Происхождение нефти и газа

Происхождение нефти и газа

Введение

Проблема возрастания глобальной потребности в энергии с каждым годом все явственнее и тревожнее обозначается перед человеческой цивилизацией. По расчетам экспертов, через 30 лет необходимые объемы энергетических ресурсов должны увеличиться на две трети. Причем, более чем на 70% спрос будет удовлетворяться за счет углеводородов: поэтому прогрессивный рост добычи этого сырья неизбежен. По данным Международного энергетического агентства, к 2025 г. мировая добыча газа должна вырасти до 4,8 трлн м³, нефти - до 6,5 млрд т.

Нефтегазовая отрасль России - одна из ключевых отраслей отечественной экономики. Значительная часть от общей выручки которой перечисляется в бюджет страны, наполняя его основную часть. Поэтому перспективы развития отечественной нефтегазодобывающей промышленности имеют для нас первостепенное значение.

Концепция развития нефтяной и газовой промышленности определена "Энергетической стратегией России на период до 2020 г.", которая неоднократно корректировалась и трансформировалась в "Энергетическую стратегию России на период до 2030г.", но общая тенденция потребности современного общества в энергоносителях осталась неизменной.[1]

Однако, стоит оговориться, что производство этих продуктов не безгранично. По оценке экспертов общемировое падение нефтедобычи уже началось с 2006-2010 гг., а добычи газа начнется с 2040 г. По современным оценкам оба вида топлива относятся к невосполняемым полезным ископаемым. Если это так, то мы уже видим дно углеводородного колодца.

Идеи о медленном образовании и накоплении нефти и газа и, как следствие этого, об исчерпаемости и невосполнимости запасов углеводородов (УВ) в недрах Земли появились еще в начале прошлого века вместе с зачатками нефтегазовой геологии. Они базировались на умозрительном представлении о генерации нефти и газа как о процессе, связанном с отжиманием воды и углеводородов при погружении и возрастающем уплотнении осадочных пород с глубиной. Медленное опускание и постепенное прогревание нефтегазоматеринских свит, протекающее в течение десятков и сотен миллионов лет, и породили теорию об очень медленном процессе нефтегазообразования. Стало аксиомой, что чрезвычайно малая скорость образования залежей УВ несопоставима со скоростью извлечения нефти и газа при эксплуатации месторождений, поэтому углеводороды традиционно рассматриваются как не восполняемые минеральные ресурсы. В данной работе будет более подробно описано, какую же все-таки природу происхождения имеют столь важные для человечества энергоносители.

1. Происхождение нефти и газа

.1 Определение

В центре внимания данной работы имеют место такие элементы как нефть и природный газ, которые по своей сути являются углеводородами и выступают в качестве энергоносителей, поэтому для правильного понимания и восприятия изложенной темы, следует начать с определений терминологии.

Нефть - природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, буро-коричневого цвета, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений. Относится к каустобиолитам (т.н. ископаемое топливо).

Природный газ - вещество состоящее из смеси газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород.

Природный газ относится к полезным ископаемым. В пластовых условиях находится в газообразном состоянии - в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При нормальных условиях (101,325 кПа и 0 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Углеводороды - органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Самым простым углеводородом является метан (СН₄). Энергоноситель - вещество в различных агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное) и формах материи (плазма, поле, излучение), запасенная энергия которых может быть использована для целей энергоснабжения. [2]

1.2 Концепции неорганического происхождения нефти

Идея возможности неорганического происхождения нефти была выдвинута в XIX веке замечательным естествоиспытателем А.Гумбольтом. Позднее популярность неорганической теории была связана с авторитетом Д.И.Менделеева и с привлекательностью космических идей В.Д.Соколова. Позднее концепции неорганического происхождения развивались петербургским геологом Н.А.Кудрявцевым, киевским исследователем Б.Н.Кропоткиным, а также зарубежными учеными - К.Мак-Дерматом, Ф.Хойлем и др.

.2.1 Гипотеза Менделеева

В нашей стране наиболее широкую известность получила теория, сформулированная Д.И.Менделеевым, доложенная им в 1876 году в Русском химическом обществе. По его мнению, вода, проникая по разломам в глубинные недра Земли, вступает во взаимодействие с карбидами металлов. Образовавшиеся при этом взаимодействии углеводородные пары по тем же разломам поднимаются в верхние части земной коры, где конденсируются, образуя скопления нефти.

.2.2 Гипотеза Кудрявцева

В 1950 г. профессор Н. А. Кудрявцев выдвинул магматическую гипотезу образования нефти. По его мнению, на больших глубинах - в мантии Земли - в условиях очень высокой температуры углерод и водород образуют углеводородные радикалы - СН, СН2 и СН3. Вследствие перепада давления они перемещаются по веществу мантии в зоны глубинных разломов и вдоль этих разломов поднимаются вверх, ближе к земной поверхности. По мере понижения температуры в верхних слоях эти радикалы соединяются друг с другом и с водородом. В результате образуются более сложные нефтяные углеводороды. Дальнейшее движение углеводородных газов и нефти приводит их или на поверхность Земли, или в ловушки, возникающие в проницаемых осадочных породах, а иногда и в кристаллических на границе с первыми. Передвижение углеводородов происходит по заполненным водой трещинам и вызывается огромным перепадом давления на пути миграции и в местах образования нефти в осадочной толще, а также разностью плотности воды и нефти.

.2.3 Гипотеза Соколова

Углеводороды возникают в космических телах на ранних стадиях их развития из углерода и водорода, количество которых во всех космических телах, в том числе и в Земле огромны. Возникшие таким образом углеводороды на Земле поглощаются расплавленной магмой. При остывании магмы и кристаллизации магматических горных пород, углеводороды отделяются от нее, и мигрируют по трещинам и разломам. Попадая в верхние части литосферы, и конденсируясь, углеводороды дают основной материал для образования различных битумов.

Важным достоинством концепций неорганического происхождения нефти является разве что ее оптимистичность. В современной же науке она находит много противоречий. [3]

1.3 Концепции органического происхождения нефти

Соображения об органическом происхождении нефти были сделаны в 1759 году М.В.Ломоносовым в работе "О слоях земных". Он полагал, что нефть образовалась из каменного угля под воздействием высоких температур. "…Выгоняется подземным жаром из приуготовляющихся каменных углей оная бурая и черная масляная материя и вступает в разные рассолы…". Первые эксперименты получения нефтеподобных продуктов из органического вещества животного происхождения были проделаны немецким химиком Г.Гефером, который нагревал животные жиры при повышенном давлении до температуры 320-4000. [3]

Современная концепция органического происхождения нефти восходит к монографии И.М.Губкина "Учение о нефти" [4], а более детально рассмотрена Н.Б. Вассоевичем, который назвал ее осадочно-миграционной теорией нефтеобразования [5]. В соответствии с новым учением, нефть образуется следующим образом:

Источником нефти является захороненное в осадках органическое вещество - продукт разложения организмов, - отлагающееся вместе с минеральными частицами осадков.

В свою очередь, источником этого органического вещества являются две группы организмов: наземная растительность, остатки которой сносились реками в морские или озерные бассейны, бактерии и морской зоо- и фитопланктон, причем именно последнему принадлежит главная роль в нефтеобразовании.

Различия в составе органического вещества, отложенного из двух этих источников - гумуса и сапропеля, прослеживаются в составе нефтей, возникших за их счет. Накопление значительных масс органического вещества в осадках было возможно в условиях отсутствия или ограниченного доступа свободного кислорода, что могло происходить лишь в водной среде.

Органическое вещество находится в осадках в рассеянном состоянии. Одни типы осадков им обогащены в большей степени, другие - в меньшей или даже практически его лишены, но среднее содержание очень редко превосходит 1% от массы осадка. И лишь относительно небольшая часть этого вещества (10-30%) затем преобразуется в нефть, остальная сохраняется в осадке и переходит в образующуюся из него осадочную породу. Более всего обогащены органическим веществом темные глинистые толщи типа олигоцен-миоценовой майкопской серии Кавказа, девонского, так называемого доманика Волго-Уральского и Тимано-Печорского бассейнов. Именно их долго рассматривали как классические нефтепроизводящие или нефтематеринские толщи. Однако в дальнейшем выяснилось, что свойством продуцировать нефть обладали и другие типы осадочных формаций, в частности карбонатные.

Преобразование исходного органического вещества в нефть - процесс длительный, сложный и еще до конца непонятый. Известно, что углеводороды нефтяного ряда образуются уже в телах живых организмов и их обнаруживают в современных осадках. Однако, как показал Н.Б. Вассоевич, процесс идет очень медленно, пока осадки не погрузятся на глубину более 2 км, будучи перекрыты более молодыми слоями, и не нагреются до 80-100°C. Лишь тогда наступит главная фаза нефтеобразования. На большей же глубине, порядка 6 км, и при более высокой, более 120°C температуре вместо нефти начнет образовываться газ (рис.1)

Отечественная нефтегазовая геология подтвердила положения И.М.Губкина. На основе прогнозов, сделанных на базе этой теории, развитой его многочисленными последователями, отечественная нефтегазовая геология долгие годы позволяла прогнозировать и открывать месторождения, что сделало Советский Союз ведущей нефтегазовой державой мира.

.3.1 Основные аргументы в пользу биогенного происхождения нефти

Ø  Приуроченность 99,9% промышленных скоплений нефти к осадочным породам.

Ø  Сосредоточение наибольших запасов в отложениях геологических периодов с наибольшей активностью биосферы.

Ø  Сходство элементного, и, главное, - изотопного состава живого вещества и нефтей.

Ø  Оптическая активность нефтей.

Дополняется эта концепция более современным представлениям Б.А. Соколова тем, что нефтеобразованию существенно способствуют (кроме погружения и роста температуры с глубиной) поступающие из мантии флюиды. Это особенно заметно в молодых рифтогенных бассейнах типа Суэцкого залива Красного моря, но должно было играть большую роль на ранней стадии развития и более древних бассейнов вроде Западно-Сибирского. В этом смысле можно признать, что в представлениях "неоргаников" было хотя и небольшое, но зерно истины - глубинный эндогенный фактор принимает определенное участие в процессе нефте- и газогенерации. А так как действие этого фактора во времени проявляется неравномерно, отдельными импульсами, то и генерация углеводородов может протекать не в одну фазу, а в несколько таких фаз, как недавно отметил украинский ученый А.Е. Лукин.

Но по существу процесс нефтеобразования завершается лишь тогда, когда капли нефти начнут собираться в более крупные скопления. А это происходит только при отжимании нефти вместе со связанной водой из материнской породы под весом вышележащих слоев, напором газа и при ее переходе в пористые породы-коллекторы, в частности пески и песчаники.

Необходимым условием сохранности сформированной залежи нефти или газа является наличие над пластами-коллекторами непроницаемых или слабопроницаемых пород - флюидоупоров, в просторечии обычно называемых покрышками. Наилучшими флюидоупорами служат соленосные образования. Развитию таких образований нижнепермского, кунгурского возраста обязаны своей сохранностью гигантские залежи газа, конденсата и нефти в массивных карбонатах - карбонатных платформах на периферии Прикаспийской впадины (Астраханское, Оренбургское, Тенгизское месторождения). Но гораздо чаще роль покрышек выполняют глинистые пачки и свиты. Таким образом, нефтегазоносные комплексы состоят из нефтематеринских толщ, коллекторов и покрышек.[6]

1.4 Образование природного газа

Природный газ распространен в природе гораздо шире, чем нефть. Его формирование может происходить различными способами.

При биохимическом процессе образование метана происходит в результате переработки органического вещества бактериями. (Иногда эти бактерии поселяются на нефти, которые перерабатывают ее в метан, азот и углекислый газ).

Термокатализ заключается в преобразовании в газ органического вещества под действием давлений и температур в присутствии катализаторов - глин. Наиболее интенсивно термокатализ происходит при температуре 150-200°.

Если глины с повышенным содержанием органического вещества обогащены ураном, может запуститься радиационно-химический процесс образования газа, который заключается в воздействии радиоактивного излучения, на углеродные соединения. В результате органическое вещество распадается на метан, водород и окись углерода. Оксид углерода, в свою очередь, распадается на кислород и углерод, при соединении с водородом которого также образуется метан.

При механических воздействиях на угли на контактах зерен возникают напряжения, которые служат источниками энергии для механохимического образования метана.

Диапазон глубин газообразования гораздо шире, чем у нефти, а его источником могут являться не только вещества органического происхождения, захороненные в осадках, но и вещества, получающиеся в результате углефикации наземной растительности. Залежи газа, продуцированного угленосной толщей среднего карбона, известны в нижней Перми в южной части Северного моря и других районах. Выделения метана наблюдаются практически во всех угленосных толщах, и его взрывы в шахтах нередко имеют катастрофические последствия. Образование метана начинается уже в болотах, а промышленные залежи газа выявлены в очень молодых, плиоцен-четвертичных осадках. Газообразование продолжается и на больших глубинах, но, как отмечалось выше, его главная фаза приходится на область более высоких температур, чем главная фаза нефтеобразования. В последнее время в Скалистых горах США обнаружены скопления газа в слабопроницаемых отложениях верхов мела, их называют нетрадиционными, к ним относятся и упомянутые выше глинистые толщи. Следует упомянуть наконец о широком распространении в осадочных толщах морей и океанов и придонном слое осадков залежей газогидрата - сжиженного и замерзшего растворенного в воде газа.

.5 Современная модель образования залежей нефти и газа

В обобщенном виде современная модель формирования залежей нефти и газа в результате накопления органического вещества (ОВ) и его преобразования в углеводороды (УВ) приведена в таблице 1.

Таблица 1. Образование залежей углеводородов.

Заключение

В контрольной работе были рассмотрены 2 основных концепции органического и неорганического происхождения нефти и концепция происхождения природного газа. И если теория происхождения природного газа более-менее объяснима, то с нефтью не все так однозначно.

Пока не достигнуто еще полного согласия исследователей в отношении того, как образуется в природе жидкая нефть. Нефтеподобные вещества могут быть синтезированы в лабораториях, как из неорганических, так и из органических веществ, но залегание нефти и газа почти исключительно находятся в осадочных породах, которые одновременно содержат остатки древних растений и животных, является важным доказательством того, что исходный материал был органическим по своей природе. Условиями же нефтеобразования являются время (вероятно, не менее 500 000 лет), умеренные температуры (вероятно, 35-40 С) и давления (вероятно, ок. 10 атм) и ведут к преобразованию органического вещества в низкомолекулярные легкие углеводороды, обычно находящиеся в сырой нефти. Наука и прогресс не стоят на месте, тем более с учётом сегодняшних темпов роста, а следовательно есть все предпосылки к тому что человечество в скором времени не только изучит природу происхождения нефти и газа, но и научится управлять этим процессом.

Список использованных источников

1. rosenergo.gov.ru - электронный ресурс

. Большая Советская Энциклопедия

. Конспекты лекций

. Губкин И. М. Учение о нефти. - М.: Наука, 1975. - 384 с.

5. Вассоевич Н. Б. Теория осадочно-миграционного происхождения нефти // Известия АН СССР. Сер. "Геология". - 1967. - № 11. - С. 135-156.

. Соколов Б. А. Флюидодинамическая модель неф-тегазообразования. - М.: Геос, 1999. - 76 с.