Современные теории органического происхождения нефти и газа

Скачок, который произошел в настоящее время в понимании условий образования нефти и газа, связан с открытием широкого распространения во многих живых организмах нефтяных УВ, которые, будучи захоронены в осадках, практически не изменяются. С этим открытием связаны имена многих исследователей, работы которых перечислены в конце данной главы [24]. [Доля УВ, непосредственно унаследованных от живого вещества (т.е. био-УВ), значительно меньше, чем это можно себе представить, судя по высказыванию Леворсена. Почти вся масса низкокипящих УВ, составляющих бензиновую и керосиновую фракции нефти, образуется в результате мягкого термолиза и (или) термокатализа из более высокомолекулярных соединений, в частности из био-УВ, из соединений, которые можно называть предшественниками УВ (пред-УВ), например из жирных кислот, аминокислот, некоторых спиртов и др.

Нефть, как таковая, образуется не на стадии диагенеза, а значительно позже, на стадии катагенеза, в условиях повышенной температуры (90±25°С) и длительного геологического времени, в какой-то мере компенсирующего высокую температуру. По существу нефть образуется не столько биогенным, сколько абиогенным путем, но из биогенного органического вещества. Если учесть это, а также двусмысленность слова «органический», то лучше говорить не об органическом происхождении нефти, а об осадочно-миграционном. ]

Почти все глинистые и карбонатные породы содержат рассеянное ОВ трех основных видов: растворимые жидкие УВ, растворимые асфальтово-смолистые вещества и нерастворимый кероген¹. Количество растворимых IB изменяется от 1 до 50

¹Американские, а вслед за ними и некоторые советские авторы неправильно ограничивают понятие кероген лишь нерастворимыми в органических растворителях компонентами ОВ осадков и пород. Термин «кероген» (по-древнегречески ‑ «рождающий вое: был введен в употребление в 1912 г. английским автором проф. А. Грам-Брауном для ОВ шотландских горючих сланцев. Следует учитывать, что дебитуминизация ОВ производится разными исследователями различными органическими растворителями и нередко не одним, а двумя (последовательно). Это обусловливает неопределенность понятия о нерастворимом ОВ (или «керогене», в новой трактовке американских авторов).

У нас, к сожалению, часто дебитуминированное ОВ именуют «остаточным», что также неправильно. Остаточным в понимании геолога и геохимика является то ОВ (или его компоненты), которое осталось в породе после каких-либо естественных процессов (а не реакций в лабораториях) - термолиза, окисления, эмиграции наиболее подвижных компонентов и т.д. ‑ Прим. ред.

баррель/акрфут. Это то количество УВ, которое осталось в породе после удаления их в процессе диа- и катагенеза. Крайне важным является вывод Ханта [24] о том, что, за исключением некоторых красноцветных глин, песчаников и метаморфизованных отложений, все остальные породы-неколлекторы содержат нефтяные УВ.

Кроме растворимых нефтяных УВ, в органическом веществе содержится большое количество нерастворимых производных УВ с гетероэлементами (insoluble hydrocarbon compounds) и сложных органических соединений, часть которых также может быть трансформирована в нефтяные УВ благодаря воздействию тепла, давления, каталитических процессов или деятельности бактерий.

Сложные нерастворимые ОВ представлены керогеном - пиробитумом. В настоящее время известно два типа керогена: угольный и нефтяной. Кероген угольного типа не образует нефти, а участвует в формировании лигнита и газовых углей (cannel coal). Трансформация керогена нефтяного типа приводит к образованию нефти. Органическое вещество этого типа обычно бывает олеофильно, и нефтяные УВ находятся под его защитой.

Одни и те же УВ обнаружены и в породах-неколлекторах [в составе микронефти] и в живых организмах. Большая часть живых организмов содержит углеводороды [25] и гетеросоединения, жирные кислоты, терпе-ноиды и стероиды, захороняющиеся впоследствии в осадках почти без изменений. Этот непосредственный источник нефтяных УВ в изобилии распространен в осадочных отложениях во всех районах земного шара. Условия миграции УВ и аккумуляции их в залежах в виде нефти и газа рассматри­ваются в следующей главе.

Интересно сравнить состав ОВ пород-неколлекторов и нефти (в вес. %).

Это органическое вещество встречается обычно в трех разновидностях:

1. Углеводороды, аналогичные по составу и строению тяжелой фракции нефтей.

2. Природные асфальты из коллекторов, аналогичные по составу и внешнему виду асфальтово-смолистым компонентам нефти.

3. Кероген, нерастворимое пиробитуминозное ОВ, обычно составляющее основную массу рассеянного ОВ в породах-неколлекторах.

Углеводороды. Рассеянные в породах углеводороды, по всей вероятности, происходят частично или полностью из живых организмов, растительных и животных. Они могли образоваться также в результате некоторых процессов, приведших к трансформации ОВ пли нефтеподобных гетеросоединений (асфальтово-смолистых компонентов) ОВ через ряд последовательных изменений в нефтяные УВ. Такое преобразование должно было происходить или до, или во время диагенеза и катагенеза осадков, поскольку УВ [микронефть] почти повсеместно распространены в глинистых и карбонатных породах.

Эрдман [26] изучил большое количество УВ нефтяного ряда, чаще всего встречающихся в осадочных породах. Он проанализировал наиболее характерные фракции этих УВ, которые содержатся как в нефти, так и в породах в измеримых количествах. Из данных Эрдмана следует:

1. Ароматические углеводороды низкого молекулярного веса ‑ бензин, нафталин, толуол, этил-бензол, ксилены и другие фракции, выкипающие до 250°С, ‑ составляют около 5 % общего количества углеводородных фракций нефти и широко распространены в древних отложениях. В современных осадках они не обнаружены, и, следовательно, химический механизм их образования не связан с жизнедеятельностью организмов.

Эрдман утверждает, что такие соединения, как сквалены, каротены, терпены и ненасыщенные (непредельные) жирные кислоты, содержащиеся в больших количествах в наземных и морских растениях и животных, могли быть предшественниками легких ароматических УВ.

2. Легкие алифатические углеводороды (предельные) ‑ метан, этан, пропан, бутан, пентан и т.д. ‑ характерные компоненты нефти; сюда же относится н-гептан, наиболее легкий углеводород, обнаруженный в живых организмах. Химический механизм образования этих УВ пока еще неясен.

Важнейшим, а возможно и основным, источником алифатических УВ являются протеины. В результате известных реакций взаимодействия аминокислот, приводящих к образованию протеинов, образуются и все изомеры алифатических УВ. Аминокислоты обнаружены и в древних, и в современных отложениях, причем в изобилии.

3. Средние и тяжелые алифатические, нафтановые и ароматические углеводороды найдены как в породах, так и в нефтях. Эрдман полагает, что одни из них возникли из таких биохимических компонентов живого вещества растений и животных, как липиды, сохраняющиеся благодаря своей устойчивости без заметных изменений в течение длительного геологического времени, а другие образовались из неуглеводородного вещества - жирных кислот, альдегидов и спиртов.

Асфальтово-смолистые вещества. Эти компоненты ‑ смолы, мальтены и асфальтены - представляют собой неуглеводородные фракции органической части осадков и нефтей, состоящие в основном из углерода и водорода с примесью кислорода, азота, серы, ванадия и никеля. Это сложные вещества высокого молекулярного веса (от сотен до сотен тысяч), встречающиеся в различных количествах от следов до 50 вес.% (в некоторых нефтях).

Асфальтово-смолистые вещества, обнаруживаемые в породах-неколекторах, сходны с асфальтово-смолистыми компонентами нефтей или природными асфальтами, встречающимися в местах высачивания нефти. Количество таких веществ в породах обычно колеблется от 1 до 70 баррель/акрфут, т.е. несколько выше, чем количество УВ. Эти сложные соединения в живых организмах не найдены, но могут быть получены химическим путем из таких биохимических компонентов, как целлюлоза (клетчатка), лигнин, пурины и пиримидины. Присутствие в нефти порфиринов (естественных пигментов - производных хлорофилла и гемоглобина) является доказательством ее биологического происхождения. В наибольшем количестве порфирины встречаются в нефтях с повышенным содержанием асфальтово-смолистых веществ, что свидетельствует о раннем (низкотемпературном) образовании последних [27]. Распространены порфирины в виде сложных металло-порфириновых соединений, что, кстати, также является одной из причин прилипания нефти к олеофильным частичкам пород-коллекторов.

Кероген. Большая часть органического вещества, рассеянного в породах (85-95%), состоит из керогена - твердого пиробитума, нерастворимого в обычных органических растворителях [28]¹ При повышении температуры кероген разлагается. Химический анализ показывает, что в его составе преобладают углерод, водород и кислород; в незначительном количестве имеются также азот и сера. Кероген, встречаемый в породах-неколлекторах, в высушенном виде представляет собой тонкий аморфный порошок темно-коричневого или черного цвета, обычно очень похожий на угольную пыль. При нагревании этого порошка в пробирке нефтяные дистилляты либо не выделяются,

¹См. подстрочное примечание на стр. 468 (Американские, а вслед за ними и некоторые советские…). - Прим. ред. (глава 11, современные теории органического… - А.Ф.)

либо выделяются в значительно меньшем количестве, чем при нагревании, например, горючих сланцев. По-видимому, керогены бывают различных типов даже при одинаковом элементарном составе. Некоторые керогены практически неотличимы от угля, другие, в особенности характеризующиеся высоким содержанием асфальтово-смолистых веществ, неотличимы от горючих сланцев. Кроме этих асфальтово-смолистых компонентов, кероген, очевидно, не содержит каких-либо веществ, которые можно было бы рассматривать в качестве исходного материала для нефти и газа. Однако в керогене могут содержаться как нефтяные углеводороды, так и их производные с гетероэлементами.