|
УДК 553.98.061.12/.17 |
Возможные изменения уровня энергии в цикле нефтегазообразования
H.А. ЕРЕМЕНКО (ИГиРГИ)
В соответствии с теорией органического происхождения нефти залежи УВ представляют собой скопления захороненной солнечной энергии в земной коре. Диссипация, рассеивание энергии в условиях земной коры, происходит самопроизвольно, обратный процесс - концентрация энергии требует затраты работы, соответственно определенных условий (обстановка, носители и источники энергии). Наиболее распространено представление о решающей роли эндогенного тепла на процессы нефтегазообразования и сил всплывания на формирование залежей нефти и газа. При этом обычно пренебрегают энергией, накопленной в исходном органическом веществе (ОВ), и другими энергетическими источниками, действующими в земной коре. Такой подход не позволяет рассматривать с единых позиций весь цикл нефтегазообразования, начиная от процессов преобразования рассеянного в породах ОВ вплоть до формирования и разрушения залежей нефти и газа.
В основу дальнейшего рассуждения положены три постулата: нефть и газ органического происхождения; исходное ОВ накапливается в осадке в рассеянном состоянии; периодичность и в то же время необратимость процесса литогенеза (по Н. М. Страхову).
Под циклом нефтегазообразования понимается весь процесс, начиная от накопления ОВ в осадке вплоть до формирования и разрушения залежей нефти и газа. Слова цикл, цикличность здесь нельзя понимать как движение по замкнутому кругу. Собственно цикл нефтегазообразования так же необратим, как и литогенез для данной толщи пород. Слово цикл подчеркивает определенную последовательность явлений в процессе, возможность неоднократного проявления циклов (цикличность) в одном и том же осадочном бассейне, но, разумеется, в различных комплексах осадочных пород. Во времени возможно частичное перекрытие последующим циклом предыдущего. В одном и том же бассейне разные циклы наиболее отчетливо различаются по своим начальным этапам (по времени накопления исходных материнских толщ), поэтому нами и предложено именовать их по первому (начальному) этапу. Разная скорость и продолжительность циклов может привести к тому, что завершающие этапы (формирование и разрушение залежей) циклов будут протекать одновременно.
Рассмотрим систему осадок - ОВ - вода в процессе литогенеза. Все компоненты этой системы претерпевают существенные изменения в процессе литогенеза, сложно взаимодействуя между собой. Осадки превращаются в различные типы пород, ОВ преобразуется в разные газообразные, жидкие и твердые дериваты, вода существенно изменяет свой состав и соответственно физико-химические свойства. Таким образом, во времени в изначально взятой системе осадок - ОВ - вода может быть выделено множество подсистем. Ограничимся рассмотрением трех из них: осадок - ОВ - вода, материнская порода - активные продукты (Понимаются только те продукты превращения ОВ, которые в дальнейшем принимают непосредственное участие в образовании нефти) преобразования ОВ (АПП) - вода и резервуары - нефть (газ) - вода. Сосредоточим внимание на среднем члене этих подсистем.
Сущность цикла - превращение вещества, неизбежно сопровождающееся изменением уровня энергии системы. Рассмотрение вопроса о возможности приложения тех или иных видов энергии следует начать с анализа физического состояния системы и ее компонентов. Наименее изученным и в то же время наиболее существенным является состояние ОВ и его продуктов превращения. Можно предположить, что ОВ и продукты его превращения находятся в системе в следующем состоянии: в виде агрегатов в пустотах; сорбированном на поверхности минералов и связанном со структурой породы; растворенном в воде; в виде отдельных капель (нефти) и пузырьков (газа) пли скоплений нефти и газа.
На протяжении всего цикла нефтегазообразования возможен расход энергии на осуществление следующих процессов (по отношению к среднему члену системы): преодоление инерции - энергетического порога - для самопроизвольных реакций, протекающих в ОВ; увеличение скорости реакций (увеличение кинетической энергии молекул); разрыв сорбционных связей; разрушение структуры породы (если ОВ заключено в структуре породы); разрушение молекулярных связей в образующихся органических молекулах; реакции синтеза УВ; первичную миграцию, первичную аккумуляцию; вторичную миграцию; образование залежей нефти и газа; разрушение залежей нефти и газа.
В литосфере протекает множество экзотермических процессов, энергия которых может быть использована на превращения (включая перемещение) ОВ и его дериватов. Наиболее характерные группы процессов приведены в таблице. Все эти процессы протекают в условиях воздействия на них различных силовых полей Земли. Последние иногда могут оказывать непосредственное воздействие на ОВ системы (например, тепловые и гравитационные поля), а иногда обусловливают или существенно влияют на проявление тех или иных процессов. Собственно говоря, обычно исследуются процессы с последующим заключением (к сожалению, далеко не всегда) об источнике энергии. Поэтому в таблице наряду с процессами, обусловленными тем или иным видом энергии, перечислены и основные поля Земли как источники энергии. В земной коре все упомянутые в таблице источники энергии сложно взаимодействуют между собой, иногда обусловливая и контролируя друг друга, а в сумме определяя направленность процесса. Воздействие различных видов энергии на рассматриваемую систему и отдельные ее компоненты изучено в общем слабо и неравномерно.
Источники энергии по отношению к системе осадок - ОВ - вода можно подразделить на внутренние и внешние. Говоря о внутренних источниках энергии, можно отметить относительно хорошую изученность только микробиологических процессов. Влияние остальных источников энергии на рассматриваемую систему практически не изучалось, хотя некоторые из них обладают большими ресурсами энергии (например, п. 2, 4, 5 таблицы), а другие (например, п. 3) могут оказывать существенное влияние на механизм различных реакций. Преимущество внутренних источников энергии - их воздействие в объеме системы.
Сравним влияние однотипного источника энергии - радиоактивности, как внутреннего (п. 3 левой части таблицы), так и внешнего (п. 8 правой части таблицы). Радиоактивность как внешний источник вызывает увеличение теплового потока (максимум на 7-15%), который в свою очередь оказывает влияние на систему. Внутреннее воздействие радиоактивности на систему приводит к незначительному тепловому эффекту, однако жесткое излучение (a и g) обусловливает образование свободных радикалов и непредельных УВ.
Механизм реакций превращения ОВ изучен слабо. Не исключено, что имеет место механизм с участием свободных радикалов, предполагавшийся ранее группой исследователей [6], а затем, разработанный Э.М. Галимовым [2]. При наличии такого механизма существенное значение приобретают непредельные (алифатические) УВ. Еще В.А. Соколов [10] указывал на непредельные УВ как на соединения, неизбежно возникающие на пути преобразования ОВ в нефть. При этом он считал: «Повышенная температура в сочетании с большим давлением благоприятствует реакциям гидрогенизации непредельных углеводородов и переходу их в предельные. Если из-за недостатка водорода процесс гидрогенизации не происходит, то повышение температуры и давления обусловливает полимеризацию непредельных и другие их реакции. Поэтому в газовых и нефтегазовых залежах концентрации непредельных очень невелики» [там же, с. 16]. Однако А.М. Акрамходжаев и др. [1], Н.А. Еременко и Р.А. Твердова [4], Б. Тиссо и Д. Вельте [12] указывают на наличие непредельных УВ в керогене пород различного возраста. Видимо, непредельные УВ должны рассматриваться как индикатор продолжающихся процессов нефтегазообразования. Необходимо отметить, что внутренние источники энергии, оказывая существенное, а может быть, и решающее влияние на перераспределение энергии внутри системы, не могут поднять общий уровень ее энергии.
Говоря о внешних источниках энергии можно отметить, что детально изучалось лишь влияние теплового потока, а при формировании залежей исследовали гравитационные, тектонические и гидродинамические источники энергии. Вызывает удивление что из всех известных полей Земли на первых стадиях цикла большое внимание было уделено лишь влиянию теплового потока. Для научной разработки теории происхождения нефти важно выявить роль каждого источника энергии и затем определить их суммарное воздействие на систему осадок - ОВ - вода.
Попытаемся вначале создать хотя бы гипотетическую схему изменения уровня энергии в цикле нефтегазообразования (см. рисунок). На рисунке на оси ординат показывается изменение энергетического состояния системы (или подсистемы) как суммы потенциальной (гравитационной поверхностной, упругой, химической) и кинетической энергии. Малые скорости перемещения в системе позволяют пренебречь кинетической энергией. В точке А система осадок - ОВ - вода имеет некоторый уровень энергии. Вследствие естественной диссипации энергии ее уровень во времени будет падать. Наклон линии АВ (а скорее всего кривой) неизвестен и определяется скоростью процесса. По мнению одних исследователей, самопроизвольно процесс может продолжаться миллионы лет, по мнению других, - миллиарды. Скорость процесса может быть значительно увеличена за счет различных источников энергии.
В настоящей статье нет возможности рассмотреть влияние каждого источника энергии, приведенного в таблице, на данную систему на протяжении всего цикла нефтегазообразования. Эта большая работа ждет своего исследователя. Ограничимся здесь лишь замечаниями самого общего характера.
Внутренние источники энергии в процессе, отраженном на рисунке линией АВ, могут иметь максимальное значение. В настоящее время по характеристике каждого источника энергии, упомянутого в левой части таблицы (за исключением источников, указанных в пп. 3-6), опубликовано довольно много исследований. По мнению Э.М. Галимова [2], запас свободной поверхностной энергии твердой фазы глинистых пород по порядку величины сопоставим с энергией, поглощаемой эндотермическими реакциями синтеза УВ. На этой стадии (на рисунке отрезок АВ) существенное влияние на процесс могут оказать и внешние источники энергии. Этот вопрос остается практически неизученным. Можно указать лишь на немногочисленные работы [2, 9, 13], где затрагиваются пп. 4в, 4г правой стороны таблицы. Если согласиться с Э.М. Галимовым, что «радикальные реакции характерны в целом для процесса нефтегазообразования» и что введение радикала в реакцию «может обеспечить осуществление реакций, термодинамически запрещенных при данных температурах» [2, с. 210, 212], то представляется заманчивым рассмотрение влияния других полей Земли (см. пп. 3 и 5 правой стороны таблицы).
На протяжении процесса нефтегазообразования по линии АВ общий энергетический уровень системы и ее членов падает. Падение только по среднему члену системы (ОВ) оценивается в 100-1000 раз. Не следует забывать, что изменяется уровень энергии и двух других членов системы, в некоторой степени изученный для пород (литогенез) и практически совершенно не исследованный для воды. В среднем члене системы (ОВ) происходит перераспределение энергии в соответствии с принципом А.Ф. Добрянского [3]. С одной стороны, образуются химически высокоэнергетические соединения типа УВ, а с другой - вещества типа Н2O, СO2 и конденсированных соединений углерода с низким уровнем энергии. Образовавшиеся УВ и некоторые другие органические соединения, вошедшие впоследствии в состав нефти, оказываются рассеянными в породе в одном из состояний, описанных выше для точки А. Переход их в свободное состояние требует некоторой затраты энергии, что условно отображено на рисунке пунктирными линиями от линии АВ к точке D. Здесь по-прежнему, видимо, велико влияние внутренних источников энергии (особенно пп. 2, 4, 5 и 6 (?) таблицы). Возможные механизмы действия некоторых из них описаны, например, в работе [8].
Влияние внешних источников энергии, за исключением тепловой, на процесс нефтегазообразования совершенно не изучено. Его можно лишь предполагать (см. пп. 4, б, 4, в, 4, г и 5 таблицы). Здесь удобно перейти к рассмотрению подсистемы порода - активные продукты преобразования ОВ-вода. Хотя суммарный энергетический уровень новой подсистемы ниже уровня всей системы, удельный уровень (на грамм-молекулу) энергии среднего члена АПП выше, чем ОВ. Это изображено на рисунке условно несколько приподнятым положением точки D. Дальнейшее рассеивание энергии рассматриваемой подсистемы отражено соответствующим наклоном линии на рисунке.
Для перехода среднего члена подсистемы АПП из нефтематеринских пород в резервуары (первичная миграция) вновь требуется произвести некоторую работу и несколько поднять уровень энергии подсистемы до точки Е на рисунке. Вопросам первичной миграции как одному из наиболее слабых звеньев теории органического происхождения нефти посвящено огромное количество работ. В большинстве из них основное внимание уделяется механизму явления, в то время как энергетическая сторона вопроса обычно остается в тени. Внутренние источники энергии на этой стадии становятся, по-видимому, менее активными, но источники пп. 4, 5 и 6 таблицы должны оказывать существенное влияние. Значительно возрастает роль внешних источников энергии (п. 4). Можно предполагать активное участие источника п. 5. однако этот вопрос никем не изучался.
Не останавливаясь на рассмотрении различных предложенных механизмов первичной миграции, хотелось бы подчеркнуть, что геологами несколько недооценивалось значение переноса жидких УВ сжатыми газами. Причиной тому являлись два обстоятельства. Исходя из баланса разложения ОВ, давлений и температур в недрах предполагали, что образующиеся газы полностью растворяются в воде. Неверное представление о балансе свободных газов в земной коре определило позицию: наличие газов в свободном состоянии возможно только в залежах. Первое положение, как показали работы А.Э. Конторовича [7], оказалось ошибочным: в довольно широком диапазоне условий образующиеся из ОВ газы могут находиться в свободном состоянии. Второе положение опровергается обнаружением глинистых толщ (майкопская свита Предкавказья, карбон и девон Аппалачей и многие другие), содержащих огромное количество свободного газа в рассеянном состоянии. Таким образом, механизм переноса жидких УВ и некоторых других продуктов разрушения ОВ сжатыми газами, теоретически и экспериментально обоснованный в работах Т.П. Жузе [5] и ее школы, является, по-видимому, одним из наиболее распространенных в природе.
Из второго постулата, высказанного в начале статьи, и всего последующего изложения неизбежно вытекает вывод, что УВ и другие продукты разложения ОВ, слагающие нефть, попадают в резервуары (точка Е на рисунке) в рассеянном состоянии. Совершенно очевидно, что здесь (точка E), как и в предыдущих случаях, без воздействия дополнительных энергетических факторов общий уровень энергии подсистемы будет снижаться. Для того, чтобы собрать в залежь рассеянные в породе УВ, сконцентрировать рассеянную энергию, необходимо проделать большую работу, затратить энергию аккумуляции, которая вряд ли восполнима за счет внутренней энергии подсистемы. По-видимому, на стадии процесса аккумуляции можно выделить минимум две подстадии - первичную и вторичную. Первичная аккумуляция - формирование из рассеянных форм УВ отдельных капель и пузырьков, затем соединение их в более крупные скопления. Только на этой подстадии впервые можно говорить о первичной нефти, или микронефти. Именно здесь образуются те соединения, которые именуются нефтью и природным газом. Вопросы перемещения первичных скоплений, т. е. вторичная миграция, в том числе ее разновидность - струйная миграция - изучены значительно лучше, хотя еще и не вполне достаточно. В энергии аккумуляции на второй подстадии (вторичная миграция, миграция по резервуарам и между резервуарами) совершенно очевидно на первый план выдвигаются внешние источники энергии (см. пп. 1, 4 и 6 таблицы).
В точке F или на пути к ней возникает новая подсистема порода - нефть (газ) - вода. Таким образом, точка F соответствует такому энергетическому состоянию всей системы, при котором уже существуют залежи нефти и газа, в то время как ранее упомянутые процессы преобразования компонентов системы все еще могут продолжаться (литогенез, метаморфизм вод, превращения керогена). В подсистеме резервуар - нефть (газ) - вода продолжаются процессы релаксации энергии (в частности, разрушения залежей).
Каково общее снижение уровня энергии системы от точки А до точки F? На этот вопрос пока еще трудно ответить, для этого необходимо проведение большого объема научно-исследовательских работ. Пока произведена лишь оценка потерь по массе для среднего члена (ОВ) системы:
А>С*102; С> 10D; D> 10F;
таким образом, A>F*104-5.
В залежь УВ переходит не более чем n*10-4-10-5 исходного ОВ. Однако эти соотношения не могут полностью характеризовать изменения энергетического уровня среднего члена системы и тем более всей системы в целом. Не следует забывать, что при переходах к точкам D, Е и F использовались внешние (по отношению к системе) источники энергии. При этом несколько повышался уровень энергии, если не всей системы, то, во всяком случае, входящих в нее подсистем и некоторых их компонентов. Превращения ОВ за счет перераспределения энергии (по принципу А.Ф. Добрянского) и воздействие внешних источников энергии - достаточные основания для предположения, что удельный уровень энергии УВ в точке F выше, чем удельный уровень энергии ОВ в точке А.
В настоящее время все большее внимание уделяется вопросам происхождения нефти. Без их решения не представляется возможным произвести научно обоснованную оценку прогнозов ресурсов УВ в земной коре. Поэтому так детально изучаются история развития нефтегазоносных бассейнов и процессы нефтегазообразования в них. Можно согласиться с Б.А. Соколовым, что нефтегазоносность «осадочного бассейна является свойством, которое, определенным образом, проявляется на определенном этапе его существования» [11, с. 5]. Однако проявление этих свойств и соответственно выявление предлагаемых Б.А. Соколовым «нефтегеологических режимов» должны производиться путем системного анализа на некоторой единой базе, охватывающей весь цикл нефтегазообразования. Предлагаемый в данной статье «энергетический» подход к изучению системы порода - нефть (газ) - вода может оказаться наиболее продуктивным для решения основных вопросов геологии нефти.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акрамходжаев А.М., Киршин А.В., Кушнир М.И. Еще раз о нефтеобразующем потенциале РОВ и его количественной оценке. - Узб. геол. ж-л, 1978, № 4, с. 89-91.
2. Галимов Э.М. О новой химической модели процесса нефтегазообразования. - В кн.: Природа органического вещества современных и ископаемых осадков. М., 1973.
3. Добрянский А.Ф. Геохимия нефти. Л., Гостоптехиздат, 1948.
4. Еременко Н.А., Твердова Р.А. Сорбированные углеводороды в рассеянном органическом веществе. - Геология нефти и газа, 1980, № 12, с. 26-31.
5. Жузе Т.П. Сжатые газы как растворители. М., Недра, 1974.
6. Закономерности изменения состава попутных газов по стратиграфическому разрезу / С.П. Максимов, Н.А. Еременко, Н.М. Туркельтауб и др. - Геология нефти и газа, 1959, № 1, с. 55-61.
7. Конторович А.Э. Геохимические методы количественного прогноза нефтегазоносности. М., Недра, 1976.
8. Особенности литогенеза нефтегазоносных толщ в разных условиях / Н.А. Еременко, И.Д. Зхус, М.В. Корж и др. - В кн.: Литология на новом этапе развития геологических знаний. М., 1981.
9. Применение подземных ядерных взрывов в нефтедобывающей промышленности. Под ред. А.А. Бакирова, Э.А. Бакирова. М., Недра, 1981.
10. Соколов В.А. Процессы образования нефти и газа. - В кн.: Происхождение нефти и газа и формирование их месторождений. М., 1972, с. 16-39.
11. Соколов Б.А. Эволюционная нефтегазовая геология - новое направление геологии и геохимии нефти и газа. - Изв. АН СССР. Сер. геол., 1981, № 12.
12. Тиссо Б., Вельте Д. Образование и распространение нефти. М., Мир, 1981.
13. Petzoukha У. A new tectonophysical approach to low temperature mineral transformation of source rocks, maturation of organic matter, expulsion and accumulation of hydrocarbons. 26 Congres Geologique International, Paris, vol. II, sec. 6-12, 1980, p. 789.
Поступила 13/VII 1982 г.
|
Источники энергии |
||
|
Внутренние по отношению к системе |
Внешние по отношению к системе |
|
|
1. Микробиологические процессы (+) |
1. Гравитационное поле земли (+?) |
|
|
2. Выделение свободной (химической) энергии ОВ (+?) |
2. Тепловое поле земли (+?) |
|
|
3. Радиоактивность вмещающих отложений (+) |
3. Магнитное поле земли (?) |
|
|
4. Уплотнение пород (глинистых - уменьшение поверхности) (+) |
4. Тектонические процессы - возмущение «покоя» земной коры - активизация различных источников энергии, в том числе: а) градиент р (?), б) градиент t (?), в) геодинамическое уплотнение (и разуплотнение) (+), г) сейсмичность (+) |
|
|
5. Кристаллизация и перекристаллизация (карбонаты, монтмориллонит и, возможно, др.) (+) |
5. Вторичные (наведенные) электрические поля (+?) |
|
|
6. Другие экзотермические реакции в процессе литогенеза (?) |
6. Гидродинамические процессы (-) |
|
|
7. Упругая энергия пород и флюидов |
7. Космические излучения (?) |
|
|
8. Радиоактивность (?) |
||
Примечание. В скобках отражена возможность образования свободных радикалов.
Рисунок Гипотетическая схема изменения уровня энергии в цикле нефтегазообразования
