Тайны образования нефти и горючих газов - Михаил Калинко

По мере отложения все новых и новых порций осадков затрудняется и почти прекращается обмен веществами с придонным слоем воды, что приводит к гибели микроорганизмов вследствие отравления их продуктами своей жизнедеятельности. Намечается новый этап, обусловленный повышением температуры, происходящим из-за увеличения глубины залегания (см. главу III). Температура в осадках может также повышаться вследствие развития в них различных экзотермических химических процессов: выпадения солей, образования новых минералов и т. д.

Повышение температуры вызывает разложение или, как говорят, деструкцию органического вещества: более сложные полимерные соединения разлагаются, образуя менее сложные соединения, в том числе и углеводороды. Благодаря этому с увеличением глубины залегания в органическом веществе осадочных пород растет содержание битумов и в составе последних - количество жидких и твердых углеводородов. Увеличивается и количество газообразных углеводородов.

Источники образования отдельных компонентов нефти показаны на рис. 32. Темп деструкции органического вещества резко повышается после достижения температуры порядка 60°С, что в большинстве случаев характерно для глубин порядка 1500-2000 м. По мере дальнейшего повышения температуры темп деструкции несколько снижается, но при этом из керогена продолжается образование новых порций битума, в которых содержатся новые и новые порции твердых, жидких и газообразных углеводородов и других соединений (рис. 33). Этот процесс продолжается до температур порядка 180-200°С. Дальнейшее повышение температуры приводит к деструкции образовавшихся жидких и твердых углеводородов, когда из органического вещества образуются только или почти только газообразные углеводороды и графит.

Рис. 32. Источники образования отдельных компонентов нефти

Рис. 33. Схема превращения керогена в нефть и газ

Интервал глубин, в котором из органического вещества образуются максимальные количества жидких углеводородов, Н. Б. Вассоевич предложил называть главной зоной нефтеобразования. Эта зона располагается на глубине порядка 1500-3000 м (в разных регионах по разному). Верхний интервал глубин, на которых образуется газ, назван Н. Б. Вассоевичем зоной газообразования, нижний интервал - главной зоной газообразования (табл. 2).

Таблица 2. Глубины и характеристика зон нефте и газообразования (по Н. Б. Вассоевичу и др.)

Описанная выше картина весьма схематизирована. Дело в том, что количество и битумов и углеводородов, образующихся на разных глубинах, а стало быть, и при разных температурах, во многом зависит от состава исходного органического вещества, степени его раздробленности, характера осадков, в котором оно находится и т. д. Так, установлено, что органическое вещество, представленное в основном остатками наземной растительности (так называемое гумусовое) дает при разложении больше газообразных углеводородов, жидкие углеводороды начинают образовываться из него при борее высоких температурах. Органическое вещество, накапливающееся в морских осадках, как правило, генерирует больше нефти.

Приведенная выше зависимость количества и состава органического вещества от температуры не только установлена в самых различных областях мира, но и наблюдается при проведении подобных экспериментов на моделях в лабораториях. Не останавливаясь на химической стороне указанного процесса, отметим лишь, что многими исследователями создана математическая модель этого процесса, позволяющая с помощью ЭВМ производить необходимые расчеты.

Образование газов из остатков наземной растительности в процессе формирования ископаемых углей изучено достаточно хорошо как на природном материале, так и экспериментально. Как отмечалось, уже на первой стадии при образовании торфа в болотах выделяется значительное количество метана. В дальнейшем при переходе торфа в бурый уголь, который при повышении температуры превращается в свою очередь в каменный уголь, а последний - в полуантрацит и антрацит, продолжается выделение метана и других газообразных, жидких и твердых углеводородов, а также различных летучих и нелетучих веществ - воды, углекислоты, сероводорода и др.

Учеными довольно точно рассчитаны количества образующихся при указанных процессах веществ и составлены соответствующие формулы. Выделение при этом метана и других углеводородов подтверждается наличием их в углях. Как известно, газоносность углей создает большие трудности при их добыче.

Наконец, образование метана и других углеводородов при нагревании угля подтверждается огромным количеством экспериментов, проводимых в разных странах.

Описанные выше процессы превращения органического вещества в определенной степени являются процессами изменения его физического состояния: из твердого вещества образуется полужидкое и газообразное. Это сразу нарушает создавшееся в породе равновесие вызывает увеличение давления флюидов в порах, до этого заполненных водой и, возможно, некоторым количеством газа, выделяющегося на микробиальной стадии. На жидкие и газообразные вещества начинают действовать иные силы - поверхностного или молекулярного притяжения, гравитационные и др. В результате этого начинается миграция - перемещение жидких битумов и образовавшегося газа из глинистых или других тонкозернистых пород (где содержание органического вещества выше и образовалось больше этих веществ) в песчаные или другие крупнопористые породы, где меньше органического вещества и давление флюидов (воды и газа), как правило, ниже.

Движение жидких битумов под влиянием сил молекулярного притяжения очень хорошо видно под люминесцентным микроскопом: более легкий битум, как правило, продвигается дальше от источника, из которого он образовался. По мере того как в битуме увеличивается количество жидких компонентов, он становится все более подвижным и переходит в нефть. Как отмечалось в главе III, поверхностное натяжение нефти в 3 раза меньше, чем воды. В связи с этим вода вытесняет нефть из более мелких пор в крупные, что подтверждается большим количеством экспериментов и практикой добычи нефти из трещиновато-пористых пород.

Попав в проницаемую породу, по которой возможно более или менее свободное передвижение (например, в хорошо выдержанный пласт песка), нефть и газ под влиянием гравитационных сил весьма медленно продвигаются вверх до упора, которым может оказаться глинистая, либо соляная, либо гипсовая или другая плохо проницаемая порода, и таким образом заполнит повышенную часть пласта. Этому процессу может способствовать движение подземных вод, благодаря которому накопление жидких и газообразных углеводородов в повышенных участках пластов развивается быстрее, подобно тому, как образуются "газовые пузыри" в повышенных частях водопроводов, водоводов и т. д.

Вот таким путем и образуются залежи нефти и газа ловушках различных типов в осадочных породах (рис. 34).

Рис. 34. Образование залежей нефти и газа

Процесс формирования газовых залежей сопровождается значительным повышением давления газа в пластах. Когда оно превышает давление вышележащих пород, происходит разрыв последних и образуются грязевые вулканы.

Как отмечалось в главе III, в тридцатые - шестидесятые годы настоящего столетия была, наконец, раскрыта существовавшая на протяжении почти двух тысячелетий тайна образования грязевых вулканов. Еще в тридцатые годы академик И. М. Губкин показал, что образование грязевых вулканов Азербайджана, Таманского и Керченского полуостровов связано с аккумуляцией нефти и газа из осадочных отложений. Последующие исследования грязевых вулканов других областей как нашей страны (Туркмения, Сахалин), так и других стран (Тринидад и Тобаго, Бирма, Индия, КНР, США), не только подтвердили эти выводы И. М. Губкина, но и позволили определить условия возникновения грязевых вулканов в нефтегазоносных областях и причины их сходства с грязевыми вулканами, развивающимися вблизи лавовых вулканов.

Результаты бурения глубоких скважин и исследования продуктов извержений грязевых вулканов в нефтегазоносных областях убедительно свидетельствуют об отсутствии под этими вулканами магматических очагов, вопреки предположениям многих исследователей, а также о том, что деятельность этих вулканов обусловлена поступлением газов из осадочных отложений. На это, в частности, указывает и тот факт, что по мере разработки залежей газа и снижения его давления в недрах интенсивность грязевулканической деятельности в общем уменьшается (на острове Тринидад, в Баку и других местах).

Продолжая аналогию между засеянным полем и осадочными породами, как правило, содержащими органическое вещество, укажем, что как на любом засеянном поле должны появляться всходы, так и в осадочной толще обычно при погружении должны развиваться процессы нефтегазообразования. При прочих равных условиях вероятность развития таких процессов тем больше, чем больше мощность и площадь распространения осадочной толщи.