Неорганическое происхождение нефти
Сторонники неорганического происхождения нефти заявили о себе в XVIII в. Начиная с А.Гумбольда основным доводом в пользу неорганического происхождения нефти была связь нефтепроявлений с деятельностью вулканов (вулканическая гипотеза). До середины XIX в. использовалась только нефть естественных выходов, распространенная в тектонически активных областях – Средиземноморье, Венесуэла, Калифорния и др. Поэтому нефтепроявления (и генезис нефти!) связывались с эндогенными процессами [25, 60].
Научные концепции неорганического происхождения нефти возникли во второй половине XIX в. К этому времени относятся успешные эксперименты по неорганическому синтезу сложных органических соединений, в т.ч. углеродистых (М. Бертло, С. Клоэц /1877-1878/), позволившие высказать идею о минеральном синтезе нефти.
В конце XIX в. появились гипотезы Д.И.Менделеева о неорганическом происхождении нефти и В.Д.Соколова о космическом происхождении нефти [25, 60].
15 октября 1876 г. на заседании Русского химического общества Д.И.Менделеев изложил свою неорганическую гипотезу происхождения нефти, названную карбидной. Он считал, что внутри Земля состоит из расплавленных металлов (преимущественно железа), содержащих углерод (карбиды). Расплавленное металлическое ядро земного шара (барисфера) покрыто сравнительно тонкой твердой корой (литосфера). В литосфере также должны содержаться карбиды металлов (FeC и др.) в твердом и жидком состоянии. С ними он и связывает образование нефти. Во время горообразования по трещинам (разломам) поверхностная вода просачивалась вглубь Земли к металлическим массам. Взаимодействие с карбидами железа приводило к образованию окислов металла и УВ.
Согласно реакции Энглера: 2FeC + 3H2O = Fe2O3 + C2H6
УВ по трещинам поднимались в верхние холодные слои земной коры, где они конденсировались и накапливались в пористых породах, образуя залежи. Этот процесс, по мнению Д.И.Менделеева, наблюдался не только в прошлом геологической истории, но происходит и сейчас (залежи пополняются по мере их истощения – Шебелинское газовое месторождение и др.).
От геолога-нефтяника Г.В.Абиха он узнал, что часто месторождения нефти и газа территориально приурочены к сбросам. В этом Д.И.Менделеев видел неоспоримое доказательство своих воззрений. Позднее выяснилось, что его гипотеза не выдерживает критики. Но заслуга Д.И.Менделеева в том, что он привлек внимание ученых к проблеме происхождения нефти и газа и правильно оценивал практическое значение вопросов о природе нефти [25].
Заслуживает внимания космическая гипотезаВ.Д.Соколова, выдвинутая им в 1892 г. По его мнению в составе первичного газопылевого облака, из которого образовалась ЗЕМЛЯ и другие планеты находилсь углеводороды. По мере формирования ЗЕМЛИ они оказались в ее глубинном веществе, составляющем вторую оболочку планеты – мантию. В дальнейшем при остывании мантии УВ начали выделяться из нее и проникать по трещинам в рыхлые породы земной коры. Это гипотеза В.Д Соколова - одна из разновидностей представлений о глубинном происхождении нефти.
Как показало время, в работе, опубликованной более чем на 100 дет раньше, М.В.Ломоносов оказался многократно ближе к истине [50].
В Москве в 1968 г. на Международном симпозиуме по происхождению нефти выступил Н.А.Кудрявцев – лидер сторонников абиогенного синтеза, доклад которого был освистан … [45]. Несмотря на это теория абиогенного синтеза в СССР продолжала развиваться трудами Н.А.Кудрявцева, Н.С.Бескровного, А.Е.Лукина, П.Н.Кропоткина, В.Б.Порфирьева [491], Ф.А.Летникова, А.А.Маркушева, В.А.Жарикова, Б.М.Валиева, В.А.Краюшкина, М.Г.Гринберг, Г.Н.Доленко[30, 301], Э.Б.Чекалюк и другие очень крупные ученые. Большой вклад в это направление внесла украинская школа геологов во главе с В.Б.Порфирьевым. На Украине в этом направлении продолжают плодотворно работать его последователи В.А.Краюшкин, А.Е.Лукин, В.И.Созанский и другие. Большой вклад в изучение абиогенного синтеза нефти в формировании и переформировании нефтяных месторождений внесли ученые-геологи Республики Татарстана (РТ) [60].
Сторонники неорганического происхождения нефти, обладавшие острым критическим умом, великолепно владевшие достижениями современной геологии и геохимии, видя слабые стороны органической теории образования нефти и газа, какой она была в начале второй половины XX столетия, указывали «органикам» не нерешенные вопросы и тем самым активизировали исследования по многим направленям. Они, «неорганики», выдвинули несколько положений, которые по их мнению, невозможно объяснить с позиций органической гипотезы. Основные из них следующие: существование в природе огромных скоплений нефти, часто наблюдаемая приуроченность месторождений нефти и газа к зонам разломов, нахождение включений нефти и газа в магматических породах, образование которых связано с остыванием магмы, нахождение нефти в кратерах вулканов, кимберлитовых трубках и в вулканических газах.
Н.А.Кудрявцев[53, 54]: нефть и газ образуются из реакционных смесей Н, СО2, СН4 и других простейших углеродистых соединений в результате осуществления реакций типа: СО + 3Н2 = СН4 + Н2О.
Сторонники эндогенного синтеза, связывая процессы нефтегазообразования с глубинной дегазацией, приводят новые факты, свидетельствующие о «несостоятельности» биогенного происхождения нефти: присутствие углеводородных газов, главным образом, метана в вулканических эманациях, изверженных породах фундамента; повышенная металлоносность твердых нафтидов, обогащенность их ураном, редкими и редкоземельными элементами; результаты эксперементов по абиогенному синтезу УВ.
Они объясняют абиогенное происхождение нефти путем синтеза УВ из оксидов углерода и водорода (реакция Фишера – Тропша). Каталитический синтез УВ давно освоен химической промышленностью. Его осуществляют при t = 150-300оС, в качестве катализаторов используют Co, Ni, Pt и элементы VIII группы.
Общий вид реакции Фишера – Тропша: nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+nH2O
Согласно данной реакции при разных условиях могут быть образованы н-алканы, изопреноиды, ни нафтены, широко распространенные во всех природных нефтях … [60].
В пользу эндогенного происхождения УВ газов часто приводится повышенная концентрация в них гелия (He) и водорода (Н). В качестве критерия генезиса газов используется их изотопный состав.
Единственным газом, изотопный состав которого в мантийном и коровом резервуарах резко различен, является He. Наличие ювенильной примеси гелия позволяет оценить и возможную долю УВ-газов и прежде всего метана, мантийного генезиса (в современной мантии СН4/3Не = 10-6 [60].
В СССР создана теория абиогенного синтеза нефти [60]:
1) В её основе лежат процессы дегазации глубинных сфер земли, являющиеся основным процессом развития нашей планеты, одной из проявления которых являются глубинные восстановительные флюиды, контролирующие процессы метасоматоза, литогенеза, образования нефтяных и рудных месторождений.
2) Существование в глубокопогруженных осадочных бассейнах и их кристаллическом фундаменте путей миграции глубинных флюидов через глубинные разломы, дизъюнктивные узлы – места сопряжения зон глубинных разломов на границах крупных блоков земной коры, которые рассматриваются как дискретные каналы, наиболее благоприятные для миграции больших масс флюидов и переноса эндогенной энергии, в т.ч. тепла, в верхние геосферы.
3) Существование в осадочных бассейнах узлов нефтегазонакопления, а в их кристаллическом основании разуплотненных зон, надежно перекрытых плотными породами-покрышками.
Сторонники неорганического синтеза для объяснения нефтегазообразования привлекают как эндогенный генезис углеводородных флюидов, так и метасоматический [45]. В 2000 г. появились публикации снова привлекающие космос для образования УВ нефти /Ю.Р.Каграманов, А.Г.Егикян, 2000/ [60].
Вопрос о происхождении нефти до настоящего времени остается открытым – дискуссионным. В последние годы появляются теории, пытающиеся связать воедино органическую и неорганическую гипотезы, например, осадочно-неорганическая теория И.И.Чебаненко, В.П.Клочко и др. [64].
4. Состав и строение нефтегазовмещающих толщ – коллекторы и покрышки – нефтегазоносные комплексы
4.1. Коллекторы – породные комплексы, вмещающие нефть и газ
Различаются коллекторы и ловушки (как резервуары), в которых могут скапливаться или уже скопились нефть и (или) газ.Породы-коллекторыограничены непроницаемыми породами, флюидоупорами, именуемыми покрышкой, таким образом, возникает ловушка, в которой и аккумулируются названные флюиды. Чтобы не происходила их утечка, контакт пористых пород-коллекторов и непроницаемой покрышки должен быть изогнут и обращен выпуклой стороной вверх. Такой благоприятный для аккумуляции нефти и газа участок структуры (container) называют ловушкой (trap), а часть ловушки, содержащую нефть и газ – резервуаром (reservoir). Резервуары могут быть образованы разными породами, иметь различную форму, размеры и происхождение [55].
По И.О.Броду и Н.А.Ероменко, наоборот, ловушка является частью резервуара. Последний же представляет собой вместилище для флюидов, образованное породой-коллектором, ограниченной слабопроницаемыми породами [17, 18].
Любой отдельно взятый резервуар неповторим в деталях, однако могут быть подмечены и общие черты сходства, характеризующие особенности резервуаров [55]:
1. Порода-коллектор – вмещающий материал, характеризуется составом и структурой, непрерывностью или прерывностью его распространения в плане. Границы распространения коллектора могут совпадать в плане с контурами нефтяной залежи …; в других случаях порода-коллектор, хотя и развита на обширной площади, может быть природным резервуаром только на отдельных благоприятных участках.
2. Поровое (пустотное) пространство – коллекторское пространство, которое обычно выражается в количественном отношении посредством дроби или в виде процентной величины от общего объема породы (например, 0,23 или 23%) и называется её пористостью. Под эффективным поровым пространством подразумевается та часть породы-колектора, которая доступна для миграции и аккумуляции нефти и обеспечивает сохранность последней. Степень свободы перемещения флюидов через соединяющиеся между собой поры породы называется её проницаемостью. Пористость и проницаемость – свойства породы, зависящие от наличия в ней порового пространства, определяют способность коллектора удерживать и отдавать нефть.
3. Флюиды (нефть, вода, газ) в эффективном поровом пространстве коллектора могут находиться в состоянии статического или динамического равновесия, обусловленного эрозией, осадконакоплением, деформацией пород, или в связи какими-то другими факторами, изменяющими давление, температуру, плотность, объем и химические свойства флюидов. Эти изменения заставляют флюиды перемещаться.
4. Ловушка, обусловливающая удержание нефти и газа в залежи. Ловушка – форма, которую принимает та или иная часть коллектора, благодаря чему создаются условия для формирования залежи УВ.
Природные резервуары - природное тело определенной формы, во всем объеме которого происходят циркуляция флюидов и их дифференциация с выделением скоплений нефти /газа в определенных местах – ловушках [55].
Под пластовыми резервуарами понимаются тела в слоистой толще, контролируемые различными антиклиналями, протяженность которых по латерали намного больше их мощности. Протяженность таких тел - десятки километров, а мощность (толщина) – первые или десятки метров. В кровле и подошве они ограничены плохопроницаемыми породами. Гидродинамический потенциал таких резервуаров очень велик; отбор флюидов в нескольких локаль-ных участках слабо сказывается на его общих энергетических ресурсах (достаточно быстро восстанавливаются пластовые давления и др.). Основная циркуляция флюидов происходит вдоль пласта.
Под массивными природными резервуарами понимаются такие тела (рифовые массивы, своды крупных складок, горстовые блоки и др.), размер которых (от десятков метров до десятков километров) по разным направлениям примерно сопоставим. Циркуляция флюидов происходит по горизонтали, вертикали и в других направлениях. Основное значение имеет перекрытие непроницаемыми или плохопроницаемыми породами сверху.
Резервуары, литологически ограниченные со всех сторон, образуют наиболее крупную группу природных резервуаров – это песчаные линзы в глинистых толщах, участки повышенной трещиноватости или кавернозности в массивах осадочных или изверженных пород, погребенные речные долины, выполненные песчано-алевритовыми аллювиальными осадками, песчаные валы (бары), косы, пляжи, дюны и другое.
Пустоты – первичные и вторичные – характерны для всех видов (типов) пород; подразделяются по размерам и видам [29].:
- субкапиллярные с сечением пор менее 0,002-0,001 мм,
- капиллярные с сечением пор от 0,002-0,001 до 0,1 мм,
- сверхкапиллярные - крупнее 0,1 мм.
По видам пустоты различаются более условно: поры – каверны – биопустоты – трещины (табл. 8).
Поры – пустоты в обломочных породах между зернами (гранулами) – пористость межзерновая (межгранулярная); коллектор - поровый, межзерновой (межгранулярный).
Каверны – пустоты, возникающие в результате растворения цемента, выщелачивания каких-либо минералов; особенно характерны для карбонатных пород. Размеры каверн различны.
Биопустоты – внутриформенные (пустоты в раковинах – камеры аммонитов, фораминифер, коралловые скелеты и др.) и межформенные (пустоты между раковинами в известняках-ракушняках).
Трещины – разрыв сплошности пород - литогенетические и тектонические; подразделяются по протяженности и раскрытию: менее 0,1 мм – микротрещины, более 0,1 мм – макротрещины.
Таблица 8. Классификация пустот [29]
| Типы коллекторов | Межгранулярные (поровые) | Трещинные | Каверновые | Биопустотные | ||
| Пустоты | Порово-трещинные | Трещинно-каверновые | Внутрискелетные и межскелетные | |||
| поры | трещины | каверны | ||||
| Породы | О б л о м о ч н ы е | |||||
| К а р б о н а т н ы е | ||||||
| и з в е р ж е н н ы е | кремнистые | |||||
| г л и н и с т ы е м е т а м о р ф и ч е с к и е | ||||||
Любая порода, которая содержит сообщающиеся поры, может стать коллектором. Большинство резервуаров приурочено к неметаморфизованным осадочным породам, в основном к песчаникам, известнякам и доломитам. Глинистые породы, сланцы и изверженные породы становятся коллекторами только в исключительных геологических условиях.
Классификация коллекторов нефти и газа, предназначенная для практического использования, должна быть максимально простой и обобщенной; породы-коллекторы подразделяются на три группы:
- обломочные (кластические);
- хемогенные и биохемогенные (осажденные);
- смещанного происхождения.
Среди обломочных пород наиболее распространенными коллекторами УВ являются конгломераты, гравелиты, песчаники (аркозы, граувакки), алевролиты – около половины всех известных пород-коллекторов. Большая часть обломочных коллекторов имеет кремнистый состав, но известно также много карбонатных обломочных пород – оолитовые карбонаты и ракушняки, слабо сцементированные или перекристаллизованные. Глинистые коллекторы имеют подчиненное значение [55].