Учение о нефти

По Т. Л. Гинзбург-Карагичевой, широкая распространенность микроспиры в нефтяных водах и породах из эксплуатирующихся скважин дает основание считать, что слабая сульфатность этих

по ее мнению, протекают все наиболее яркие и характерные при круговороте живого вещества биохимические процессы, дающие в итоге ряд конечных продуктов, находящихся обычно в недрах нефтяных месторождений. Эти результаты дают основание пред­ полагать, что наблюдаемые в лаборатории биохимические про­ цессы являются отображением процессов, происходящих в гран­ диозных размерах в прежние геологические эпохи в великой ла­ боратории природы, где образовывалась нефть.

Эти данные настолько интересны, что представляется необхо­ димым горячо пожелать, чтобы микробиология помогла и химии,

игеологии до конца разрешить проблему происхождения нефти

ивсех сопутствующих ей продуктов.

Ведь результаты работ Т. Л. Гинзбург-Карагичевой делают совершенно излишней необходимость оживления карбидной тео­ рии, даже если признать, что «первичная нефть» Г. Л. Стадникова является не мифом, а фактом, существующим в природе.

Микроспира, выделенная Т. Л. Гинзбург-Карагичевой, найдена в некоторых случаях на глубине около 1000 м (месторожде­ ние Кала), где давление пород — около 270 am; полезно вспом­ нить, что жизнь дрожжей сохранилась даже при 8000 am, а да­ вление в 3000 am не оказывало никакого неблагоприятного влия­ ния на дрожжевые и плесневые грибы. Упоминание о нефтяных бациллах находим и у Эммонса, который говорит, что серная бацилла (В. Sulfhurens) и нефтяная бацилла (В. Micrococcus petroli)

живут совместно, являясь анаэробными. Упомянем еще, что энзимы (выделения) анаэробных бактерий могут действовать как катализатор и являться одной из причин дальнейших реакций после погребения осадков. Изложенные факты говорят в пользу того предположения, что деятельность анаэробных бактерий не прекращается и после погребения органического материала и даже тогда, когда получилась настоящая природная нефть [бб]. Процесс образования нефти есть непрерывный процесс. Изме­ нение нефти, по-видимому, не заканчивается в сформированном нефтяном месторождении.

Обращаясь к воззрениям на роль бактерий в образовании нефти, мы видим, что вопрос этот не представляется еще в доста­ точной мере ясным.

Г. Хаммер, посвятивший ему специальную работу в кол­ лективном труде по геологии нефти х, отмечает, что «. . микро-1

1Harald Е. Hammer. Relation of microorganisms to generation of petroleum. — Problems of petrol, geology. AAPG, 19344 p. 35.

340

организмы являются, по-видимому, важным фактором образования природных углеводородов. Однако литература по данному во­ просу скудна, особенно в части, касающейся самой сути и условий процесса. Многие авторы выдвигают биохимическую гипотезу происхождения нефти, не подкрепляя ее, однако, никакими эк­ спериментальными данными. ». Тот же исследователь выска­ зывает сам предположение, что роль бактерий сводится лишь к стимулированию процесса нефтеобразования, с одной стороны, понижая количество азотистых и других компонентов осадков, а с другой, вырабатывая простейшие органические вещества, дающие уже в последующем процессе полимеризации более слож­ ные углеводороды.

Большинство американских геологов рассматривают биохи­ мические процессы до погребения органического материала как стадию превращения, завершающуюся созданием вещества с низ­ ким содержанием кислорода и переводом органического матери­ ала в следующую «керогенную» стадию. Ограниченное получение нефти путем вытяжки растворителями по сравнению с тем ко­ личеством, которое может быть извлечено после нагревания керогенной породы, по-видимому, показывает, что при этом про­ изошло химическое изменение, при котором кероген превратился

внефть. Обычная, же нерастворимость указывает на ртсутствие свободной нефти в большинстве керогенных пород. Согласно этому взгляду, нефть является продуктом постепенного изменения керогенового вещества сланцев, которое само не является нефтью. Оно может сделаться нефтеподобным веществом либо при на­ гревании (перегонка всякого рода горючих сланцев), либо при высоком давлении.

Вэтом отношении большого внимания заслуживают опыты Мак-Коя и Трэгера. Суть этих опытов состоит в том, что в сталь­ ные цилиндры вкладывались (тоже цилиндрической формы) куски горючих сланцев, или' керогеновой породы, предварительно оп­ робованной на вытяжку растворителями и давшей отрицательные

вэтом отношении результаты, и подвергались настолько силь­ ному сжатию, что порода переходила в размягченное (текучее, пластическое) состояние. После этого вытяжка растворителями давала сильное окрашивание, и на разломе породы в лупу можно было видеть небольшие капельки нефти. Значительного подъема температуры во время опыта не наблюдалось. Из опытов следует, что давление должно быть таковым, чтобы оно могло вызвать молекулярное перемещение, причем порода существенным обра­ зом меняет свое физическое состояние, претерпевая глубокий метаморфизм. Нам не известны в разрабатываемых нефтяных месторождениях метаморфические породы типа кристаллических

сланцев, возникших, как известно, из осадочных пород под влиянием динамометаморфизма, поэтому и для образования неф­ ти нет необходимости в столь высоких давлениях. Даже в опытах Бэргиуса по ожижению угля при температуре 300—400° С при­

341

менялся водород под давлением в 200 am, причем исходным ма­ териалом могли быть каменный уголь, бурый уголь, торф и дре­ весина. В природных условиях существуют чрезвычайно высокие давления статического и динамического характера. Первые воз­ никают вследствие нагрузки на некоторый пласт, залегающий в земной коре, от всей массы выше его расположенных образо­ ваний, вторые — при горообразующих процессах. Мы уже не раз указывали, что под влиянием нагрузки, согласно данным Ван-Хайза и Гейма, породы могут переходить в скрытопласти­ ческое состояние. Породы из пластических делаются кристал­ лическими. Убедительным примером этого служат кристалли­ ческие сланцы. Нам, конечно, важно знать, под каким давлением могут, находиться пласты со скопившимся в них органическим ве­ ществом, из которого образуется нефть.

Отложение органогенного материала происходит в прибрежной полосе моря, где идет быстрая смена осадков и быстрое их на­ копление. Поэтому слой органогенного ила вскоре будет пере­ крыт вновь отложенными осадками, мощность которых будет постепенно нарастать и давление на органогенный слой посте­ пенно увеличиваться. Под нарастающей тяжестью более молодых отложений прежде отложенные пласты будут претерпевать раз­ ного рода изменения: во-первых, они будут уплотняться и из полужидкого, илообразного постепенно перейдут в твердое со­ стояние, т. е. произойдет процесс их отвердения или окаменения (lithification)*. Объем пор сократится при этом весьма значительно. По данным Э. Блюмера, в современном иле р. Миссисипи объем пор достигает до 60%. Объем пор у глинистых и мергелистых пород не превышает 47%, а в песках он падает до 35—25%. При таком сокращении объема пор происходит вытеснение жидкостей (соленой воды) из илов в более пористые породы (в пески), кото­ рые являются и значительно менее сжимаемыми, ибо они с самого начала вследствие большой величины и тяжести зерна являются достаточно уплотненными. Вместе с этим будут происходить и процессы цементации, которые приведут к образованию мергелей, песчаников, известняков и прочих твердых пород. Одним словом, после погребения породы наступит сумма процессов, известная под именем диагенеза пород, представляющего предварительную стадию метаморфизма.

Какие же изменения будут происходить в органогенном слое? При постепенном его погружении вместе с давлением будет воз­ растать и температура. По данным Уиллиса, максимальная тем­ пература в наиболее низких слоях аппалачской геосинклинали не превышает 200° G.

* Следует отметить правильное понимание И. М. Губкиным термина «литификацпя» в связи с ошибочным толкованием этого термина как равно­ значного литогенезу, или, точнее, катагенезу. Крайне неудачен термин «антралитификация».

342

До каких размеров может дойти давление в пластах, которые потом превратились в нефтеносные горизонты? Применим для расчета самый грубый метод, исходя из веса столба воды опреде­ ленной высоты и переводя его на соответствующий вес колонны пород, принимая их средний удельный вес равным 2,7 и гори­ зонтальность их залегания. В Бакинском районе материнской породой, давшей нефть, можно считать, с одной стороны, диато­ мовые сланцы и майкопскую свиту, а с другой — более глубокие органогенные породы нижнетретичного и мезозойского возраста.

Над диатомовыми слоями залегает свита мощностью около 2250—2500 м, т. е. давление равно приблизительно 600 am. В Гроз­ ненском районе нефтеносные горизонты переслаиваются со слан­ цевыми глинами, которые и послужили материнской породой. Верхние пачки спаниодонтелловых слоев при их горизонтальном залегании находились под нагрузкой около 300 am, а верхние горизонты майкопской свиты имели давление около 500 am. В Калифорнийской долине первая верхняя группа нефтеносных горизонтов залегает на глубине 1500—1800 м, а нижняя, вторая группа, — на глубине 3900—4000 м, чему будут соответствовать давления в 400—500 am для первой, верхней, пачки и около 1000 am для второй, нижней, пачки. Эти давления, так сказать, конечного этапа отложения всех свит, до этого же времени пласт находился под меньшим давлением, которое по мере его погружения по­ степенно нарастало. Кроме того, нужно всегда иметь в виду возможные перерывы в отложениях и несогласное залегание, которое эти расчеты может изменить весьма значительно. На­ пример, у Д. В. Голубятникова мы находим указание, что в ниж­ нем апшероне встречается галька нефтеносных пород, что к моменту отложения низов апшеронского яруса нефтяные месторож­ дения Бакинского района были уже сформированы и продук­ тивная толща местами представляла сушу. При формировании этих месторождений давление несуществовавших тогда свит ап­ шеронского и бакинского ярусов, само собой разумеется, не прини­ мало участия. К моменту завершения отложений продуктивной толщи над диатомовыми слоями лежала пачка пластов мощностью приблизительно 1700—1800 м, способная произвести давление при­ близительно 450—500 am.

Говоря о возможной величине давления, мы хотим только по­ казать, что при образовании нефти пласты, содержащие органо­ генный материал, находились под таким давлением, которое яв­ лялось достаточным, чтобы вместе с неучитываемым фактором (геологическим временем) компенсировать недостаточную, якобы, судя по лабораторным опытам, температуру и обеспечить про­ цессы и гидрогенизации, и полимеризации углеводородов [б6].

Здесь нужно учесть еще один чрезвычайно важный фактор, не только способствовавший повышению давления, но и дававший

343

лучались газы: метан, водород и др. Так как весь процесс обра­ зования нефти предполагает наличие непроницаемой перекрышки, то эти газы не уходили из пласта, а под все увеличивающимся давлением в нем растворялись и вступали в химические соедине­ ния с прочими углеводородами. Поэтому К. Крэг не без основа­ ния считает, что нефть могла из органического материала воз­ никать только там, где было достаточное давление и непроница­ емая, удерживающая нефть и газ крыша.

Итак, вслед за относительно кратковременным периодом^ био­ химической их переработки наступает неизмеримо более дли­ тельный геохимический период регионального метаморфизма, про­ текающего синхронно с метаморфизмом окружающих пород *. Ос­ новными факторами в этом метаморфизме являются: 1) давление вышележащих масс, а также газов, 2) температура и 3) время. Величины этих факторов находятся в известной функциональной зависимости одна от другой. Так, увеличение давления и тем­ пературы сокращает длительность процесса и т. д.

Огромная роль динамометаморфического процесса в образо­ вании нефти уже сейчас никем не оспаривается. Разногласия касаются только деталей: так, Роджэрс не признает большой роли давления.

В оценке значения температуры необходимо ясно учитывать его обратную зависимость от времени. Г. Мейер и Р. Циммерли в процессе лабораторного изучения битуминозных сланцев экспери­ ментально показали, что путем увеличения длительности про­ цесса перевода исходного органического вещества в битум можно понизить необходимую для этого температуру с 365 до 275° С. По их теоретическим подсчетам, для перевода в битум 1% ор­ ганического вещества при температуре 100° С потребовалось бы 84 тыс. лет, тогда как при снижении температуры до 60° С этот срок сразу удлинился бы до 67 млн. лет.

Огромное значение фактора времени подчеркивает также У. Пратт в своем последнем труде по вопросу о процессе гидрогени­ зации в природег. Он констатирует, что для осуществления в природе процесса обогащения исходного углеводородного ве­ щества (керогена) водородом и образования настоящей нефти теоретически необходима температура, превосходящая те нормы температуры, какие можно ожидать в недрах при совершении этого процесса, и допускает, что фактически требуемые реак­

petr. geology. AAPG, 1934, p. 241.

344

Теперь, после всех пройденных нами деталей, резюмируем еще раз вкратце ход процесса образования природной нефти. Процесс этот был непрерывный; химическая сторона его нам мало известна, но общее направление его можно уже считать более или менее установленным. Начался рн в органогенных или био­ генных илах и, не прекращаясь, совершался во все время диаге-

эробных бактерий. Образование жидкой или полужидкой нефти началось еще в илах и в не вполне отвердевшей породе, и по мере того как эта порода под влиянием возрастающего давления все более и более уплотнялась, жидкость (т. е. вода и нефть) изнее выжималась в рыхлые породы (в пески, известняки и пр.), именно в те, которые подвергались меньше всего сжатию.

Образование нефти совершалось во всех точках органогенного слоя, где был соответствующий материал, следовательно, нефть в этом пласте все время находилась в диффузно рассеянном состоянии. По мере того как образовавшаяся нефть выжималась в пористые породы, органогенный пласт или первично-битуминозная порода постепенно беднели органическим веществом, и к концу про­ цесса приобрели приблизительно тот характер слабо битуминоз­ ных пород, которые мы наблюдаем теперь в глинах майкоп­ ской свиты, темно-серых глинах диатомовой свиты Бакинского района и т. п. Выжатая в рыхлую породу вместе с водою нефть первоначально образовывала с нею нераздельную смесь, и потом,

а нижнюю часть заняла вода. По мере того как твердела порода и становилась все более стойкой по отношению к действующим на нее силам сжатия, в процессе вытеснения нефти из глины в пески и вообще в рыхлые породы приняла участие скопившаяся

врыхлом пласте вода, которая, в силу большой величины по­ верхностного натяжения по сравнению с нефтью, постепенно вы­ теснила ее из всех мельчайших пор. По мере нарастания мощ­ ности осадков, по мере погружения первично-битуминозной породы

вболее глубокие зоны земной коры приобретали в процессе нефтеобразования возрастающее значение процессы гидрогениза­ ции, которые все более и более улучшали качество нефти. «Чем глубже песок, тем лучше нефть» (the deeper the sand, the better

the oil), говорят американцы и не безосновательно. Конечно, условия нефтеобразования столь сложны, что эта поговорка мо­ жет быть оправдана не в деталях, а только в весьма общем виде. В Калифорнии, например, глубокие пески содержат нефть в 28—35° Вё, тогда как более мелкие продуктивные горизонты в тех же самых месторождениях дают нефть в 18—20° Вё. Точно так же в штате Оклахома наиболее тлубокий горизонт, зале­

345

гающий в силуре, содержит нефть в 40° Вё, а в более молодых свитахчпенсильванского возраста нефть имеет плотность 30° Вё. У нас в Баку как раз наоборот: более, легкие нефти залегают в верхнем отделе продуктивной толщи, а более тяжелые — в ниж­ нем, а здесь подобное распределение объясняется другими при­ чинами. Процесс нефтеобразования в намеченном направлении совершался до начала горообразующих процессов. Этот момент нужно считать уже началом формирования самого нефтяного месторождения. С этого момента начинается странствование нефти, ее миграция, до тех пор пока она не скопится где-либо в оп­ ределенном месте в виде обособленной залежи [б8]. Как совер­ шаются передвижения нефти и процессы образования нефтяных месторождений и какое строение имеют эти месторождения, об этом мы подробно говорили в главах VI и VII. К начальному моменту миграции нефть должна иметь уже соответствующие физические свойства, которые позволили бы ей мигрировать по пластам и через пласты, т. е. к этому моменту процесс нефтеобразования уже должен быть закончен и должен начаться другой процесс ее изменения под влиянием новых факторов.

Мы проследили направление нефтеобразовательного процесса в одном пласте, но обычно в нефтяных месторождениях мы имеем целую серию нефтеносных горизонтов. Это происходит оттого, что в прибрежной полосе моря совершается, как мы уже указали, смена осадков в горизонтальном и в вертикальном направле­ ниях. Глины сменяются песками, пески — глинами или извест­ няками и т. д. Накопление органического материала в опреде­ ленном месте тоже имеет прерывистый характер и не является каждый раз точной копией предыдущего. В составе органичес­ кого материала могут быть более или менее значительные ко­ лебания. Эта разница в составе исходного материала и служит причиной того явления, что в одном и том же месторож­ дении мы имеем разные по своим физическим и химическим ка­ чествам нефти. „С достаточной обстоятельностью этот вопрос рассмотрен Г. Л. Стадниковым, к трудам которого 1 мы и отсы­ лаем интересующихся подробностями этих процессов.

Самый процесс диагенетического изменения породы * имеет также свои отличительные черты Но отношению к каждой породе, и это тоже служит причиной, почему в пределах одного и того же/ месторождения мы имеем разные нефти. Про нефти различных месторождений и говорить не приходится: все они, сохраняя в общем одну и ту же природу, имеют очень много своеобразия,

1 Неоднократно цитируемая нами книга Г. Л. Стадникова «Происхождение углей и нефти» (1931 г.) вышла новым изданием.

* Имеются в виду те изменения пород, которые сейчас в СССР называют катагенетическими (или, неправильно, катагенными) и которые приходят на смену собственно диагенетическим изменениям осадков (говорить о диагенезе пород или свит в настоящее время нельзя).

346

казателем степени которой служила величина так называемого постоянного углерода в угле и величина летучих' веществ. На основании детального изучения этих констант были'состав­ лены карты угольных изовольв, или линий, соединяющих точки с одинаковым содержанием постоянного углерода. На эту карту были нанесены газовые и нефтяные месторождения. Сначала эта работа была проделана по отношению к Аппалачской области, а потом по отношению к нефтяным месторождениям Мид-Кон- тинента. Оказалось, что большая часть Пенсильванских место­ рождений лежит между изовольвами 55—60% в полосе, параллель­ ной общему простиранию аппалачской горной системы. К востоку от этой полосы простирается полоса с изовольвами в 65—70%, в которой вместо месторождений нефти встречаются месторожде­ ния газа. Более поздние исследования показали, что параллельно с изменением угольного коэффициента изменяется и характер углей. Э. Лиллэй дает следующие соотношения для нефтей:

Таково влияние на характер нефтей динамометаморфизма *. Теоретически говоря, более древние нефти подверглись и боль­ шему его влиянию. В общем, это подтверждается примером неф­ тей Соединенных Штатов, где палеозойские нефти, вообще говоря, легче мезозойских, мезозойские же — легче третичных. Но из этого правила много исключений, объясняемых особенностями исходного материала и геологической обстановкой того или иного месторождения. Из заводской практики нам хорошо известно, что если нефть будет перегрета, то начинается распадение ее тяжелых молекул на более легкие (на этом основан крекинг нефти). Если применить очень высокую температуру, то мы можем всю нефть превратить в газ, в составе которого главную роль будет играть метан. Вероятно, и в природе, если нефтяные залежи попадали в условия чрезвычайно высокого давления или очень больших температур, начиналось разложение нефти, которое заканчива-

'лось разрушением углеводородов с выделением водорода и угле­ рода. Это — крайняя степень метаморфизма органического ве­ щества. Так, вероятно, образовался графит — один из крайних членов ряда битумов, а водород вследствие его малого атомного веса и крайней подвижности, вероятно, улетучился из литосферы

ватмосферу.

* Впоследствии выяснилось, что ведущим фактором «метаморфизма» иско­ паемых углей, определяющих «углеродный коэффициент» (carbon ratio), а также изменения с глубиной свойств нефтей, является температура.

348

Из предыдущего видно, что мы не разделяем полностью ни точки зрения большинства американских геологов, считающих кероген промежуточным веществом на пути превращения органи­ ческого вещества в нефть, ни точки зрения, развитой Меррэем Стю­

свободной нефти есть процесс нарушения прилипания нефти к гли­ нистым частицам и выжимания ее в пористую породу. Мы пола­ гаем, что нефтеобразование, начавшись с разложения жиров в био­ генном иле до его погребения, продолжалось и после его погребе­ ния при активном содействии анаэробных бактерий во весь период диагенетического изменения породы. Все эти взгляды нуждаются в дальнейшем их уточнении и экспериментальной проработке в лаборатории и увязке их с полевыми наблюдениями. Особенно важными мы считаем исследования по дальнейшему выяснению роли анаэробных бактерий в процессах нефтеобразования.

В заключение нужно коснуться еще вопроса о керогенных по­ родах, или горючих сланцах. Это, по нашему мнению, недоразвив­ шиеся до образования природной нефти породы. Если бы они были развиты в областях погружения в переслаивании с песками и могли попасть в зоны высокого давления, органическое вещество в них, по всей вероятности, превратилось бы в нефть. В некото­ рых из них процесс битуминизации не успел еще начаться, как они уже были выведены из сферы биохимических и химических процессов поднятием со дна моря. Таким примером являются куккерские сланцы [50]. В цих синезеленая водоросль со времени нижнего силура сохранилась почти неизмененной. На покровном стеклышке в капле воды или хлоралгидрата она набухает и раз­ вертывается, как живая. В волжских сланцах процесс битуми-' низации уже начался, часть органогенного вещества уже пере­ шла в битум, на этой стадии превращение остановилось, между тем как те же слои верхней юры, погребенные под меловыми отложенйями в Эмбенском районе, дали нефть. В Майкопском неф­ тяном месторождении ниже основных нефтяных залежей, среди свиты фораминиферовых слоев, залегает пласт сильно битуминоз­ ной глины с рассеянными по всему пласту капельками нефти. Когда некоторые скважины достигали этого пласта, в забое ско­ плялось даже небольшое количество свободной нефти. Если бы его перекрывал или подстилал пористый пласт, мы имели бы нефте­ носный горизонт с промышленным скоплением нефти, а сейчас — это только пласт с диффузно рассеянной нефтью. Обращает на себя внимание исключительная нефтеносность майкопских глин в Хадыженском месторождении. Здесь глины настолько насы­ щены нефтью, что достаточно тончайших песчаных прослоев и смятия среди них, чтобы образовались скопления нефти, дающие хотя небольшие, но довольно постоянные притоки. И здесь, будь среди этих глин хорошие коллекторы, мы имели бы месторождение с большими запасами нефти, теперь рассеянной по всей толще

349