5.4. Состав нефти и газа

Нефть и газ—это тоже горные породы, но не твердые, а жид­ кие и газообразные. Вместе с другими горючими осадочными породами (торф, бурый и каменный уголь, антрацит) они образуют семейство каустобиолитов, т. е. горючих органических пород.

Говоря о составе нефти, различают элементный, фракционный и груп­ повой составы.

Основными ее элементами являются углерод (83...87 %) и водород (11...14%). Наиболее часто встречающаяся примесь—сера (до 7%), хотя во многих нефтях серы практически нет. Сера содержится в нефтях в чис­ том виде (самородная), в виде сероводорода или меркаптанов. Она уси­ ливает коррозию металлов. Азота в нефтях не больше 1,7%; он совершен­ но безвреден в силу своей инертности. Кислород встречается не в чистом виде, а в различных соединениях (кислоты, фенолы, эфиры и т. д.); его в нефти не более 3,6 %. Из металлов присутствуют железо, магний, алю­ миний, медь, натрий, олово, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть и другие. Содержание металлов столь мало, что они обнаружива­ ются лишь в золе, остающейся после сжигания нефти.

Фракционный состав нефти определяется при разделении соедине­ ний но температуре кипения. Фракцией (дистиллятом) называется доля нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Началом ки­ пения фракции считают температуру падения первой капли сконденсиро­ вавшихся паров; концом кипения—температуру, при которой испарение фракции прекращается. Так, бензины выкипают в пределах 35...205*С, ке­ росины— 150...315, дизельные топлива—180...350, масла—350 и выше.

Под групповым составом нефти понимают количественное соотно­ шение в ней отдельных групп углеводородов и соединений.

Углеводороды представляют собой химические соединения углеро­ да и водорода. Они бывают парафиновые, нафтеновые и ароматические. Парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан и т. д.) имеют химичес­ кую формулу СпН2п+2 (я —число атомов углерода). При л от 1 до 4 парафи­ новые углеводороды являются газами, при я от 5 до 15—жидкостями, при я> 16—при обычных температурах твердыми веществами. Твердые угле­ водороды метанового ряда называют парафинами. Температура их плав­ ления составляет в основном 52...62°С. В пластовых условиях парафи­ ны находятся в растворенном состоянии. Однако при снижении темпе­ ратуры, давления и выделении растворенного газа парафин выделяется из нефти в виде кристаллов, создавая тем самым проблемы для ее филь­ трации в пласте и движения в трубопроводах. В зависимости от строения и количества жидких парафиновых углеводородов в нефтях, свойства получаемых из них нефтепродуктов могут различаться довольно сущее-

твенно. Нафтеновые углеводороды (цикланы) имеют химическую фор­ мулу СпН2п. В отличие от парафиновых углеводородов они имеют цикли­ ческое строение. Нафтеновые углеводороды присутствуют во всех фрак­ циях нефтей. Они—важнейший компонент моторных топлив и смазоч­ ных масел (улучшают эксплуатационные свойства бензинов, уменьшают зависимость вязкости масел от температуры), а также сырье для получе­ ния ароматических углеводородов. Ароматические углеводороды (аре­ ны) имеют химическую формулу С„Н2п-о (при я >6). Циклическое строе­ ние ароматических углеводородов в отличие от нафтеновых характеризу­ ется наличием двойных связей. Они также встречаются во всех фракци­ ях, обладают хорошей растворяющей способностью по отношению к ор­ ганическим веществам, но высокотоксичны.

Кроме углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотистые соединения. К числу основных кислородных соединений, содержащихся в нефтях, относятся нафтеновые кислоты и асфальто-смо­ листые вещества. Нафтеновые кислоты вызывают коррозию металлов. Асфальто-смолистые вещества—это сложные высокомолекулярные со­ единения, содержащие кроме углерода и водорода кислород (до 2 %), серу (до 7 %) и азот (до 1 %). При обычных температурах они представляют собой малотекучее или твердое вещество с плотностью, превышающей плотность воды. Часть асфальто-смолистых веществ, растворимая в бен­ зине, называется смолой, а нерастворимая—асфальтом.

Содержание сернистых соединений в отдельных нефтях доходит до 6%. Однако встречаются и малосернистые нефти.

Азотистые соединения представлены, в частности, порфиринами, ко­ торые, как считалось, образовались из хлорофилла растений и гемогло­ бина животных. Сторонники теории органического происхождения неф­ ти видели в этом подтверждение своих взглядов.

Природные газы делятся на три группы:

добываемые из чисто газовых месторождений; добываемые из газоконденсатных месторождений; добываемые вместе с нефтью из нефтяных месторождений.

Все газы представляют собой смеси парафиновых углеводородов с азотом, сероводородом, углекислым газом и другими компонентами, но в разных пропорциях. Газы чисто газовых месторождений наиболее лег­ кие, они на 90 % и более состоят из метана. Газы нефтяных месторожде­ ний (их также называют попутным нефтяным газом) наиболее тяжелые, метана в них от 30 до 70%. Газы газоконденсатных месторождений не­ сколько более тяжелы, чем газы чисто газовых месторождений, но л ет е, чем нефтяной газ; метана в них от 80 до 90 %.

Природный газ бесцветен, а при отсутствии в нем сероводорода—не имеет запаха.

5.5. Происхождение нефти

Считается, что за время существования нефтяной промыш­ ленности человечеством добыто около 85 млрд т нефти и оставлено в нед­ рах отработанных месторождений еще 80...90 млрд т. Кроме того, доказан­ ные запасы нефти в настоящее время составляют около 140 млрд т. Итого около 300 млрд т. Что за «фабрика» произвела такое количество нефти?

Вопрос о происхождении нефти имеет не только познавательное, но

ибольшое практическое значение. «Только тогда, когда мы будем иметь правильное представление о тех процессах, в результате которых возник­ ла нефть... будем знать, каким образом в земной коре образуются ее зале­ жи, мы получим... надежные указания, в каких местах надо искать нефть

икак надлежит наиболее целесообразно организовать ее разведку»,— справедливо писал в 1932 г. академик И. М. Губкин.

В развитии взглядов на происхождение нефти выделяют 4 этапа:

1)донаучный период;

2)период научных догадок;

3)период формирования научных гипотез, связанный с началом развития нефтяной промышленности;

4)современный период.

Ярким примером донаучных представлений о происхождении неф­ ти являются взгляды польского натуралиста XVIII в. каноника К. Клюка. Он считал, что нефть образовалась в раю и является остатком той благо­ датной жирной почвы, на которой цвели райские сады. Но после грехопа­ дения Бог решил наказать человечество и уменьшил урожайность земли, удалив из нес жирное вещество. Одна часть жира, по мнению каноника, испарилась под влиянием солнечного тепла, а другая опустилась вглубь Земли, где и образовала скопления нефти.

Примером взглядов периода научных догадок является высказан­ ная М. В. Ломоносовым мысль о том, что нефть образовалась из каменно­ го угля под воздействием высоких температур. В своей работе «О слоях земных» в середине XVIII в. он писал: «Выгоняется подземным жаром из приуготовляющихся каменных углей оная бурая и черная масляная мате­ рия и вступает в разные расселины...».

С началом развития нефтяной промышленности вопрос о происхож­ дении нефти приобрел важное прикладное значение. Это дало мощный толчок к появлению различных научных гипотез.

В 1866 г. французский химик М.Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы. Другой французский химик, Г. Биассон, в 1871 г. выступил с идеей о происхождении нефти в результате взаимодействия воды, углекислого газа и сероводорода с раскаленным железом. Обе эти

реакции действительно приводят к образованию нефтеподобного вещес­ тва, а сами гипотезы являются первыми представителями неорганичес­ кой теории происхождения нефти.

В 1888 г. немецкий химик К.Энглер, нагревая жиры морских живот­ ных при давлении 1 МПа до температуры 320...400 °С, получил нефтепо­ добные продукты. На этом основании он вместе с геологом Г. Гефером вы­ двинул гипотезу о происхождении нефти из животного жира, т. е. из орга­ нического вещества. Но сколько же рыб должно погибнуть, чтобы сфор­ мировать хотя бы одно крупное месторождение? Не все сходится и по времени. Первые рыбы появились на нашей планете почти 440 млн лет назад, а нефть найдена в породах возрастом в 1,5 раза старше.

Внастоящее время сформировались две теории происхождения неф­ ти: органическая и неорганическая.

Сторонники органической теории утверждают, что исходным мате­ риалом для образования нефти стало органическое вещество.

Воснове современных взглядов на происхождение нефти лежат по­ ложения, сформулированные академиком И. М. Губкиным в 1932 г. в его моно1рафии «Учение о нефти». Ученый считал, что исходным для обра­ зования нефти является органическое вещество морских илов, состоящее из растительных и животных организмов. Его накопление на дне морей происходит со скоростью до 150 г на 1 квадратный метр площади в год. Старые слои довольно быстро перекрываются более молодыми, что пре­ дохраняет органику от окисления. Первоначальное разложение расти­ тельных и животных остатков происходит без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий. Далее пласт, образовавшийся на мор­ ском дне, опускается в результате общего прогибания земной коры, ха­ рактерного для морских бассейнов. По мере погружения осадочных по­ род давление и температура в них повышаются. Это приводит к преобра­ зованию рассеянной органики в диффузно рассеянную нефть. Наиболее благоприятны для нефтеобразования давления 15...45 МПа и температу­ ры 60...150°С, которые существуют на глубинах 1,5...6 км. Далее, под дей­ ствием возрастающего давления, нефть вытесняется в проницаемые по­ роды, по которым она мигрирует к месту образования залежей.

Таким образом, процесс нефтеобразования делится на три этапа:

1)накопление органического материала и его преобразование в диффузно рассеянную нефть;

2)выжимание рассеянной нефти из нсфтсматсринских пород в коллекторы;

3)движение нефти по коллекторам и се накопление в залежах.

Впоследующие годы взгляды И. М. Губкина блестяще подтверди­ лись. В 1934 г. в нефти, асфальтах и ископаемых углях были найдены порфирины, входящие в молекулу хлорофилла. В 50-е годы нашего столетия

А. И. Горской (в СССР) и Ф. Смитом (в США) были открыты нефтяные углеводороды в осадках водоемов различных типов (в озерах, заливах, морях, океанах). Открытие крупнейших нефтяных месторождений в оса­ дочных бассейнах сначала между Волгой и Уралом, а затем в Западной Сибири также подтверждает взгляды И. М. Губкина. Наконец, в настоя­ щее время большинство нефтяных месторождений мира находится в мес­ тах сосредоточения осадочных пород, содержащих окаменелые останки животных и растений.

Вместе с тем сторонники органического происхождения нефти бес­ сильны объяснить существование ее гигантских скоплений там, где орга­ нического вещества в осадочных породах относительно мало (например, бассейн реки Ориноко). Более того, довольно значительные скопления нефти в Марокко, Венесуэле, США и других странах встречаются в мета­ морфических и изверженных породах, в которых органического вещества просто не может быть. До недавнего времени бесспорным подтверждени­ ем родства нефти и органического мира считались соединения, встречаю­ щиеся в обоих из них (например, порфирины). Однако в настоящее время многие из этих соединений получены неорганическим путем. При этом синтезе также получается значительное количество твердых парафинов, часто встречающихся в нефти. Органическая же теория объяснить такую долю парафина в нефтях не может.

Абсолютно не вписываются в органическую теорию происхожде­ ния нефти находки, сделанные в магматических породах. Так, в древней­ ших кристаллических породах, вскрытых Кольской сверхглубокой сква­ жиной, зафиксировано присутствие родственного нефти битуминозно­ го вещества, а на вьетнамском шельфе открыты крупные нефтяные мес­ торождения (Белый Тигр, Волк, Дракон), где продуктивными оказались не привычные нефтяникам песчаники и известняки, а глубинный гранит­ ный массив. Похожее, хотя и небольшое, месторождение (Оймаша) из­ вестно в Казахстане.

Сторонники неорганической теории считают, что нефть образова­ лась из минеральных веществ.

Например, нашего знаменитого соотечественника Д. И. Менделеева поразила удивительная закономерность: нефтяные месторождения Пен­ сильвании и Кавказа, как правило, расположены вблизи крупных раз­ ломов земной коры. Основываясь на этом наблюдении, в 1876 г. он вы­ двинул так называемую «карбидную» гипотезу происхождения нефти. Зная о том, что средняя плотность Земли превышает плотность земной коры, он сделал вывод, что в недрах нашей планеты в основном залега­ ют металлы. По его мнению, это должно быть железо. Процесс образова­ ния нефти виделся Д. И. Менделееву следующим. Во время горообразо­ вательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору,

вглубь нее проникает вода. Встречая на своем пути карбиды железа, она вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды же­ леза и углеводороды. Затем последние по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и образуют нефтяные месторождения.

Заслугой Д. И. Менделеева является то, что впервые вместо общих рассуждений им была выдвинута стройная гипотеза, объясняющая не только химическую, но и геологическую сторону процесса образования нефти из неорганических веществ.

Оппоненты «карбидной» гипотезы утверждают, что существование карбидов железа в недрах Земли не доказано, а, кроме того, в условиях высоких давлений и температур горные породы становятся пластичными, и поэтому существование трещин, ведущих к ядру Земли, по их мнению, невозможно. Но это не значит, что гипотеза Д. И. Менделеева Опровер­ гнута: воды для реакций с карбидами достаточно и в веществе мантии.

В1892 г. профессор Московского государственного университета

В.Д. Соколов, основываясь на фактах находок битумов в метеоритах, а также на наличии углеводородов в хвостах некоторых комет, предложил «космическую» гипотезу возникновения нефтяных углеводородов в коре нашей планеты. По его мнению, углеводороды изначально присутствовали в газопылевом облаке, из которого сформировалась Земля. Впоследствии они стали выделяться из магмы и подниматься в газообразном состоянии по трещинам в верхние слои земной коры, где конденсировались, образуя месторождения нефти. Оппоненты В. Д. Соколова утверждают, что су­ ществование в недрах Земли трещин большой протяженности, соединяю­ щих земное ядро с поверхностью, невозможно. В то же время исследо­ ваниями установлено, что в атмосфере планет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна присутствует метан, хотя никакой органики на этих планетах не было и быть не может. Ученые предполагают, что метан образовался в условиях высоких температур из водорода и углекислого газа, широко распространенных в космосе.

В50-е годы ленинградский геолог-нефтяник, профессор Н. А. Куд­ рявцев, собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтя­ ным месторождениям мира. Прежде всего, он на более обширном мате­ риале подтвердил наблюдения Д. И. Менделеева о том, что многие место­ рождения обнаруживаются вблизи глубинных разломов земной коры. Вовторых, он собрал сведения об отсутствии прямой связи между наличием нефти и количеством органического вещества в породе. Таким местом яв­

ляется, в частности, Мархининский вал на севере Сибири, где горные по­ роды на глубину двух километров буквально пропитаны нефтью, а ко­ личество углерода, образовавшегося одновременно с породой, составля­ ет всего 0,2...0,4 %. На этом основании ученый считал, что нефтеносность Мархининского вала связана не с преобразованием органического вещес-

тва, а с наличием глубинного разлома, по которому углеводороды под­ нимались из недр планеты. Тем же самым можно объяснить присутствие нефти в кимберлитовых трубках, которые представляют собой каналы взрывного разлома земной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы из недр Земли.

Величайшее скопление тяжелой нефти в количестве около 100 млрд т в районе озера Атабаска (Канада) по органической теории никак не могло об­ разоваться. Во-первых, для этого необходимо 300...400 млрд т обычной неф­ ти, что предполагает наличие нефтесборной площади не менее 2 млн км2, ко­ торой в районе Канады нет. А во-вторых, данное скопление залегает на не­ больших глубинах, где температура недостаточна для нефтеобразования.

Органическая теория не может объяснить присутствие озокерита и других нефтяных битумов в метеоритах (углистые хондриты) —ведь органическая жизнь за пределами Земли неизвестна.

Сложные нефтеподобные вещества в виде мальты и асфальтитов встречаются в глубоких рудниках Швеции, Норвегии и Канады, разрабо­ танных в магматических породах, где по органической теории они обра­ зоваться не могут из-за отсутствия органического вещества. То же самое можно сказать о находках битума в шахтах по добыче асбеста в Зимбабве. Рудовмещающие породы здесь имеют возраст около 2 млрд лет: жизнь на Земле в те времена только зарождалась, так что органического «сырья» для образования нефти еще не было.

На основании этих и других фактов Н. А. Кудрявцев выдвинул «маг­ матическую» гипотезу образования нефти. По его мнению, на больших глубинах в условиях очень высокой температуры углерод и водород обра­ зуют углеводородные радикалы СН, СН2 и СНз. Затем по глубинным раз­ ломам они поднимаются вверх, ближе к земной поверхности. Благодаря уменьшению температуры, в верхних слоях Земли эти радикалы соеди­ няются друг с другом и с водородом, в результате чего образуются раз­ личные нефтяные углеводороды.

Основываясь на этой гипотезе, Н. А. Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и значительно глубже. Согласно эм­ пирическому закону, носящему его имя, «...важнейшая из закономерно­ стей состоит в том, что во всех без исключения нефтеносных районах, где нефть или газ имеются в каком-либо горизонте разреза, в том или ином количестве они найдутся во всех нижележащих горизонтах...». По мне­ нию Н. А. Кудрявцева, это положение совершенно не зависит от соста­ ва пород, условий их образования и содержания в них органического ве­ щества. А промышленные залежи нефти и газа образуются там, где име­ ются хорошие коллекторы и ловушки.

Например, Харьягинское месторождение на разломе в бассейне Печо­ ры содержит 35 нефтяных залежей в горизонтах различного возраста—от

среднего девона до нижнего триаса. В Алжирской Сахаре залежи нефти связаны с отложениями от триаса (150 млн лет назад) до кембрия (более 500 млн лет назад). Аналогичная картина имеет место в других регионах.

Оппоненты Н. А. Кудрявцева утверждают, что в условиях высоких температур углеводородные радикалы существовать не могут. Однако Э. Б. Чекалюк выполнил необходимые расчеты и показал, что на боль­ ших глубинах высокое давление полностью подавляет термическую де­ струкцию углеводородов. Кроме того, здесь происходит не только син­ тез углеводородов из воды и углекислого газа, но также их полимериза­ ция, циклизация и конденсация в крупные углеводородные молекулы. Оптимальные термодинамические условия для синтеза нефти, по мне­ нию ученого, имеют место на глубинах порядка 100...200 км.

Отом, где и при каких условиях возникла нефть, можно судить по

еехимическому составу. Еще в 50-х годах XX в. установили, что многие нефти образовались при температуре от 200 до 350 °С. Позднее появи­ лись утверждения, что это произошло при температурах 700...1100 °С. Так как в осадочных породах температура обычно не превышает 50...200 °С, то выходит, что нефть сформировалась на больших глубинах. Для этого хо­ рошо «подходят» верхние слои мантии Земли (глубина 40... 160 км), где температура достигает 500...1200вС. И действительно, по данным акаде­ мика П. Н. Кропоткина, присутствие углеводородов в средней и нижней части коры континентов и в мантии на глубинах 40... 180 км установлено в результате магнитно-теллургического зондирования и электрозондиро­ вания с помощью МГД-генераторов.

Н.А. Кудрявцев и его сторонники считают, что прорыв нефтяных углеводородов ближе к поверхности происходит по разломам в мантии и земной коре. Реальность существования таких каналов доказывается широким распространением на Земле классических и грязевых каналов, а также кимберлитовых трубок взрыва. Следы вертикальной миграции углеводородов от кристаллического фундамента в слои осадочных по­ род обнаружены во всех скважинах, пробуренных на большие глубины,— на Кольском полуострове, в Волго-Уральской нефтеносной провинции, в Центральной Швеции, в штате Иллинойс (СШ А). Обычно это включе­ ния и прожилки битумов, заполняющих трещины в магматических поро­ дах; в двух скважинах обнаружена и жидкая нефть.

До недавнего времени в СССР общепризнанной считалась теория органического происхождения нефти, согласно которой «черное золото» залегает на глубине 1.5...6 км. Белых пятен в недрах Земли на этих глу­ бинах почти не осталось. Поэтому теория органического происхождения не дает практически никаких перспектив в отношении разведки новых крупных месторождений нефти.