Происхождение нефти и газа

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ЛЕКЦИЯ 7

Происхождение нефти и газа – гипотезы, концепции и теории нефтегазообразования

История взглядов на происхождение нефти

История науки знает много случаев, когда вокруг какой-нибудь проблемы разгораются горячие дискуссии. Такие споры идут вокруг проблемы происхождения нефти - органической или неорганической. Они начались в ХVIII веке и продолжаются до настоящего времени, то затихая, то вспыхивая вновь. Каждое из двух основных направлений взглядов на происхождение углеводородов, подразделяясь на ряд гипотез, важны не только в научном плане, но и для прогнозирования недр на нефть и газ, обоснования направлений нефтегазопоисковых работ.

Проблема органического происхождения нефти к концу XX в. нашла обоснование в осадочно-миграционной теории нафтидогенеза. Гипотезы неорганического происхождения нефти, в свою очередь, подразделяются на вулканическую, карбидную и космическую.

Органическое происхождение нефти

А.Э.Конторович, выделил четыре основных этапа формирования и развития биогенной теории нафтидогенеза :

I - «этап альтернативных догаток» - середина XVIII в. до начала XX в. (М.В.Ломоносов: «О слоях земных», в которой он впервые выдвинул идею об органическом происхождении нефти).

II - «этап формирования гипотезы» - с начала до середины XX в. (К.Энглер, Г.Потонье, Д.Уайт, И.М.Губкин, Г.П.Михайловский, В.И.Вернадский и др. В.И.Вернадский первый преодолел чисто геологический подход к теории образования нефти и газа и стал разрабатывать проблему нафтидогенеза на стыке геологии, геохимии и биогеохимии. А.Д.Архангельский в 1925-1926 гг. впервые начал систематическое изучение распределения ОВ в осадочных породах, положив начало изучению нефтепроизводящих пород. И.М.Губкин впервые изложил основы биогенной теории нафтидогенеза, показав, что процессы нефтегазообразования в стратосфере начались сразу после зарождения жизни, сформулировав понятие о диффузнорассеянной нефти, заложив основы учения о стадийности нефтегазообразования).

III - «этап становления основ современной теории нафтидогенеза» и углубления геохимических, геодинамических и флюидодинамических её оснований – от конца 40-х до начала второй половины 80-х гг. XX в. (Г.А.Амосов, А.И.Богомолов, И.О.Брод, Н.Б.Вассоевич, В.В.Вебер,

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Е.А.Рогозина и другие ученые ВНИГРИ, которые внесли существенный вклад в становление и развитие теории нафидогенеза, обладающую высокой степень прогнозирования, что проявилось в открытиях Волго-Уральской и Западно-Сибирской НГП. На прогресс теории нафтидогенеза огромное влияние оказало развитие аналитической, физической и органической химии, биохимии, многие достижения которых были ассимилированы органической геохимией.

IV - «этап развития биогенной теории нафтидогенеза» (создана нелинейная теория нафтидогенеза, разработана концепция эволюции нафтидогенеза в истории Земли и т.д.). Наиболее полно и систематическую характеристику этого этапа дал в своих работах Н.Б.Вассоевич.

М.В.Ломоносов в 1763 г. в своем трактате «О слоях земных» писал «Выгоняется подземным жаром из … каменных углей … бурая и черная масляная материя … и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй … каменная смола, нефть, гагат и сим подобное, которые хотя … разнятся, однако из одного начала происходят».

Таким образом, более 200 лет назад была высказана мысль об органическом происхождении нефти из каменного угля. Органическое вещество: уголь – нефть – газ.

Высокую оценку этой работы дал В.И.Вернадский еще в 1911 году. Он отметил, что М.В.Ломоносову «принадлежат точные и ясные, полные блеска и глубокой мысли первые изложения геологии». И далее В.И.Вернадский писал: «Лишь в первой половине XIX века мы встречаемся с аналогичными концепциями геологии».

Родилась органическая гипотеза.

Немецкие ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 г. поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из животных организмов (перегонка сельдевого жира при Т =4000С и Р = 10 кгс/см2 - получены масло, горючие газы, вода, жиры, разные кислоты. Из масла плотностью 0.8105 г/см3 состоящего на 9/10 из УВ коричневого цвета последующей разгонкой были получены предельные УВ от пентана (С2Н5) до нонана (С9Н20), парафин и смазочные масла (олефины, нафтены, арены).

В 1919 г. академик Н.Д.Зелинский при перегонке сапропелевого ила из оз. Балхаш получил сырую смолу (63.2 %), кокс (16.0%), газы (СН4, СО2, Н, Н2S – 20.8%). При последующей переработки смолы из нее извлекли бензин, керосин, тяжелые масла.

Казалось проблема решена – нефть и газ производные разложения органики.

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Научно-теоретический интерес и практическое значение проблемы образования нефти определил И.М.Губкин – основоположник отечественной школы нефтяников [28].

К середине ХХ в. было доказано единство всех горючих полезных ископаемых (нефти, угля, газа, горючих сланцев), установлена генетическая связь нефти с ископаемым ОВ осадочных пород, разработаны критерии выделения нефтегазоматеринских свит.

В 40-50 –е годы модель органического нефтеогазобразования рассматривала процесс образования нефти как преимущественно механическое отжатие глинами битуминозных компонентов, уже образовавшихся в живом веществе и диагенезе в процессе погружения и уплотнения этих глинистых нефтематеринских пород.

Созданная в начале 60 –х годов и развившаяся в 70-80 –е годы термокаталитическая концепция образования нефти в своей основе имеет химические реакции, протекающие в сравнительно узком температурном интервале; этот главный этап генерации УВ нефти ОВ назван Н.Б.Вассоевичем главной фазой нефтеобразования (ГФН), за рубежом – «нефтяным окном».

Итак, прежде чем рассматривать стадии онтогенеза углеводородов, рассмотрим, что собой представляет органическое вещество (ОВ) и какое ОВ составляет основу нефтегазопродуцирующих отложений. Это следующие ОВ:

Сапропели – органо-минеральные осадки озерных водоёмов. ОВ сапропеля образуется преимущественно за счет продуктов распада живущих в воде растительных и животных организмов … .

Сапропелиты – ископаемое ОВ осадочных пород, образовавшееся в основном за счет остатков зоо- и фитопланктона; являются основной органической составляющей пород нефтематеринских свит.

Сапропелито-гумиты – ископаемое ОВ, образовавшееся преимущественно из остатков растений; являются одной из главных составляющих РОВ нефтегазоматеринских и газоматеринской пород.

Гумито-сапропелиты – ископаемое ОВ, образовавшееся преимущественно из остатков растений; являются одной из главных составляющих РОВ нефтегазоматеринских пород.

Гумиты – РОВ континентальных отложений, образовавшееся главным образом за счет остатков высших растений (подгруппа углей группы гумолитов).

Формирование и преобразование осадочных пород проходит стадии диагенеза, эпигенеза и катагенеза.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Диагенез – преобразование осадка в осадочную породу в процессе уплотнения и физико-химического превращения и уравновешивания сред. Диагенез: ранний – главными являются окислительновосстановительные процессы; поздний – решающую роль играет выравнивание концентраций ионов в поровых водах, приводящие к образованию конкреций.

Эпигенез– вторичные минералогические и структурные изменения осадочных пород в совокупности с изменениями содержащихся в них флюидов (воды, нефти, газа). Эпигенез наступает после диагенеза.

Катагенез – процессы изменения отдельных составных частей горной породы (минералов, РОВ, пустотного пространства, флюидов) при её эпигенезе в результате увеличения глубины погружения и пластовой температуры, происходящие без привноса вещества из внешних источников. Выделяются стадии протокатагенеза, мезокатагенеза и апокатагенеза.

Залежь нефти и/или газа формируется только в процессе миграции жидких или газообразных УВ. Нефть и газ – образования стадийные, формирующиеся на определенных катагенетических уровнях преобразования, причем на каждом из них генерируются УВ определенного состава; выделяются пики ГЗН и ГЗГ.

В разрезах осадочных бассейнов сверху вниз располагаются скопления УВ:

1)ПК1 – ПК2 – небольшие залежи сухого газа;

2)ПК3 - МК11 – залежи нафтено-метановой нефти и полусухого газа, в газовых шапках – полужирный и жирный газ;

3)МК12 – МК2 – в нефтях возрастает содержание метановых УВ, твердых парафинов и легких ароматических УВ, в газовых шапках – жирный газ;

4)МК3 – залежи метаморфизованных, высокопарафинистых нефтей с повышенным содержанием нормальных алканов;

5)МК4 – залежи газоконденсатов;

6)МК5 – залежи сухого газа;

7)МК5 – АК1 и ниже – залежи только метана.

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Стадии катагенеза

I. ПРОТОКАТАГЕНЕЗ

ПК1	Б1			клареновые
ПК2	Б2	бурые		угли
ПК3	Б3			Донбасса
		до 90-1000С
		II. МЕЗОКАТАГЕНЕЗ
МК1	Д	длиннопламенные	ГЗН:	80-90–150-
МК2	Г	газовые	1700С
			глубины 2 – 3,5 км
МК3	Ж	жирные	ГЗГ: свыше 1700С
МК4	К	коксовые
МК5	ОС	отощенно-спекающиеся	глубины 3.5-5 км
		до 200-2200С
		III. АПОКАТАГЕНЕЗ
АК1	Т	тощие	ГЗГ	- до 5 км
АК2	ПА	полуантрациты
АК3	А	антрациты
		до 3000С

В распределении залежей разного фазового состава УВ по вертикали отмечается сдвиг вверх примерно на половину градации относительно максимума генерации соответствующих флюидов.

Зональность распределения УВ в ОПБ

Итак для большинства осадочных бассейнов (ОБ) сверху вниз по шкале катагенеза:

газ	тяжелая нефть	легкая нефть	газоконденсат	газ
ВЗГ – верхняя	ГЗН – главная зона		ЗОГК – зона	ГЗГ – глубинная
зона	нефтеобразования		образования	зона
интенсивного			газоконденсата	интенсивного
газообразования				газообразования

В целом для большинства ОПБ сохраняется зональность сверху вниз: газ - тяжелая нефть - легкая нефть – газоконденсат – газ.

Стадии онтогенеза углеводородов и показатели нефтегазоносности, контролирующие процесс формирования (расформирования) залежей нефти и газа – очаг нефтегазообразования – генерация – миграция – аккумуляция – сохранность – консервация – эволюция (переформирования или расформирование).

Порода нефтегазоматеринская – осадочная порода, содержащаяОВ, которое способно при вступлении в главную зону нефтеобразования (ГЗН – Т0С от 50-60 до 150-170) генерировать

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

нефть: 1) потенциально нефтематеринская, т.е. еще не реализовавшая свой потенциал нефтегенерации; 2) нефтепроизводящая или нефтепроизводившая, еще не исчерпавшая свой потенциал; 3) бывшая нефтематеринская, уже утратившая способность генерировать нефть.

Стадии онтогенеза углеводородов

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Одним из главных диагностических признаков I стадии развития пород нефтематеринских является присутствие в ней битумоидов паравтохтонных, а II и III стадий – битумоидов остаточных.

Н.Б.Вассоевич: концепция нефтеобразования – осадочномиграционная теория (а не органическая или биогенная!). Нефть образуется абиогенным путем, но источником её является ОВ или кероген, захороненный в процессе осадконакопления. Его потенциал закладывается в живом веществе, формируется в диагенезе, реализуется в мезокатагенезе. Ход этого процесса определяется как внутренней структурой керогена, так и внешними факторами – температурой, скоростью прогрева, строением нефтематеринской толщи, определяющим эмиграцию, образовавшихся продуктов, составом минеральной матрицы, влияющим на каталитические процессы, происходящие в керогене.

В последние десятилетия, благодаря работам Н.Б. Вассоевича (1986), А.Э. Конторовича (1998) и других исследователей, состояние осадочно-миграционной теории существенно продвинулось на пути всестороннего комплексного анализа условий формирования и генетических основ нефтегазонакопления. В конце XX века российским ученым удалось сформулировать как общие положения теории, так и ее отдельные составляющие: учение о типах органического вещества (ОВ), схемы развития катагенеза ОВ, стадийности нефтегазообразования, учение об осадочных бассейнах и др..

Вместе с тем многие генетические вопросы формирования месторождений нефти и газа (роль глубинных факторов, рифтогенеза, эпигенетических преобразований, гидрогеологических режимов и др.) требуют дополнительного изучения. Да и само название «осадочномиграционная теория образования нефти и газа» не вполне точно и полно отражает длительную и многостадийную историю нефтегазогенеза.

Сформулированная в нефтяной геологии осадочно-миграционная концепция скорее относится к образованию и преобразованию в зоне катагенеза нефтематеринских углеродосодержащих геологических формаций. Становление собственно нефтегазоносных залежей в благоприятных структурах – ловушках связано не с сингенетическими процессами осадконакопления, диагенеза и катагенеза осадков, а с более поздними эпигенетическими процессами преобразования пород под влиянием экзогенных и эндогенных факторов и ведущей роли инфильтрационных процессов миграции вещества как по вертикали, так и по латерали.

В этом отношении генетические основы нефтегазообразования имеют много общего с формированием крупных и уникальных месторождений урана, в особенности многочисленной группы

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

полигенных и полихронных объектов, прямо или косвенно связанных с углеродистыми геологическими формациями протерозоя и фанерозоя.

	Для нефти и газа, также как и в урановой геологии можно
выделить	три	основных	периода	(подготовительный,

нефтеобразующий и консервационный) и несколько стадий длительного полигенного и полихронного процесса нефтегазогенеза. При этом очень близка роль в формированиии месторождения углеродсодержащих осадочных отложений, образующихся в разнообразных по тектонической позиции и возрасту бассейнах седиментации и содержащих высокие количества не только углерода и водорода, но и металлов (урана, ванадия, мышьяка, цинка никеля (U, V, As, Zn, Ni) и других элементов).

В спокойной тектонической обстановке (платформенные условия) при залегании на глубине до 1 км такие породы (в частности диктионемовые сланцы /название получили от ископаемого Dictyonema flabelliformis/ на северо-западе Русской плиты) не генерируют эпигенетических концентраций урана, углеводородов и могут рассматриваться как сингенетические потенциальные месторождения металлов и органического топлива. И наоборот, при вовлечении битуминозных отложений в преобразование в активной геодинамической среде зоны катагенеза могут формироваться в крупных специализированных блоках литосферы рудо – и нефтепитающие геохимические системы, способные генерировать подвижные формы металлов и углеводородов, вовлекаемых в дальнейшем в инфильтрационные процессы нафторудообразования.

Выделяются следующие основные стадии нафтидогенеза, зависящие от геологических и геохимических процессов формирования и сохранения залежей нефти и газа в зависимости от типа геодинамического (тектонического) режима.

Первые две стадии (седиментационная и катагенетическая) ответственны за образование в соответствующих блоках осадочных бассейнов нефтегазопитающих геохимических систем (региональный подготовительный период) при наличии нефтематеринских пород и повышенных температурах, соответствующих условиям низкотемпературного гидротермального метасоматоза.

Собственно нефтегазообразующицй период включает две эпигенетические стадии: инфильтрационную и концентрационную. Они связаны с активным гидрогеологическим режимом осадочных бассейнов, чередованием периодов сжатия и растяжения и наличием литологических, структурных или иных ловушек.

Консервационная стадия может развиваться по двум сценариям: - сохранение залежей нефти и газа при пассивном

геодинамическом режиме;

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-уничтожение залежей нефти и превращение их во вторичные битуминозные породы, а также преобразование (или уничтожение) месторождений газа с возможным перемещением газообразных углеводородов в новые структуры.

Предварительное рассмотрение такой модели многостадийного процесса нефте – и газообразования позволяет сформулировать следующие общие выводы:

-месторождения нефти и газа являются эпигенетическими многостадийными (полихронными) и полигенными образованиями продуктивных осадочных бассейнов, в накоплении и миграции углеводородов существенную роль играли не только экзогенные, но и эндогенные факторы.

Торжество осадочно-миграционной теории нафтидогенеза во второй половине XX века особенно ярко проявилось в блестящих открытиях, сделанных на основе методов прогноза и поиска скоплений нефти и газа, вытекающих из этой теории. К ним относятся открытия, сделанные практически во всех нефтегазоносных провинциях (НГП)

СССР, а также в других бассейнах Мира.

Особое значение имело изучение геологии и нефтегазоносносности Сибирской платформы. Научное обоснование и последующее открытие крупных и уникальных по запасам УВ местоскоплений нефти и газа в венде и рифее отодвинули рубеж доказанной промышленной нефтегазоносности до отметки 1400 млн. лет. Этот рубеж, несомненно, будет отодвинут дальше вглубь протерозойской и архейской истории Земли.

По средневзвешенной концентрации Снк горизонты осадочного разреза Сибирской платформы (Лено-Тунгусская НГП) подразделяются на три группы: доманикоидные (Снк >0.5%), субдоманикоидные (Снк= 0.1-0.5%) и горизонты со сверхрассеянной формой органического вещества (ОВ) (Снк<0.1%). В отложениях верхнего протерозоя, нижнего и среднего палеозоя Сибирской платформы известно 18 стратиграфических уровней, где располагаются доманикоидные и субдоманикоидные горизонты, сложенные терригенно-карбонатными, карбонатными и терригенными породами. По фациальному облику это нормально-морские, реже лагунно-морские отложения. Обогащенные ОВ толщи, как правило, имеют ранг свит или подсвит, реже пачек. Встречаются в раннем рифее – 1, в среднем рифее – 3, в позднем рифее – 2 (3?), в венде – 2, в кембрии – 3, в ордовике – 3, в силуре – 2, в девоне – 2. Большая часть этих толщ имеет региональное распространение на Сибирской платформе, но в латеральном направлении они нередко меняют свой литологический состав, мощность и соответственно концентрацию ОВ.

Доманикоидные и субдоманикоидные горизонты позднего протерозоя, раннего и среднего палеозоя Сибирской платформы

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

классифицируются как нефтегазоматеринские свиты. Понятие «нефтегазоматеринская свита (формация)» вычленяет из общего объема парагенезов горных пород те из них, которые по своим свойствам «… обладают (обладали в прошлом или при наступлении соответствующих условий могут обладать) некоей функцией рождать и отдавать те или иные количества жидких и газообразных углеводородов (УВ), то есть при образовании своем приобретшие некоторое свойство – нефтегазоматеринский потенциал».

Нижний предел концентраций ОВ в нефтегазоматеринских свитах зависит от его состава, то есть от генетического типа. Опыт исследований ВНИГРИ показывает, что в случае сапропелевого ОВ преимущественно водорослевой планктонной природы, слабо измененного в диагенезе, за нижний предел концентраций по значению Снк принимается 0.1% на породу. Такое ОВ характерно для слабоглинистых карбонатов иловых впадин палеозоя и позднего докембрия Сибирской платформы. В этих породах уже на первых стадиях мезокатагенеза фиксируются признаки генерации и эмиграции жидких УВ и их следует относить к категории нефтематеринских. Для свит, содержащих рассеянное органическое вещество (РОВ), в исходном составе которого наряду с фитопланктоном значительную роль играл зоопланктон и (или) бентос, или РОВ, значительно окисленное в седиментогенезе и диагенезе (оксисорбосапропелиты по Г.М.Парпаровой, ВНИГРИ), пределом следует считать 0.2% Снк. Для газоматеринских свит нижним пределом концентраций Снк считаются значения 0.07-0.08%, в случае наиболее «благородного» водородистого РОВ, вероятно, 0.05%. ВНИГРИ принят осредненный нижний предел концентрации Снк в нефтегазоматеринских свитах суммарно – 0.1% .

Неорганическое происхождение нефти

Сторонники неорганического происхождения нефти заявили о себе в XVIII в. Начиная с А.Гумбольда основным доводом в пользу неорганического происхождения нефти была связь нефтепроявлений с деятельностью вулканов (вулканическая гипотеза). До середины XIX в. использовалась только нефть естественных выходов, распространенная в тектонически активных областях – Средиземноморье, Венесуэла, Калифорния и др. Поэтому нефтепроявления (и генезис нефти!) связывались с эндогенными процессами.

Научные концепции неорганического происхождения нефти возникли во второй половине XIX в. К этому времени относятся успешные эксперименты по неорганическому синтезу сложных органических соединений, в т.ч. углеродистых (М. Бертло, С. Клоэц

10