СКОПЛЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА КАК РЕЗУЛЬТАТ ПОСТУПЛЕНИЯ

КЛИМАТИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВОДЫ И СОВРЕМЕННОЕ
НЕФТЕГАЗООБРАЗОВАНИЕ КАК ЕДИНЫЙ ПРИРОДНЫЙ ПРОЦЕСС
А.А. Баренбаум
Институт проблем нефти и газа РАН, 119991, Москва, ГСП-1, ул. Губкина, 3
E-mail: [email protected]
The new view on oil and gas formation is discussed. Oil and gas origin is
explained as result of carbon transference across the earth’s surface in process of
climatic water circulation.
В последние годы накоплен ряд фактов, выявивших ограниченность популярных
сегодня органической и неорганической теорий нефтегазообразования. В первую очередь, это многочисленные примеры [1] высокого темпа (за 10-50 лет) пополнения запасов нефти и газа в процессе эксплуатации месторождений, не совместимые с органической гипотезой, требующей для образования этих УВ времени ∼106 лет и более. Вовторых, быстрая и сильная изменчивость поступающих из недр углеродсодержащих газов [2], а также вариация состава и плотности нефтей с цикличностью 5-6 лет [3], трудно объяснимые синтезом УВ на больших глубинах с позиций неорганической гипотезы.
И в третьих, наличие в нефтях [4, 5] радиоактивных космогенных нуклидов углерода
С14 и трития H3 с периодами полураспада соответственно 5730 лет и 12.73 года, присутствие которых не укладывается ни в одну из традиционных гипотез.
Указанные факты позволяют утверждать, что формирование нефтегазовых скоплений определяется не только генезисом УВ, но и иными не менее важными причинами.
В качестве одной из них всегда указывалось на возможность переноса углерода водами
(флюидами) в геологические структуры-ловушки. Органики широко привлекали данный процесс для доставки УВ в ловушки из «нефтематеринских» пород [6, 7], а неорганики для поставки УВ в те же ловушки из «каналов дегазации» [1]. При этом сторонники обеих концепций ограничивались рассмотрением в основном лишь подземных
флюидов. Перенос углерода через земную поверхность наземными водами до недавнего времени оставался слабо изученным вопросом, и в процессах нефтегазообразования
ему не придавалось должного значения. Исследования последних лет, однако, показали
[8], что масштабы и скорости этого переноса в ходе современного круговорота воды на
Земле столь велики, что полностью разрешают проблему происхождения скоплений
нефти и газа на континентах и континентальном шельфе [9-12].
В работе [9] нами предложена новая концепция нефтегазообразования, рассматривающая формирование месторождений нефти и газа не только как процесс геологический, а в основном как процесс климатический. В данной концепции происхождение
нефтегазовых и газогидратных скоплений связывается в первую очередь с переносом
углерода через земную поверхность метеогенными водами в ходе климатического круговорота. Тем самым, процессы нефтегазообразования определяются не только механизмами биогенного и абиогенного синтеза УВ в недрах, но и условиями геохимического круговорота углерода и воды над поверхностью планеты. В ходе этого круговорота избыточный углерод биосферы переводится системой под земную поверхность,
где накапливается в форме нефти и газа. При этом из залежи выступают как побочные
продукты геохимического круговорота вещества [13]. По нашим оценкам [9] на ∼9095% они возникают при поступлении на глубину ∼1÷10 км углерода метеогенных вод и
на ∼5-10% за счет фоссилизации в земной коре органических остатков. Вовлечением в
круговорот углерода из низов земной коры – верхов мантии сегодня можно пренебречь.
Хотя в определенные эпохи прошлого Земли, этот процесс явно доминировал [8].
Метеогенные воды несут ∼10-5 г/л углерода главным образом в форме гидрокарбоната (НСО3). Этого количества углерода вполне достаточно [9] для разрешения проблем его баланса, а также пополнения запасов нефтегазовых залежей. Благодаря преимущественно региональному характеру климатического круговорота воды, заполнение ловушек УВ происходит за время, исчисляемое лишь десятками – сотнями лет. При
этом сами ловушки, во-первых, размещаются в пределах крупных осадочных бассейнов, дренирующих огромные по площади территории, и, во-вторых, тяготеют к разломам земной коры. Наличие разломов, с одной стороны, облегчает проникновение метеогенных вод в породы земной коры, а с другой, способствует разгрузке этих вод от
транспортируемого ими углерода.
Если бы нефтегазовые месторождения возникали лишь в ходе геологических процессов, то формирование залежей УВ занимало миллионы – десятки миллионов лет, и
заметить рост извлекаемых запасов месторождений за два – три десятка лет, как это
имеет место на практике, было бы невозможно. Напротив, сам факт увеличения этих
запасов, а также обнаружение в нефтях короткоживущих космогенных изотопов говорит о том, что залежи нефти и газа, как и внутренние моря, реки, озера, ледники и другие скопления воды на континентах контролируются одними и теми же региональными
природными процессами, обусловленными климатическим круговоротом воды.
Новая концепция нефтегазообразования основана на идее В.И. Вернадского [13] о
глобальном геохимическом круговороте вещества на Земле, в котором активное участие принимают живые организмы. Согласно нашим исследованиям [8] этим явлением
главным образом охвачены циклы кислорода, углерода и воды, которые образуют единую динамически устойчивую геохимическую систему круговорота. Объединяющим
началом такой системы выступает живое вещество, которое, участвуя во всех трех циклах, приводит скорости геохимической циркуляции диоксида углерода в биосфере и
кислорода в атмосфере в равновесие со скоростью круговорота вод гидросферы.
В ходе этого процесса углерод многократно пересекает земную поверхность. Входя
в состав живых существ и минеральных агрегатов, он меняет химическую форму и изотопный состав. Над поверхностью Земли, выполняющей функцию «геохимического
барьера», углерод циркулирует преимущественно в окисленном виде (СО2), а под ней в
восстановленном (СН4). Ведущую роль в восстановлении углерода под земной поверхностью и образовании из него метана и его высокомолекулярных гомологов играют поликонденсационные реакции синтеза УВ [14,15]. Эти реакции приводят к образованию
большого количества нормальных алканов, которые выступают основными компонентами подземных газов и флюидов. Смешиваясь с другими УВ, возникающими при разложении биогенного вещества и в результате деятельности микроорганизмов [16], они
и формируют состав жидких и газообразных углеводородов. В силу низкой растворимости в воде, последние выделяются в отдельную фазу, которая, заполняя ловушкиколлекторы, формирует в земной коре нефтегазовые скопления. Будут ли залежи представлены нефтью или газом, зависит от типа ловушек и термобарических условий накопления в них УВ [8,9]. В случае хорошей изоляции покрышки главным образом накапливается газ, а при худших ее изоляционных свойствах – нефть.
Вопросы обоснования развиваемых представлений достаточно подробно изложены
в работах [8-10]. Ниже остановимся на обсуждении одного из ключевых положений новой концепции, связанного с восстановлением транспортируемого метеогенными водами окисленного углерода под поверхностью Земли до УВ нефтяного ряда.
Возможность синтеза УВ из окисленных форм углерода с участием воды и водорода, часто присутствующего в подземных газах, давно установлена эмпирически [14].
Этот процесс может происходить вследствие многих экзотермических каталитических
реакций. Наиболее важную роль из них, вероятно, играют две: nCO + (2n+1)H2 →
CnH2n+2 + nH2O (синтез Фишера-Тропша) и (3n+1)CO +(n+1)H2O → CnH2n+2 + (2n+1)CO2
(синтез Кёльбеля-Энгельгарда), характеризующиеся высокой каталитической активностью и большим тепловыделением. Распределение возникающих при этом УВ, как известно, подчиняется уравнению Шульца: lg(gn / n) = nlgα + lg(ln2α) [17], где gn – массовая доля нормальных алканов (парафинов) CnH2n+2 с числом углеродных атомов n, α –
параметр распределения, зависящий от типа катализатора и условий синтеза. При изменении температуры и давления распределение получающихся УВ меняется [15]. В
«мягких» условиях синтеза выход легких алканов увеличивается, и их распределение
оказывается более крутым, чем в более «жестких» термобарических условиях.
На рис.1 в качестве примера показано молекулярно-массовое распределение нормальных алканов для n ≥ 11 конденсатов и нефти одного из газоконденсатных месторождений Украины, построенное нами по данным [18].
-2
a=
a=
a
=
-3
0.83
0.7
2
1
0.
66
2
a
=
62
0.
Параметр распределения нормальных алканов lg(gn/n)
-1
4
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Число атомов углерода в молекуле, n
3
20
21
Рис.1. Распределение нормальных алканов в нефти (1) и газоконденсатах (2-4),
представленное в полулогарифмической системе уравнения Шульца.
Из представленных распределений следует, что у нефти параметр α = 0.83, а у газоконденсатов он меняется в пределах 0.62÷0.72. Величина параметра α дает основания
полагать, что синтез УВ происходит с участием катализаторов из окислов железа и
алюмосиликатов [17]. Данный график служит веским аргументом в пользу синтеза парафинов в указанных каталитических реакциях. Если бы парафины возникли вследст-
вие фоссилизации органики или в результате жизнедеятельности подземных нефтесинтезирующих бактерий [6,7,16], распределение алканов вряд ли было бы таким.
Следует также заметить, что в ходе указанных реакций изотопный состав углерода
алканов и углекислого газа может не совпадать. Этим обстоятельством, по-видимому,
можно объяснить наблюдаемое катагенетическое обеднение углерода метана изотопом
С13 по сравнению с исходным гидрокарбонатным углеродом в основном биохимического происхождения.
Таким образом, совместное рассмотрение феномена нефтегазообразования и климатического круговорота воды как единого геохимического природного процесса позволяет не только устранить противоречия гипотез биогенного и абиогенного генезиса
нефти и газа, но и объяснить закономерности современного образования и размещения
скоплений этих полезных ископаемых на земном шаре.
Литература:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть и газ / под ред. акад. А.Н. Дмитриевского и д.г.м.н. Б.М. Валяева. – М.: ГЕОС, 2002. 472 с.
Войтов Г.И., Аббдувалиев А.К., Аммосов С.И. и др. О вариациях химического состава углеводородных газов в истощенных пластовых системах нефтяных месторождений Сель-Рохо (Западная Фергана) и Абузы (Краснодарский край) // ДАН СССР. 1990. Т.313. №5. С.1085-1089.
Муслимов Р.Х., Глумов Н.Ф., Плотникова И.Н. и др. Нефтегазовые месторождения – саморазвивающиеся и постоянно возобновляемые объекты // Геология нефти и газа. (Спец. выпуск). 2004. С.43-49.
Peter J.M., Peltonen P., Scott S.D. et al. 14C ages of hydrothermal petroleum and carbonate in Guaymas
Basin, Gulf of California: Implications for oil generation, expulsion, and migration // Geology. 1991.
Vol.19. P.253-256.
Kalmytkov St.N., Sapozhnikov Yu.A., Golubov B.N. Artificial radionuclides in oils from the underground
nuclear test site (Perm’s region, Russia) // Czech. J. of Phys. 1999. Vol.49. Suppl.1. P.91-95.
Альтовский М.Е., Быкова Е.Л., Кузнецова З.И., Швец В.М. Органические вещества и микрофлора
подземных вод и их значение в процессах нефтегазообразования. М.: Гостоптехиздат. 1962. 295 с.
Конторович А.Э. Очерки теории нафтидогенеза. Избранные статьи – Новосибирск: Изд-во СО РАН.
2004. 545 с.
Баренбаум А.А. Галактика, Солнечная система, Земля. Соподчиненные процессы и эволюция. – М.:
ГЕОС, 2002. 393 с.
Баренбаум А.А. Механизм формирования месторождений нефти и газа // ДАН. 2004. Т.399. №6.
С.802-805.
Баренбаум А.А. Аквамаринные газогидраты: происхождение и время аккумуляции // Новые идеи в
геологии и геохимии нефти и газа. Нефтегазоносные системы осадочных бассейнов. М.: ГЕОС. 2005.
С.62-64.
Баренбаум А.А. Подземный сток с континентов как возможная причина образования аквамаринных
газогидратов // Водные ресурсы. 2005 (В печати).
Баренбаум А.А., Шиловский А.П., Шиловская Т.И. Антропогенное нефтегазообразование // ДАН,
2004 (В печати).
Вернадский В.И. Избранные сочинения. – М.: Изд-во АН СССР. 1960. 420 с.
Руденко А.П., Кулакова И.И. Физико-химическая модель абиогенного синтеза углеводородов в природных условиях // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. 1986. Т.31.
№5. С.518-526.
Лапидус А.Л., Локтев С.М. Современные каталитические синтезы углеводородов из окиси углерода
и водорода // Журнал Всес. химического общества им. Д.И. Менделеева. 1986. Т.31. №5. С.527-532.
Оборин А.А., Рубинштейн Л.М., Хмурчик В.Т., Чурилова Н.С. Концепция организованности подземной биосферы. Екатеринбург: УрО РАН. 2004. 148 с.
Глебов Л.С. // Молекулярно-массовое распределение н-парафинов тенгизской нефти // Нефтехимия.
2002. Т.42. №2. С.92-94.
Петренко В.И., Зиновьев В.В., Зленко В.Я. и др. Геолого-геохимические процессы в газоконденсатных месторождениях и ПХГ. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр». 2003. 511 с.