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.

 

Деятельность бактерий

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+4Н_2- → СН₄+2Н₂О.

Во-вторых, некоторые бактерии в присутствии водорода способствуют восстановлению сульфатов с образованием сероводорода:

SО₄+5H_2-→ 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.

 

Теплота и давление

Давление совместно с теплотой или даже одно давление оказывает существенное влияние на превращение ОВ в нефть и газ. [Основным фактором образования УВ из ОВ пород является температура.] Этот процесс может происходить как при участии катализаторов, так и без них (см. стр. 484-485). В свое время Рич показал, что «нефть возгоняется из карбонатных пород в результате высокотемпературного крекинга и затем мигрирует латерально в более холодные зоны под воздействием газов, генерирующихся в процессе возгонки нефти» [64]. Экспериментальные исследования Сейера позволили ему сделать вывод о том, что «трансформация воскообразных веществ может быть приравнена к крекингу, который протекает при низкой температуре и высоком давлении и основными продуктами которого являются циклические углеводороды» [65].

Твердое ОВ, как, например, обнаруживаемое в горючих сланцах и «материнских породах», представлено пиробитумами. Для разложения его на жидкие и газообразные вещества необходима температура порядка 662-752°F (350-400°С)¹. В связи с этим становится весьма спорным распространенное мнение о том, что присутствие в нефтях порфиринов служит доказательством того, что температура в них никогда не превышала 392°F (200°С) [66]. Но роль температуры может сыграть время. В этом случае следует согласиться со значением порфиринов как «геологического термометра» и принять, что максимально высокой в нефтегазоносных пластах была температура 200°С. В залежах замерены температуры до 113°С, а наиболее высокая температура, равная 325°F (163°С), определена в непродуктивной разведочной скважине в округе Саблетт, Вайоминг, в песчаниках Фронтиер (мел) на глубине 20 521 фут (6250 м). Пластовые температуры большинства нефтяных залежей в настоящее время не превышают 200°F (93°С), а во многих из них температура никогда не превышала эту величину и раньше.

Трейбс и другие [67, 68] показали, что реакции, протекающие за геологически длительный период времени, требуют значительно более низких температур, чем те же реакции в обычных лабораторных условиях. Манер и Зиммерли обнаружили, что переход керогена в горючем сланце в битум, растворимый в четыреххлористом углероде, зависит не только от температуры, но и от времени. Другими словами, реакция идет при любой температуре, но при низкой температуре требуется более длительное время. Однако даже при крайне медленном течении реакции за геологическое время может образоваться значительное количество ее конечного продукта. Если бы время не играло такой роли в процессе низкотемпературной трансформации органического вещества, то даже ничтожная часть современного количества ОВ могла бы дать огромную массу нефтяных УВ. Как и во многих геологических проблемах, в этом случае время - фактор, практически не поддающийся учету.

Хотя при разложении керогена нефтяные УВ и не образуются, многочисленные жидкие углеводороды и нефтеподобные производные углеводородов [асфальтово-смолистые вещества], входящие вместе с твердым ОВ

¹Разложение начинается при более низких температурах (около 170°С), но протекает очень медленно (при экспериментах образование заметного количества битумоида при 180°С потребовало нескольких месяцев). В природе этот процесс за миллионы лет может осуществляться при еще более низких температурах (но, по-видимому, не менее 65-70°С). - Прим. ред.

 

в состав керогена, могут быть в конечном счете преобразованы в нефть и газ, а температура и давление могут в значительной степени способствовать этому процессу. Кероген же остается в породе в виде ненефтяного остатка.

 

⇐ Предыдущая41424344454647484950Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: