|
УДК 553.982.061.33 |
|
|
|
А. К. Каримов |
О ПЕРВИЧНОЙ МИГРАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВНЕФТЯНОГО РЯДА
Проблема происхождения нефти, хотя ей посвящены многочисленные исследования, по-прежнему остается одним из важных и нерешенных разделов естествознания. Между тем ее разработка представляет не только чисто научный, но я огромный практический интерес.
Гипотеза образования нефти за счет органических веществ осадочных отложений все еще имеет ряд нерешенных вопросов. В связи с этим сторонники неорганического синтеза нефти и газа делают вывод о «несостоятельности» органической теории, об ее «банкротстве» и т.п., игнорируя и замалчивая о тех многочисленных доводах, которые подтверждают органическую теорию.
В настоящей статье мы рассматриваем два вопроса, которым до сих пор не уделялось достаточно внимания: 1) об изменении химического состава органического вещества осадочных отложений по мере его метаморфизации; 2) о соотношении битумов и в целом органического вещества в песках и в глинах.
Изменение состава захороненной органики по мере его метаморфизации удобнее проследить на веществах угольного ряда, где накоплено много фактического материала. По статистическим данным А.Ф. Добрянского [4] и В.А. Успенского и др. 19] в процессе метаморфизации от веществ, близких к торфу и до антрацита содержание углерода повышается с 60 до 96 %, а водород, наоборот, снижается с 7-8 до 3- 2% и гетероэлементов (О+N+S) - с 34 до 1 %. При этом отношение С/Н повышается с 9 до 50.
Из этих данных видно, что в процессе метаморфизации каустобиолитов угольного ряда происходит постепенное и закономерное обогащение их углеродом и потеря водорода и гетероэлементов (О, N, S), т. е. их карбонизация.
Как известно, идея происхождения нефти за счет органического вещества каменных углей, торфа и т. п. в настоящее время отвергается многими исследователями, прежде всего по геологическим соображениям. В этом смысле представляет интерес рассеянное органическое вещество осадочных морских отложений.
Если исследование элементарного состава углей сравнительно легкодоступно, то изучение в том же плане рассеянного органического вещества пород значительно затруднено. Это объясняется тем, что до сих пор не разработана удовлетворительная методика выделения этого вещества в чистом виде, свободном от неорганической части. Однако, несмотря на это, благодаря усилиям ряда исследователей получены сведения, проливающие свет и на природу этих веществ. К ним прежде всего следует отнести работу Ю.Н. Петровой и др. [7], которые выделяли органическое вещество породы обработкой ее фтористоводородной кислотой и тщательно изучили его состав. Кроме того, О.А. Радченко и др. [8] подробно изучили состав и свойства высокометаморфизованных битумов силурийских отложений Южной Ферганы, а в работе В.А. Успенского и др. [9] приведены статистические данные по указанным вопросам.
По данным этих исследований видно, что изменение элементарного состава органического вещества осадочных отложений по мере его метаморфизации протекает в том же направлении, как и в случае углей, т.е. в сторону потери водорода и гетероэлементов и относительного возрастания роли углерода. Так, от биомассы водоемов (сухого вещества) до антрацитовой стадии содержание углерода повышается с 50 до 95%, водорода падает с 7,5 до 1,8%, гетероэлементов (О+N+S) - от 42,5 до 3,2% и, наконец, отношение С:Н возрастает с 6,7 до 54.
При этом естественно ожидать, что уменьшение концентрации органического компонента в породе должно способствовать ускорению этого процесса, так как по многочисленным литературным данным, породы, особенно глинистые, являются катализаторами реакции превращения органического вещества. Здесь важно выяснить следующее: в каком виде выделяются элементы Н, О, N, S из состава захороненного органического вещества.
По ряду экспериментальных работ ориентировочно выяснен механизм процесса карбонизации органического вещества. Так, Н.Д. Зелинский [5] проводил каталитическое разложение различных органических веществ в присутствии хлористого алюминия. В результате были получены газы и жидкие углеводороды (метановые и нафтеновые), а также углеродистый остаток. Одновременно японские ученые Кабояши и Ямамото [6] получили «искусственную нефть» из рыбьего жира, путем нагревания его при невысокой температуре и в присутствии глин. Работы Н.Д. Зелинского были продолжены А.В. Фростом [10] при более низких температурах (100-200°) и с применением в качестве катализатора вместо хлористого алюминия глин. При этом получились в основном те же результаты. Большое количество работ под руководством А.Ф. Добрянского и А.И. Богомолова было проведено в Ленинградском университете и во ВНИГРИ [1, 2]. В качестве катализатора применялись природные глины (активированные и не активированные и даже влажные). Исходным материалом служили различные органические вещества и тяжелые нефтепродукты. Во всех случаях в результате реакции были получены, с одной стороны, газы, бензиновая, керосиновая и масляная фракции, состоящие из метановых, нафтеновых и ароматических углеводородов, и, с другой стороны, высокоуглеродистый остаток. В том случае, когда в исходном веществе присутствует кислород, то наблюдается также выделение углекислоты и воды. Сера и азот в подобных реакциях выделяются в виде H2S и N2.
Температура в этих опытах выдерживалась в пределах 250-300%, а в некоторых из них - 150°, или даже 100°. При этом от снижения температуры направление реакции не менялось, уменьшалась лишь ее скорость.
В природных условиях в осадочных отложениях температура пластов часто достигает 50-100° и выше. Поэтому нет основания сомневаться, что подобные же реакции в таких же глинах протекают и в природе, в осадочных отложениях, конечно, с меньшей скоростью.
Процессу карбонизации с одновременным выделением углеводородов и газообразных неорганических соединений подвергается, видимо, любое захороненное органическое вещество. Различие имеется лишь в скорости процесса и отчасти в составе генерируемых углеводородов. В продуктах реакции в одних случаях могут преобладать газообразные углеводороды и в других - жидкие и твердые.
Скорость процесса карбонизации и состав выделенных углеводородов зависит главным образом от концентрации органического вещества, температуры пласта, каталитической активности породы, радиоактивности, давления и т. д. При этом важную роль играет также фактор времени. В наиболее древних отложениях обычно встречаются сильно метаморфизованные и карбонизированные органические вещества.
В процессе карбонизации захороненного в осадках органического вещества происходит распад его на следующие три основные части: 1) богатый углеродом нерастворимый остаток, 2) соединения H2S, СО2, Н2О, N2, 3) газообразные, жидкие и твердые углеводороды. Первая из этих трех групп веществ всегда содержится в метаморфизованных породах и ее легко обнаружить. Сероводород и углекислота, будучи химически активными соединениями, могут вступить в реакцию с активными элементами окружающей среды. Но элементарный азот и углеводороды ни с чем не вступают в реакции, особенно в генерирующих их плотных глинистых породах. Поэтому значительное содержание азота и углеводородов (в процентах к общей органике) должно быть именно в высокометаморфизованных породах. Иными словами, отношение битумов к общей органике в сильно метаморфизованных порогах следовало бы быть выше, чем в мало метаморфизованных.
Однако в действительности чаще встречается обратное явление. Так, в Средней Азии в толще силурийских отложений во многих районах встречаются пласты богатых органическим веществом сланцев. Отношение битумов к общей органике в этих породах, оказывается, весьма низкое, хотя они, по мнению О.А. Радченко и др. [8], имеют нефтяное происхождение.
В некоторых силурийских образцах, отобранных в Джизакском районе, выход битумов составил всего 1-3% от органического вещества, а из района Южной Ферганы, по данным О.А. Радченко, 1,0-1,9%. В нескольких кембрийских и докембрийских образцах блестящих «битумов в доломите» из участка Ваншань Северо-Западного Китая битумы были обнаружены лишь в виде следов, тогда как органика составляет в них до 87% от веса породы. Таких примеров можно было бы привести много, но этот факт более убедительно доказан осредненными данными, имеющиеся в работе А.В. Успенского и др. [9] (см. таблицу).
|
Стадия метаморфизма органического вещества |
Содержание битумов, % на органическое вещество |
|
|
в каустобиолитах угольного ряда |
в рассеянном органическом веществе пород |
|
|
Ранняя буроугольная |
7,6 |
|
|
Средняя » |
5,7 |
6,2 |
|
Высшая » |
- |
4,5 |
|
Ранняя каменноугольная |
3,0 |
5,3 |
|
Средняя » |
1,2 |
- |
|
Высшая » |
0,2 |
1,3 |
|
Антрацитовая |
0,03 |
Следы |
Таким образом, в более метаморфизованных образцах содержание битумов по отношению к общей органике в среднем не выше, а ниже, чем в менее метаморфизованных породах. Возникает вопрос: куда же деваются углеводороды (битумы), образующиеся в процессе карбонизации органического вещества и те битумы, которые имелись в породе в более ранние периоды ее существования и где азот выделяющийся из состава органического вещества в процессе его карбонизации?
Можно предположить только одно: углеводороды и биогенный азот мигрировали из материнских пород в другие, скорее всего в более пористые породы. Но при этом перед исследователями возникает другой важный вопрос: каким образом углеводороды и азот могли мигрировать из плотных пород в пористые?
Это как известно, чрезвычайно важный вопрос проблемы, и, в то же время, наиболее уязвимое место органической теории происхождения нефти и газа. Предложено много гипотез с попыткой показать возможность миграции углеводородов из материнских фаций в коллектора. Однако, к сожалению, ни одна из них в настоящее время еще не может определенно ответить на указанный вопрос.
Сторонники органической теории генезиса нефти и газа ясно сознают важность вопроса о первичной миграции углеводородов и прилагают много усилий к его решению. Однако, реальность этого явления, по нашему мнению, достаточно убедительно доказывается описанными выше данными.
Наличие миграции углеводородов из плотных пород в пористые доказывается также обогащенностью песчаников битумами, что наблюдается при систематическом изучении битуминозности осадочных отложений. Сингенетическое органическое вещество песчаников по сравнению с тем же компонентом глин логически должно быть значительно менее превращенным в сторону битумообразования, так как каталитическая активность песка ничтожно мала. К тому же, пески в отличие от глин отлагаются обычно в менее восстановительной среде, а в пластовых условиях они часто омываются водами, обуславливающими окисление органического вещества. Поэтому логично было бы ожидать в песках и песчаниках пониженные значения отношения количества битумов к общему органическому веществу. Однако мы наблюдаем на практике обычно обратное явление. Так, Ю.Н. Петрова и др. показали [7] на материалах Волго-Уральской провинции, что процент битумов в органическом веществе в песчаниках в большинстве случаев заметно выше, чем в глинах. По нашим исследованиям меловых и юрских отложений Устюрта, в среднем (в %) на органическое вещество содержание битумов в глинах приходится 2,8%, а в песчаниках - 11,0%. Аналогичные результаты получены также по палеогену, мелу и юре Ферганы, по мелу и юре Западного Узбекистана и т.д. Это можно объяснить, очевидно, только миграцией углеводородов из плотных глинистых пород в пористые пески и песчаники.
Таким образом, описанные выше факты вместе с другими общеизвестными данными достаточно убедительно показывают наличие в природе явления перехода углеводородов из плотных пород в пористые. Наличие в составе многих природных подземных газов биогенного азота, как это установлено исследователями указывает на переход из плотных пород в пористые также и этого элемента. В пористых пластах углеводороды вместе с пластовой водой (или самостоятельно) мигрируют дальше. В ходе дальнейшей миграции часть этих углеводородов достигает поверхности земли, рассеивается и окисляется. Но часть их попадает в ловушки и образует залежи нефти и газа.
В настоящее время мы не знаем точно, образуются ли залежи нефти и газа за счет углеводородов глубинного неорганического происхождения, так как для этого еще нет достаточно убедительных данных. В то же время имеются данные, в частности, описанные выше, показывающие не только возможность, но и неизбежность образования их за счет органического вещества осадочных отложений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богомолов А.И. и Смирнова А.И. Каталитические свойства природных глин содержащих гигроскопическую влагу. Тр. ВНИГРИ, вып. 174, 1961.
2. Богомолов А.И., Панина К.И. Низкотемпературные каталитические превращения органических соединений над глиной. Тр. ВНИГРИ, вып. 174, 1961.
3. Добрянский А.Ф. Горючие сланцы СССР. Ленгостоптехиздат, 1947.
4. Добрянский А.Ф. Геохимия нефти. Ленгостоптехиздат, 1948.
5. Зелинский Н.Д. Изб. труды» т. I и II, 1946.
6. Kobayashi К., Iamamoto J. Chem. Soc. Ind. Japan. Suppl 30, 17, 13, 1927.
7. Петрова Ю. H. Карпова И. И., Касаткина Н. Ф. Геохимическое изучение органического вещества девонских отложений Волго-Уральской области. Тр. ВНИГРИ, вып. 82, Гостоптехиздат, 1955.
8. Радченко О. А., Карпова И. П., Чернышева А. С. Опыт геохимического исследования выветренных горючих ископаемых высокой степени метаморфизма на материалах Юж. Ферганы, Тр. ВНИГРИ, вып. 57, Гостоптехиздат, 1951.
9. Успенский В.А., Инденбом Ф.Б., Чернышева А.С., Сенникова В.Н. К разработке генетической классификации рассеянного органического вещества. Тр. ВНИГРИ, вып. 128, 1958.
10. Фрост А.В., Осницкая ЛК. Сб. «Памяти акад. И. М. Губкина». Изд. АН СССР, 1951.
Ин-т геологии нефти и газа АН УзССР