Происхождение нефти и природного горючего газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Происхождение нефти и природного горючего газа

Сущность и практическое значение проблемы происхождения нефти и газа

Гипотезы неорганического происхождения нефти

Развитие теории органического происхождения нефти и газа

Основные положения и факты органической теории происхождения нефти и газа

Современные представления об образовании нефти и газа

Литература

ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ И ПРИРОДНОГО ГОРЮЧЕГО ГАЗА

СУЩНОСТЬ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА

Нефть и её производные используются людьми в течение многих тысяч лет, а представления о происхождении нефти развиваются два тысячелетия, беря начало от умозрительных версий античных ученых Витрувия и Страбона. В первой половине 18 века появилась гипотеза об органическом происхождении нефти. Впервые её высказал М.В. Ломоносов в работе «О слоях земных» (1733), а затем - немецкий ученый И. Генкель и французский ученый Б. де Молье. М.В. Ломоносов за исходное вещество нефти принимал каменный уголь, а И. Генкель и Б. де Молье - погребённые остатки растений и животных. В начале XIX века немецкий ученый А. Гумбольт предложил первую гипотезу о глубинном неорганическом происхождении нефти. Таким образом, к концу XIX века чётко сформировалось два подхода к решению данной проблемы: органический и неорганический, которые уже тогда имели различные варианты.

Интенсивное развитие нефтяной промышленности в первой половине ХХ века показало, что проблема происхождения нефти имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Знание геологических и геохимических условий образования нефти и газа необходимо для определения перспективно нефтегазоносных территорий и комплексов пород. Оно также необходимо для оценки ресурсов нефти и газа на Земле и обоснования методологии и методики поисков месторождений углеводородного сырья.

Сложность проблемы происхождения нефти и газа связана и с их специфическим свойством - способностью мигрировать в земной коре вместе с пластовыми водами. О месте рождения нефти и газа можно судить только по косвенным признакам. На этом основании А.А. Бакиров и его последователи совершенно справедливо называют выявленные месторождения УВ местоскоплениями. Подводя итоги разработки проблемы происхождения нефти и газа Ю.И. Пиковский отметил, что весь ХХ век геологи вели интенсивные исследования в этой области, но в конце нашего столетия, как и на его пороге, существуют две различные концепции - органическая и неорганическая. При этом сторонники этих концепций убеждены в том, что проблема решена однозначно.

ГИПОТЕЗЫ НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ

Возможность образования УВ путём минерального синтеза доказал впервые французский химик М. Бертело. В 1860 году он синтезировал ацетилен (С2Н2) путём реакций щелочных металлов с углекислотой и водой. Лабораторные исследования в этом направлении проводили в это же время А. Биассон (1866) и С. Клоэ (1878).

В 1877 году Д.И. Менделеев предложил «карбидную гипотезу», которая стала широко известной. По его мнению, вода проникает глубоко в недра по разломами вступает в реакцию с карбидом железа. При этом образуются предельные и непредельные углеводороды по схеме:

2FeC + 3H2O = Fe2O3 + C2H6,

которые также по разломам поднимаются в породы-коллекторы. Свои предположения Д.И. Менделеев обосновал лабораторными исследованиями. При взаимодействии карбидов металлов с водой в опытах наблюдалось образование жидких углеводородов.

В 1889 году В.Д. Соколов разработал космический вариант неорганической гипотезы. На основании установленного им факта присутствия УВ в метеоритах и хвостах комет В.Д. Соколов предположил возможность их поглощения магмой во время образования Земли, а впоследствии, при её охлаждении, УВ по зонам разломов проникли в стратисферу. Таким образом, нефть по этой гипотезе является продуктом превращения первичных УВ космоса, попавших на Землю вместе с другой космической материей.

Ю. Кост и Э. Штеберг предложили вулканический вариант гипотезы образования нефти, по которому УВ образуются в магме и затем поднимаются по разломам в верхние горизонты земной коры. В 30-х годах ХХ века эти гипотезы подверглись значительной критике со стороны академика И.М. Губкина - основоположника теории органического происхождения нефти. Однако он допускал, что «небольшие, не имеющие практического значения скопления нефти могли иметь и неорганическое происхождение, возникая в результате небольших выделений её из магмы».

В середине ХХ века были получены убедительные геологические и геохимические доказательства органического происхождения нефти, которые хорошо объясняли формирование подавляющего большинства нефтяных месторождений Земли. Однако, к этому же времени были получены данные о достаточно широком присутствии в оболочках ряда планет и в газовых облаках межзвёздной среды различных углеродистых соединений, в том числе и углеводородов, а также данные о наличии в метеоритах аминокислот, УВ, порфиринов и других органических соединений. На этом основании в России и за рубежом вновь стали развиваться варианты гипотез космического (Н.А. Кудрявцев, В.Б. Порфирьев, Ф. Хойль) и магматического (П.Н. Кропоткин) синтеза УВ.

В.Б. Порфирьев (1967) предположил, что нефть, находящаяся в подкоровых зонах образовалась одновременно с другими минеральными веществами, вошедшими в состав Земли. Из подкоровых зон она поступает по глубинным разломам в осадочную оболочку Земли (стратисферу) и при наличии ловушек образует залежи.

Н.А. Кудрявцев (1973) также связал формирование залежей нефти и газа с разломами, а образование УВ видел как результат взаимодействия радикалов СН (метина), СН2 (метилена), СН3 (метила), которые выделяются из мантии Земли в определённой последовательности, в зависимости от термобарических условий. В верхних зонах литосферы, где температура понижается, начинает выделяться уже метан. Углеводородные радикалы легко вступают в реакции полимеризации и образуют различные углеводороды в верхних частях земной коры. По его предположению Земля образовалась из космического пылевого облака, которое содержало УВ. Под действием температур в несколько тысяч градусов в глубинных зонах Земли они распались на УВ радикалы и водород.

П.Н. Кропоткин (1985) считал, что УВ поступают в осадочную оболочку в результате дегазации мантии. Часть земной коры, лежащая ниже зоны гипергенеза (оксисферы) совместно с верхней мантией до глубины 150 км, называемая редуктосферой, характеризуется восстановительными условиями и содержит много водорода, метана и других УВ, а также паров воды, окиси углерода, сероводорода, азота и гелия. Дегазация мантии путем прорыва этих газов по разломам в стратисферу является по П.Н. Кропоткину причиной образования скоплений газа, газоконденсата и нефти.

На большие масштабы выделения глубинных ювенильных газов - азота, метана и гелия обратил внимание ещё В.И. Вернадский, образно назвав этот процесс «дыханием Земли». На этом основании американский исследователь Т. Голд выдвинул идею, связывающую метановую дегазацию мантии и земной коры с сейсмической активностью Земли. Землетрясения возбуждают дегазацию и создают пути миграции для газов. По его предположению на глубинах до 15 км осадочные и кристаллические породы содержат УВ и, прежде всего, метан мантийного происождения в таком количестве, что их достаточно для обеспечения населения Земли в течение тысячелетий.

Представления о неорганическом синтезе УВ развивали во второй половине ХХ века многие ученые России и Украины: Г.Е. Бойко, К.Н. Волоссович, И.В. Гринберг, Г.Н. Доленко, Л.Н. Капченко, В.В. Колодий, А.И. Кравцов, В.Ф. Линецкий, И.А. Петерсилье, Ю.Ф. Степаник, Э.Б. Чекалюк и другие. При этом были получены лабораторные данные о том, что метан может полимеризоваться в тяжелые УВ при каталитическом воздействии силикатов, окислов железа и никеля, которые содержатся в горных породах. Эти же данные показали, что синтез УВ возможен из оксида и диоксида углерода и водорода в различных условиях в присутствии пород катализаторов по следующим реакциям:

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О,

СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О,

2СО2 + 3Н2О + FeО = С2Н6 + 7Fе2О3.

Бурение глубоких и сверхглубоких скважин, в частности Тюменской дают основание предполагать глубинные эманации (истечения) метана в осадочный чехол (Т.В. Белоконь,1998).

Основные факты, подтверждающие возможность неорганического синтеза УВ по мнению сторонников этой концепции следующие (по Н.С. Бескровному):

1. Наличие органических соединений, в том числе УВ и оптически активных веществ в космической материи.

2. Результаты термодинамических исследований, указывающие на возможность существования метана в условиях мантии Земли при температурах до 1300-1500С и низкой летучести кислорода.

3. Наличие углеродистых соединений, а также водорода, оксида углерода, спиртов, метана и некоторых, более сложных УВ в продуктах магматизма мантийного происхождения, продуктах дифференциации и горячей дегазации мантии, а также в гидротермальных системах современного и древнего вулканизма.

4. Существование углеводородной дегазации вещества мантии, проявляющейся в «холодных» немагматических условиях, например водородная и метаново-водородная дегазация в сквозных проницаемых зонах типа сейсмоактивного глубинного сбросо-сдвига Сан-Андреас в Калифорнии.

5. Наличие запасов и ресурсов нефти и газа в осадочно-породных бассейнах, имеющих генетическую связь с грабенами, глубинными разломами и глубокопогруженными краями литосферных плит, которые ограничены сейсмоактивными геодинамическими поясами.

6. Существование парагенезиса эндогенной средне- и низкотемпературной рудной минерализации (полиметаллов, ртути, урана и других) с непромышленными проявлениями УВ на складчатой периферии бассейнов, а также повышенное содержание металлов в скоплениях нефти, залегающих внутри осадочных бассейнов.

7. Распространение нефти и газа по разрезу нефтегазоносных регионов до фундамента включительно (закономерность Н.А. Кудрявцева).

8. Молодой неогеново-четвертичный возраст залежей природного газа и преимущественно кайнозойский возраст залежей нефти древних платформ, не согласующийся с возрастом вмещающих пород и другие.

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА

По существу, основные положения теории биоорганического происхождения нефти предсказал М.В. Ломоносов (1733) в своей гипотезе образования нефти из ОВ при воздействии на него высокой температуры и последующей миграции и аккумуляции нефти в пористой среде. Только за источник нефтеобразования было принято не рассеянное, а концентрированное ОВ - ископаемые угли. Однако позже было установлено, что угленосные толщи генерируют горючие газы, а в некоторых случаях они могут выполнять роль и нефтематеринских пород. Близких взглядов на происхождение нефти придерживались в то время Ж. Бюффон, Дж. Геттон, а в ХIХ веке - Ч. Лайель, Г. Абих и Д. Ньюбери.

Отдельные аспекты современной теории биоорганического происхождения нефти и газа были разработаны трудами учёных в конце XIX - начале ХХ столетия.

Среди отечественных учёных того времени выделяются работы Н.И. Андрусова, А.Д. Архангельского, В.И. Вернадского, И.М. Губкина, Н.Д. Зелинского, К.П. Калицкого, Г.П. Михайловского, а среди зарубежных учёных - работы Э. Блюмера, Ф. Ван-Тайла, Г. Гефера, П. Мразека, Г. Потонье, П. Траска, Д. Ханта, К. Энглера, Д. Уайта и других.

В середине XIX века произошло зарождение геохимии нефти и газа. Исследования английского химика Ч. Гатчетта показали сходство элементного состава природных битумов и растительных масел, смол и животных жиров, а также - уменьшение содержание водорода в ряду природных битумов от жидких к твёрдым.

В 1863 году американский исследователь Винчел ввёл в научную литературу понятие о нефтематеринских свитах осадочных пород как месте рождения нефти. Позже оно стало одним из ключевых в биоорганической теории образования нефти и газа.

С момента появления органической концепции до 30-х годов ХХ века её представители активно искали исходное нефтепроизводящее или нефтематеринское ОВ: М.В. Ломоносов принимал за него уголь, К. Энглер и Г. Гефер - останки рыб, рептилий и прочего ОВ, Г. Потонье, затем Г.Л. Стадников - сапропелиты, Г.П. Михайловский - рассеянное органическое вещество, К.П. Калицкий - морские водоросли зоостера в местах их обильного развития. Важными положениями для развития представлений о происхождении нефти, а также о механизме формирования её скоплений были предположения М.В. Ломоносова и Г. Абиха о вторичной природе нефти в залежах, а также выводы Г. Абиха о приуроченности скоплений нефти и газа Апшеронского полуострова к антиклиналям. Таким образом, параллельно с вопросом о происхождении нефти формировались представления её миграции от мест генерации к областям аккумуляции (накопления), то есть формирования скоплений нефти. Вопросу миграции УВ уделил внимание и Д.И. Менделеев в своей карбидной гипотезе.

Ближе всех к решению проблемы нефтегазообразования подошёл в начале ХХ века Г.П. Михайловский. В 1906 году он сформулировал основные научные положения гипотезы органического происхождения нефти. По его предположениям исходным веществом для её образования является рассеянное ОВ смешанного растительного и животного происхождения, захоронённое в глинистых морских осадках. В процессе погружения осадков ОВ битуминизируется, сначала под действием микроорганизмов, а затем - повышенной температуры и давления и образуется нефть. Складкообразующие процессы способствует перемещению УВ из глинистых отложений в песчаные породы-коллекторы.

Интенсивно развивалось в первые десятилетия ХХ века учение о нефтематеринских или нефтепроизводящих свитах. Этой проблеме были посвящены в 30-х годах работы Н.И. Андрусова, А.Д. Архангельского, И.М. Губкина, Г.П. Михайловского в России; Ф. Траска и П. Патнода в США. Всё большее признание получала в это время сапропелевая гипотеза нефтегазообразования, основанная на представлениях Г. Потонье. При этом допускалось, что нефтематеринскими породами могут быть породы, обогащённые рассеянным ОВ, преимущественно сапропелевого типа.

Большое значение для развития органической гипотезы имели предположения Д. Уайта (1915) о зависимости нефтегазообразования от степени метаморфизма осадочных пород. Степень их метаморфизма он определял по углеродному коэффициенту (процентному содержанию углерода) ископаемых углей. Таким образом, была предсказана смена состава и фазового состояния УВ с глубиной. Важную роль в формировании теории биоорганического происхождения УВ сыграли труды В.И. Вернадского - основоположника геохимии и в том числе основ биогеохимии нефти. В 1934 году он разработал геохимическую систему взаимодействия углерода с живым веществом биосферы, назвав её жизненным циклом углерода.

Биоорганическая концепция, как стройная теория нефтегазообразования, была сформулирована И.М. Губкиным в его работе «Учение о нефти» (1932), где он критически рассмотрел различные гипотезы и все, имеющиеся к тому времени факты. И.М. Губкин показал, что процесс нефте- и газообразования развивается периодично, стадийно, длительно и непрерывно, имеет региональный характер и прямо связан с тектогенезом и литогенезом Земли.

В 1948 году появилась работа В.А. Соколова «Очерки генезиса нефти», где впервые были обобщены и проанализированы все имеющиеся к тому времени данные по геохимии ОВ пород, и был обосновано показан процесс образования нефти и газа в осадочных породах. Развивая идею Д. Уайта, В.А. Соколов впервые привёл схему вертикальной зональности нефтегазообразвания и нефтегазонакопления. В разрезе осадочного чехла Земли он выделил несколько геохимических зон, в которых интенсивность и направленность процессов образования УВ сильно меняется, в зависимости от изменения геохимических и термобарических условий. В более поздних работах В.А. Соколова и его многочисленных последователей в России и за рубежом схема вертикальной зональности нефтегазообразования уточнялась, совершенствовалась, а затем добавилась положениями о главных фазах и зонах нефте- и газообразования. В результате она стала одним из важнейших положений современной теории органического происхождения нефти и газа.

Исследования российских и зарубежных учёных второй половины ХХ века А.А. Ализаде, А.А. Бакирова, Н.Б. Вассоевича, Д. Вельте, А. Леворсена, В. Линка, М.Ф. Мирчинка, С.Г. Неручева, А.Н. Резникова, Б.А. Соколова, Б. Тиссо, А.А. Трофимука, В.А. Успенской, Дж. Ханта и многих других были направлены на изучение геологических и геохимических условий образования нефте- и газопроизводящих пород, физико-химических процессов преобразования ОВ в углеводороды, миграции УВ в коллекторы и дальнейшей их миграции и аккумуляции. Изучались также геологические условия размещения скоплений нефти, газа и конденсата в земной коре, выявлялась роль флюидодинамики в формировании скоплений нефти и газа и в формировании их состава, классифицировались осадочно-породные бассейны по особенностям их развития и формирования потенциальной нефтегазоносности. Решались также и другие вопросы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ФАКТЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА

нефть газ происхождение органический

В основе современной теории органического или осадочно-миграционного происхождения нефти и газа лежат научные данные о синтезе УВ из биогенного ОВ. Этот процесс рассматривается как стадийный и сводится к следующим основным положениям.

1. Накопление первичного ОВ в водной среде с застойным гидрологическим режимом в анаэробных геохимических условиях на фоне относительно устойчивого и длительного погружения бассейна седиментации. В основном это остатки фито- и зоопланктона, бентоса, а также остатки растительности, вынесенные с континентов в акватории.

2. Биохимическая трансформация ОВ, заключенного в осадке. Органическое вещество преобразуется в восстановительных геохимических условиях на диагенетической стадии литогенеза и образует большое количество газа, в основном диоксида углерода, метана и азота. Часть промежуточных продуктов разложения ОВ синтезируется в новые органические вещества: битумоиды, фульвовые, гуминовые и сапропелевые кислоты, которые отсутствуют в составе живых организмов. В конце протокатагенеза (ПК3) высокомолекулярные органические кислоты переходят в нерастворимую форму ОВ - кероген. В небольшом количестве образуются тяжёлые УВ. Таким образом, формируются нефтегазоматеринские породы. Обычно - это глинистые и карбонатные отложения, содержащие от 0,1-0,5 до 5 % и более преобразованного ОВ.

3. Термокаталитическое преобразование ОВ нефтегазоматеринских пород на катагенетической стадии литогенеза при температурах от 60 до 170-180С, в результате которого образуются нефть и горючие газы, а затем, в более жестких термобарических условиях при температурах от 180-200 до 250С, образуются только газы.

4. Эмиграция УВ из нефтегазопроизводящих пород в природные резервуары, которые состоят из пород различного состава, обладающих повышенными ёмкостно-фильтрационными свойствами, и экранированы породами-флюидоупорами.

5. Миграция нефти и газа в природных резервуарах в различных формах (свободной, водорастворённой, газоконденсатной) до ловушек, которыми являются части природных резервуаров, где движение флюидов сильно затруднено или невозможно.

6. Аккумуляция (накопление) УВ в ловушках и образование их залежей.

7. Переформирование и разрушение залежей УВ. Эти процессы происходят в результате различных изменений условий залегания нефти и газа: тектонических, термобарических, геохимических и гидрогеологических. При разрушении залежей УВ элементарный цикл нефтегазообразования и нефтегазонакопления в данном конкретном регионе завершается.

Геологические условия среды, а также внешние и внутренние источники энергии, действующие на отдельных стадиях преобразования и движения ОВ и УВ, приведены в таблице ниже.

Основные геологические и геохимические факты, подтверждающие органическую теорию нефтегазообразования:

- приуроченность подавляющего количества выявленных скоплений УВ к осадочным породам;

- наличие залежей УВ в линзах песчаников, обособленных значительными толщами непроницаемых глин.

- образование нефтяных УВ в илах современных морей и озёр;

- всеобщее проявление вертикальной фазово-генетической зональности УВ в разрезе осадочного чехла;

- генетическая связь между УВ нефтей и рассеянным ОВ нефтематеринских пород, которая проявляется: а) наличием в составе нефтей хемофоссилий; б) сходством изотопного состава углерода и серы, содержащихся в нефтях и рассеянного ОВ нефтематеринских пород; в) оптической активностью нефтей.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ОБРАЗОВАНИИ НЕФТИ И ГАЗА

В последнее время сторонники противоположных по смыслу концепций образования нефти и газа стали относиться терпимее к своим оппонентам. Некоторые представители органической и неорганической концепций допускают возможность образования небольшого количества нефти и газа иным путем. Такую возможность допускал еще И.М. Губкин. Имеются и универсальные (полигенные) схемы нефтегазообразования, которые пытаются объединить органическую теорию и неорганические гипотезы. Так Ш.Ф. Мехтиев связал процессы нефтеобразования с очагами глубинного заложения и зонами глубинных разломов. 

По его представлениям исходными компонентами для образования нефти служат одновременно мантийное вещество в виде газопаровой смеси и рассеянное ОВ осадочных пород. Газопаровая смесь, поднимаясь по зонам глубинных разломов, ассимилирует рассеянное ОВ и образует большое количество «первичной нефти», которая концентрируется в осадочных породах. А.В. Кудельский и К.И. Лукашев, признают основным источником «первичной нефти» рассеянное ОВ, но допускают возможность участия в её образовании летучих смесей глубинного происхождения, содержащих углерод, водород и другие элементы и соединения, которые присущи нефти.

Новые идеи появились и в рамках органической теории нефтегазообразования. О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков, К.А. Клещев, В.П. Гаврилов, Х. Хедберг, Д. Вильсон связали образование нефти с тектоникой литосферных плит. По их мнению, генерация УВ происходит в зонах субдукции, обдукции и рифтов. Осадочные породы, затянутые в эти зоны подвергаются активному температурному и динамическому воздействию. При этом ОВ пород находится в течение короткого времени - 1-2 млн. лет под воздействием высоких температур, порядка 100-400С и высоких давлений. В результате происходит его термолиз и возгонка.

Теория тектоники литосферных плит, по мнению О.Г. Сорохтина (1979) и представлению В.П. Гаврилова (1998) определяет также возможность принципиально нового механизма миграции УВ из зон субдукций, коллизий и обдукций. Кроме того, образовавшиеся горячие флюиды снижают капиллярное взаимодействие нефти со стенками пор и создают хорошие условия для эмиграции нефти из нефтематеринских комплексов. Миграция УВ из поднадвиговых структур приводит к значительному увеличению ресурсов нефти и газа в краевых зонах платформ.

На этих же основаниях В.П. Гаврилов отмечает, что новое представление об образовании УВ, которое он назвал «геодинамической моделью нефтегазообразования в литосфере» (1979, 1986) создает предпосылки для создания новых поисковых критериев и определения новых объектов для поиска нефти и газа.

Интересную идею о механизме генерации УВ высказали Н.В. Черский, В.П. Царев, С.В. Николаев (1979), Ю.А. Пецюха (1984), Н.Н. Соловьев и др. (1985;1986). Они связали реализацию нефтегазового потенциала осадочных пород с их динамометаморфизмом или тектонодинамическим возбуждением системы порода - рассеянное ОВ - флюид (вода, природный газ, жидкий битумоид), которое возникает при любых тектонических деформациях (упругих, пластических, разрывных) в напряженных зонах осадочно-породных бассейнов. Этому способствуют и периодические сейсмические вибрации. Например, в 1957 году, во время одного из крупнейших максимумов солнечной активности, в центральной и восточной частях Северного Кавказа произошло 271 землетрясение. При тектонодинамическом возбуждении механическая энергия преобразуется в тепловую и электрическую, что вызывает дилатацию (разуплотнение) породы и активизацию термокаталитических преобразований рассеянного ОВ. В свою очередь генерация УВ также вызывает выделение тепла и напряжение в породе, поскольку с генерацией нефти и газа связано увеличение межмолекулярных расстояний в подсистеме рассеянное ОВ - флюид.

Таким образом тектонодинамический эффект сравним с воздействием на нефтематеринские породы высоких температур. Однако он не зависит от глубинного теплового потока и может проявляться в верхних низкотемпературных горизонтах осадочного чехла. Значение динамокатагенетического фактора при преобразовании рассеянного ОВ оценено количественно А.Н. Резниковым. Его исследования показали, что значение этого фактора сравнимо с ролью геотермического режима недр.

Новые идеи в рамках биоорганической теории во многом связаны с изучением термодинамических аспектов генерации УВ. По мнению ряда ученых, образование тепловых аномалий в стратисфере может быть связано с движением нагретых флюидов из глубинных зон Земли, экзотермическим течением реакций образования углеводородов из рассеянного ОВ и другими процессами.

В последнее время в России довольно активно развивается флюидодинамическая модель нефтегазоносности Земли. Вначале она была сформулирована Б.А. Соколовым в рамках органической теории происхождения УВ. Согласно этой модели, их образование и формирование месторождений нефти и газа контролируется двумя противоположно направленными процессами: литогенезом и флюидогенезом (Б.А. Соколов). Литогенез заключается в закономерном изменении физических и химических свойств минералов, ОВ, флюидов и пустотного пространства осадков-пород при их погружении. Вначале они испытывают воздействие микроорганизмов, а затем повышающейся температуры и давления. В зоне катагенеза начинается дефлюидизация пород, которая заключается в потере ими летучих веществ: воды, газов и УВ. При этом из 1 м3 глин освобождается до 350 л воды, и образуются жидкие и газовые УВ. Эти компоненты объединяются понятиями «углеводородных растворов» или «флюидов» низкотемпературной литогенетической стадии образования УВ. На больших глубинах углеводородные растворы сильно разогреваются, создают аномально высокие пластовые давления и начинают прорываться в вышележащие части разреза. За счёт конвективного механизма движения этих энергоемких растворов осадочные толщи дополнительно прогреваются, что в свою очередь усиливает процесс их дефлюидизации и соответственно - процесс реализации нефтегазового потенциала. Углеводородные потоки при вертикальной миграции пересекают на разных стратиграфических уровнях породы-коллекторы и насыщают их нефтью и газом, поэтому на всех уровнях стратисферы скопления УВ имеют связь с различными очагами нефтегазообразования (нефтегазогенерирующими породами). По статистическим данным, 90 % всех выявленных запасов УВ сосредоточено в глубинном интервале от 1 до 3 км, а очаги генерации располагаются на глубинах от 2 до 10 и более км.

Таким образом, глубинные флюиды являются интенсивными тепломассоносителями и движущей силой второй, флюидодинамической, стадии образования УВ и формирования их залежей. В целом же, данная модель представляет процесс формирования залежей как целостный и универсальный литофлюидальный процесс, который закономерно сопровождает развитие осадочно-породных бассейнов (ОПБ). Он разделяется на две стадии или фазы: литогенетическую, связанную со сравнительно медленным погружением и катагенезом минералов и ОВ осадочных пород и флюидодинамическую стадию, которая связана с мощным и энергичным прорывом углеводородных растворов вверх по разрезу. Вторая стадия приводит к быстрому формированию залежей УВ. Изложенное показывает, что для реализации данной модели необходимо наличие в осадочном чехле большого количества вертикальных ослабленных зон и расслоенности стратисферы на проницаемые и непроницаемые горизонты. Значительная расслоенность разреза литосферы на чередующиеся зоны уплотнения и разуплотнения была выявлена геолого-геофизическими исследованиями, а широкое присутствие в земной коре активизированных разломов было обнаружено аэрокосмогеологическими исследованиями в последней четверти ХХ века. Они же показали, что все крупные месторождения УВ связаны с узлами пересечения различно ориентированных разломов и высокоградиентными зонами новейших тектонических движений. Связь месторождений с разломами земной коры выявил и В.П. Гаврилов (1975).

Новейшая тектоника и современные короткопериодические колебательные движения блоков земной коры, способствуют развитию пород-коллекторов, активизации процессов миграции флюидов, создают пути этой миграции, а также - условия для проявления геоиндикаторами глубокопогруженных потенциально нефтегазоносных тектонических элементов на земной поверхности (В.В. Доценко, З.Х. Моллаев, Н. И. Ковалев, Ю.А. Стерленко, З.Х. Моллаев). Короткопериодические волновые движения, определяются космическими причинами - лунно-солнечными приливами и периодическими изменениями солнечной активности, с которыми связаны изменения ротационного режима Земли и нарушения гравитационного поля. Установлено, что они ведут к периодичности сейсмической и вулканической деятельности, а также к периодичности проявления горных ударов (М.Н. Смирнова, 1968; И.М. Петухов, И.М. Батугина, 1999); смятию и срезанию обсадных колонн в глубоких скважинах; изменению забойных давлений и дебитов нефтяных скважин; вариациям скоростей распространения сейсмических волн (В.А. Ахияров, Ф.К. Салманов, С.К. Курсин, 1990). На этом основании короткопериодические движения несомненно влияют и на процессы миграции и аккумуляции УВ.

Интенсивная вертикальная миграция флюидов и расплавов имеет и структуроформирующее значение. Во взаимодействии с тектонодинамикой она способствует образованию антиклинальных зон, проявлению диапиризма и грязевого вулканизма, а с этими процессами тесно связано образование ловушек и формирование залежей УВ. Так, например, инъекционный характер образования Терской и Сунженской антиклинальных зон Терско-Каспийского прогиба, рассмотрен с разных позиций М.И. Жемеричко (1978; 1979), Н.В. Короновским и др. (1987), Б.А. Соколовым и Н.Ш. Яндарбиевым (1999), В.В. Доценко (2000). С этими антиклинальными зонами связаны значительные зоны нефтегазонакопления Северного Кавказа. На их примере М.В. Багдасарова разработала вариант модели формирования месторождений нефти и газа, связанный с напряженным флюидодинамическим режимом.

Флюидодинамическая модель формирования скоплений нефти и газа, с некоторыми дополнениями, активно используется, как сторонниками неорганической концепции, так и сторонниками полигенной концепции происхождения нефти и газа. Они считают, что энергоёмкие флюиды и расплавы, содержащие УВ, газы и металлы поступают в стратисферу по зонам глубинных разломов. При своем движении они дифференцируются, взаимодействуют с низкотемпературными флюидами и ОВ осадочных пород и формируют, при наличии ловушек, скопления газа и нефти; или же эти флюиды образуют скопления УВ самостоятельно в породах фундамента и на их контакте с осадочным чехлом. В настоящее время известно более 60 месторождений УВ в коре выветривания и во внутренней толще палеозойских пород Западной Сибири. Кроме того, на Земле открыты десятки крупных месторождений нефти в гранитных массивах.

Среди полигенных концепций выделяется модель А.А. Баренбаума (1996), которая тесно связывает образование нефти и газа с глобальным круговоротом углерода на Земле. По его предположению источником УВ являются процессы углеродной дегазации земной коры и мантии, которые захватили этот углерод ещё при образовании Земли. Запасы углерода постоянно пополняются из космоса. Небольшое количество углерода выпадает на Землю и в настоящее время, но основные его объемы периодически поступают в Солнечную систему с галактическими кометами, которые связаны со струйным истечением вещества из центра нашей Галактики. С периодами массированного поступления углерода совпадают все главные события фанерозоя (А.А. Баренбаум, Н.А. Ясаманов, 1995).

В глобальном цикле углерода выделяются две крупные ветви: нисходящая и восходящая и с каждой из них связано образование нефти и газа. На нисходящей ветви круговорота углерода УВ образуются согласно органической теории, а на восходящей ветви согласно неорганической (минеральной) гипотезе. Органический углерод, содержащийся в осадочных породах, в условиях интенсивного осадконакопления в рифтовых зонах и в зонах субдукции литосферных плит достигнув низов земной коры и верхней мантии, испытывает восстановление до метана и его ближайших гомологов, и снова включается в круговорот. Углеводородные растворы, поднимаясь к земной поверхности в составе энергоемких флюидных систем, способны вытеснять из экранированных пористых геологических структур (ловушек) воду и формировать собственные скопления.

Таким образом, в модели нефтегазообразования и нефтегазонакопления А.А. Баренбаума органическая и неорганическая концепции образуют тесно связанную систему, в основе которой лежат представления о двух стадиях (фазах) единого процесса круговорота углерода через биосферу Земли.

Близкие представления о круговороте углерода развивает В.П. Гаврилов (1998). При этом он подчёркивает, что с геодинамических позиций вопрос о происхождении нефти теряет смысл, ибо углерод, как и другие элементы, составляющие нефть, присутствовали в разное время и в космосе и в живых организмах и в мантии Земли. Однако здесь же, В.П. Гаврилов отмечает, что условия для образования нефти и газа создаются только при появлении биосферы, которая является движущей силой круговорота углерода. Следует отметить, что другим, не менее важным источником энергии круговорота углерода, является эндогенная энергия Земли.

Недавно Ю.Р. Каграманов и А.Е. Егикян (2000) предложили к обсуждению оригинальную космическую гипотезу происхождения нефти, основанную на астрофизических данных. Согласно этой гипотезе, жидкие УВ периодически поступали в диспергированном виде на Землю. Происходило это при столкновении Солнечной системы с межзвездными облаками и микроглобулами. Осаждающиеся УВ насыщали породы с высокими фильтрационно-емкостными свойствами и, прежде всего, песчаные, а также - эродированные участки карбонатных массивов и рифов. Длительное нахождение Земли в плотной среде молекулярного облака вызывало значительное снижение солнечной постоянной и приводило к процессу оледенения на Земле с последующим уменьшением водного бассейна и увеличением поверхности континентов и островов, кора выветривания которых поглощала УВ. Закономерная связь распределения скоплений битумов и нефти на Земле с 19 крупными ледниковыми периодами авторами прослежена.

В современной, типично неорганической гипотезе А.А. Маракушева предполагается, что главный вклад в дегазацию Земли дает её ядро, а не продукты радиоактивного распада химических элементов, генерируемых в силикатных оболочках. Земля образовалась по его представлению в результате аккреции (гравитационного захвата) ледяного водно-водородного (кометного) вещества, а не из дегазированного железокаменного вещества космической пыли и метеоритов. Протопланетная стадия развития Земли обеспечила накопление в её жидком ядре огромной массы водорода, гелия и других флюидов, которые определили активное состояние Земли на протяжении 4,6 млрд. лет. Дегазация происходит импульсивно и определяет катастрофические рубежи в геологической истории Земли, которые фиксируются горизонтами чёрных сланцев в её осадочной оболочке. В исходящих из ядра водородных флюидных потоках происходят реакции диспропорционирования компонентов. В результате они эволюционируют с образованием воды, свободного углерода и углеводородов:

Н2 + СО = С + Н2О,

3Н2 + СО = СН4 + Н2О

и других веществ. В эти процессы вплетается миграция сероводорода и рудных металлов из жидкого ядра, которые определяют металлогеническое значение флюидных потоков и порождаемых ими магматических систем.

И.И. Чебаненко и другие (2000) развивают «осадочно-неорганическую теорию формирования нефтяных и газовых месторождений», которая основана на представлениях, что нефтяные УВ формируются в верхних частях земной коры, где глубинный водород, а не готовые нефтяные УВ, соединяется с седиментогенным углеродом. В соответствии с этим, наиболее перспективными для выявления месторождений нефти и газа являются зоны глубинных разломов, проникающие в толщу осадочных формаций.

Современные факты и аргументы гипотезы глубинного неорганического происхождения нефти изложены в работе В.С. Зубкова, В.А. Бычинского, И.К. Карпова и А.Н. Степанова (2000). Их балансовые и термодинамические расчеты развивают представления Э.Б. Чекалюка (1967) о возможности существования в верхней мантии тяжелых УВ, которые в равновесных условиях и при избытке углерода сменяются в земной коре метаном и ближайшими его гомологами. В.С. Зубков и другие предложили несколько возможных моделей прохождения нисходящих и восходящих потоков УВ через энергетический барьер, в результате которого могут сформироваться крупные газовые месторождения в зонах глубинных разломов кристаллического фундамента и осадочного чехла. В других случаях возможно накопление тяжелых и сверхтяжелых нефтей, наподобие месторождений нижнего течения р. Ориноко (Венесуэла) и бассейна р. Атабаска (Канада). Реализация различных моделей зависит от того, в какой фазе развития находятся те или иные тектонические структуры: платформы, рифты, зоны спрединга, кольцевые структуры и другие. Данные исследователи предлагают не противопоставлять представления об органическом и неорганическом происхождении нефти и газа, а выявлять критерии происхождения УВ. Это необходимо для правильного выбора методики поисков различных по генезису углеводородов, среди которых могут быть и смешанные.

Изложенное показывает, что вопрос происхождения нефти и газа остается дискуссионным и в начале ХХI века. В то же время он становится особенно актуальным, что связано с возрастающими потребностями общества в нефти и газе и ограниченностью их запасов и ресурсов. Ресурсы нефти могут быть практически исчерпаны к концу ХХI столетия. Снижение добычи нефти может начаться уже в 2020 году, а природного газа - в 2030 (Д. Эдварс, 1997). Это вызывает необходимость дальнейшего развития теоретических и прикладных направлений геологии и геохимии нефти и газа.

С моделями происхождения УВ прямо связаны представления о процессах и скоростях формирования их залежей, а также - представления о новых объектах и технологиях поисков нефти и газа. Например, А.А. Баренбаум (1999), изучив соотношение запасов и прогнозных ресурсов УВ на Земле, которые по В.П. Гаврилову (1986) составляют примерно (1-3) · 1019г со скоростью циркуляции углерода в биосфере равной 7 · 1016г/год (А.А. Баренбаум, 1996), пришел к выводу, что образование газовых месторождений в определённых геологических условиях вполне возможно за 1000 лет. Поэтому многие крупные высокопродуктивные месторождения будут, вероятно, не только «возобновляемыми», но и «неиссякаемыми» источниками УВ. О значительной скорости формирования залежей нефти, иногда сопоставимой с её потерями при добыче высказывались В.П. Гаврилов (2000), Б.А. Соколов (1995), Б.А. Соколов и А.Н. Гусева (1994), Ю.И. Коробов, Л.Д. Малюшко, В.И. Корчагин (1999), Р.Х. Муслимов и другие. С этими представлениями увязываются, появляющиеся в настоящее время сведения о молодом - кайнозойском возрасте скоплений нефти и газа в древних нефтегазоносных комплексах (Р.П. Готтих, Б.И. Писоцкий, Д.К. Нургалиев, Н.Г. Нургалиева, Ю.И. Пиковский, и др.).

Классические представления об интенсивности формирования залежей нефти и газа, основанные на органической теории говорят о другом. В.И. Ларин (1995;1998) отмечает, что процесс формирования залежей нефти и газа протекает очень длительно, от нескольких миллионов лет до нескольких десятков и более миллионов лет. Расчеты И.В. Высоцкого показывают, что продолжительность генерации жидких УВ в зависимости от толщины и скорости накопления пород «генетической зоны» колеблется от 20 до 100 млн. лет. Скорость формирования скоплений жидких УВ варьирует от нескольких сотен тысяч кубических метров до нескольких миллионов кубических метров за 1 млн. лет, то есть до нескольких первых десятков кубических метров за 1 год. Эти данные рассчитаны для бассейнов платформенных областей. В складчатых областях, где все геологические процессы протекают примерно в 4-6 раз быстрее, продолжительность генерации УВ уменьшается, а скорость генерации и формирования скоплений УВ увеличивается (В.В. Высоцкий, 1996). Таким образом, большая часть залежей нефти, заключённая в кайнозойских отложениях геосинклинальных областей формировалась на протяжении примерно 3 млн. лет со средней скоростью 25 т/год. Крупные и уникальные месторождения формировались здесь со скоростью до 700 т/год.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бакиров А.А., Мальцева А.К. Литолого-фациальный и формационный анализ при поисках и разведке скоплений нефти и газа. - М.: Недра, 1985.

2. Вебер В.В. Основные пути генезиса нефти. - М: Наука, 1989.

3. Гаврилов В.П. Происхождение нефти. - М.: Наука, 1986.

4. Геологические условия формирования и размещения зон нефтегазонакопления / А.А. Бакиров, Э.А. Бакиров, Л.П. Мстиславская и др. - М.: Недра, 1982.

5. Геология и геохимия нефти и газа / А.А. Бакиров, М.В. Бордовская, В.И. Ермолкин и др. - М.: Недра, 1993.

6. Таблица, представленная в курсовой работе - материал из учебника Доценко В.В. Геохимия газа. Происхождение нефти и газа: Учебное пособие / Под ред. А.Н. Резникова. - Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 2001. - 39 с.

Размещено на Allbest.ru