Превращение органического вещества в нефть и газ
Помимо углеводородов, в живых организмах имеются также производные углеводородов с гетероэлементами, сходные по составу с асфальтово-смолистыми компонентами нефтей и легко превращающиеся в нефтяные УВ. Это преобразование, по-видимому, происходит частично за счет все новых притоков нефти; оно, по всей вероятности, имело место и раньше, а именно когда процессы диа- и катагенеза осадков уже закончились. Это подтверждается широким распространением рассеянных углеводородов в неколлекторских породах. Содержание этих УВ и их соединений в породах относительно ничтожно, но сам объем пород настолько велик, что общее количество рассеянных в них нефтяных У В [микронефти] значительно превышает возможное количество промышленной нефти на всем земном шаре1.
Превращение первичного ОВ в нефть и газ начинается с момента его отложения в осадках в восстановительных условиях, при этом необходимы следующие источники энергии: 1) деятельность бактерий, 2) температура и давление, 3) каталитические реакции, 4) энергия радиоактивного распада.
|
|
Доказательством значения жизнедеятельности бактерий для образования нефтяных УВ может служить хорошо известный, происходящий на наших глазах процесс разложения ОВ под действием бактериального брожения, одним из продуктов которого является метан. В природе происходят очень многие биохимические реакции с участием бактерий; часть этих реакций воспроизведена в лабораторных условиях. Одни бактерии для своей жизнедеятельности нуждаются в свободном кислороде (аэробные бактерии), другие используют только связанный кислород и не могут существовать в присутствии свободного кислорода (анаэробные бактерии), третьи живут как в аэробных, так и в анаэробных условиях (факультативные бактерии). Бактерии размножаются очень быстро при самых различных температурах и давлениях, в пресных и минерализованных водах, в почве, ручьях, озерах и болотах. Быстрый распад ОВ в поверхностных условиях - в основном следствие интенсивного размножения аэробных бактерий. И наоборот, одной из главных причин медленного разложения ОВ или даже полного отсутствия этого разложения в восстановительных условиях является незначительное количество бактерий в результате недостатка кислорода. Основные источники кислорода ‑ растворенные в воде воздух и углекислота. Ниже поверхности дна моря содержание свободного кислорода в осадках резко снижается и начинают преобладать анаэробные бактерии как основной восстанавливающий фактор в процессе диагенеза осадков и, возможно, еще длительное время после их захоронения. Обнаружение сульфат-восстанавливающих анаэробных бактерий в скважинах [59] свидетельствует о продолжающемся восстановлении после захоронения осадков. [Микрофлора в пластовых водах в скважинах может не быть унаследованной или ископаемой, а является вторичной, привнесенной в недра вместе с инфильтрационными водами.]
|
|
¹По расчетам советских и американских ученых, микронефти в 30-100 раз больше, чем нефти. - Прим. ред.
Бактерии выполняют, видимо, различные функции, но все они в конечном счете приводят к преобразованию продуктов распада ОВ в нафтиды. Доказательством этого служат как данные лабораторных опытов, так и результаты полевого наблюдения.
Исследователи по-разному интерпретируют степень участия бактерий в процессе нефтеобразования: одни полагают, что бактерии могут полностью превращать ОВ в нефть и газ, другие считают, что они способны только частично изменять ОВ, делать его нефтеподобным [создавать пред-УВ]. Бактерии, в частности, способны восстанавливать некоторые виды ОВ, увеличивать содержание в нем азота (вернее, содержание аммония), связывать свободную серу, продуцируя сероводород. Современные лабораторные эксперименты показали, что бактерии генерируют из органического вещества только метан; вопрос продуцирования бактериями тяжелых углеводородов находится еще в процессе изучения. [В составе протоплазмы многих бактерий обнаружены метановые, нафтеновые и ароматические УВ.]
Значительный вклад в изучение роли бактерий в образовании нефти и газа внесен Зобеллом и его сотрудниками в Скриппсовском океанографическом институте в Ла-Холья, Калифорния [60]. Они обнаружили большое количество живых бактерий в современных осадках океанического дна. Количество жизнеспособных бактерий измерялось тысячами на 1 г осадка в слое мощностью свыше 20 футов (6 м). Эти бактерии или их энзимы (ферменты), действующие как органические катализаторы, способны вызывать многочисленные химические изменения в органическом веществе.
На распределении различных видов микроорганизмов сказываются географические и геологические условия [61], определяющие тип ОВ, являющегося пищей для микроорганизмов, и влияющие на их активность. Например, в 3-4 футах ниже поверхности дна дельтовые глинистые илы обогащены бактериальной флорой несравнимо больше, чем карбонатные осадки.
Огромное количество бактерий обнаружено также в древних отложениях и в нефтяных залежах на глубинах нескольких тысяч футов. Правда, в этих случаях никогда нет полной уверенности, что бактерии не занесены в скважину глинистым раствором в процессе бурения. Однако бактерии обнаружены и в нефтях из таких скважин, которые эксплуатируются уже много лет, что указывает на рост бактерий, по крайней мере в настоящее время, в самих нефтеносных горизонтах. Зобелл приходит к выводу, что в нефти жизнедеятельность этих бактерий, многие из которых являются факультативными, не прекращается ни в условиях повышенной солености, ни при давлении до 150 000 фунт/кв. дюйм (10 500 атм), ни при температуре до 85°С.
В высоковосстановительной среде бактерии способствуют превращению растительных и животных остатков в нефтеподобные вещества, отщепляя от различных органических соединений кислород, азот, серу и фосфор. Общее направление этих реакций показано в табл. 11-2. Повышенное содержание кислорода в морском сапропеле обусловливает развитие в нем аэробных бактерий; по мере погружения содержание
Таблица 11-2 Содержание кислорода в различных материалах (%)
Вещество | Элемент | ||||
углерод | водород | кислород | азот | фосфор | |
Морской сапропель Современные осадки Древние осадки Нефть | 0,5 | 0,3 0,4 | 0,8 0,6 0,3 0,1 |
кислорода уменьшается, что приводит к смене аэробных бактерий анаэробными [62].
|
|
Бактерии не только принимают непосредственное участие в образовании ОВ и превращении его в нефтяные УВ, но могут также способствовать дальнейшему развитию этих углеводородов иными путями. Некоторые из процессов такого рода описываются ниже.
Высвобождение водорода. Брожение органического вещества в условиях отсутствия свободного кислорода, как показал Зобелл [63], может привести к высвобождению заметных количеств водорода. Этот процесс воспроизведен и в лабораторных условиях. Брожение, вызываемое анаэробными бактериями, к образованию свободного водорода не приводит. Можно назвать три возможных причины отсутствия свободного водорода. Во-первых, водород может связываться углекислым газом, давая метан:
СО2+4Н2- → СН4+2Н2О.
Во-вторых, некоторые бактерии в присутствии водорода способствуют восстановлению сульфатов с образованием сероводорода:
SО4+5H2-→ H2S+4H2О.
И наконец, бактерии усиливают процесс гидрогенизации непредельных (ненасыщенных) органических соединений.
Во всех этих реакциях анаэробные бактерии, широко распространенные в морских осадках, играют роль органических катализаторов. Таким образом, в морских отложениях продукты восстановительных реакций (метан, сероводород, предельные углеводороды) доляшы встречаться несравненно чаще, чем свободный водород. В этом смысле очень показательно, что ненасыщенные соединения в нефтях и газах не обнаружены.
Высвобождение нефти из осадочных пород. Известно несколько способов высвобождения бактериями нефти, связанной в нефтенасыщенных породах: 1) растворение карбонатов при воздействии Н2СО3 и органических кислот, генерируемых бактериями; нефть высвобождается при образовании в известняках и доломитах пор и каверн растворения; 2) углекислый газ, один из продуктов жизнедеятельности бактерий, насыщает нефть и, снижая ее вязкость, способствует ее движению; 3) углекислый газ, продуцируемый бактериями in situ, способствует увеличению внутреннего давления газа, что в свою очередь приводит к вытеснению нефти из отдельных «карманов» через поры в породе; 4) некоторые бактерии сильнее прикрепляются к твердым поверхностям, чем нефть, и поэтому «оттесняют» ее от стенок пор. Это так называемые тигмотаксные [стремящиеся к соприкосновению] бактерии. Существуют бактерии, которые продуцируют детергентные (моющие), или поверхностно-активные, вещества, высвобождающие нефть с твердых поверхностей главным образом вследствие изменения межфазного натяжения.
|
|
Бактериальное высвобождение нефти из растений. Некоторые растения синтезируют заметные количества углеводородов [био-УВ, или фито-УВ]. Селективное (выборочное) разложение этого растительного материала бактериями может привести к высвобождению таких био-УВ и аккумуляции их в осадках.
Бактериальное окисление. Большая часть нефтяных УВ в определенных условиях легко окисляется бактериями. В морских осадках обнаружены многочисленные микроорганизмы, потребляющие углеводороды. Их всегда очень много также в почве вокруг нефтехранилищ, нефтяных скважин и естественных выходов нефти и газа. Нефть в приповерхностной зоне почв может быть полностью разложена этими бактериями в течение нескольких месяцев, в то время как под водой она может сохраняться без изменений в течение многих лет. Длинноцепочные алифатические (парафиновые) соединения окисляются значительно быстрее, чем соответствующие ароматические и нафтеновые соединения.