Горючие породы. Нефть и газ

Горная порода - это вещество, из которого состоит земная кора и более глубокие недра Земли. Нефть и газ относятся к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками и др. Важное свойство нефти и газа - способность гореть. Таким же качеством обладают и другие осадочные породы: торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Все вместе они образуют особое семейство, получившие название каустобиолитов ( от греч. "каустос - горючий, "биос" - жизнь, "литое" - камень, т.е. горючий органический камень). Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и нефтяного ряда, последние называются битумами. К ним относятся нефть и газ.

Все каустобиолиты содержат углерод, водород в кислород, но в разном соотношении. В таблице приводится основные элементы горючих пород:

В химическом отношении нефть - это сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, она состоит из следующих основных элементов: углерод (84-87%), водород (12-14%), кислород, азот и сера (1-2%). Содержание серы возрастает иногда до 3-5%. В нефти выделяют углеводородную, асфальте - смолистую части, порфины, серу и зольную часть.

Главную часть нефти составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые, ароматические.

Метановые УВ (алканы) химически наиболее устойчивы и они имеют формулу . Их структура

Если количество атомов углерода в молекуле колеблется от 1 до 4 (СН4- С4Н10), то УВ представляют собой газ;

От 5 до 16 () , то это жидкие УВ, а если оно выше 16 ( и т.д.) - твердые (например, парафин).

Нафтеновые (циклановые или алициклические) УВ () имеют кольчатое строение, поэтому их иногда называют карбоциклическими соединениями.

Все связи углерода с водородом здесь также насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами.

Ароматические УВ, или арены () наиболее бедны водородом. Молекула имеет вид кольца с ненасыщенными связями углерода.

Они так и называются - ненасыщенными, или непредельными УВ. Отсюда их неустойчивость в химическом отношении.

Асфальто-смолистая часть нефтей - это темноокрашенное вещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть называется асфальтом, не растворившаяся — смолой. В составе смол содержится кислород до 93% от общего его количества в нефтях.

Порфирины — особые азотистые соединения органического происхождения. Считают, что они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. При температуре 200 - 250 С^o порфирины разрушаются.

Сера в нефтях и в газе распространена широко и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1 до 5%.

Зольная часть - остаток, получающийся при сжигании нефти. Это чаще всего железо, никель, ванадий, соли натрия.

Химический состав нефтей берется за основу при их классификации. Выделяют, например метановые нефти (метановых УВ более 65%), нафтеновые (нафтеновых УВ более 66%) и др. Используются также классификации по содержанию парафина, серы, смол, асфальтенов.

К физическим свойствам нефтей относят плотность, вязкость, температуры застывания, кипения и испарения, теплотворную способность, растворимость, электрические и оптические свойства, люминесценцию и др.

Газы Земли делятся на углеводородные, углекислые и азотистые. Углеводородный газ образует самостоятельные скопления в земной коре или встречается вместе с нефтью и представляет собой смесь нескольких газов. До 95% и более этой смеси составляет метан () присутствуют этан (), пропан (), бутан () и т.д.

К свойствам газа относятся плотность, молекулярная масса, вязкость, растворимость, сорбционная способность, упругость паров, критические давление и температура, теплоемкость, теплотворная способность, эффузия и диффузия, обратная конденсация и др.

Кроме жидких и газообразных битумов известны также твердые горный воск (озокерит), горная смола, асфальт.

Итак, нефть и газ - это очень сложные естественные соединения УВ. Нефть обычно имеет темный цвет, хотя известны нефти прозрачные и красноватого цвета, резкий специфический запах, масляниста на ощупь, плотность меньше 1г/см³. Газ бесцветен.

Как образуются нефть и газ

О происхождении нефти и газа до сих пор ведутся споры, которые начались в конце XIX века.

Первым научно обоснованную концепцию о происхождении нефти высказал MB. Ломоносов в середине XVIII в. в трактате "О слоях земных". Он высказал мысль об органическом происхождении нефти из каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть и газ.

В XIX веке среди ученых были распространены идеи близкие к представлениям М.В. Ломоносова. Немецкие ученые Г. Г сфер и К. Энглер в 1888 г. поставили опыты, доказавшие происхождение нефти из животных организмов. Была проведена перегонка сельдевого жира при t 400°С и давлении 1 МПа. Из 492 кг жира было получено масло, горючие газы, вода, жиры и кислоты. Больше всего был выход масла (299 кг или 6I%), состоящего на 9/10 из УВ коричневого цвета. Последующей перегонкой получили предельные УВ (от пропана до нонана), парафины, смолистые масла. Позднее, в 1919 г. академиком Н.Д. Зелениным был осуществлен похожий опыт, по исходным материалом служил органогенный ил (сапропель) из оз. Балхаш. При его перегонке были получены: сырая смола -63,2%, кокс - 16,0%, газы (метан и др.) - 20,8%. При Последующей переработке получили бензин, керосин, тяжелые масла.

В 1876 г. на заседании Русского химического общества Д.И. Менделеев изложил свою неорганическую гипотезу происхождения нефти, получившую название карбидной. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам (разломам), рассекающим земную кору, поверхностная вода просачивается вглубь Земли к металлическим массам. Взаимодействие ее с карбидами железа приводит к образованию оксидов метана а УВ.

Углеводороды по тем же трещинам поднимались в верхние слои земной коры, насыщали пористые породы, образуя месторождения. Свои предположения Д.И. Менделеев подтверждал опытами.

Таким образом в ХIХ веке четко обособились два полярных взгляда на проблему образования нефти.

Борьба идей вокруг проблемы образования нефти не прекращается. Разгадка происхождения нефти в природе имеет не только научно -теоретический интерес, но и первостепенное практическое значение. Как только будет получено представление о процессах возникновения нефти, то из всей совокупности этих данных будут получены указания, в каких местах следует искать нефть.

В настоящее время большинство ученых - нефтяников разделяют органическую теорию происхождения нефти (А.А. Бакиров, И.О. Брод, А.Э. Конторович, В.В. Вебер, Н.Б. Вассаевич, П. Смит, Б. Тиссо и др.).

Основоположником учения об органическом происхождении нефти является известный ученый - нефтяник И.М. Губкин (1871 - 1939), академик, педагог, государственный деятель. Заслуга И.М. Губкина в том, что впервые в мировой практике он подвел научный итог более чем полувековой истории нефтяного и газового дела. В 1932 г. вышла в свет его монография "Учение о нефти". Этот труд послужил основой для современной теории генезиса углеводородов. И.М. Губкин считал процесс нефтеобразования длительным, непрерывным, стадийным и выделял следующие этапы:

• процесс накопления органического вещества в осадках (биохимический и геохимический), приведший к образованию диффузно рассеянной нефти;
• выжимание рассеянной нефти из нефтематеринских пород в коллекторы;
• движение нефти по коллекторам и накопление ее в месторождение;
• последующее разрушение месторождений в результате различных геологических явлений.

Взгляды И.М. Губкина на образование нефти и газа и на формирование их залежей лежат в основе современной теории происхождения нефти. Доказало, что нефтематеринскими породами могут быть разнообразные осадочные породы (глины, известняки, доломиты и др.), содержащие органические вещества и накапливающиеся в водной среде.

Образование нефти — сложный и длительный процесс, тесно связанный с формированием осадочных горных пород. Наиболее благоприятны для этого крупные морские и океанические бассейны. Важно, чтобы была водная среда, т.к. на суше органический материал окисляется и преобразуется в каустобиолиты угольного ряда (торф, каменный уголь).

Любое море заселено множеством животных и растений. Из всей морской биомассы в образовании нефти ведущая роль принадлежит микроорганизмам - планктону, 90% которого занимают микроскопические водоросли (фитопланктон). Именно планктон является основным источником органического вещества (ОВ), которое содержится не только в осадочных илах на дне морей н озер, но и в самой воде.

В Атлантическом и Тихом океанах в 1 ма воды растворено 2 г органики, в водах Балтики и Каспия - 5-6 г, в Азовском море 10 г. В донных осадках концентрация еще выше, т.к. большая часть отмирающих организмов опускается на дно. Ежегодно в Мировом океане образуется в среднем до 150 г ОВ на 1 м3 дна, захороняется в осадках около 1%. В осаждающихся ОВ содержится 65-90% органического углерода, в достаточном количестве присутствующий и водород, они идут в дальнейшем на образование нефти. Подсчитано, что в 1м³ породы содержится 13-15 кг органического углерода. В некоторых глинистых и известняковых толщах содержание его увеличивается в несколько раз, достигая 25%.

Если прикинуть, сколько рассеянного углеродистого ОВ содержится в осадочных породах на континентах, то получится огромная величина 45*10¹⁴ т (в сотни больше всех известных запасов углей, нефти, газа). Но осадочные породы имеются н дне океанов. По подсчетам ученых это не менее 3*10⁸ км³, что дает еще более 70*10¹⁴ т углеродистого вещества, ОВ оседает на морское дно и органика быстро захороняется потаистыми, песчаными и карбонатными осадками, которые приносятся с континентов или образуются непосредственно в море. В составе органики имеются различные вещества, наибольший интерес для нефтеобразования из которых представляют битумоиды. Битумоиды извлекаются из ОВ различными растворителями (хлороформом, эфиром). Источником битумоидов являются липоиды - жироподобные соединения, которые содержатся в тканях организмов и в водорослях (10 - 35% от сухой массы). Количество битумоидов в донных осадках колеблется от 2 до 20% всей органики. Кроме битумоидов в ОВ содержатся готовые углеводороды (УВ) в осадочных породах континентов, (по данным профессора Н.Б. Воссоевича) составляет 7О-80*10,:, т.е. в несколько раз превышает установленные запасы нефти (около 2,2*10¹² т). Отсюда видно, что накопившегося ОВ достаточно для образования выявленного количества нефти.

Пласт осадков, образовавшийся на морском дне, опускается в результате общего прогибания земной коры, характерного для морских бассейнов. Пласты пород с органикой перекрываются новыми и новыми слоями. Под действием температуры и давления дисперсная микронефть меняет свои свойства, особенно активно эти процессы протекают на глубине 2-3 км при температуре 100° С.

Ученым удалось проследить последовательность процесса "созревания" микронефти до нефти. В главной зоне нефтеобразования происходит перемещение образовавшейся нефти в более пористые и рыхлые слои по действием возрастающего горного (геостатического) давления. На глубине 1 км оно равно 25-27 МПа, а на глубине 5 км - 125-140 МПа и т.д. От этого давления поры уменьшаются и могут вовсе исчезнуть, а нефть и газ, содержащийся в них, выдавливается. Учеными установлено, что на разной глубине пористость одних и тех же пород изменяется:

• на уровне 500-600 м она равна 50%, то
• на глубине 1000м-28%
• на глубине 2000 м -19%
• на глубине 3000 м- 10%
• на глубине 5000 м - 3,5%

Горные породы гидрофильны, смачиваются водой, а не нефтью, то к горному давлению следует прибавить капиллярные силы, которые усиливают сжатие нефти.

Процесс ухода нефти из материнских пород называется миграцией. В последние годы ученым удалось проследить все промежуточные соединения между хлорофиллом, захороненным в верхних слоях донных осадков, продуктами его распада в более глубоких горизонтах земной коры. Кроме того, в нефтях обнаружили целые "блоки" молекул жиров и аминокислот, имеющих органическое происхождение.

В органическую гипотезу образования нефти мировой вклад внесли российские ученые.