В каких породах содержится нефть
Нефть сегодня — буквально — питание нашей цивилизации. Её доля составляет около трети в общем потреблении энергоресурсов, а продукты её переработки можно встретить всюду. Это и топливо, и технические масла, и пластические массы, и моющие средства, и красители, и пищевые добавки, и огромное множество иных классов веществ самого широкого спектра как промышленного, так и бытового применения.
Как широко известно, нефть — это очень полезное ископаемое. В мире ежегодно нефти добывается более четырёх миллиардов тонн, или около пяти кубических километров — это объём крупного водохранилища или озера. Однако под землёй нефть содержится совсем не в озёрах. Пещеры под землёй, конечно же, есть, но нефти в них нет. Чтобы рассказать, что представляют собой нефтяные месторождения, придётся зайти издалека.
Геология нефти
Материал, из которого состоит находящаяся у нас под ногами земная кора, геологи называют горной породой (даже если никаких гор рядом нет). Существует много различных видов горных пород, например, гранит, базальт, мрамор, известняк, песчаник. По происхождению их разделяют на три большие категории: магматические, метаморфические и осадочные. Первые две категории увидеть на поверхности можно в основном в горах, и то не везде. Осадочные же горные породы покрывают большую часть площади суши.
Осадочные горные породы предсказуемо состоят из осадков — частичек другой, разрушенной горной породы. Осадками могут быть также и обломки раковин и скелетов живых организмов — они слагают такие горные породы, как мел, ракушечник и вообще большая часть видов известняка. Осадки переносятся водой или ветром в низинные области — например, на морское дно — и там накапливаются слоями. Все увеличивающиеся верхние слои давят своим весом на нижние слои и со временем уплотняют их до состояния камня или, точнее, осадочной горной породы. В разные периоды времени состав осадков бывает разным, из-за этого формируются пласты различных горных пород, расположенные друг над другом, как в слоёном торте.
Более молодые пласты находятся в этом слоёном торте выше. Данный факт имеет большое значение для палеонтологов, геологов, ну и для нефтяников тоже.
Многие виды осадочной горной породы, например песчаник, содержат микроскопические поры. Дело в том, что зерна песка не упаковываются идеально, и между ними неизбежно остаётся пустое пространство, которого в породе может быть и до 40% по объёму. Характерный поперечный размер этих пор — десятки микрометров; в образце породы невооружённым глазом разглядеть их трудно. Если поры соединены между собой, то у горной породы появляется проницаемость — способность пропускать через себя жидкость или газ. Из проницаемых горных пород на поверхности земли местами бьют родники; проницаемость породы позволяет воде приходить в вырытый на даче колодец или скважину. Проницаемость горной породы бывает ещё связана не с порами, а с трещинами.
Нефть под землёй находится в микроскопических порах и трещинах проницаемых горных пород. Такие породы называются коллекторами. Именно проницаемость коллектора позволяет нам добывать из него нефть, не извлекая при этом саму горную породу — нефть может перемещаться, течь по коллектору по направлению к скважине.
Так как коллектор — это, как правило, осадочная горная порода, то имеет он обычно форму пласта, толщиной несколько метров или десятков метров. Площадь же нефтенасыщенного коллектора сравнительно велика и может достигать нескольких тысяч квадратных километров — как площадь большого города (Москвы) или маленькой страны (Люксембурга). Поэтому месторождения нефти называют иногда полями.
Происхождение нефти
Хорошо информированный зануда мог бы сейчас сказать, что в отношении залежей нефти применять слово «месторождение» неверно, потому что пласт, в котором нефть находится сегодня — это вовсе не место её рождения. Действительно, цикл существования нефти гораздо сложнее. Вместе с осадками (в данном случае илом) на дне морей и озёр часто оказываются и останки различных умерших организмов. При правильном стечении обстоятельств донная живность не успевает подъесть эти останки до того, как они окажутся погребены под накопившимся илом. Останки с илом уходят все глубже и со временем попадают в условия, в которых они превращаются в нефтематеринскую породу; часто она называется ещё нефтяными или горючими сланцами.
Органический материал, содержащийся в этих сланцах, называется кероген. При определённой температуре и давлении кероген преобразуется в нефть. Соответственно, когда и если нефтематеринская порода попадает в такие условия, в ней происходит генерация нефти. Кстати, этот процесс при желании можно имитировать путём пиролиза — нагрева без доступа кислорода. С помощью пиролиза получают, например, синтетическую нефть из добытых шахтным или карьерным способом горючих сланцев.
При образовании нефти и газа давление внутри нефтематеринской породы сильно растёт; в результате нефть прорывается наружу и насыщает близко расположенные проницаемые пласты. Так происходит первичная миграция нефти. Если проницаемый пласт, в котором оказалась нефть, связан с другими проницаемыми пластами, то становится возможна её вторичная миграция. Проницаемые пласты изначально насыщены водой; плотность нефти существенно ниже плотности воды; в силу этого преобладающее направление вторичной миграции нефти — вверх, к дневной поверхности. Однако и по горизонтали нефть может мигрировать от настоящего места своего рождения очень далеко, иногда на сотни километров.
Нефть обычно просачивается на дневную поверхность отдельными молекулами, после чего частью улетучивается, частью утилизируется микроорганизмами. Большая часть нефти, образовавшейся за все время существования Земли, именно так и окончила свой путь.
Но иногда в ходе своих блужданий по проницаемым пластам нефть попадает в ловушки. Самый простой вид ловушки — антиклиналь — представляет собой направленную вверх складку пласта. Если пласт имеет такую складку, и при этом сверху его накрывает непроницаемый пласт, то нефть, оказавшись в складке, не может пройти дальше, не наполнив её до краёв. Существует много других видов ловушек. Наполненные нефтью ловушки и называются залежами, скоплениями или аккумуляциями. Месторождение нефти может состоять из одного или нескольких взаимосвязанных скоплений.
Весь процесс образования, миграции и скопления нефти схематически показан на рисунке ниже. Следует сказать, что образование и миграция природного газа идёт точно так же, как образование и миграция нефти. Более того, нефть и газ часто образуются в одном и том же месте, а затем мигрируют и скапливаются вместе в одной и той же ловушке. Газ легче нефти, поэтому в ловушке он располагается выше, что и отражено на рисунке.
Процесс образования, миграции и скопления нефти.Биогенная теория и абиогенные гипотезы
Как легко догадаться, здесь вкратце изложена биогенная («органическая») теория происхождения нефти и газа. Существует ещё и несколько различных абиогенных («неорганических») гипотез. В целом они проверки практикой не выдерживают. Нефть ищут и, что характерно, находят, вооружившись именно биогенной теорией: определяют, какие пласты в данном осадочном бассейне годятся на роль нефтематеринских; проверяют, подвергались ли эти пласты воздействию нужного давления и температуры; ищут подходящие коллектора, ловушки и возможные пути миграции к ним. Биогенная теория происхождения нефти позволяет открывать новые месторождения, то есть делать подтверждающиеся прогнозы. А ведь именно это и является основным требованием к любой теории.
Правда, сторонники абиогенных гипотез обычно не отвергают возможности органического происхождения нефти и газа, а говорят лишь, что это не единственный способ. И надо сказать, что в общем возможность неорганического образования метана, которого в природном газе содержится 70% и более, не вызывает сомнений. Однако метан — это простая молекула из пяти атомов с молекулярной массой 16, а нефть — сложная смесь из сотен различных углеводородов с молекулярной массой до 400 и более, содержащая биомаркеры и оптически активная.
Биомаркеры нефти — это содержащиеся в ней тяжёлые углеводородные молекулы, которые по структуре сходны с известными сложными молекулами живого вещества и, по-видимому, из них и образовались, т.е. представляют собой их «останки». Анализ состава нефти по биомаркерам позволяет классифицировать нефти различных месторождений и пластов по их происхождению.
Оптическая активность — это способность вещества вращать плоскость поляризации проходящего через неё света. Это свойство связано с асимметричным строением молекул вещества. Проще всего здесь провести аналогию с правой и левой рукой — они вроде бы одинаковые, но разные. Таким же образом среди молекул с асимметричным строением могут быть «правые» и «левые» — как показано для примера на рисунке ниже. Обычное вещество содержит одинаковое количество «правых» и «левых» молекул; однако живая природа, по не вполне ясным причинам, строит белки и другие соединения только из одного типа молекул. Вследствие этого вещества биологического происхождения оптически активны. Нефть также является оптически активным веществом, по причине того, что молекулы некоторых сложных углеводородов в её составе встречаются только в одной из конфигураций («правой» или «левой»). Это сильнейший довод в пользу происхождения нефти из живой материи.
«Правый» и «левый» типы асимметричных молекул.
Доказательства абиогенных гипотез происхождения нефти преимущественно косвенные, эпизодичные, противоречивые и допускают двойственное толкование. Привлекают людей в них в основном две вещи. Во-первых, абиогенные гипотезы, как правило, предполагают существование по всему миру большого объёма ещё не обнаруженных запасов нефти — на большой глубине, в кристаллическом фундаменте и т. д. Во-вторых, многие из этих гипотез допускают быстрое (то есть в пределах человеческой жизни) восстановление уже выработанных месторождений нефти за счёт её образования и поступления из глубинных резервуаров, мантии или других источников. Из приведённых нами обоснований биогенной теории ясно, что не стоит всерьёз рассчитывать на такую перспективу, несмотря на всю её привлекательность.
Читать продолжение: Технология добычи нефти.
Энергия недр
Фото: ИТАР-ТАСС
Инфографика: Рамблер Инфографика / Алексей Столяров, Анна Деревяненко
Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает
Две гипотезы
У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.
Необходимые условия для превращения органики в нефть возникают на глубине 1,5–6 км в так называемом нефтяном окне — при температуре от 70 до 190°C. В верхней его части температура недостаточно высока — и нефть получается «тяжелой»: вязкой, густой, с высоким содержанием смол и асфальтенов. Внизу же температура пластов поднимается настолько, что молекулы органического вещества дробятся на самые простые углеводороды — образуется природный газ. Затем под воздействием различных сил, в том числе
градиента
характеризует степень изменения давления в пространстве, в данном случае — в зависимости от глубины пласта
давления, углеводороды мигрируют из нефтематеринского пласта в выше- или нижележащие породы.
60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков
Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.
Состав и свойства нефти
ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — 83–87%, водород — 12–14% и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др.).
От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью 0,82–0,92 г/см³.Температура кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.
Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?
С точки зрения современных сторонников неорганической, или минеральной, гипотезы, углеводороды образуются из содержащихся в мантии Земли воды и углекислого газа в присутствии закисных соединений металлов на глубинах 100–200 км. Высокое давление в недрах земли препятствует термической деструкции сложных молекул углеводородов. В свою очередь сторонники органики не отрицают, что простые углеводороды, например метан, могут иметь и неорганическое происхождение. Опыты, направленные на подтверждение абиогенной теории, показали, что получаемые углеводороды могут содержать не более пяти атомов углерода, а нефть представляет собой смесь более тяжелых соединений. Этому противоречию объяснений пока нет.
Этапы образования нефти
СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ
- осадконакопление (седиментогенез) — в процессе накопления осадка остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов или захороняются в континентальной обстановке;
- биохимическая (диагенез) — происходит уплотнение, обезвоживание осадка и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;
- протокатагенез — опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5–2 км при медленном подъеме температуры и давления;
- мезокатагенез, или главная фаза нефтеобразования (ГФ Н), — опускание пласта органических остатков на глубину до 3–4 км при подъеме температуры до 150°C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит «отжим» нефти за счет перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в пласты-коллекторы, а по ним — в ловушки;
- апокатагенез керогена, или главная фаза газообразования (ГФГ ), — опускание пласта органических остатков на глубину (как правило, более 4,5 км) при подъеме температуры до 180—250°C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и генерирует газ.
В ловушке
Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.
В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.
Под действием различных факторов углеводороды отжимаются из нефтематеринских пород в породы-коллекторы, способные вмещать флюиды (нефть, природный газ, воду). Таким образом, нефтяное месторождение — вовсе не подземное «озеро», заполненное жидкостью, а достаточно плотная структура. Коллекторы характеризуются пористостью (долей содержащихся в них пустот) и проницаемостью (способностью пропускать через себя флюид). Для эффективного извлечения нефти из коллектора важно благоприятное сочетание обоих этих параметров.
Типы коллекторов
БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ
Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.
Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.
Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др.) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.
Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.
Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.
Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.
Антиклиналь
Тектоническая экранированная ловушка
Соляной купол
Стратиграфическая ловушка
Ровесница динозавров
Когда же образовались те структуры, в которых сегодня находят нефть? Основные ее ресурсы сосредоточены в относительно молодых мезозойских и кайнозойских отложениях, сформировавшихся от нескольких десятков млн до 250 млн лет назад. Однако добыча нефти ведется и из палеозойских отложений (до 500 млн лет назад), а в Восточной Сибири — даже из отложений верхнего протерозоя, которым более полумиллиарда лет.
Многочисленные нефтяные месторождения встречаются в отложениях девона (420–360 млн лет назад). В этот период на Земле появились насекомые и земноводные, в морях большого разнообразия достигли рыбы и кораллы. Во время пермского периода (300–250 млн лет назад) климат стал более засушливым, в результате чего высыхали моря и образовывались мощные соляные толщи, ставшие впоследствии идеальными флюидоупорами.
Эпоха господства динозавров — юрский (200–145 млн лет назад) и меловой (145–66 млн лет назад) периоды мезозоя — характеризуется максимальным расцветом жизни и связана с высоким осадконакоплением. Некоторые гигантские и крупные месторождения (Иран, Ирак) нефти находят в отложениях палеогена(66—23 млн лет назад). Известны месторождения нефти в четвертичных породах возрастом менее 2 млн лет (Азербайджан).
Впрочем, связь между возрастом пород-коллекторов и временем образования нефти не прямолинейна. Этот процесс может быть последовательным: в юрском или меловом периоде органический осадок начал опускаться вниз и преобразовываться в нефть, которая по прошествии нескольких десятков миллионов лет мигрировала в коллекторы, принадлежащие к более молодым комплексам пород. С другой стороны, древние нефтематеринские породы, образованные в палеозое, могли опуститься на достаточную для созревания нефти глубину намного позднее. Таким образом, в одних и тех же коллекторах можно найти и более молодую, и древнюю нефть, значительно различающиеся по своим свойствам.
Смешанные свойства
Между тем моментом, когда на дно морского бассейна опускается отмерший планктон, и тем, когда накопившийся слой органики, погрузившись на несколько километров вниз, отдает нефть, миллионы лет и целый ряд химических и физических преобразований. Поэтому нет ничего удивительного в том, что состав нефти крайне разнообразен и неоднороден. Именно поэтому сами нефтяники привыкли употреблять это слово во множественном числе — говоря о разведке или добыче нефтей и подразумевая, что каждый раз извлекаемая жидкость будет уникальной, отличающейся от всего, что было добыто ранее.
В своей основе нефть — сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы. Преобладают в ней алканы, нафтены и арены. Наиболее простые из них — алканы (парафиновые углеводороды), у которых к атомам углерода присоединено максимальное количество атомов водорода. К алканам относятся метан, этан, пропан, бутан, пентан и т. д. Они могут быть представлены газами, жидкостями и твердыми кристаллическими веществами. Количество алканов в нефти колеблется от четверти до семидесяти процентов объема. При большом проценте алканов нефть считается парафинистой. С точки зрения добычи такое свойство считается проблемным — при подъеме нефти из скважины и соответственном уменьшении температуры парафины могут кристаллизоваться и выпадать на стенки скважин.
Нафтены — соединения, в которых атомы углерода соединяются в циклическое кольцо (циклопропан, циклобутан, циклопентан и др.). Все связи углерода и водорода здесь насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами. Нафтены могут иметь от 2 до 5 циклов в молекуле, по их составу химики пытаются определять зрелость и другие свойства нефти.
В составе аренов, или ароматических углеводородов, также есть циклические структуры — бензольные ядра. Для них характерны большая растворяемость, более высокая плотность и температура кипения. Обычно нефть содержит 10–20% аренов, а в ароматических нефтях их содержание доходит до 35%. Наиболее богаты аренами молодые нефти. Арены — ценное сырье при производстве синтетических каучуков, пластмасс, синтетических волокон, анилино-красочных и взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов.
Нефть любят называть черным золотом, однако чистые углеводороды бесцветны. Цвет нефтям придают разнообразные примеси, в основном смолы. Асфальтосмолистая часть нефтей — вещество темного цвета. Входящие в ее состав асфальтены растворяются в бензине.
Нефтяные смолы, напротив, не растворяются. Они представляют собой вязкую или твердую, но легкоплавкую массу. Наибольшее количество смол отмечается в тяжелых темных нефтях, богатых ароматическими углеводородами. Такие нефти обладают повышенной вязкостью, что затрудняет их извлечение из пласта.