Почему я сторонник органической теории происхождения нефти

Органическая (или биогенная) теория образования нефти в недрах ныне признана абсолютным большинством геологов и нефтяников. Почти все прогнозы и открытия новых месторождений делаются на ее базе. Однако из нее следует, что нефтяные ресурсы не возобновляются (точнее, для этого необходимы многие миллионы лет) и в обозримом будущем будут исчерпаны.

Неорганические (абиогенные) гипотезы полагают, что нефть образовалась из углеводородных газов, поступающих из недр. Углерод в составе мантии имеется, метан и углекислый газ обнаружены в выбросах вулканов. А поскольку масса мантии на несколько порядков больше, чем земной коры, соблазнительно предположить, что приток из глубин может пополнять наши нефтяные запасы. Периодически такие гипотезы с апломбом высказываются в СМИ. К сожалению, публичной отповеди им не дается, и они вводят в заблуждение и корреспондентов, и читателей.

Поэтому я и решил изложить здесь свою точку зрения на эти вопросы. Отмечу: я не геолог, не геохимик, я специалист по добыче нефти и газа, много занимался физической химией и физикой пласта. Поэтому сложными геологическими рассуждениями постараюсь читателя не томить, ограничусь простыми и понятными фактами.

1. Кратко о горючих подземных ископаемых

Их всего шесть: уголь, торф, горючие сланцы, битум, нефть и газ. Четыре из них – твердые, двигаться под землей не могут. Нефть и газ в проницаемых пластах способны перемещаться и накапливаться в так называемых ловушках.

Уголь совершенно точно имеет органическое происхождение. В нем находят останки животных и растений, даже целые окаменелые деревья. Возраст самых древних углей 300-400 млн лет, они залегают на глубине до 2 км. Это продукт преобразования и уплотнения растительности древних лесов и болот. В отсутствии кислорода, из нее образуются твердые тяжелые углеводороды. В более глубоких пластах уголь обязательно содержит и газ (метан) в количестве до 40 м³/т. При сухой перегонке угля можно получить жидкость, близкую по составу к нефти.

Торф образуется при гниении болотной растительности при недостатке кислорода. Это начальная стадия образования некоторых видов углей, следующая – бурый уголь. Возраст торфяных залежей исчисляется не миллионами лет, а тысячелетиями, их формирование продолжается и поныне.

Горючие сланцы – это окаменевшие илы, сапропели. Они образовались примерно 450 млн лет назад на дне морей и содержат от 10 до 70 % органического вещества (керогена). При сухой перегонке дают смолы, близкие к нефтяным, и метановый газ.

Битумы – тяжелые, часто окисленные фракции нефти. Встречаются на поверхности, образуя т.н. асфальтовые озера (крупнейшее в Венесуэле имеет площадь 4 кв.км). Человек использует природные битумы тысячи лет, а в последние века сам производит их при нефтепереработке. Отмечу такой факт: при извлечении нефти из недр часть битумных фракций может оставаться в породе. Поэтому в поднятых образцах трещиноватых пород (кернах) часто вместо нефти обнаруживается битуминозность.

Залежи природного газа повсеместно найдены в осадочных породах.  Самые глубокие (до 6500 м) находятся в США и на Украине, а самые крупные, наоборот, не слишком глубоко – в Сибири, Персидском заливе, Туркменистане. Не вызывает сомнений органическое происхождение метана в торфяных массивах, этот горючий «болотный газ» известен с давних времен. Глубже в составе газа могут содержаться и более тяжелые углеводороды (газовый конденсат). Открыто также немало газовых месторождений с конденсатом и нефтяной оторочкой, что косвенно указывает на их общее происхождение. Наконец, при низких температурах и высоких давлениях газ может находиться в пластах в твердой форме газовых гидратов; ресурсы их огромны, но добыча пока не выгодна.

Залежи нефти массово встречаются в осадочных породах на глубинах от 0 до 6 тыс. м. Но с увеличением глубины мы все чаще находим в пластах не нефть, а газ. На рис. 1 приведено количество нефтяных и газовых скважин, пробуренных в США на глубины свыше 4500 м. И если в интервале 4500-4800 м доля газовых скважин составляет 72,8%, то с ростом глубины до 6000 м она увеличивается до 94%, а при 6600 м составляет 98,7%.

Рис.1

Были сообщения о нефтяных притоках на огромных глубинах, но они пока не подтверждены эксплуатацией. Так, например, в 2009 г. BP объявила об открытии гигантского месторождения Tiber в Мексиканском заливе. По данным компании залежь находится на глубине 10-12 км от уровня моря при отметке дна 1,3 км. Анонсированные запасы (1,8 млрд т) сомнительны, ибо не могут быть достоверно оценены одной скважиной. К тому же достигшая рекордных глубин платформа Deepwater Horizon через год благополучно утонула, устроив рекордный открытый фонтан на другой площади Мексиканского залива.

Впрочем, определяющим фактором здесь является не глубина, а температура. Мне не известны нефтяные залежи с температурой 200^оС или выше, и тому есть вполне исчерпывающее объяснение. При температурах 180-260^оС происходит термическая деструкция нефтяных углеводородов, катализатором ее служат имеющиеся в породе минералы, в частности, алюмосиликаты. Конечным продуктом процесса является метан с примесями углекислоты и сероводорода. Обычно температура растет на 3^оС при увеличении глубины на 100 м, следовательно, шансы найти нефть глубже 6000 м очень малы. Но все же не нулевые. Есть районы, где температура растет медленнее, там нефть может существовать на глубинах до 9 тыс. м.      

С ростом глубины залегания изменяются свойства нефти. Чем дальше от поверхности, тем она более легкая, в ней меньше тяжелых (битумных, асфальтено-смолистых) фракций и больше растворенного газа. На глубинах 4-5 тыс. м газонасыщение нефти достигает 1000 м³/т, это в десятки раз выше, чем на малых глубинах.  

Теперь, вооружившись этим минимумом информации, кратко изложу две концепции происхождения нефти.

2. Органическая теория

Первое предположение о биогенном происхождении нефти и угля высказал еще М.Ломоносов, а в конце XIX века эту гипотезу сформулировал немецкий химик К.Энглер. Но развил и нашел ей практическое применение советский академик И.Губкин; именно его прогнозы подтвердились открытием крупнейших месторождений Урала-Поволжья и Западной Сибири. Перечислю основные постулаты органической теории.

1. Нефть и газ образуются из растительных и животных остатков, которые накапливаются в илах прибрежных морей и озер,
2. При погружении осадков на глубины 1,5-2 км температура возрастает до 50-70^оС, биологические процессы с образованием метана затухают,
3. Следующее преобразование органических остатков происходит при погружении залежи на глубину 3-4 км, где температура достигает 120-150^оС, именно здесь образуется вся гамма нефтяных углеводородов,
4. Далее нефть по тектоническим разломам поступает в вышележащие проницаемые пласты и накапливается в ловушках, ограниченных сверху глинистыми породами,
5. В случае дальнейшего погружения осадочных пород (4,5-6 км) при росте температуры до 200^оС происходит термическая деструкция тяжелых углеводородов, образуются залежи с легкой нефтью, газоконденсатом или газом.

Органическая теория хороша тем, что позволяет оперировать расчетами. До нее нефть искали в предгорьях (Баку, Грозный), а И.Губкин обратил внимание на крупные осадочные бассейны. Зная объем осадков, примерное содержание органики можно подсчитать потенциал образования нефти в материнских породах, а уж потом искать ее в вышележащих горизонтах. Так и была открыта нефть Поволжья и Сибири.

Последним и самым непосредственным подтверждением органической теории стала эксплуатация сланцевых пластов. Они являются той самой нефтематеринской породой, в которой сейчас происходит образование нефти из органического вещества – керогена. В таблице приведены некоторые характеристики двух крупнейших сланцевых залежей.

Таблица

Видно, что обе залежи имеют аномально высокие давления и температуры. Коэффициент аномальности (это отношение пластового давления к гидростатическому) указывает на избыток пластовой энергии. А очень малые поры (они соизмеримы с молекулами асфальтенов) препятствуют фильтрации нефти за пределы залежей.

Схема дальнейшей миграции приведена на рис.2. Справа показан наиболее частый случай движения при тектонических подвижках. Нефть по трещинам уходит вверх и собирается в ловушке, под покрышкой непроницаемой породы.

 Рис.2

Но, коль при образовании нефти растут температура и давление, они тоже способны деформировать пласты. Такой случай показан на рис. 2 слева. Отметим: при этом движение нефти может происходить и вверх, и вниз.

Сланцевые формации являются полной и всеобъемлющей иллюстрацией биогенной теории. Все они выше или ниже нефтематеринских пород содержат обычные залежи. Дополняет картину месторождение Eagle Ford (рис.3), где на глубинах до 2700 м нашли нефть, ниже, до 4000 м – газ с конденсатом, а еще глубже – сухой газ. Термическая деструкция углеводородов в природном исполнении.

Рис.3

3. Неорганическая теория

По привычке я называю ее «теорией», ибо лет 40 назад она соперничала с органической. Фактически это несколько гипотез, которые не получили подтверждения практикой. Предположения о неорганическом происхождении нефти высказывали Д.Менделеев, А.Гумбольдт, М.Бертло, более детально их прорабатывали Н.Кудрявцев и Т.Голд. Кратко изложу основные пункты.

1)Нефть и природный газ образуются из водорода и простейших соединений углерода (СО, СО₂ , СН₄) которые поступают из глубин Земли по тектоническим разломам,

2)При высоких температурах и давлениях из этих компонентов происходит синтез углеводородов парафинового ряда. Катализатором процесса являются соли металлов, например, железа:

ЗСО₂ + 10Н₂ = 6Н₂О + С₃Н₈

3) Далее углеводороды мигрируют вверх, частично полимеризуются, образовавшаяся нефть накапливается в ловушках.

Долгое время главным аргументом неорганической теории являлся факт открытия нефти в породах кристаллического фундамента. Всего таких пластов найдено порядка тысячи, но это доли процента в общем числе нефтяных залежей. К тому же и у них поступление нефти из больших глубин не доказано; например, на крупном морском месторождении Белый Тигр (рис.4) породы фундамента в результате тектонической деятельности вынесло вверх, и вполне возможна боковая фильтрация из соседних осадочных пород. Кроме того, ранее мы уже отметили, что нефть может двигаться не только вверх, но и вниз.

Рис.4

А вот возражения против неорганической теории весьма существенны. Кратко их перечислю.

Реакция образования углеводородов в лабораторных условиях протекает при температурах 300-400^оС, но в природе, увы, эти углеводороды разлагаются с образованием метана. Метан достоверно найден в выбросах вулканов, а вот нефть не найдена, она в них даже существовать не может.

Из простых соединений углерода можно получить предельные углеводороды (алканы), очень сложно – непредельные (алкены). А вот синтезировать из них в природных условиях ароматические углеводороды (арены) практически невозможно. Между тем их производные очень распространены в тканях растений и всегда в больших количествах (15-25%) содержатся в нефти.

Неорганическая теория полагает, что нефть надо искать в районах с интенсивной тектоникой. Однако, например, в Японии нефти нет совсем, хотя месторождения битумов имеются. Наоборот, огромные нефтяные запасы Западной Сибири найдены на равнине с очень слабыми тектоническими нарушениями. Можно допустить, что какая-то часть метана поступает из мантии при тектонических подвижках или извержениях, но и тут весьма сомнительна возможность его накопления в подземных пластах. Он должен быстро выходить на поверхность и далее в атмосферу.

Некоторые «доводы» нынешних сторонников неорганической теории вызывают улыбку. Вот пример. Грозненские промыслы дважды на длительный срок останавливались из-за военных действий. После возврата в эксплуатацию дебиты скважин оказались более высокими, что трактуется как доказательство пополнения нефтяных запасов из глубин Земли.

Миоценовые залежи Чечено-Ингушетии мне хорошо знакомы. Они открыты еще в XIX веке, и всегда эксплуатировались на истощение. Залежи имеют слабый подпор пластовых вод, но отборы обводненной нефти были так велики, что давления в скважинах снизились до атмосферного. За время длительного простоя приток воды повысил пластовое давление; соответственно, увеличились дебиты. К тому же ниже миоценовых в 1956 году были открыты богатые мезозойские залежи. Из них добыто 300 млн т нефти, сейчас они полностью выработаны, и никакая подпитка из неведомых глубин там не обнаружилась.   

4.Резюме

Концепция органического происхождения нефти, в отличие от других, была убедительно подтверждена практикой. Все горючие ископаемые образовались из древних организмов, их запасы сосредоточены в осадочных породах и являются невозобновляемым ресурсом. Однако из этого вовсе не следует, что человечество уже в ближайшие 10-20 лет столкнется с острым дефицитом топлива. Просто заканчивается период дешевой нефти, и начинается эпоха нефти дорогой и трудной.

Геологические запасы крупнейшей в мире сланцевой формации Green River оцениваются в 380 млрд т нефти. Это в 1,5 раза больше всех мировых доказанных запасов. Извлечь их пока нельзя. Но еще 20 лет назад сланцевая нефть вообще не добывалась.

Мировые запасы высоковязкой нефти оцениваются в 810 млрд т. Они учитываются на балансах с коэффициентом нефтеотдачи примерно 10%, но и его добиться пока не удается. Оцените поле деятельности для нефтяной науки. Отдача сланцевых пластов еще ниже.

Наконец, при нынешних нефтяных ценах становится выгодно получение жидких нефтяных углеводородов из газа и угля. А их запасы кратно превышают нефтяные.

Мир быстро меняется. Еще 20 лет назад все считали, что нефти – завались, девать некуда, и бездумно ее расходовали. Теперь придется эту позицию пересмотреть и вместо погони за большой прибылью озаботиться рачительным использованием того, что имеется. Оно и к лучшему: что легко дается, мало ценится.