VIII.3 Осадочно-миграционная теория происхождения нефти

Эта теория предполагает в качестве источника образования нефти осадочные толщи, а именно – рассеяное органическое вещество (РОВ), содержащееся в осадочных породах. Впервые гипотеза органического происхождения нефти была высказана М.В.Ломоносовым, отметившим, в частности, образование битумов из углей при нагревании без доступа кислорода.

Органическое происхождение нефти и природного газа ныне признается большинством геологов и химиков. Геологическое доказательство этой теории базируется на закономерностях в размещении залежей нефти и газа в земной коре. 99,9% известных скоплений нефти и газа локализовано в осадочных толщах. Причем, залежи нефти и газа приурочены не ко всякой осадочной толще, а лишь к определенным их частям. Геологическим доводом в пользу этой теории является также наличие нефти в линзах проницаемых пород внутри непроницаемых толщ.

Химические доказательства базируются на сходствах органических соединений нефтей с органическими соединениями битумоидов, извлекаемых из рассеянного органического вещества осадочных горных пород различными растворителями. Особенно близкое сходство имеют строения молекул липоидов и некоторых углеводородов нефтей. Кислородные, азотистые и сернистые соединения нефтей имеют явно биогенное происхождение. В золе нефтей обнаруживаются те же микроэлементы, что и в золе каменных углей, органическое происхождение которых не вызывает сомнения.

Одним из доказательств в пользу органического происхождения нефтей является их оптическая активность. Полученные же в результате неорганического синтеза искусственные нефти оптически не активны. На генетическое родство нефтей и рассеянного органического вещества указывает и близость изотопного состава углерода нефтей и изотопного состава углерода органических веществ. Вертикальные зональности в изменении изотопов серы нефтей и вмещающих их осадочных толщ почти полностью идентичны.

В лабораторных условиях из органических соединений холестерина, олеиновых и стеариновых кислот под действием хлористого аммония еще в 1927-31г г. академиком Н.Д. Зелинским при температуре около 200°С получена искусственная нефть, содержащая типичные представители нафтено-метановых углеводородов, из которых состоит природная нефть. Повторные опыты показали, что процесс превращения хлопковых масел, олеиновых кислот в жидкие углеводороды при воздействии глин, песков, мела в качестве катализатора достаточно интенсивно происходит уже при температуре около 100°С.

Углеводородные соединения обнаружены в современных осадках Черного моря. Восстановленная часть рассеянного органического вещества осадков древнего Каспия содержит углерода 80%, водорода 10%, кислорода с азотом-10%. Для сравнения: содержание углерода в нефтях составляет 85%, водорода-11%, кислорода-4%, т.е. этим битумам остается потерять около 5-7% кислорода, чтобы достигнуть элементарного состава нефти. Эти явления, очевидно, представляют собой начальную стадию процессов нефтеобразования.

Вывод: гипотеза органического происхождения нефти доказывается достаточно убедительно как геологическими факторами, так и химическими исследованиями, и, благодаря научным анализам советских ученых-геологов, по праву получила название осадочно-миграционной теории происхождения нефти.

Любая осадочная горная порода в том или ином количестве содержит рассеянное органическое вещество: остатки планктона, бактерий, водорослей, макро- и микрофауны, рыб, наземных растений и животных, захороненные в илах на дне морей, озер, рек. Среднее содержание органического углерода в морских глинах составляет 2-3%, в песчаниках – 1-1,5%. Некоторые разновидности осадочных пород, такие, как битуминозные глины, сапропелиты, горючие сланцы содержат органический углерод в количестве от 20 до 50%.

Органические остатки растительного мира относятся, в основном, к гумусовому типу, животного мира - к сапропелевому ряду.

В зависимости от конкретных условий преобразование органических остатков горных пород может происходить в трех разных направлениях:

1) тление - при свободном доступе кислорода

2) гумификация - при ограниченном доступе кислорода

3) гниение - при отсутствии доступа кислорода

При всех этих процессах происходит образование газов (в том числе и углеводородных), жидкого и твердого вещества. В условиях недостаточного кислорода происходит брожение вещества под действием микробов. Часть новообразованных продуктов через поры пород удаляется в атмосферу и гидросферу, другая часть сохраняется в породе. Преобразование органического вещества в осадке до почти бескислородных углистых или битуминозных веществ может происходить лишь в восстановительной или слабо восстановительной среде. Само органическое вещество в процессе своего разложения создает в породе восстановительные условия.

Битумоид, извлеченный из породы хлороформом, по существу представляет собой "микронефть" - дисперсную нефть, находящуюся в породе в рассеянном состоянии. Однако полного сходства битумоидов с нефтями нет, хотя они состоят из тех же метано-нафтеновых и ароматических углеводородов.

Фито- и зоопланктон поставляет главную массу исходного для нефти органического вещества, но в образовании компонентов нефти могут участвовать и другие водные организмы и вообще все живое вещество планеты. Исследованиями установлено, что в I м³ современных осадков Черного моря содержится около 100 граммов углеводородов (микронефти).

VIII. 4. Главная зона нефтеобразования (ГЗН)

К числу факторов, обеспечивающих превращение рассеянного в осадках органического вещества (РОВ) в нефть, относятся температура, давление, катализаторы, деятельность микробов, зараженность бассейна сероводородом и др. Нефть представляет собой глубоко восстановленный продукт, поэтому наличие восстановительной среды для нефтеобразования является обязательным. Сероводород (H₂S) рассматривается как индикатор восстановительной среды: чем его больше, тем восстановительнее среда.

Температура влияет благоприятно на процесс нефтегазообразования только до предела 300-500°С, свыше этой температуры начинается разрушение нефтяных углеводородов. Катализаторами в процессах нефтеобразования являются глины и продукты жизнедеятельности бактерий. На первых этапах преобразования РОВ из него удаляется углекислота и вода, затем аммиак и сероводород. С исчезновением запасов легко отщепляемого кислорода и водорода в виде СО₂, Н₂О, Н₂, NH₃ наступает очередь удаления основной массы водорода в виде метана (СН₄).Последующая потеря водорода приводит к образованию угля и графита.

Первые порции нефтяных углеводородов в осадках образуются еще на стадии раннего диагенеза осадка. Однако ввиду малой мощности и хорошей проницаемости перекрывающих толщ образовавшиеся углеводороды рассеиваются в гидро- и атмосфере. Гипотезы раннедиагенетического происхождения нефти придерживались В.В. Вебер, П.З. Смит, К.А. Юркевич и др. К.П. Калицкий (1923) пришел к выводу, что нефть генерировалась из отложений морских водорослей и накапливалась на месте ее образования.

В настоящее время господствующей является гипотеза катагенетического образования нефти, где главная роль отводится температуре. Исследованиями в МГУ в 60-х годах XX века было установлено возрастание битумоидного коэффициента в хлороформенных битумоидах, начиная с температуры 50-6О°С и при давлении 120-150 ат, что соответствует глубинам 1200-1500м. На этих глубинах составы углеводородов микронефти и макронефти становятся близкими. Период увеличения содержания битумоидов и углеводородов в глинистых отложениях при погружении бассейна, когда происходит образование значительного количества жидких углеводородов и массовая первичная миграция микронефти, Н.Б. Вассоевич в 1967 году назвал главной фазой нефтеобразования (ГФН), а зона глубин, соответствующая этой фазе, позднее была названа главной зоной нефтеобразования (ГЗН).

Рис.9 Главная зона нефтеобразования. По Н.Б.Вассоевичу, 1969; С.Г.Неручеву, 1973; Преображенскому и др., 1971.

Горные породы, участвовавшие в эксперименте: 1 – терригенный девон Волго-Урала; 2 – бавлинские отложения Волго-Урала; 3 – кембрий Восточной Сибири, 5 – сапропелево-гумусовое органическое вещество Западной Сибири.

Наступление ГФН зависит от типа ОВ. На глубине 1,5-2,0 км, на длиннопламенной стадии метаморфизма ОВ наступает скачкообразное возрастание жирности газов, что означает наступление главной фазы нефтеобразования. Образование жидких УВ достигает максимума на глубине около 3,0 км. На рубеже жирных и коксовых стадий метаморфизма 0В, что соответствует глубинам 3,5-4,0 км, ГФН завершается. Образовавшиеся нефтяные углеводороды вместе с газами мигрируют вверх по восстанию слоев, повышая концентрацию УВ в пластовых водах и давая начало аккумуляции в ловушках в виде залежей как в самой ГЗН, так и выше нее. Основные запасы нефти в нефтегазоносных бассейнах действительно залегают с некоторым смещением вверх от ГЗН с проявлением максимума на глубине примерно 2 км (рис.9).

Современные глубины залегания нефтей в России составляют: 25% - на глубине 0,5-1,0 км, 40% - на глубине 1-2 км, 20% -на глубине 2-3 км. По данным Л.К. Лендса (США), из общего числа залежей, открытых в период с 1949 по 1965 гг. на глубине свыше 4570 м, 4/5 оказались газовыми и газоконденсатными, и только 1/5 - нефтяными. Лендс считает нижней границей промышленной нефтеносности зону с температурой 177°С.

Без первичной миграции образование залежей нефти происходить не может. С учетом этого теория органического происхождения нефти по предложению Н.Б. Вассоевича была названа теорией осадочно-миграционного происхождения нефти. Многие исследователи допускают возможность миграции углеводородов в растворенном в воде состоянии. Как газообразные, так и жидкие углеводороды в той или иной мере растворимы в воде, причем растворимость жидких углеводородов возрастает с увеличением температуры. Движение подземных вод в проницаемых пластах происходит при уплотнении глин, сопровождающемся отжатием из них седиментационных вод. На этом этапе движение вод направлено к краям бассейна - в зоны меньших температур и давлений (Карцев, 1975). На пути такой миграции подземных вод при снижении температуры и давления происходит выделение растворенных углеводородов в свободную фазу. Нефтяные углеводороды могут мигрировать также в форме, растворенной в газах. После выделения в свободную фазу начинается струйная миграция нефти по порам и трещинам горных пород до достижения ловушек – барьеров на путях миграции.

"Нефть - детище литогенеза, органически связанная с осадочным процессом, но образуется только в результате миграции", - отмечает Н.Б. Вассоевич. "Теория утверждает, а практика подтверждает, что все более или менее крупные области устойчивого опускания земной коры, выполненные нормальными субаквальными отложениями достаточной мощности (1,5-2,0 км) и более, являются зонами нефтегазогенерирования... Исходя из осадочно-миграционной теории происхождения нефти можно давать оценку прогнозных запасов нефти, предсказывать закономерности зон нефтегазонакопления, типы нефтей на различных глубинах и т.д." (Вассоевич, 1967, с. 152-153).