Горючие породы. Нефть и газ

Горная порода - это вещество, из которого состоит земная кора и более глубокие недра Земли. Нефть и газ относятся к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками и др. Важное свойство нефти и газа - способность гореть. Таким же качеством обладают и другие осадочные породы: торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Все вместе они образуют особое семейство, получившие название каустобиолитов ( от греч. "каустос - горючий, "биос" - жизнь, "литое" - камень, т.е. горючий органический камень). Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и нефтяного ряда, последние называются битумами. К ним относятся нефть и газ.

Все каустобиолиты содержат углерод, водород в кислород, но в разном соотношении. В таблице приводится основные элементы горючих пород:

В химическом отношении нефть - это сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, она состоит из следующих основных элементов: углерод (84-87%), водород (12-14%), кислород, азот и сера (1-2%). Содержание серы возрастает иногда до 3-5%. В нефти выделяют углеводородную, асфальте - смолистую части, порфины, серу и зольную часть.

Главную часть нефти составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые, ароматические.

Метановые УВ (алканы) химически наиболее устойчивы и они имеют формулу $$С_n Н_{2n+2}$$. Их структура

Если количество атомов углерода в молекуле колеблется от 1 до 4 (СН4- С4Н10), то УВ представляют собой газ;

От 5 до 16 ($$C_5 H_{16}-C_{16}H_{34}$$) , то это жидкие УВ, а если оно выше 16 ($$С_{17} Н_{34}$$ и т.д.) - твердые (например, парафин).

Нафтеновые (циклановые или алициклические) УВ ($$C_n H_{2n}$$) имеют кольчатое строение, поэтому их иногда называют карбоциклическими соединениями.

Все связи углерода с водородом здесь также насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами.

Ароматические УВ, или арены ($$С_n Н_n$$) наиболее бедны водородом. Молекула имеет вид кольца с ненасыщенными связями углерода.

Они так и называются - ненасыщенными, или непредельными УВ. Отсюда их неустойчивость в химическом отношении.

Асфальто-смолистая часть нефтей - это темноокрашенное вещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть называется асфальтом, не растворившаяся — смолой. В составе смол содержится кислород до 93% от общего его количества в нефтях.

Порфирины — особые азотистые соединения органического происхождения. Считают, что они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. При температуре 200 - 250 С^o порфирины разрушаются.

Сера в нефтях и в газе распространена широко и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1 до 5%.

Зольная часть - остаток, получающийся при сжигании нефти. Это чаще всего железо, никель, ванадий, соли натрия.

Химический состав нефтей берется за основу при их классификации. Выделяют, например метановые нефти (метановых УВ более 65%), нафтеновые (нафтеновых УВ более 66%) и др. Используются также классификации по содержанию парафина, серы, смол, асфальтенов.

К физическим свойствам нефтей относят плотность, вязкость, температуры застывания, кипения и испарения, теплотворную способность, растворимость, электрические и оптические свойства, люминесценцию и др.

Газы Земли делятся на углеводородные, углекислые и азотистые. Углеводородный газ образует самостоятельные скопления в земной коре или встречается вместе с нефтью и представляет собой смесь нескольких газов. До 95% и более этой смеси составляет метан ($$СН_4$$) присутствуют этан ($$С_2 Н_6$$), пропан ($$С_3 Н_8$$), бутан ($$С_4Н_{10}$$) и т.д.

К свойствам газа относятся плотность, молекулярная масса, вязкость, растворимость, сорбционная способность, упругость паров, критические давление и температура, теплоемкость, теплотворная способность, эффузия и диффузия, обратная конденсация и др.

Кроме жидких и газообразных битумов известны также твердые горный воск (озокерит), горная смола, асфальт.

Итак, нефть и газ - это очень сложные естественные соединения УВ. Нефть обычно имеет темный цвет, хотя известны нефти прозрачные и красноватого цвета, резкий специфический запах, масляниста на ощупь, плотность меньше 1г/см³. Газ бесцветен.

Как образуются нефть и газ

О происхождении нефти и газа до сих пор ведутся споры, которые начались в конце XIX века.

Первым научно обоснованную концепцию о происхождении нефти высказал MB. Ломоносов в середине XVIII в. в трактате "О слоях земных". Он высказал мысль об органическом происхождении нефти из каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть и газ.

В XIX веке среди ученых были распространены идеи близкие к представлениям М.В. Ломоносова. Немецкие ученые Г. Г сфер и К. Энглер в 1888 г. поставили опыты, доказавшие происхождение нефти из животных организмов. Была проведена перегонка сельдевого жира при t 400°С и давлении 1 МПа. Из 492 кг жира было получено масло, горючие газы, вода, жиры и кислоты. Больше всего был выход масла (299 кг или 6I%), состоящего на 9/10 из УВ коричневого цвета. Последующей перегонкой получили предельные УВ (от пропана до нонана), парафины, смолистые масла. Позднее, в 1919 г. академиком Н.Д. Зелениным был осуществлен похожий опыт, по исходным материалом служил органогенный ил (сапропель) из оз. Балхаш. При его перегонке были получены: сырая смола -63,2%, кокс - 16,0%, газы (метан и др.) - 20,8%. При Последующей переработке получили бензин, керосин, тяжелые масла.

В 1876 г. на заседании Русского химического общества Д.И. Менделеев изложил свою неорганическую гипотезу происхождения нефти, получившую название карбидной. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам (разломам), рассекающим земную кору, поверхностная вода просачивается вглубь Земли к металлическим массам. Взаимодействие ее с карбидами железа приводит к образованию оксидов метана а УВ.

Углеводороды по тем же трещинам поднимались в верхние слои земной коры, насыщали пористые породы, образуя месторождения. Свои предположения Д.И. Менделеев подтверждал опытами.

Таким образом в ХIХ веке четко обособились два полярных взгляда на проблему образования нефти.

Борьба идей вокруг проблемы образования нефти не прекращается. Разгадка происхождения нефти в природе имеет не только научно -теоретический интерес, но и первостепенное практическое значение. Как только будет получено представление о процессах возникновения нефти, то из всей совокупности этих данных будут получены указания, в каких местах следует искать нефть.

В настоящее время большинство ученых - нефтяников разделяют органическую теорию происхождения нефти (А.А. Бакиров, И.О. Брод, А.Э. Конторович, В.В. Вебер, Н.Б. Вассаевич, П. Смит, Б. Тиссо и др.).

Основоположником учения об органическом происхождении нефти является известный ученый - нефтяник И.М. Губкин (1871 - 1939), академик, педагог, государственный деятель. Заслуга И.М. Губкина в том, что впервые в мировой практике он подвел научный итог более чем полувековой истории нефтяного и газового дела. В 1932 г. вышла в свет его монография "Учение о нефти". Этот труд послужил основой для современной теории генезиса углеводородов. И.М. Губкин считал процесс нефтеобразования длительным, непрерывным, стадийным и выделял следующие этапы:

Взгляды И.М. Губкина на образование нефти и газа и на формирование их залежей лежат в основе современной теории происхождения нефти. Доказало, что нефтематеринскими породами могут быть разнообразные осадочные породы (глины, известняки, доломиты и др.), содержащие органические вещества и накапливающиеся в водной среде.

Образование нефти — сложный и длительный процесс, тесно связанный с формированием осадочных горных пород. Наиболее благоприятны для этого крупные морские и океанические бассейны. Важно, чтобы была водная среда, т.к. на суше органический материал окисляется и преобразуется в каустобиолиты угольного ряда (торф, каменный уголь).

Любое море заселено множеством животных и растений. Из всей морской биомассы в образовании нефти ведущая роль принадлежит микроорганизмам - планктону, 90% которого занимают микроскопические водоросли (фитопланктон). Именно планктон является основным источником органического вещества (ОВ), которое содержится не только в осадочных илах на дне морей н озер, но и в самой воде.

В Атлантическом и Тихом океанах в 1 ма воды растворено 2 г органики, в водах Балтики и Каспия - 5-6 г, в Азовском море 10 г. В донных осадках концентрация еще выше, т.к. большая часть отмирающих организмов опускается на дно. Ежегодно в Мировом океане образуется в среднем до 150 г ОВ на 1 м3 дна, захороняется в осадках около 1%. В осаждающихся ОВ содержится 65-90% органического углерода, в достаточном количестве присутствующий и водород, они идут в дальнейшем на образование нефти. Подсчитано, что в 1м³ породы содержится 13-15 кг органического углерода. В некоторых глинистых и известняковых толщах содержание его увеличивается в несколько раз, достигая 25%.

Если прикинуть, сколько рассеянного углеродистого ОВ содержится в осадочных породах на континентах, то получится огромная величина 45*10¹⁴ т (в сотни больше всех известных запасов углей, нефти, газа). Но осадочные породы имеются н дне океанов. По подсчетам ученых это не менее 3*10⁸ км³, что дает еще более 70*10¹⁴ т углеродистого вещества, ОВ оседает на морское дно и органика быстро захороняется потаистыми, песчаными и карбонатными осадками, которые приносятся с континентов или образуются непосредственно в море. В составе органики имеются различные вещества, наибольший интерес для нефтеобразования из которых представляют битумоиды. Битумоиды извлекаются из ОВ различными растворителями (хлороформом, эфиром). Источником битумоидов являются липоиды - жироподобные соединения, которые содержатся в тканях организмов и в водорослях (10 - 35% от сухой массы). Количество битумоидов в донных осадках колеблется от 2 до 20% всей органики. Кроме битумоидов в ОВ содержатся готовые углеводороды (УВ) в осадочных породах континентов, (по данным профессора Н.Б. Воссоевича) составляет 7О-80*10,:, т.е. в несколько раз превышает установленные запасы нефти (около 2,2*10¹² т). Отсюда видно, что накопившегося ОВ достаточно для образования выявленного количества нефти.

Пласт осадков, образовавшийся на морском дне, опускается в результате общего прогибания земной коры, характерного для морских бассейнов. Пласты пород с органикой перекрываются новыми и новыми слоями. Под действием температуры и давления дисперсная микронефть меняет свои свойства, особенно активно эти процессы протекают на глубине 2-3 км при температуре 100° С.

Ученым удалось проследить последовательность процесса "созревания" микронефти до нефти. В главной зоне нефтеобразования происходит перемещение образовавшейся нефти в более пористые и рыхлые слои по действием возрастающего горного (геостатического) давления. На глубине 1 км оно равно 25-27 МПа, а на глубине 5 км - 125-140 МПа и т.д. От этого давления поры уменьшаются и могут вовсе исчезнуть, а нефть и газ, содержащийся в них, выдавливается. Учеными установлено, что на разной глубине пористость одних и тех же пород изменяется:

Горные породы гидрофильны, смачиваются водой, а не нефтью, то к горному давлению следует прибавить капиллярные силы, которые усиливают сжатие нефти.

Процесс ухода нефти из материнских пород называется миграцией. В последние годы ученым удалось проследить все промежуточные соединения между хлорофиллом, захороненным в верхних слоях донных осадков, продуктами его распада в более глубоких горизонтах земной коры. Кроме того, в нефтях обнаружили целые "блоки" молекул жиров и аминокислот, имеющих органическое происхождение.

В органическую гипотезу образования нефти мировой вклад внесли российские ученые.

Необходимые условия для формирования нефтяных и газовых залежей

Залежь - это единичное скопление нефти или газа в горных породах. Совокупность залежей, приуроченных к единой биологической структуре, называется месторождением.

Чтобы образовалась залежь или месторождение, необходимо сочетание определенных условий (коллекторы, покрышки, ловушки, миграция).

Коллекторы - это любые горные породы, которые могут вмещать в себя и отдавать жидкости и газы. Все породы делятся на три группы: осадочные, магматические, метаморфические. К осадочным относятся отложения, радовавшиеся при осаждении различного материала в водных бассейнах он непосредственно на суше. Это пески, песчаники, глины, известняки, шомиты, каменная соль и т.д.

Магматические породы возникли из магмы при ее остывании (гранит, базальт и т.д.). Метаморфические образовались при изменении кадочных или магматических пород под действием высоких температур или явлений (сланцы, мрамор, гнейс, кварцит и др.).

Наилучшими коллекторскими свойствами обладают пески и другие породы, состоящие из обломков различной величины.

Коллекторские свойства определяются пористостью и проницаемостью. Пористость - это суммарный объем всех пустот в породе. Она оценивается коэффициентом пористости (m) - отношением суммарного объема пустот ($$V_n$$) в образце породы к общему объему образца ($$V_o$$)

У песчаников и песков $$m$$ = 20 - 25%, у известняков $$m$$ - 3 -5%, Если, например, нефть полностью заполняет поровое пространство, то при $$m$$ - 20% в 1 м³ породы будет содержатся 0,2 м³ нефти.

Проницаемость — это способность пород пропускать сквозь себя жидкости или газ. Проницаемость выражается через коэффициент $$К_{np} $$ измеряемый в дарси (Д). Пески и песчаники имеют проницаемость 0,5 - 1,0 Д или 500 - 1000 миллидарси (мД); известняки - 5 -20 мД; глины, каменная соль практически непроницаемы.

Известняк, который в обычном виде непроницаем для нефти, будучи иссеченым микро - и макротрешинами, становится коллектором.

Если бы вся толща осадочных пород состояла из коллекторов, то нефть и газ не смогли бы скопиться в залеж. Они поднимались бы вверх, всплывая на поверхности. Поэтому необходимым условием накопления залежи является присутствие в осадочной толще пласта или пластов, непроницаемых для нефти и газа пород - своеобразных экранов, способных задержать вертикальное движение флюидов к поверхности земли.

Такие практически непроницаемые породы называются покрышками. Обычно ими бывают глины, каменная соль, гипсы, а иногда известняки без трещин. В Западной Сибири и Средней Азии, например, залежи нефтяных и газовых месторождений удерживаются покрышками толщиной 20-30 м.

Для образования залежи, кроме покрышки, необходима ловушка. Это пласт особой формы, попав в который нефть и газ оказываются как бы в тупике. Обычно ловушки делятся на структурные и неструктурные. Типичным примером структурной ловушки являются антиклинальные складки.

Антиклиналь — это изгиб пласта выпуклостью вверх. Обратная форма называется синклиналью. Антиклиналь - наиболее распространенная ловушка. В России почти 90% найденной нефти и газа связано с антиклинальными ловушками, за рубежом - около 70%.

Примеры ловушек структурного типа

Размеры антиклинальных структур различны: в среднем длина 5-10 км, ширина 2-3 км, высота (амплитуда) 50-70 м. Известны гигантские антиклинали. Например, самое крупное месторождение ГАВАР (Саудовская Аравия) имеет размеры 225x25 км, высоту 370 м, а размер самого крупного газового месторождения Уренгой (Россия) 120x30 км при высоте 200 м.

Иногда залежи образуются в древних погребенных руслах рек. Впервые такая ловушка с залежами нефти была установлена И.М. Губкиным в Майкопском районе Предкавказья в 1911 г.

Погребенные рифы - это бывшие колонии кораллов, перекрытые более поздними породами. Рифы состоят из пористого известняка, с крупными кавернами. Самые крупные месторождения, связанные с рифами, известны в юго-восточной Мексике. Цепочка отдельных рифов образует здесь дугу на суше в 180 км, шириной 2-3 км (в акватории Мексиканского залива). Погребенные здесь рифы содержат залежи УВ, знаменитые высокими дебитами нефтяных скважин: скв. 4 Серро-Асуль давала в сутки 35620 т. нефти; скв. Потреро-дель-Льяно давала 13700 т. в сутки (всего она дала 13 млн. т. нефти), что является мировым рекордом добычи для одной скважины.

Миграция нефти и газа - важнейшее условие формирования месторождений. Она происходит в проницаемых породах вместе с подземной водой, которая обычно насыщает поровое пространство. Перемещение нефти и газа по пласту может происходить в растворенном или свободном состоянии. Направление миграции определяется перепадом давлений и происходит из области большего давления в область меньшего давления. Специалисты называют эти области "пьезомаксимума" и "пьезоминимумами". При движении нефти в растворенном состояния растворителем обычно бывает вода. Двигаясь по пласту, подземная вода неизбежно попадает в область относительного пьезоминимума, при снижении давления уменьшается и растворяющая способность воды -происходит выделение нефти или газа в свободную фазу. Причем, - чем больше падает давление, тем больше выделяется УВ из воды. В свободном состоянии нефть и газ также способны мигрировать, они как бы всплывают в воде вследствие разности плотностей.

Как правило, в земной коре не встречается единичных скоплений нефти к газа. Они располагаются целыми "семействами", как опята в лесу. Одно такое "семейство", связанное однотипными ловушками, образует зону нефтегазонакопления. Несколько зон, приуроченных к одному крупному структурному элементу коры, объединяются в нефтегазоносную область, а последнее - в нефтегазоносные провинции.