Происхождение нефти и газа

Нефть известна человечеству более 4 тысяч лет до н.э. Уже в древних рукописях описываются вечные огни и храмы огнепоклонников (как мы сейчас знаем, в местах выхода нефтяного газа на дневную поверхность). Из колодцев добывали вместо воды жидкость, возгорающуюся при соприкосновении с горячими камнями, этому событию придавали мистический характер. Видимо, с этим явлением связан известный на востоке обычай очищения огнем.

Нефть использовали в военных целях. Смесь нефти, серы и селитры, вызывавшую возгорание кораблей, называли греческим огнем (напалм древности).

Нефть применяли как вяжущий и гидроизоляционный материал при строительстве дорог, акведуков и других сооружений.

Издавна нефть использовали в медицинских целях (для заживления ран) и для освещения жилищ. В наши дни известен курорт Нафталан (Азербайджан), где больных лечат нафталанской нефтью.

История переработки нефти насчитывает около двухсот лет. Первые сведения о перегонке нефти в кубе (1745 г, район Ухты) и ее осветлении, т.е. получении светлой фракции керосина, относятся к середине XYIII века. Историки полагают, что именно этот момент стал начальным в истории мировой и отечественной нефтепереработки. Позднее в 1823 г. крепостные братья Дубинины под г. Моздоком построили первый в России нефтеперегонный завод с целью производства керосина, о чем имеется соответствующая публикация. Свой способ получения светлых дистиллятных фракций они назвали очищением черной нефти. Мазут частично использовали как колесную смазку, все остальное, в том числе бензиновую фракцию, сжигали. Бензиновые фракции нефти сжигались как ненужный побочный продукт до начала ХХ века. Открытие в 90-х годах прошлого века карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, работающего, как известно, на бензине, окончательно решило эту проблему.

Вопрос о происхождении нефти с давних пор и до настоящего времени является предметом исследования учёных. Был выдвинут ряд гипотез, объяснявших происхождение нефти, однако многие из этих предложений не были подтверждены расчетами и экспериментом. Среди гипотез существуют такие, практически не подтверждённые ни научными фактами, ни расчётами. Основную же часть гипотез можно разбить на две группы – гипотезы неорганического и гипотезы органического происхождения нефти.

Гипотезу абиогенного (неорганического) происхождения нефти высказал Д.И.Менделеев в 1877г., опираясь на работы французских химиков (в частности, Бертло) по синтезу карбидов металлов и по изучению их свойств. Известно, что карбиды металлов реагируют с водой с образованием углеводородов:

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + HC≡CH

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄ + 4AL(OH)₃

2FeC + 3H₂O → Fe₂O₃ + C₂H₆

Менделеев предполагал, что в земной коре находятся карбиды металлов. которые могут взаимодействовать с водой, проникающей по трещинам с образованием углеводородов. Эти углеводороды при повышенной температуре, давлении и под каталитическим воздействием пород могли, по мнению учёного, подвергнуться различным реакциям и образовать различные углеводородные смеси. Гипотеза Менделеева в своё время была самой аргументированной. Карбид железа и марганцовистый чугун при взаимодействии с водой в лабораторных условиях дают нефтеподобную смесь жидких углеводородов. Несмотря на то, что эти факты как будто подтверждают теорию Менделеева, она в настоящее время почти совершенно оставлена. Против нее говорит содержание в нефти азотистых соединений и ее оптическая активность, что определенным образом указывает на органическое происхождение нефти. К сожалению, эта гипотеза не объясняет причин многообразия состава нефтей даже в одном месторождении, а также то, что нефть обнаруживают в осадочных породах, содержащих остатки живых организмов.

В 1892г. В.Д.Соколов предложил «космическую» гипотезу неорганического происхождения нефти. Суть её сводилась к тому же минеральному синтезу углеводородов из простых веществ на первоначальной космической стадии формирования Земли. Предполагалось, что образующиеся углеводороды находились в газовой оболочке, а по мере остывания поглощались породами формировавшейся земной коры. Согласно современным данным в атмосфере Юпитера и Титана, в хвостах комет обнаружено присутствие углеводородных газов.

В первой половине ХХ века интерес к минеральной гипотезе происхождения нефти был потерян. Поиски нефти велись во всём мире, исходя из её органического происхож-дения. С 1950г. интерес к минеральной гипотезе снова стал возрастать, что объясняется недостаточной ясностью в ряде положений органической концепции и бурным развитием космической науки.

В 1960г. проф. Н.А.Кудрявцевым была сформулирована «магматическая» гипотеза происхождения нефти. Согласно этой теории нефть образуется в магме в небольших количествах, а затем поднимается по трещинам и разломам, заполняя пористые песчаники.

В 1990г. ак. И.И.Чебоненко предложил осадочно-неорганическую гипотезу происхождения нефти. Согласно этой теории нефть – это продукт синтеза водорода и углерода в приповерхностных участках Земли. Нефтяные углеводороды формируются в верхних участках земной коры, где глубинный водород взаимодействует с образовавшимся из остатков растений углеродом. Эта теория объясняет многообразие состава нефти и нахождение её в породах, содержащих остатки живых организмов. Тем не менее, вопрос о происхождении нефти до сих пор остаётся открытым, хотя большинство учёных в области геохимии и химии нефти являются сторонниками органического происхождения нефти из липидов (жиров) планктонных организмов.

Впервые гипотеза об органическом (биогенном) происхождении нефти была высказана М.В.Ломоносовым ещё в 1763г. По мнению Ломоносова, нефть образовалась под воздействием» подземного огня на «окаменелые уголья», в результате чего возникли асфальты, нефти и «каменные масла».

В 1919г. ак. Н.Д.Зелинский подвергнул перегонке озёрный сапропелевый ил, практически состоящий из растительного материала – остатков планктонных водорослей с высоким содержанием липидов. В результате были получены кокс, смолы, газ и пирогенетическая вода. Полученная смесь углеводородов во многом была сходна с природной нефтью, тяжёлые фракции обладали оптической активностью.

Основоположником современной органической теории происхождения нефти является выдающийся русский учёный И.М.Губкин, который разработал научно обоснованную теорию происхождения нефти и изложил её в монографии «Учение о нефти».

Исходным веществом при образовании нефти и газа И.М.Губкин считал сапропель, представляющий смесь органических остатков растительного и животного происхождения в смеси с минеральными отложениями.

Миллионы лет назад имелись благоприятные условия для размножения планктона, в результате чего образовывались огромные скопления этих организмов. Периодически происходило их массовое вымирание из-за недостатка кислорода и питательных веществ. Мёртвые организмы оседали на дно, где смешивались с илом и песком, приносимым реками. Попадая в минеральные осадки, органическое вещество мёртвых организмов подвергалось уплотнению и образовывало вместе с глинистыми осадками твёрдое углеподобное вещество, называемое керогеном. Данный этап превращения органического вещества называется диагенезом. Здесь имело место уплотнение органического вещества (поликонденсация), гидролиз жиров, восстановление кислородных соединений, декарбоксилирование кислот, насыщение кратных связей, отщепление аминогрупп от аминокислот и т.д.

С постепенным погружением керогена на глубину 1-3км происходило повышение температуры и давления и начиналась основная фаза генезиса нефти – катагенез - образование углеводородов из органического вещества и их превращения. На этой стадии при температуре 130-150ºС происходил разрыв слабых связей С – С алкильных звеньев, связей атомов углерода с гетероатомами, а также разрыв донорно-акцепторных связей органических молекул с глинистыми материалами. Таким образом, из керогена образовывались углеводороды.

На начальном этапе погружения (до 1,5—2 км при росте температуры до 50—70°С) в керогене возрастает содержание угле­рода и водорода в основном вследствие потери кислорода за счет отщепления периферических кислородсодержащих функциональных групп молекулярной структуры органического вещества.

. В более глубокой зоне (до 2,5—3 км при температуре до 90—100—150°С) направленность процесса термического превращения сапропелевого органического вещества принципиально изменяется. При незначительном изменении содержания углерода в керогене заметно снижается содержание водорода; быстро и значительно возрастает и достигает максимума концентрация хлороформенного битумоида в целом, в том числе высокомолекулярных нефтяных углеводородов (C₁₅—C₄₅); образуются и достигают максимальной концентрации низкокипящие углеводороды бензиновых фракций (С₆— С₁₄). В составе газовой фазы органического вещества достигает максимума концентрация гомологов метана (С₂ — С₅); содержание СН₄ пока незначительно.

Этот этап в геологическом смысле быстрого образования преобладающей части битумоида в целом и нефтяных углеводородов назван Н. Б. Вассоевичем главной фазой нефтеобразования (ГФН). В зоне температур до 150—160°С главная фаза нефтеобразования успела полностью реализоваться даже в "молодых" осадках с возрастом 10—20 млн. лет и тем более — в значительно более древних отложениях.

Главная фаза нефтеобразования характеризуется максимальной скоростью генерации нефтяных углеводородов, обычно в глубинном диапазоне 2—3 км при температуре от 80—90 до 150—160°С. При низком геотермиче­ском градиенте, медленном нарастании температуры с глубиной ГФН реализуется в более глубокой зоне, примерно до 6—8 км. Общее количество образующихся битуминозных веществ и нефтяных углеводородов превышает 30 %, а количество эмигрировавшей в пористые пласты-коллекторы нефти достигает 20 % от исходной массы сапропелевого органического вещества.

Образовавшиеся углеводороды под действием капиллярных сил перемещались в слое осадочных пород и скапливались, образуя месторождения. Под воздействием температуры, давления и каталитического действия горных пород при перемещении углеводородов происходили их дальнейшие химические превращения, что вело к образованию сложной смеси углеводородов, каковой и является нефть. Особая роль в процессе образования углеводородов отводится глине, которая выполняла роль и катализатора, и твёрдого носителя естественной хроматографической колонки горных пород в процессе разделения и концентрирования углеводородов нефти.

При дальнейшем погружении нефтематеринских отложений с ростом температуры в остаточном керогене наблюдается значительное возрастание содержания углерода (до 95—97 %) и падение — водорода (до 0,5—1 %). Происходит заметная потеря массы метаморфизующегося керогена. Согласно эмпирическим данным, в глубинной зоне 3—6 км (при температуре до 200— 260°С) отношение метана к нефтяным углеводородам в составе органического вещества возрастает в несколько десятков раз. Фиксируется быстрое возрастание до максимума, а затем падение содержания СН4 в органическом веществе. Согласно теоретическим балансовым расчетам на этом этапе образуется основная часть метана — до 12 % от исходной массы органического вещества, благодаря чему он получил наименование главной фазы газообразования (ГФГ). Генерация значительного количества метана в этой глубокой зоне осадочных пород определяет уменьшение количества, а затем и полное исчезновение с ростом глубины нефтяных залежей, которые замещаются сначала газоконденсатными, а затем — залежами сухого метанового газа. Остаточное сапропелевое органическое вещество в этой зоне претерпевает интенсивную метаморфизацию с образованием в конечном итоге кристал­лической углеродной решетки графита.