какие гипотезы образования нефти существуют

Происхождение нефти. Новые теории и старые споры

Происхождение нефти, газа и угля теоретически обоснованы давно и стали научной классикой. Сейчас, начитавшись учебников, мало кто сомневается — это органические останки древних растений и животных, преобразовавшиеся под воздействием давления недр и при недостатке кислорода. Поэтому уголь, нефть и газ относят к невозобновляемым ресурсам. Ввиду чего пресса нас регулярно пугает весьма коротким промежутком времени, оставшемся до их полного исчерпания.

В угле этому находят неоспоримые подтверждения — следы древних животных организмов и растений. Но с нефтью, оказывается, все далеко не так однозначно. Существует еще, как минимум, две теории происхождения нефти, имеющие под собой достаточно серьезную научную основу.

Происхождение нефти. Основания классической теории

Подтверждением классической теории образования нефти служит опыт немецких ученых Г.Гефера и К.Энглера поставленный ими в 1888 году. Они осуществили перегонку рыбьего жира при температуре 400 С и давлении около 1 МПа. При этом им удалось получить предельные углеводороды, парафин, смазочные масла, с высоким содержанием алкенов, нафтенов и аренов.

Позже академик Н.Д. Зелинский проводил похожий опыт, но исходным материалом был выбран органический ил образованный из водорослей. Ему удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…

Казалось бы, все с этим процессом встало на свои места. Миллионы лет назад отложившиеся останки попавшие на большие глубины (как?) под действием давления и температур преобразовались в нефть-газ-уголь. Это и есть органическая теория происхождения нефти.

Но скоро (через 50 лет) мы их все извлечем, и придется подождать еще несколько миллионов лет до возобновления запасов.

Не тут-то было

Факты свидетельствуют о том, что процессы образования нефти и газа продолжаются и гораздо более высокими темпами, чем это возможно по классической теории.

Об фактах продолжающегося образования нефти и газа свидетельствуют длительные сроки эксплуатации месторождений, достигающие ста и более лет, и суммарные объемы накопленной добычи, многократно превышающие первоначально планируемые. Уровень добычи на месторождениях на поздних ее этапах сначала снижается до 10-20% от максимального уровня добычи, а затем стабилизируется.

Например, Шебелинское месторождение эксплуатируется уже более 50 лет, при этом его ресурсы не иссякают. Начальные запасы газа месторождения неоднократно уточнялись в сторону увеличения. В настоящее время они в 2 раза выше чем первоначально утвержденные.

В Татарстане также установлено явное несоответствие нефтяных ресурсов и объемов добычи нефти. Сейчас уже извлечено более 3 млрд. т. нефти, в то время как оценка их нефтематеринского материала для всей осадочной толщи составляет всего 709 млн. т. И это не единичные случаи.

Теория первая. Карбидная или биогенная

В 1866 году французский химик М.Бертло предположил, что происхождение нефти связано с минеральными веществами. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, и ему удалось искусственно синтезировать углеводороды из неорганических веществ.

Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества некто Д.И.Менделеев изложил свою гипотезу образования нефти. Великий химик считал, что во время процессов горообразования по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа и под воздействием высоких температур и давления вступает в химическую реакцию.

В результате этой реакции образуются оксиды железа и углеводороды. Образующиеся вещества по разломам коры поднимаются в верхние ее слои и насыщают пористые породы. В результате образуются газовые и нефтяные месторождения.

Менделеев ссылается при этом на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.

В то время идеи «чистого химика» Менделеева не имели успеха у геологов, которые сочли опыты, проведенные в лаборатории отличными от процессов, происходящих в природе.

Однако карбидная или, как ее еще называют, а биогенная теория о происхождении нефти получила доказательства из неожиданного источника – от астрофизиков. Изучение спектров небесных тел показало, что в атмосфере Юпитера и некоторых других планет, как и в газовых оболочках комет присутствуют углеводороды. Ну, а раз соединения углерода с водородом распространены в космосе, значит процессы синтеза органических веществ из неорганики в природе имеют место быть!

Теория вторая. Круговорот углерода в природе

Группой ученых из Института проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН) под руководством доктора геолого-минералогических наук Азария Баренбаума была разработана еще одна теория происхождения нефти и газа.

Согласно их концепции, залежи углеводородов могут возникать не за миллионы лет, а за десятилетия. При этом одновременно подвергается сомнению теория парникового эффекта, поскольку основным тезисом утверждается, что уровень двуокиси углерода в атмосфере может саморегулироваться, а значит неуправляемого накопления углекислоты в атмосфере не происходит.

Теория российских ученых предполагает, что нефтегазообразование – это процесс не столько геологический, сколько климатический. Он связан с круговоротом воды и углерода на Земле. Поступающий с дождевыми водами углерод, захваченный из атмосферы в форме гидрокарбоната в условиях земной коры восстанавливается до углеводородов, из которых уже в геологических структурах-ловушках формируются нефтегазовые скопления. Т.е. данная теория также предполагает неорганическое происхождение нефти.

По оценкам российских ученых до 90% нефтегазовых скоплений на глубинам от 1 до 10 километров появляются благодаря описанной им теории, и только 10% запасов формируются из органических остатков, как это предполагалось классической теорией.

И еще один важный вывод российских ученых-геологов заключается в том, что благодаря активному участию в образовании нефти и газа климатического круговорота, пополнение залежей ископаемых углеводородов происходит не за многие сотни тысяч и миллионы лет, а всего лишь за несколько десятилетий.

А второй вывод заключается в том, что умеренное извлечение нефти и газа из залежей не должно сильно влиять на потенциальную нефтегазоносность региона. Но это верно при условии, что углеводороды будут потребляться в пределах того же региона, что и их добыча. То есть тепловые электростанции, работающие на углеводородах, компенсируют добычу нефти и газа ее образованием.

Источник

1.1. Сведения о нефти и газе. Теории происхождения нефти и газа.

Тема 1.1 ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ

Оглавление

Введение

Бурный научно-технический прогресс и высокие темпы развития различных отраслей науки и мирового хозяйства в XIX – XX вв. привели к резкому увеличению потребления различных полезных ископаемых, особое место среди которых заняла нефть.

Нефть начали добывать на берегу Евфрата за 6 – 4 тыс. лет до нашей эры. Использовалась она и в качестве лекарства. Древние египтяне использовали асфальт (окисленную нефть) для бальзамирования. Нефтяные битумы использовались для приготовления строительных растворов. Нефть входила в состав «греческого огня». В средние века нефть использовалась для освещения в ряде городов на Ближнем Востоке, Южной Италии и др. В начале XIX в. В России, а в середине XIX в. в Америке из нефти путем возгонки был получен керосин. Он использовался в лампах. До середины XIX в. нефть добывалась в небольших количествах из глубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на поверхность. Изобретение парового, а затем дизельного и бензинового двигателя привело к бурному развитию нефтедобывающей промышленности.

Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком, иногда почти черная, очень редко бесцветная.

Еще три века назад слова “газ” не существовало. Его впервые ввел в
XVII веке голландский ученый Ван-Гельмонт. Оно определяло вещество, в отличии от твердых и жидких тел способное распространятся по всему доступному ему пространству (в обычных условиях) без скачкообразного изменения своих свойств. С тех пор слово “газ” во все основные языки мира.
Среди известного комплекса естественных полезных ископаемых, относящихся к топливно-энергетичесской группе, одно из основных по использованию в народном хозяйстве странны занимают природные горючие газы.[3]

Природный газ имеет широкое применение в народном хозяйстве. Также природный газ лучший вид топлива. Его отличают полноте сгорания без дыма и копоти; отсутствие золы после сгорания; легкость розжига и регулирование процесса горения. Запасы природного газа на нашей планете очень велик. Он является источником сырья для химической промышленности. Помимо природного газа существует искусственный газ. Впервые он был получен в лабораторных условиях в конце XVIII века. Искусственным газом сначала освещались улицы и помещения, поэтому его и назвали “светильным газом”. Помимо названных газов существуют также попутные нефтяные газы. По своему происхождению тоже является природным газом. Особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью – он растворен в ней и находится над нефтью, образовывая газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого давления отделяется от нее. [1]

1.1 Состав нефти и газа

Что такое нефть и газ известно всем. И в то же время даже специалисты не могут договориться между собой о том, как образуются нефтяные залежи. Такая ситуация покажется не столь уж странной, если начать знакомиться с «биографией» этого полезного ископаемого.

В нефти содержится почти столько же углерода, сколько и в каменном угле – около 86%, а вот водорода побольше – 13% против 5-6% в угле. Зато кислорода в нефти совсем мало – всего 0,5%. Кроме того, в ней есть также азот, сера и другие минеральные вещества.

В химическом отношении нефть – сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы – тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато соответственно, большее количество водорода и кислорода. Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов – алканы, нафтены и арены.

Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть. Асфальто-смолистая часть – темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворяющуюся, понятно, смолой.

Порфирины – особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. Серы в нефти бывает довольно много – до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.

И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе, обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ.

К сказанному, пожалуй, можно добавить, что геологический сосед нефти – природный газ – тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего – до 95% по объему – в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутаны и другие алканы – от С5 и выше. Более тщательный анализ, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.

В то же время растворимость газообразных гомологов метана растет с увеличением в нефти легких фракций УВ. Содержание диоксида углерода в газах изменяется от долей процента до 10 и более процентов. Предполагается, что основным источником СО2 в природных газах является окисление углеводородов и отчасти ОВ. В ряде случаев СО2 имеет явно термокаталитическое, поствулканическое или метаморфическое происхождение.

Примером может служить Межовское газовое месторождение, открытое в Западной Сибири. Оно находится в породах фундамента и состоит на 95 % из диоксида углерода. Результатом метаморфического разложения карбонатов объясняется большое содержание диоксида углерода в газах Астраханского газоконденсатного месторождения и его большое содержание в попутных газах газонефтяных залежей, залегающих в палеозойских отложениях на юге Западной Сибири.

Рис 2 – Химический состав газа

1.2 Свойства нефти и газа

Цвет нефти зависит от ее плотности: светлые нефти обладают меньшей плотностью, чем темные. А чем больше в нефти смол и асфальтенов, тем выше ее плотность. При добыче нефти важно знать ее вязкость. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамической вязкостью называется внутреннее сопротивление отдельных частиц жидкости движению общего потока. У легких нефтей вязкость меньше, чем у тяжелых. При добыче и дальнейшей транспортировке тяжелые нефти подогревают. Кинематической вязкостью называется отношение динамической вязкости к плотности среды.

Большое значение имеет знание поверхностного натяжения нефти. При соприкосновении нефти и воды между ними возникает поверхность типа упругой мембраны. Капиллярные явления используются при добыче нефти. Силы взаимодействия воды с горной породой больше, чем у нефти. Поэтому вода способна вытеснить нефть из мелких трещин в более крупные. Для увеличения нефтеотдачи пластов используются специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Нефти имеют неодинаковые оптические свойства. Под действием ультрафиолетовых лучей нефть способна светиться. При этом легкие нефти светятся голубым светом, тяжелые – бурым и желто-бурым. Это используется при поиске нефти.

Нефть является диэлектриком и имеет высокое удельное сопротивление. На этом основаны электрометрические методы установления в разрезе, вскрытом буровой скважиной, нефтеносных пластов. Углеводородные газы, в зависимости от их состава, давления и температуры могут находиться в залежи в различных состояниях – газообразном, жидком или в виде газожидкостных смесей. Газ обычно расположен в газовой шапке в повышенной части пласта.

Если газовая шапка в нефтяной залежи отсутствует (это возможно при высоком пластовом давлении или особом строении залежи), то весь газ залежи растворён в нефти. Этот газ будет, по мере снижения давления, выделятся из нефти при разработке месторождения и будет называться попутным газом.

В пластовых условиях все нефти содержат растворённый газ. Чем выше давление в пласте, тем больше растворённого газа в нефти.

Давление, при котором весь имеющийся в залежи газ растворён в нефти, называется давлением насыщения. Оно определяется составом нефти и газа и температурой в пласте.

От давления насыщения зависит газовый фактор – количество газа (в м3), содержащееся в 1 тонне нефти.

Газы могут находиться в пласте в трёх состояниях: свободном, сорбированном, растворённом. [5]

1.3 Классификация сортов нефти

Одной из основных задач организации является создание единого глобального подхода, суть которого в создании единого мирового языка, на котором могут общаться все участники мировой торговли.
В качестве единого способа для создания такого языка явилась возможность использования классификаторов.

Химическая классификация

В основу этой классификации положено преимущественное содержание в нефти углеводородов одного или нескольких классов. Класс нефти по групповому химическому составу определяется не во всей пробе нефти, а во фракции, выкипающей до 300 ˚С. В зависимости от преобладания в этой фракции углеводородов одного класса (выше 50%), нефти делятся на три основных типа:

Если во фракции, выкипающей до 300 ˚С, содержится более 25% углеводородов других классов, то такие нефти относят к нефтям смешанного типа:

Имеются нефти, когда все три основные класса углеводородов содержатся в них примерно в одинаковых количествах, это метано-нафтено-ароматические нефти. Нефти первых трёх типов встречаются редко. Из них чаще других встречаются нафтеновые нефти, чаще ароматические. Большинство нефтей относится к смешанным типам. Нефти типов МА и АМ в природе не обнаружены.

Технологическая классификация

По количеству серы нефти подразделяются на три класса:

По выходу светлых фракций, перегоняющихся до 350 ˚С, нефти делятся на три типа:

По содержанию базовых масел нефти делятся на четыре группы:

По качеству базовых масел, оцениваемому индексом вязкости, различают две подгруппы (И1, И2).

2.1 Органическая теория происхождения нефти

Основоположником органической теории происхождения нефти является М.В. Ломоносов. Он объяснял образование каменного угля за счёт болотного торфа путём его обугливания при повышении температуры и давления. С этим же явлением он связывал возникновение нефти.

В середине 18 века в своем трактате «О слоях земных; великий русский ученый Ломоносов писал: » Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя. и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменного масла, жидовская смола, нефть. Которые хотя чистотой разнятся. Однако из одного начала происходят»

Таким образом, более 200 лет назад была высказана мысль об органическом происхождении нефти и каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть и газ. Родилась органическая гипотеза.

М.В.Ломоносов был не единственный, кто высказался по интересующему нас вопросу в 18 веке. Правда, другие гипотезы того времени носили курьёзный характер. Так, один варшавский каноник утверждал, что Земля в райский период была настолько плодотворна, что на большую глубину содержала жировые примеси. После грехопадения этот жир частично испарился, а частично погрузился в землю, смешиваясь с различными веществами. Всемирный потоп содействовал превращению его в нефть.Идеи Ломоносова поддерживали такие учёные как Ч. Лайель, Потонье, Д. Уайт.

В начале 20 века в работах Г. Потоноье (1904, 1908), Г.П. Михайловского (1906) и Н.И. Андрусова (1908) были выдвинуты положения об образовании нефти из сапропелевого органического вещества.

Г. Потонье считал, что нефть является продуктом перегонки сапропелевых горных пород под действием подземного тепла. Г. Потонье в начале 20 века связывал образование нефти с сапропелевым органическим веществом, обогащенным живыми компонентами.

Позже, почти до начала ХХ в., исследователями предлагались различные гипотезы органического происхождения нефти, причем одни учёные считали, что нефть образуется из растительных осадков, а другие основное значение придавали ОВ животного происхождения.

Однако все варианты теории органического происхождения углеводородов объединяет то, что исходным материалом для образования нефти считается органическое вещество.

В 1906 году Михайловский выдвинул свою гипотезу происхождения нефти. Её можно охарактеризовать по следующим пунктам.

2) Захоронение приурочено к глинистым илам

3) Первая стадия образования материнского органического вещества связывается с бактериальными процессами

6) Скопление нефти в коллекторах является вторичным

7) Образование залежей нефти происходит в результате тектонических нарушений.

Эта схема получила развитие у Губкина («Учение о нефти» 1937). С этими положениями соглашается большинство геологов-нефтяников. [1]

2.2 Неорганическая теория происхождения нефти

Основные вехи в длительном процессе научного разрешения вопроса о происхождении нефти были намечены русскими учёными. Впервые в 1763 М. В. Ломоносов высказал предположение о происхождении нефти из растительных остатков, подвергшихся обугливанию и давлению в земных слоях. Эти идеи Ломоносова далеко опередили научную мысль того времени, искавшую источники нефти среди неживой природы.

В 1805 г. знаменитый немецкий естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт высказал предположение, что нефть образуется на больших глубинах в магматических породах. Он наблюдал, как нефть сочилась из таких пород в Южной Америке, Венесуэле. В 1866 г. французский химик Пьер Бертло обнаружил, что газ ацетилен (ненасыщенный углеводород) при низких температурах может переходить в тяжёлые углеводороды. На этом основании он сделал вывод о том, что так образовались углеводородные соединения метеоритов и что, по-видимому, подобное происхождение имеют углеводороды на других планетах.

В 1866 французский химик М. Бертло высказал предположение, что нефть образуется в недрах Земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы.

В 1871 французский химик Г. Биассон выступил с идеей о происхождении нефти путём взаимодействия воды, CO2, H2S с раскалённым железом.

В 1889 В. Д. Соколов изложил гипотезу космического происхождения нефти. По этой гипотезе исходным материалом для возникновения нефти служили углеводороды, содержавшиеся в газовой оболочке Земли ещё во время её звёздного состояния. По мере остывания Земли углеводороды поглотились расплавленной магмой. Затем, с формированием земной коры, углеводороды проникли в осадочные породы в газообразном состоянии, конденсировались и образовали нефти. [5]

Д. И. Менделеев, разделявший вначале представление об органическом происхождении, склонялся к мысли о происхождении её в результате реакций, идущих на больших глубинах, при высоких температурах и давлениях, между карбидом (углеродистым железом) и водой, просачивающейся с поверхности земли. Гипотеза Менделеева о происхождении нефти из неорганического вещества теперь имеет лишь исторический интерес.

Теории происхождения нефти более чем достаточно, и все они имеют место существовать. Проблема происхождения нефти перекликается с нерешенными вопросами происхождения нашей планеты, жизни на Земле, которая имеет те же фактические и философские корни. Так же есть одна теория которая связывает органическое и неорганическое происхождение нефти. [3]

2.3 Происхождение газа

Относительно происхождения природного газа (как, впрочем, и нефти) среди ученых до сих пор не существует единого мнения. Две основные концепции — биогенная и минеральная — утверждают разные причины образования углеводородных полезных ископаемых в недрах Земли.

Минеральная теория

Образование полезных ископаемых в пластах горных пород — часть процесса дегазации Земли. Из-за внутренней динамики Земли углеводороды, находящиеся на больших глубинах, поднимаются в зону наименьшего давления, образуя в результате газовые и нефтяные залежи.

Биогенная теория

Живые организмы, погибшие и опустившиеся на дно водоемов, разлагались в безвоздушном пространстве. Опускаясь все глубже из-за геологических движений, остатки разложившейся органики превратились под воздействием термобарических факторов (температуры и давления) в углеводородные полезные ископаемые, в том числе — в природный газ.

Довольно распространено ложное представление о том, что газ находится под землей в неких пустотах, из которых легко полностью извлекается.

На самом деле газ может находиться внутри горной породы, имеющей пористую структуру настолько мелкую, что человеческим глазом ее увидеть нельзя. Держа в руках кусок песчаника, извлеченного с огромной глубины, достаточно сложно представить, что внутри заключен природный газ.

Человечество знает о существовании природного газа давно. И, хотя уже в IV веке до н. э. в Китае его научились использовать для отопления и освещения, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов.

Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, служения в котором проходили вплоть до XIX века. [2]

Заключение

Химически нефть – это сложная смесь углеводородов с различным числом атомов углерода в молекулах; в их составе могут присутствовать сера, азот, кислород и незначительные количества некоторых металлов.

Сырая нефть – природная легко воспламеняющаяся жидкость, которая находится в глубоких осадочных отложениях и хорошо известна благодаря ее использованию в качестве топлива и сырья для химического производства.

Нефть (и газ) останутся в ближайшем будущем основой обеспечения энергией народного хозяйства и сырьем нефтегазохимической промышленности. Здесь будет многое зависеть от успехов в области поисков, разведки и разработки нефтяных (и газовых) месторождений. Но ресурсы нефти (и газа) в природе ограничены.

Бурное наращивание в течение последних десятилетий их добычи привело к относительному истощению наиболее крупных и благоприятно расположенных месторождений. В проблеме рационального использования нефти (и газа) большое значение имеет повышение коэффициента их полезного использования.

Одно из основных направлений здесь предполагает углубление уровня переработки нефти в целях обеспечения потребности страны в светлых нефтепродуктах и нефтехимическом сырье.

Другим эффективным направлением является снижение удельного расхода топлива на производство тепловой и электрической энергии, а также повсеместное снижение удельного расхода электрической и тепловой энергии во всех звеньях народного хозяйства.[4]

Необходимо детально дорабатывать модель образования нефти и газа с точки зрения геологии.

Наблюдения, как в природе, так и в лабораторных условиях показывают, что нефть может образовываться довольно быстро, и что она необязательно должна иметь многомиллионный возраст. Необходимы дальнейшие исследования.

Теорий происхождения неорганической нефти достаточно много и это дает возможность полагать, что запасы нефти зависят не только от органических остатков и долгого процесса образования. Это дает надежду что нефть почти неисчерпаема и её хватит нам и нашим предкам.

Источник