Состав нефти и газа. Основные теории образования месторождений нефти и газа

При добычи нефти из скважин вместе с нефтью поступает попутный газ – до 500 м3/м3 (в НАО менее 250 м3/м3). При уменьшении давления и повышении температуры из газонефтяного раствора выделяется газ: сначала наиболее труднорастворимые УВ (СН4), а по мере уменьшения давления – последовательно более тяжелые УВ (С2Н6, С3Н8 и т.д.). Давление, при котором начинается выделяться газ, называется давлением насыщения. При понижении давления из смеси начинает выпадать конденсат в виде жидких УВ. Это явление называется ретроградной конденсацией.

Конденсат – жидкая часть газоконденсатных скоплений. Конденсаты называют светлыми нефтями. Плотность их составляет 698…840 кг/м3. Они практически полностью выкипают при температуре  до 300˚С и не содержат смолисто-асфальтовых веществ. Основные компоненты конденсатов выкипают при температуре до 150…200˚С. В составе конденсатов преобладают метановые УВ.

Нефть и газ могут находиться в залежах в однофазном (нефть, газ) или двухфазном (нефть и газ одновременно) состоянии. Тип залежи, к которому может быть отнесено то или иное скоплениеУВ, зависит  от фазового состояния и количественного соотношения находящихся в ней нефти, газа и конденсата.

Тип залежи также зависит как от пластового давления и температуры, так и от компонентного состава УВ, который постоянно меняется в процессе разработки залежи, что может  приводить к перераспределению фаз и иногда даже к изменению типа залежи.

Физические свойства природных газов играют заметную роль в процессах формирования залежей нефти и газа и размещения их в земной коре и должны учитываться также при разработке нефтяных и газовых месторождений. Например, миграция нефти через плохо проницаемые породы практически невозможна, в то время как нефть, растворенная в газе, может мигрировать через такие породы.    

 

4. КОНЦЕПЦИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ

 

С началом развития нефтяной промышленности вопрос о происхождении нефти приобрел важное прикладное значение. Появились различные научные гипотезы. В основе современных взглядов на происхождение нефти лежат положения, сформированных академиком И.М. Губкиным в 1932 г. в его монографии «Учение о нефти». Ученый считал, что исходным для образования нефти является органическое вещество морских илов, состоящее из растительных и животных организмов. Его накопление на дне морей происходит со скоростью до 150 г на 1 м2 площади в год. Старые слои довольно быстро перекрываются более молодыми, что предохраняет органику  от окисления. Первоначальное разложение растительных и животных остатков происходит без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий. Далее пласт, образовавшийся на морском дне, опускается в результате общего прогибания земной коры, характерно для морских бассейнов. По мере погружения осадочных пород давление и температура в них повышаются. Это приводит к преобразованию рассеянной органики в диффузно рассеянную нефть. Наиболее благоприятны  для образования нефти давление 15…45 МПа и температура 60…150˚С, которые существуют на глубинах 1,5…6 км.

Далее под действием возрастающего давления нефть вытесняется в проницаемые породы, по которым она мигрирует к месту образования залежи. При температурах, превышающих 175˚С, интенсивность генерации жидких УВ резко убывает с ростом температуры и образование газообразного вещества становиться доминирующим процессом. При пластовых температурах выше 225 ˚С образование УВ прекращается.

Таким образом, процесс нефтеобразования делится на три этапа:

1. Накопление органического материала и его преобразование в диффузно-рассеянную нефть;
2. Выжимание рассеянной нефти из нефтематеринских пород в коллекторы;
3. Движение нефти по коллекторам и ее накопление в залежах.

В настоящее время большинство нефтяных месторождений мира находиться в местах сосредоточения осадочных пород, содержащих окаменелые останки животных и растений. Вместе с тем сторонники органического происхождения нефти бессильны объяснить существование ее гигантских скоплений там, где органического вещества в осадочных пародах относительно мало (например, бассейн реки Ориноко). Более того, довольно значительное скопления нефти в Марроко, Венесуэле, США и других странах встречаются в метаморфических и изверженных породах, в которых органического вещества просто не может быть. До недавнего времени бесспорным подтверждением родства нефти и органического мира считались соединения, встречающиеся в обоих из них (например, порфирины). Однако в настоящее время многие из этих соединений получены неорганическим путем. В результате синтеза также образуется значительное количество твердых парафинов, часто встречающихся в нефти, что теория органического происхождения нефти объяснить не может. Абсолютно не вписываются в эту теорию также находки, сделанные в магматических породах. Так, в древнейших кристаллических породах, вскрытых Кольской сверхглубокой скважиной, зафиксировано присутствие родственного нефти битумного вещества, а на вьетнамском шельфе открыты крупные нефтяные месторождения(Белый Тигр, Волк, Дракон), где продуктивными оказались не привычные  для нефтяников песчаники или известняки, а глубинный гранитный массив. Похожее, хотя и не большое, месторождение известно в Казахстане (Оймаша).

Сторонники неорганической теории считают, что нефть образовалась из минеральных веществ. В 1892 году русский геолог В.Д. Соколов, основываясь на фактах нахождения битумов в метеоритах, а также наличии углеводородов в хвостах некоторых комет, предложил «космическую» гипотезу возникновения нефтяных УВ в коре нашей планеты. По его мнению, УВ изначально присутствовали  в газопылевом облаке, из которого сформировалась Земля. Впоследствии они стали выделяться из магмы и подниматься в газообразном состоянии по трещинам  в верхние слои земной коры, где конденсировались, образуя месторождение нефти. Оппоненты В.Д. Соколова утверждают, что существование в недрах Земли трещин большой протяженности, соединяющих земное ядро с поверхностью, невозможно. В 50-е годы ленинградский геолог-нефтяник Н.А. Кудрявцев собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным месторождениям мира. На основании этих материалов он выдвинул «магматическую» гипотезу образования нефти. По его мнению, на больших глубинах в условиях очень высокой температуры углерод  и водород образуют углеводородные радикалы. По глубинным разломам они поднимаются вверх, ближе к земной поверхности. Благодаря уменьшению температуры, в верхних слоях Земли эти радикалы соединяются друг с другом и с водородом, в результате чего образуются различные нефтяные углеводороды. Основываясь на этой гипотезе, Н.А. Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и значительно глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается открытием все более глубоко залегающих нефтяных месторождений.

Оппоненты Н.А. Кудрявцева утверждают, что в условиях высоких температур углеводородные радикалы существовать не могут. Однако исследователь Э.Б. Чекалюк выполнил необходимые расчеты и показал, что на больших глубинах высокое давление полностью подавляет термическую деструкцию УВ. Кроме того, здесь происходит не только синтез УВ из воды и углекислого газа, но также их полимеризация, циклизация и конденсация в крупные УВ молекулы. Оптимальные термодинамические условия для синтеза нефти, по мнению ученого, имеют место на глубинах порядка 100…200 км. Прорыв нефтяных УВ ближе к поверхности происходит по разломам, возникающим в мантии и земной коре.

До недавнего времени в нашей стране общепризнанной считалась теория органического происхождения нефти, согласно которой «черное золото» залегает на глубине 1,5…6 км. Белых пятен в недрах Земли на этих глубинах почти не осталось. Поэтому теория органического происхождения не дает практически никаких перспектив  в отношении разведки новых крупных месторождений нефти. Иное дело – теория неорганического происхождения нефти. В недрах нашей планеты имеется достаточное количество исходного материала для образования УВ. Источники углерода и водорода считаются вода и углекислый газ. Их содержание в 1 м3 вещества верхней мантии Земли, по данным Е.К. Мархинина, составляет 180 кг и 15 кг соответственно. Благоприятная для реакции химическая среда обеспечивается присутствием закисных  соединений металлов, содержание которых в вулканических породах доходит до 20 %. Образование нефти будет продолжаться до тех пор, пока в недрах Земли есть вода, углекислый газ  и  восстановители (в основном закись железа). Таким образом, теория неорганического происхождения нефти не только объясняет факты, ставящих в тупик «органиков», но и дает нам надежду на то, что запасы нефти на Земле значительно больше разведанных на сегодня, а самое главное – продолжают пополняться.

В целом можно сделать вывод, что обе теории происхождения нефти достаточно убедительно объясняют этот процесс, взаимно дополняя друг друга. А истина лежит где-то посередине.            

     

5. ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗА

 

Природный газ – это наиболее чистое ископаемое топливо, при сгорании которого образуются главным образом пары воды и диоксид углерода. Он состоит в основном из простейшего УВ метана (СН4) и более  тяжелых и сложных УВ, таких как этан (С2Н6), пропана (С3Н8), бутан (С4Н10). Метан – бесцветный газ без запаха, широко распространенного в природе. Он всегда входит в состав пластовой нефти. Много метана растворенного в пластовых водах на глубинах 1,5…5 км. Газообразный метан образует залежи в пористых и трещиноватых осадочных породах. В небольших концентрациях он присутствует в водах рек, озер и океанов, в почвенном воздухе и даже в атмосфере. Основная же масса метана рассеяна в осадочных и изверженных породах.

Средний УВ состав природного газа,%:

Метан………………………………..88

Этан …………………………………5

Пропан ………………………………2

Бутан ………………………………...1

Широкое распространение метана в природе позволяет предположить, что он образовался различными путями. На сегодня известно несколько процессов, приводящих к образованию метана:

- биохимический;

- термокаталитический;

- радиационно-химический;

- механохимический;

- метаморфический;

- космогенный.

Биохимический процесс образования метана происходит в илах,  почве, осадочных горных породах и гидросфере. Термокаталитический процесс  заключается в преобразовании в газ органического вещества осадочных пород под воздействием повышенных температуры и давления в присутствии глинистых минералов, играющих роль катализатора. Этот процесс подобен образованию нефти. Радиационно-химический процесс  протекает при воздействии радиоактивного излучения на различные углеродистые соединения. Замечено, что черные тонкодисперсные глинистые осадки с повышенной концентрацией органического вещества, как правило, обогащены и ураном. Это связано с тем, что накопление  органического вещества в осадках благоприятствует осаждению солей урана. Под воздействием радиоактивного излучения органическое вещество распадается с образованием метана, водорода, и окиси углерода. Механохимический процесс заключается в образовании УВ из органического вещества (углей) под воздействием  постоянных и переменных механических нагрузок. В этом случае на контактах зерен минеральных пород образуются высокие напряжения, энергия которых и участвует в преобразовании органического вещества. Метаморфический процесс связан с преобразованием угля под воздействием высоких температур в углерод. Данный процесс есть часть общего процесса  преобразования веществ при температуре свыше 500˚С. В таких условиях глины превращаются в кристаллические сланцы и гранит, известняк – в мрамор и т.п. Космогенный процесс образования метана описывает «космическая» гипотеза образования нефти В.Д. Соколов.

Считается, что основная масса метана большинства газовых месторождений мира имеет термокаталитическое происхождение. Образуется метан на глубине 1…10 км. Большая доля метана имеет био-химическое происхождение. Основное его количество образуется на глубинах до 1…2 км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Геология в нефтегазовом производстве имеет большое значение. Геолог сопровождает месторождение от его открытия и до окончания эксплуатации. По геологическим данным закладывают скважины, составляют проект разработки месторождения. Для грамотного управления процессом бурения необходимо иметь представление об особенностях геологического разреза и свойствах слагающих его пород. Специалист по разработке месторождений без знаний физико-химических  характеристик нефтегазосодержащих отложений не сможет добиться максимального извлечения нефти из пласта. Успешное проектирование, безаварийная эксплуатация нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов невозможны  без знаний о геологическом строении верхней части разреза, происходящих экзогенных геологических процессах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

Бакиров Э.А. Геология нефти и газа: учебник для вузов. – М.: Недра, 1990. – 240 с.

 

Губайдуллин М.Г. Краткий курс геологии нефти и газа: учебное пособие. – Архангельск: Изд-во ФГАОУ ВПО САФУ, 2013. – 143 с.