении пористых пород непроницаемыми.

Как правило, нефть содержит растворённый в ней газ. Если газа достаточно много, он может присутствовать в свободном состоянии в верхней части ловушки. Такое скопление газа называется газовой шапкой. Снизу и по краям ловушки обычно находится вода.

Горные породы делятся на три большие группы: осадочные, магматические и метаморфические. Осадочные, в полном соответствии с названием, образовались из осадка, опустившегося когда-то на дно моря или океана. К таким породам относятся пески, песчаники, глины, известняки, доломиты. Вторая группа – магматические породы. И тут без сюрпризов — к этой группе относятся породы, образовавшиеся из магмы, например граниты, базальты, порфириты. Третья группа – породы, претерпевшие преобразование (метаморфизм). Они образовались из осадочных или магматических пород. К метаморфическим породам относятся сланцы, мрамор, кварциты.

Подавляющее число ловушек находятся в осадочных бассейнах. Формирование ловушки в магматической или метаморфической породе — редчайший случай. Возвращаясь к теме аномального строения месторождения «Белый тигр» (про это говорилось в статье о теориях происхождения нефти), нужно отметить, что нахождение нефти в гранитах или туфах не говорит о том, что она образовалась именно в этих породах и, следовательно, имеет абиогенное происхождение. С уверенностью можно утверждать лишь то, что данный коллектор представлен трещиноватыми или выветрелыми магматическими породами. То есть место залегания и тип коллектора не имеют прямой связи с происхождением нефти."