Генезис углеводородов и образование залежей нефти и природного газа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»
Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Кучеров Владимир Георгиевич
Современные научные представления о генезисе углеводородов подтверждают возможность их абиогенного синтеза в глубинных (мантийных) условиях. Полученные экспериментальные результаты позволяют понять механизмы этого процесса, который в общем виде может быть представлен следующим образом: восстановленное вещество мантии + газы → окисленное вещество мантии + углеводороды. Образование нефтяных и газовых залежей присходит в результате миграции мантийных флюидов по зонам глубинных разломов. Глубинный флюид, обладая высокой реакционной способностью, при подъеме по зонам разломов и трещин растворяет органические вещества, расположенные на стенках, обогащаясь вторичными компонентами.
Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Кучеров Владимир Георгиевич
Текст научной работы на тему «Генезис углеводородов и образование залежей нефти и природного газа»
углеводородов, мантийные условия, нефтегазовые залежи.
hydrocarbon genesis, mantle conditions, oil-and-gas deposits.
УДК 554; 550.4.02 В.Г. Кучеров
Генезис углеводородов и образование залежей нефти и природного газа
Современные научные представления о генезисе нефти и газа и практические результаты геологических исследований позволяют говорить о наличии в недрах Земли громадных, неисчерпаемых запасов углеводородов, которое может быть объяснено только с точки зрения их абиогенного глубинного происхождения. Основные положения концепции абиогенного глубинного происхождения нефти и газа были сформулированы в прошлом веке такими выдающимися учеными, как Н.А. Кудрявцев, П.Н. Кропоткин, В.П. Порфирьев, Г.Н. Доленко, В.А. Краюшкин, И.И. Чебаненко и др. Эта концепция базируется на представлениях об образовании нефти и газа в очагах астеносферы вследствие неорганического синтеза. Глубинный флюид, представляющий собой смесь воды и углеводородов, по глубинным разломам мигрирует из мантии Земли в земную кору и образует, как правило, многопластовые нефтегазовые месторождения (рис. 1). Нефтегазоносность рассматривается как одно из проявлений природного процесса дегазации Земли, создавшего на ранних этапах ее развития гидросферу, атмосферу и биосферу.
Флюид мигрирует из глубины в фундамент и кору
Глубинный углеводородосодержащий флюид генерируется в астеносфере
50 км, 900 K, 1,5 ГПа
250 км, 1800 K, 8 ГПа
Флюид образует нефтегазовые залежи
Залежи природного газа
Рис. 1. Теория абиогенного глубинного происхождения углеводородов и образования нефтегазовых залежей [1]
До недавнего момента современная концепция абиогенного глубинного генезиса углеводородов являлась геологической. Ее развитие тормозилось, главным образом, из-за отсутствия достоверных экспериментальных исследований, подтверждающих саму возможность абиогенного синтеза углеводородов в глубинных (мантийных) условиях. В течение последнего десятилетия эти результаты, краткий анализ которых приведен в данной статье, были получены и послужили новым импульсом развития теории абиогенного глубинного генезиса углеводородов.
Термобарические условия и состав верхней мантии
Для синтеза углеводородов из неорганических веществ необходимы соответствующие термобарические условия, наличие доноров углерода и водорода и благоприятная восстановительная среда.
Современные представления о термобарических условиях Земли базируются на двух методах: сейсмографии и термобарометрии минералов. Сейсмологоческие данные используются в лабораторных экспериментах для моделирования прохождения сейсмических волн в конкретных минералах и построения соответ-стующих моделей строения Земли. Геотермометрами и геобарометрами служат ксенолиты - минералы мантии, попавшие на поверхность во время активной вулканической деятельности. По их составу и структуре судят о свойствах материнской мантии.
В статье [2], опубликованной в Nature, описаны современные представления о термобарических условиях на глубинах до 200 км.
Донорами углерода в мантийных условиях могут быть различные вещества - диоксид углерода (СО2), графит, карбонаты (в частности, магнезит (MgCO3); донорами водорода - вода и ги-дроксидные группы минералов. По данным современной науки, в веществе мантии находится достаточное количество вышеперечисленных веществ [3-6], хотя количественные оценки их содержания значительно расходятся. Однако количественное содержание веществ-доноров в верхней мантии не играет существенной роли. В работе [7] показано, что даже исходя из нижнего предела содержания углерода в верхней мантии, равного 0,1 %, слой абиогенной нефти вокруг всей Земли может составлять 1 км, тогда как все открытые запасы нефти могли бы дать слой в несколько миллиметров.
Благоприятная восстановительная обстановка в мантийных условиях может создаваться присутствием достаточного количества свободной, не связанной в металло-силикаты закиси железа (РеО) - вюстита. Наличие закиси железа в веществе мантии - общепризнанный факт. Анализ изверженных образцов показывает присутствие закиси железа в основных и ультраосновных породах верхней мантии в количестве нескольких процентов [6]. Состав вещества мантии представлен в табл. 1.
Теоретические расчеты, основанные на методах современной термодинамики [8], показывают, что полимеризация углеводородов возможна при температуре 900-1700 °С и давлении 30-70 кбар. Эти условия имеются в определенном слое верхней мантии Земли - астеносфере - на глубинах 60-200 км. Здесь же присутствуют доноры углерода и водорода, и может создаваться благоприятная восстановительная обстановка.
Таким образом, благоприятные условия для абиогенного синтеза углеводородов могут возникать в основных и ультраосновных породах верхней мантии Земли с высоким содержанием вюстита при наличии достаточного коли -чества веществ - доноров углерода и водорода. Возможная реакция синтеза в этом случае может выглядеть следующим образом: восстановленное вещество мантии + газы ^ окисленное вещество мантии + углеводороды.
Основные результаты экспериментов по абиогенному синтезу сложных углеводородных систем в условиях, соответсвующих условиям верхней мантии
Первая попытка синтезировать углеводороды при термобарических условиях, соответствующих условиям верхней мантии, была предпринята в 1968 г. [9]. Из смеси кварца, карбоната кальция, оксида железа (II) и воды при давлении до 7 ГПа и температурах 1400-2000 К
Основной элементный состав различных мантийных материалов [б]
Вещество Океаническая кора Скальная кора Вне кратона Низкотемпературный кратон Высокотемпературный кратон
SiO2 44,бб 44,98 44,47 44,18 44,51
TiO2 0,01 0,08 0,09 0,02 0,11
AI2O3 0,98 2,72 2,50 1,04 0,84
FeO 8,28 8,02 8,19 б,72 8,08
MgO 45,13 41,15 41,б3 4б,12 44,7б
CaO 0,б5 2,53 2,44 0,54 1,08
была получена смесь углеводородов от метана до гексана. Однако представленные в работе [9] результаты нельзя отнести к разряду достоверных из-за недостатков методики проведения эксперимента. Так, в ходе эксперимента не было достигнуто равновесие в реакционной камере, продукты реакции вступали в контакт с горячим воздухом, герметичность реакции не была обеспечена.
В 1999 г. группа китайских исследователей опубликовала работу по изучению превращений природных минералов (сидерит, исландский шпат, биотит, серпентин, оливин) при давлении около 1,5 ГПа в температурном диапазоне 1100-1800 К [10]. В результате экспериментов была получена смесь углеводородов, состоящая из метана, этана и этена. Отсутствие методического описания определения термобарических параметров не позволяет оценить достоверность определения температуры и давления в этой серии экспериментов.
Интересные результаты представлены А.И. Чепуровым с соавторами [11]. При изучении процессов, связанных с синтезом алмазов, исследовались навески графита и воды при давлении 2,5 и 4 ГПа при температурах 1600 и 1900 К, соответственно, с использованием аппарата «разрезная сфера». Охлаждение полученных продуктов проводили в различных режимах - от быстрого со скоростью 200 К/с (закалка) до медленного (охлаждение в течение часа). Газохроматографический анализ газов показал наличие СН4, С2Н2 и незначительного количества С2Н4-С3Н8. При медленном охлаждении в конечных продуктах наблюдались тяжелые углеводороды, которых не было в закаленных образцах.
Первые достоверные и воспроизводимые результаты по синтезу углеводородов в мантийных условиях были проведены группой российских ученых под руководством профессора В.Г. Кучерова в 1999-2002 гг. [8, 12]. В этих экспериментах была использована аппаратура, позволяющая достигать химического равновесия при давлении до 5,0 ГПа и температуре до 1600 К при герметичности экспериментальных процессов на всех этапах. Исходными веществами для синтеза углеводородов служили химически чистые реактивы - БеО, СаСО3 и дважды дистиллированная вода. В результате была получена смесь углеводородов, сходная по своему составу с природными углеводородными системами. При этом была установле-
на следующая схема образования углеводородов при 3-5 ГПа и 1200-1500 К:
пСаСО3 + (9п + 3)БеО + (2п + 1)Н2О ^
Группа американских исследователей [13] использовала аппаратуру высокого давления, позволяющую реализовать метод рамановской спектроскопии в камере с алмазными наковальнями при лазерном нагреве. В результате экспериментов, где реагентами (как и в предыдущем случае) служили СаСО3, БеО и Н2О, при нагревании до 1700 К и давлении 7 ГПа т-вИи зафиксировано образование метана и предложена следующая схема синтеза метана в мантийных условиях:
СаСО3 + 12БеО + Н2О ^ СаО + 4Бе3О4 + СН4. (2)
Сравнение результатов, указанных в реакциях (1) и (2), показывает их существенное различие. При одинаковых исходных веществах и сходных термобарических условиях были получены различные углеводороды: в первом случае - сложная углеводородная смесь, во втором - метан. Отличие может быть объяснено тем, что во втором случае в связи с очень малым объемом измерительной ячейки количество других углеводородов, помимо метана, было незначительным, и их невозможно было идентифицировать. Для проверки этого предположения были проведены эксперименты с чистым метаном с использованием аппаратуры высокого давления с алмазными наковальнями [14]. Результаты экспериментов подтвердили возможность образования из метана более высокомолекулярных алканов - этана, пропана и бутана - при изменении давления в диапазоне 2-5 ГПа в интервале температур 900-1500 К:
СН4 ^ С2Н6 + С3Н8 + С4Н10 + Н2. (3)
При этом относительные количества углеводородов, как и в опытах 1-4, уменьшались с увеличением их молекулярных масс.
Дальнейшие исследования, проведенные на различном оборудовании высокого давления (КОНАК и «разрезная сфера») при термобарических условиях, соответствующих мантийным, дали следующие результаты [15]. Хроматографические данные (табл. 2) позволяют говорить о том, что в результате экспери-
Состав смесей, полученных в лабораторных условиях, и образцов природного газа [9]