содержание .. 60 61 62 63 ..

ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА (Арвилл Леворсен) - часть 62

следующей главе.

Интересно сравнить состав ОВ пород-неколлекторов и нефти (в вес. %).

Органическое

вещество

Нефть

Углерод

52-71

83-87

Водород

5-10

11-15

Кислород

5-20

Следы - 4

Азот

4-6

Следы - 4

Сера

Следы - 4

Это органическое вещество встречается обычно в трех разновидностях:

Углеводороды, аналогичные по составу и строению тяжелой фракции нефтей.

Природные асфальты из коллекторов, аналогичные по составу и внешнему виду

асфальтово-смолистым компонентам нефти.

Кероген, нерастворимое пиробитуминозное ОВ, обычно составляющее основную

массу рассеянного ОВ в породах-неколлекторах.

Углеводороды. Рассеянные в породах углеводороды, по всей вероятности,

происходят частично или полностью из живых организмов, растительных и животных.

Они могли образоваться также в результате некоторых процессов, приведших к

трансформации ОВ пли нефтеподобных гетеросоединений (асфальтово-смолистых

компонентов) ОВ через ряд последовательных изменений в нефтяные УВ. Такое

преобразование должно было происходить или до, или во время диагенеза и катагенеза

осадков, поскольку УВ [микронефть] почти повсеместно распространены в глинистых и

карбонатных породах.

Эрдман [26] изучил большое количество УВ нефтяного ряда, чаще всего

встречающихся в осадочных породах. Он проанализировал наиболее характерные

фракции этих УВ, которые содержатся как в нефти, так и в породах в измеримых

количествах. Из данных Эрдмана следует:

1. Ароматические углеводороды низкого молекулярного веса - бензин, нафталин,

толуол, этил-бензол, ксилены и другие фракции, выкипающие до 250°С, - составляют

около 5 % общего количества углеводородных фракций нефти и широко распространены в

древних отложениях. В современных осадках они не обнаружены, и, следовательно,

химический механизм их образования не связан с жизнедеятельностью организмов.

Эрдман утверждает, что такие соединения, как сквалены, каротены, терпены и

ненасыщенные (непредельные) жирные кислоты, содержащиеся в больших количествах в

наземных и морских растениях и животных, могли быть предшественниками легких

ароматических УВ.

2. Легкие алифатические углеводороды (предельные) - метан, этан, пропан, бутан,

пентан и т.д. - характерные компоненты нефти; сюда же относится н-гептан, наиболее

легкий углеводород, обнаруженный в живых организмах. Химический механизм

образования этих УВ пока еще неясен.

Важнейшим, а возможно и основным, источником алифатических УВ являются

протеины. В результате известных реакций взаимодействия аминокислот, приводящих к

образованию протеинов, образуются и все изомеры алифатических УВ. Аминокислоты

обнаружены и в древних, и в современных отложениях, причем в изобилии.

3. Средние и тяжелые алифатические, нафтановые и ароматические углеводороды

найдены как в породах, так и в нефтях. Эрдман полагает, что одни из них возникли из

таких биохимических компонентов живого вещества растений и животных, как липиды,

сохраняющиеся благодаря своей устойчивости без заметных изменений в течение

длительного геологического времени, а другие образовались из неуглеводородного

вещества - жирных кислот, альдегидов и спиртов.

Асфальтово-смолистые вещества. Эти компоненты - смолы, мальтены и

асфальтены - представляют собой неуглеводородные фракции органической части осадков

и нефтей, состоящие в основном из углерода и водорода с примесью кислорода, азота,

серы, ванадия и никеля. Это сложные вещества высокого молекулярного веса (от сотен до

сотен тысяч), встречающиеся в различных количествах от следов до 50 вес.% (в

некоторых нефтях).

Асфальтово-смолистые вещества, обнаруживаемые в породах-неколекторах,

сходны с асфальтово-смолистыми компонентами нефтей или природными асфальтами,

встречающимися в местах высачивания нефти. Количество таких веществ в породах

обычно колеблется от 1 до 70 баррель/акрфут, т.е. несколько выше, чем количество УВ.

Эти сложные соединения в живых организмах не найдены, но могут быть получены

химическим путем из таких биохимических компонентов, как целлюлоза (клетчатка),

лигнин, пурины и пиримидины. Присутствие в нефти порфиринов (естественных

пигментов - производных хлорофилла и гемоглобина) является доказательством ее

биологического происхождения. В наибольшем количестве порфирины встречаются в

нефтях с повышенным содержанием асфальтово-смолистых веществ, что свидетельствует

о раннем (низкотемпературном) образовании последних [27]. Распространены порфирины

в виде сложных металло-порфириновых соединений, что, кстати, также является одной из

причин прилипания нефти к олеофильным частичкам пород-коллекторов.

Кероген. Большая часть органического вещества, рассеянного в породах (85-95%),

состоит из керогена - твердого пиробитума, нерастворимого в обычных органических

растворителях [28]¹ При повышении температуры кероген разлагается. Химический

анализ показывает, что в его составе преобладают углерод, водород и кислород; в

незначительном количестве имеются также азот и сера. Кероген, встречаемый в породах-

неколлекторах, в высушенном виде представляет собой тонкий аморфный порошок темно-

коричневого или черного цвета, обычно очень похожий на угольную пыль. При

нагревании этого порошка в пробирке нефтяные дистилляты либо не выделяются,

¹См. подстрочное примечание на стр. 468 (Американские, а вслед за ними и некоторые

советские…). - Прим. ред. (глава 11, современные теории органического… - А.Ф.)

либо выделяются в значительно меньшем количестве, чем при нагревании, например,

горючих сланцев. По-видимому, керогены бывают различных типов даже при одинаковом

элементарном составе. Некоторые керогены практически неотличимы от угля, другие, в

особенности характеризующиеся высоким содержанием асфальтово-смолистых веществ,

неотличимы от горючих сланцев. Кроме этих асфальтово-смолистых компонентов,

кероген, очевидно, не содержит каких-либо веществ, которые можно было бы

рассматривать в качестве исходного материала для нефти и газа. Однако в керогене могут

содержаться как нефтяные углеводороды, так и их производные с гетероэлементами.

Природа органического материнского вещества

Органическое вещество растений и животных, содержащее растворимые и

нерастворимые углеводороды [все углеводороды растворимы во многих органических

растворителях], которые могут рассматриваться как потенциальные источники нефти,

представлено разнообразными типами. Это разнообразие, возможно, является одной из

причин многообразия нефтей в природе. С другой стороны, конечно, можно считать, что

исходное ОВ было однотипным, а современное многообразие нефтей обусловлено

последующими их изменениями в процессе миграции, фильтрации, деятельности

бактерий, метаморфизма, каталитических явлений и т.д. Многие из природных

органических соединений состоят из непредельных углеводородов, в то время как нефть -

преимущественно или целиком из предельный углеводородов. Является ли исходное ОВ

преимущественно однотипным или может быть представлено многими типами, вопрос

пока еще не решенный.

Протеины. Это азотистые соединения, принимающие участие в строении тканей

всех животных и растений. Они примерно на 16 вес. % состоят из азота, а также содержат

углерод, водород, кислород и нередко такие элементы, как фосфор, сера, железо и медь.

При нагревании протеинов в кислом растворе они превращаются в аминокислоты: один

атом водорода углекислоты замещается аминогруппой NH

. Простейшей аминокислотой

является глицин CH

(NH

)COOH. Протеины состоят из сложных длинноцепочных

молекул, образованных из большого количества соединенных крупных молекул

аминокислот, и при распаде превращаются в воднорастворпмые соединения.

Углеводы. Эти соединения обнаружены как в животном, так и в растительном

органическом веществе. Они состоят в основном из глюкозы (С

), крахмала (С

)

и целлюлозы (С

). Все углеводы состоят из длинноцепочных молекул, большая часть

которых легко распадается на воднорастворимые соединения. При дегидратации

углеводов образуются главным образом гумус и гуминовые кислоты.

Жиры, жирные кислоты и растворимые в жирах соединения. Жиры и

растворимые в них соединения присутствуют во всех живых организмах, как

растительных, так и животных. Они нерастворимы в воде и значительно более устойчивы,

чем углеводы и протеины. Природные жиры и масла - это эфиры, т.е. продукты

взаимодействия кислот и трехатомного спирта глицерина (С

). Соли натрия и жирных

кислот называются мылами. Встречающиеся в природе жирные кислоты чрезвычайно

разнообразны: обладающие простой и разветвленно-цепочной структурой, предельные и

непредельные. Радикалы жирных кислот образуют известную крупную группу

длинноцепочных молекул. Природные жиры и жирные кислоты, или липиды, по-

видимому, являются основным первичным источником компонентов нефти.

Углеводороды. Нефтеподобные УВ также встречаются во многих живых

организмах, как в растительных, так и в животных. Их источником являются, видимо,

липидные фракции организмов, и для превращения этих «живых» углеводородов [био-УВ]

в нефтяные не требуется каких-либо промежуточных процессов. Основным поставщиком

таких углеводородов могут быть бактерии, а главным средством превращения

углеводородов в нефть и газ - жизнедеятельность этих бактерий.

[Сказанное имеет смысл лишь при весьма широком толковании тех соединений,

которые автор называет углеводородами. К ним относятся не только собственно УВ, но и

их предшественники - пред-УВ.]

Современное органическое вещество

Одним из путей познания природы и происхождения органического вещества в

отложениях древних геологических эпох является изучение этого вещества,

захороненного в современных осадках, исследование процессов его образования, распада

и трансформации по мере погружения.

Первичными источниками ОВ в осадках могут быть животные или растения или и

те, и другие. Часть этого материала переносится в области седиментации реками, волнами

или течениями, часть остается на месте своего образования. Органическое вещество

может состоять как из растительных или животных остатков, так и из продуктов

жизнедеятельности организмов. Нефтегазоносные отложения в подавляющем

большинстве случаев тесно связаны с осадками, образовавшимися в морской обстановке,

в связи с чем приверженцы теорий органического происхождения нефти утверждают, что

нефть и газ образуются в морских отложениях. Следовательно, наибольшее значение для

нефтегазообразования имеет ОВ морей и океанов, частично принесенное в морской

бассейн реками с континентов. Однако и эти наземные углеводороды, и органическое

вещество в конце концов могут явиться источником нефти и газа.

Морские организмы [29], которые рассматриваются в качестве возможного

исходного материала для нефти и газа, в основном подразделяются на 1) растительные,

включая бактерии, водоросли и жгутиковые; 2) животные, включая различные группы

фораминифер, радиолярий и других простейших, губки, кораллы, черви, брахиоподы,

моллюски, ежи и, наконец, позвоночные.

Свардруп и др. [30] считают наиболее благоприятными условиями,

обеспечивающими значительное накопление органического вещества в морской среде,

следующие:

1) обильное поступление органического материала;

2) относительно быстрое накопление неорганического материала, в особенности

тонкозернистого;

3) наименьший приток кислорода к водам, контактирующим с осадком.

Максимальное развитие такие условия получают в замкнутых бассейнах, заливах,

лагунах и т.п., где существует застойная обстановка и практически исключается жизнь

животных и растений [30].

По-видимому, основное значение как источника ОВ имеют мельчайшие и даже

микроскопические плавающие растительные и животные организмы. Большая часть этих

организмов обитает вблизи поверхности воды, куда проникает солнечный свет.

Растительные плавающие организмы получили название фитопланктон (по-гречески

«планктон» значит «странствующий, а животные - зоопланктон. Неподвижные,

ползающие и роющие донные морские организмы называются бентоническими («бентос»

по-гречески означает «глубокое море»).

Органическая жизнь в море началась, когда изобилие необходимых для питания

неорганических элементов - углерода, водорода, кислорода, фосфора, азота, железа и

многих других рассеянных элементов - вместе с солнечным светом сделали возможным

возникновение растений. Многие из этих растений были очень мелкими или даже

микроскопического размера и впоследствии послужили пищей для морских животных,

тоже очень мелких, но все же более крупных, чем растения, которыми они питались. Эти

крошечные животные в свою очередь стали пищей для более крупных животных.

Отмирание растительных и животных организмов и их распад привели к частичному

возвращению некоторых составляющих их элементов в морскую воду в виде различных

химических соединений. Лишь незначительная часть органического вещества,

находящегося на различных стадиях разложения, захороняется и сохраняется в

отлагающихся осадках. Распад и разложение организмов происходят при участии

бактерий, деятельность которых, видимо, является одним из основных средств

превращения производных углеводородов с гетероэлементами в углеводороды нефтяного

ряда. Многие, если не все, животные и растительные организмы в процессе своего

жизненного цикла и сами вырабатывают УВ, как естественные продукты их

жизнедеятельности [31].

Основная масса ОВ морей и океанов находится либо в растворенном, либо в

коллоидальном состоянии. Остальная часть заключена в растениях и животных, главным

образом в микроскопических или полумикроскопических организмах, находящихся во

взвешенном состоянии или в виде свободно плавающего планктона в водах, пронизанных

солнечным светом. Очень трудно количественно оценить объем органического вещества,

образующегося в море, вследствие огромного числа различных факторов, влияющих на

этот процесс. Некоторые наблюдения свидетельствуют о том, что образование планктона

в морской воде идет со скоростью порядка нескольких сот граммов углерода на 1 м³ воды

в год [32]. Около 12 млн. т (80 000 000 баррелей) углеводородного материала ежегодно

образуется в океанах благодаря фотосинтезу [33]. Даже самая малая часть этого

количества углеводородов, захороненная в осадочных породах, способна полностью

обеспечить нефтью и газом не только все известные продуктивные отложения, но и все те,

которые мы сможем открыть в будущем.

Жизнедеятельность растений. Благодаря фотосинтезу морские растения

способны создавать сложные органические вещества из неорганических соединений,

растворенных в воде. Фотосинтез - это процесс поглощения хлорофиллом растительной

ткани лучистой энергии солнца и производства углеродистых соединений из воды и

углекислого газа. Реакция протекает по следующей формуле:

6СО

+ 6Н

О + энергия солнечного света → 6О

+ С

Фотосинтез - эндотермическая реакция, т. е. реакция, идущая с поглощением тепла.

Энергия солнечного света, заключенная в сложных органических продуктах этой реакции,

становится источником энергии для жизни растений, а через эти растения - для жизни

животных. Свободный кислород, образующийся при фотосинтезе, служит для дыхания

как животных, так и растений моря. Углеводы, видимо частично, превращаются в

углеводороды, если они захороняются в восстановительной, лишенной кислорода среде.

Глубина проникновения солнечного света определяет мощность слоя морской

воды, в котором возмояша растительная жизнь и, следовательно, жизнь тех животных, для

которых эти растения служат основной пищей. Эта глубина может быть различной в

зависимости от степени замутненности воды. В чистой воде она составляет 75 м и больше.

Подсчитано, что в прибрежных водах обитает по крайней мере в 50 раз больше

растительных организмов, чем в водах открытого океана [34]. При этом наиболее

обогащенными органическим веществом оказываются прибрежные воды, относительно

удаленные от устьев рек.

Исходным материалом для нефти и газа, очевидно, являются главным образом

морские водоросли [35]. Основную массу их составляют сине-зеленые водоросли,

которые, кроме поглощения солнечного света для образования хлорофилла и других, еще

неизученных веществ типа энзимов, ассимилируют также минеральные вещества,

извлекая их из морской воды. Вследствие этого некоторые виды водорослей могут

значительно различаться по своему химическому составу в зависимости от химического

состава вод, в которых они произрастают. Водоросли, по-видимому, являются главным

производителем карбоната кальция: один вид - Halimeda - образует арагонит, другой -

Lithothamnium - кальцит [36]. Оба эти вида водорослей особенно характерны для

органогенных рифов.

Диатомовые водоросли, или диатомеи, представляют собой одноклеточные

растения с кремнистой оболочкой. При отмирании эти водоросли образуют мощные

толщи скоплений кремнистых оболочек, называемые диатомовой землей, и являются

одной из важнейших водорослевых групп в общем органическом балансе моря.

Некоторые геологи полагают, что именно диатомовые водоросли были основным

поставщиком материнского материала для нефти [37]. Одним из важнейших продуктов

жизнедеятельности диатомеи является растительное масло, капельки которого часто

встречаются внутри их микроскопических панцирей [38]. Подсчитано, что от 5 до 50%

объема диатомеи состоит из жировых (масляных) капелек [39], которые могут быть

высвобождены из кремнистых панцирей при внедрении в илы пресной воды и

последующем разрушении оболочки из-за возникновения разности давлений

(осмотического давления) между наружной средой и внутренней полостью оболочки [40].

У колониальных водорослей Elaeophyton даже в стенках клеток содержатся огромные

количества масла или маслоподобных веществ [41]. Это масло [жир] может

рассматриваться в качестве среды, в которой хранится питательная энергия организмов,

т.е. оно играет ту же роль, что и масла в семенах или орехах.

Обычно в морской воде наблюдается равновесие между разнообразными

населяющими ее живыми организмами. Однако это равновесие не стабильно, оно

постоянно изменяется в соответствии с изменениями морской обстановки - течений,

волнения, прорывов родников, дождя, изменениями температуры и поступления

питательных веществ. Время от времени, таким образом, условия становятся особенно

благоприятными для развития какого-либо одного организма или группы организмов,

которые начинают интенсивно размножаться и, следовательно, нарушают нормальный

баланс. Такое резкое увеличение массы микроорганизмов называется цветением. Оно

нередко распознается по изменению цвета воды, обычно окрашенной в голубые, красные

или зеленые тона, а также по обилию организмов, выбрасываемых волнами на берег.

Например, вдоль побережья Копалис-Бич в штате Вашингтон периодически в течение

нескольких дней накапливаются огромные массы диатомовых водорослей Aulacondiscus

[42].

Крупные «масляные пятна» образуются в августе и сентябре вдоль западного

побережья Японии в результате массового размножения диатомеи Rhizoslenia. В сентябре

- декабре эти же водоросли сплошным ковром покрывают Азовское море, придавая ему

темно-коричневый цвет, гладкую поверхность и запах типичного болота. Одно из

следствий цветения - распространение время от времени в морской воде отравляющих

веществ, приводящее к гибели огромного количества рыбы. Мертвая рыба опускается на

дно или выбрасывается волнами на берег [43]. Дважды в год цветение планктона в районе

залива Уолфиш-Бей, западное побережье Африки, приводит к массовому отравлению

рыбы ядовитым веществом, выделяемым этим планктоном. Отмирающая органическая

ткань осаждается на дне, образуя в анаэробных условиях сапропель¹ [44]. Студенистые

скопления диатомеи, удерживающихся на поверхности благодаря многочисленным

¹От греческого слова «сапрос» - гнилой

пузырькам кислорода - продуктам фотосинтеза, - образуют плавучие островки (mare

sporco) в Адриатическом море. Плавающих масс иногда бывает столь много, что они рвут

рыболовные сети [45].

Таким образом, в морских водорослях и современном явлении их цветения скрыт

тот механизм, посредством которого накапливаются огромные количества вещества,

обогащенного углеродом и водородом, в том числе и нефтяными УВ. Хотя нельзя еще

точно решить, что именно является основным поставщиком исходного материала для

содержание .. 60 61 62 63 ..