Исследование геологических процессов образования, эволюции и перераспределения нефти и газа в земной коре

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Выбор данной темы дипломной работы объясняется тем, что в настоящее время, геоэкологическая проблема образования и перераспределения ископаемых углеводородов в недрах нашей планеты остаются не до конца решенными. Существуют альтернативные теории и гипотезы, объясняющие различные аспекты указанной проблемы.

Вместе с тем, накоплено большое число опытных данных, которые не всегда могут быть осмыслены в рамках существующих воззрений, например, это факты преимущественно накопления более плотных масс нефти в экваториальных зонах Земли и в направлении к поверхности планеты.

Целью исследований является исследование геологических процессов образования и эволюции и перераспределения нефти и газа в земной коре, для достижения этой цели решили две задачи: изучение процесса образования нефти и газа в недрах Земли и исследование причин перераспределения нефти и газа в глубине и на поверхности планеты.

Таким образом, актуальность работы вызвана необходимостью геоэкологического обобщения и нового осмысления накопившихся опытных данных, а также разработки более эффективных методов прогнозирования расположения и обнаружения перспективных нефтегазоносных регионов. Кроме того востребована методика оценки самовосстановления отработанных старых нефтяных месторождений (например в Западном Казахстане, Башкирии, Кавказе).

Научная новизна работы связана с впервые выполненными геоэкологическими теоретическими расчетами, анализом своих и литературных данных, а также экспериментальным подтверждением факта преимущественного накопления более плотной нефти в большей массе в определенном направлении.

Практическая ценность работы заключается в применимости заключений и выводов к объяснению глобального геоэкологического перераспределения масс нефтяных месторождений Земли преимущественно в направлении к экватору и к юга - западу (для северного полушария планеты), а также в перспективности использования найденной закономерности для увеличения достоверности прогноза при поиске новых месторождений нефти и газа.

В работе использованы следующие методы исследования: геоэкологические и термодинамические расчеты стат-обработки экспериментальных данных, физико-химические геофизические измерения.

Автор дипломной работы самостоятельно выполнил следующие виды работ: литературный обзор, геоэкологические расчеты, физико-химические измерения, описание выполняемых работ и заключение. Другая часть работы выполнены совместно с научным руководителем. Совместно с руководителем проведены эксперименты по определению заряда коллоидных частиц водонефтяной эмульсии капиллярным методом, а также с помощью электрофетического зонда.

1. Современное состояние исследуемой темы (литературный обзор) и ее геоэкологическое значение

1.1 Общая информация о нефти и газе. Физические и химические свойства нефти

Нефть и газ - это основные источники энергии в современном мире. На топливах, полученных из них, работают двигатели сухопутного, воздушного и водного транспорта, тепловые электростанции. Нефть и газ перерабатывают в химическое сырье для производства пластических масс, синтетических каучуков, искусственных волокон. В настоящее время насчитывается около 100 различных процессов первичной и вторичной переработки нефти, реализованных в промышленности. Намечается внедрение новых, весьма перспективных разработок, направленных на улучшение качества продукции и совершенствование технологии. Существуют теории неорганического и органического происхождения нефти. Часть геологических и геохимических наблюдений, накопленных в мировой науке о нефти, подтверждают теорию органического происхождения нефти. Вследствие своей подвижности нефть и газ способны мигрировать в толще пород. Миграция происходит под воздействием различных факторов: перемещения с водой, растворения жидких веществ нефти в газах, фильтрации по порам и трещинам, диффузии. В результате движения по пористым пластам и при вертикальной миграции под влиянием гравитационного и тектонического факторов нефть и газ скапливаются в таких участках пористых горных пород, откуда дальнейшая миграция невозможна или затруднена, - в ловушках. Различают три типа ловушек; замкнутые, полузамкнутые и незамкнутые. Скопления нефти и газа в ловушках имеют объем от нескольких кубических миллиметров до десятков миллиардов кубических метров. Если масса нефти и газа в ловушке составляет несколько тысяч тонн и более, то такое скопление называется залежью. Залежи располагаются на глубине до 6-7 км, на глубине 4-5 км нефтяные залежи обычно сменяются газовыми и газоконденсатными. Наибольшее число залежей нефти обнаружено на глубине 1,0-3,0 км. В составе месторождения нефти, такого ее скопления, которое по количеству, качеству и условиям залегания пригодно для промышленного использования, обычно имеется одна или несколько залежей [1-2].

Физические и химические свойства

Нефть - маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она немного легче воды и практически в ней не растворяется. Так как нефть - смесь различных углеводородов, то у нее нет определенной температуры кипения.

Нефть сильно варьирует по цвету (от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти черной) и по плотности (от легкой 0,65-0,70 г/см3, до тяжелой 0,98-1,05 г/см3).

Начало кипения нефти обычно выше 28 оС. температура застывания колеблется от +30 о С до -60 оС и зависит в основном от содержания парафина (чем его больше, тем температура застывания выше). Теплоемкость нефти 1,7-2,1 кДж/кг; теплота сгорания 43,7-46,2 мДж/кг; диэлектрическая проницаемость 2-2,5; электрическая проводимость 2.10-10-0,3.10-18 ом-1.см-1.

Вязкость изменяется в широких пределах и зависит от химического и фракционного состава нефти и смолистости (содержания в ней асфальто-смолистых веществ). Температура вспышки нефти колеблется от -35 до 120С в зависимости от фракционного состава и давления насыщенных паров. Нефть растворима в органических растворителях, в воде при обычных условиях практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии.

Прежде чем рассматривать влияние нефти на окружающую среду, стоит рассмотреть её химический состав. Сырая нефть является смесью химических веществ, содержащей сотни компонентов. Сложность её состава совпадает с нашими представлениями о происхождении. Считается, что нефть образовалась в результате длительного теплового, бактериологического и химического воздействия на остатки растительных и животных организмов. Разумно предполагать, что нефть будет, хотя бы частично, обладать той сложной химической природой веществ, из которых она образовалась. Более 75% всего состава нефти приходится на углеводороды, кроме того, находят до 4% серы, 1% азота и несколько меньше кислорода. Основное различие нефти, добытой в различных географических районах, обусловлено не химическим составом, а содержанием отдельных компонентов, которые и влияют на химические и физические свойства сырой нефти. Некоторые нефтепродукты почти бесцветны, в то время как другие имеют чёрную, коричневую, янтарную и даже зелёную окраску. Также некоторые нефтепродукты имеют приятный запах, похожий на эфир, скипидар или камфору, другие же - неприятный запах, обусловленный наличием серосодержащих компонентов. Биологические и химические свойства разных нефтей существенно различаются, а потому при оценке их влияния на окружающую среду необходимо знать состав определённого нефтепродукта.

Состав нефти обычно определяется количественным содержанием углеводородов, которые делятся на парафины, циклопарафины и ароматические. Сырая нефть содержит около 25% парафинов, которые обнаруживаются во фракциях с низкой температурой кипения от 40 до 230°С. Содержание парафинов в различных нефтепродуктах колеблется в широких пределах. Некоторые состоят главным образом из парафинов нормального строения, в то время как другие содержат лишь следы этих соединений.

Циклопарафины, которые также называются нафтенами, составляют 30-60% общего состава сырой нефти. Большинство из них являются моноциклическими, однако, во фракциях, кипящих при высоких температурах, обнаружены соединения с шестью и более кольцами. Наиболее часто можно обнаружить циклопентан и циклогексан.

Ароматические углеводороды сильно отличаются от циклопарафинов и эти различия обуславливаются характером связей. Бензол и его производные - простейшие ароматические углеводороды, они преобладают в легкокипящих фракциях. В высококипящих же фракциях содержатся полициклические ароматические углеводороды. Ароматические углеводороды наименее распространены в нефти. Чаще всего в состав входят углеводороды сложной структуры, включающие остатки парафиновых, циклопарафиновых и ароматических углеводородов. Остаточные фракции содержат углеводороды, кипящие при высоких температурах. Несмотря на то, что их состав неизвестен, можно утверждать, что они содержат кислород, серу, азот и примеси металлов, а их молекулярная структура состоит из слоёв гетероциклических колец [1].

1.2 Состав нефти и ее классификация

В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и количественный состав. Так, например, Бакинская нефть богата циклопарафинами и сравнительно бедна предельными углеводородами. Значительно больше предельных углеводородов в грозненской и ферганской нефти. Пермская нефть содержит ароматические углеводороды. Представляя собой жидкость, более легкую, чем вода, нефть разных мест, иногда даже и соседних, различна по многим свойствам: цвету, плотности, летучести, температуры кипения. Однако любая нефть это жидкость почти нерастворимая в воде и по элементарному составу содержащая преимущественно углеводороды с подмесью небольшого количества кислородных, сернистых, азотистых и минеральных соединений, что видно не только по элементарному составу, но и по всем свойствам углеводородов. В бакинской (апшеронской) нефти Марковников и Оглоблин нашли от 86,6 до 87,0% углерода и от 13,1 до 13,4% водорода. В пенсильванской нефти С.К. Девилль нашел 83-84% углерода, 13,7-14,7% водорода, в рангунской (в Бирме) 83,8% углерода и 12,7% водорода, в ногайской Мабери нашел только 83,6-85,8% углерода и 13,05-14,6% водорода. Недостающее до 100 отвечает содержанию кислорода, серы, азота, воды и минеральных подмесей. Количество серы в некоторых сортах нефти едва составляет несколько сотых % (например, в обыкновенной зеленой Бакинской нефти всего 0.06%). Азота всегда мало, обыкновенно меньше 0,2%. Минеральных подмесей (золы) еще меньше и пока не известен ни один случай. Когда количество их доходило бы до 0,1%. Поэтому, за вычетом суммы всех других составных начал, в сырой нефти надо принимать от 1 до 4% кислорода. Это следует из того, что в нефти содержатся органические (жирные и близкие к ним) кислоты, так как они содержат кислород. Различия в элементарном составе, как видно, не велики, несмотря на значительную разность свойств. Однако все-таки разность состава сказывается в том, что на 12 грамм (атомное количество) углерода в американской нефти около 1,95 грамм водорода, а в Бакинской только 1,82. Это доказывает, что во всей массе нефти содержится всегда меньше водорода, чем в углеводородах состава СnH2n (потому что для них на 12 частей углерода приходятся 2 части водорода), и что от этого состава Бакинская нефть дальше, чем американская, что подтверждается и анализами углеводородов, извлекаемых из нефти.

Нефть можно классифицировать по разным признакам

По содержанию серы:

малосернистые (до 0,5 % S);

сернистые (0,5-2 % S);

высокосернистые (св. 2 % S).

По потенциальному содержанию фракций, выкипающих до 3500С:

Т1 - тип нефти, в которой указанных фракций не меньше 45 %;

Т2 - 30-44,9 %;

Т3 - меньше 30 %.

По потенциальному содержанию масел:

М1 - не меньше 25%;

М2 - меньше 25%.

по качеству масел:

Подгруппа И1 - с индексом вязкости масел больше 85;

Подгруппа И2 - с индексом 40-85.

Сочетание обозначений класса, типа, группы, подгруппы и вида составляет шифр технологической классификации нефти[2].

1.3 Теория возникновения нефти и газа

К 19 веку споры, в основном, сводилось к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования нефти: остатки растений или животных? Немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 С и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены. Позднее, в 1919 году, академик Н.Д. Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический или растительного происхождения - сапропель - из озера Балхаш. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан.

Так опытным путем была доказана теория органического происхождения нефти. Но с другой стороны, в 1866 году французский химик М. Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ. Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества выступил с обстоятельным докладом Д.И. Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования нефти. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа, под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Так образуются газовые и нефтяные месторождения. В своих рассуждениях Менделеев ссылается на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода. Правда, идеи "чистого химика" Менделеева поначалу не имели успеха у геологов, которые считали, что опыты, проведенные в лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе. Однако неожиданно карбидная или, как ее еще называют, абиогенная теория происхождения нефти получила новые доказательства - от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых оболочках комет встречаются соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики. Но ведь именно на этом и построена теория Менделеева.

На сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна - биогенная. Согласно ей, нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория - абиогенная. Подробно разработал ее Д.И. Менделеев, предположивший, что нефть в природе может синтезироваться из неорганических соединений. И хотя большинство геологов придерживается все-таки биогенной теории, отзвуки этих споров не затихли и по сей день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа. Скорее всего по видимому, железо является продуктом реакции образования углеводородов. Все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться. Рассмотрим, какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез. Но прежде несколько слов о строении Земли. Это поможет нам быстрее разобраться в логических построениях ученых. Упрощенно говоря, Земля представляет собой три сферы, расположенные внутри друг друга. Верхняя оболочка - это твердая земная кора. Глубже расположена мантия. И наконец, в самом центре - ядро. Такое разделение вещества, начавшееся 4,5 миллиарда лет тому назад, продолжается и по сей день. Между корой, мантией ядром осуществляется интенсивный тепло- и массообмен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями - землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями материков.

Залежи нефти находятся в недрах Земли на разной глубине, где нефть заполняет свободное пространство между некоторыми породами. Если она находится под давлением газов, то поднимается по скважине на поверхность Земли. По запасам нефти наша страна занимает одно из ведущих мест в мире.

1.3.1 Теория органического происхождения нефти

Проблема происхождения нефти и углеводородного газа давно привлекает внимание исследователей - геологов и геохимиков.

Происхождение нефти и газа является очень сложной проблемой, поскольку здесь тесно переплетаются вопросы химии, физики, геологии, геохимии и биохимии. Образование углеводородов и других веществ, входящих в состав нефти и газа, и их изменения представляют собой ряд химических, а образование нефтегазовых залежей - ряд физических и физико-химических процессов. Всё это происходит на фоне процессов геологического развития, влияющих на образование и миграцию нефти и газа и при том в аспекте геологического времени.

Нефть и все другие горючие полезные ископаемые, так же как рассеянное органическое вещество осадочных пород, генетически связаны с живым веществом нашей планеты, с биосферой прошлых геологических эпох. Проблема происхождения нефти, нижний возрастной предел её образования тесно связаны с возрастом возникновения жизни на Земле. На протяжении веков учёными было выдвинуто множество теорий происхождения нефти, но более правдоподобными и обоснованными на сегодняшний день являются теории, которые принимают за исходный материал для образования нефти органическое вещество, их ещё можно назвать органогенными. Проблема происхождения нефти имеет не только теоретическую, но и практическую значимость. Изучение происхождения нефти необходимо для определения критериев возможного нахождения месторождений нефти при их поиске. Зная палеогеографические, фациальные, геохимические условия образования нефти, можно будет получить данные, какие территории являются перспективными для поисков и добычи нефти. Кроме того, знание условий образования нефти и закономерностей размещения её скоплений в земной коре позволяет научно обоснованно и эффективно вести поиски месторождений, подходить к открытию новых нефтеносных областей независимо от существования обычных видимых признаков нефтегазоносности. «Зная, где, из чего и при каких условиях образуется нефть, мы можем искать эти условия в природе и подходить к открытию новых нефтеносных областей, независимо от существования обычных видимых признаков нефтегазоносности в виде выходов нефти, газов и т.д.» - А.Д. Архангельский [3].

1.3.2 Теория и гипотезы неорганического происхождения нефти

Основные вехи в длительном процессе научного разрешения вопроса о происхождении нефти были намечены русскими учёными. Впервые в 1763 М.В. Ломоносов высказал предположение о происхождении нефти из растительных остатков, подвергшихся обугливанию и давлению в земных слоях. Эти идеи Ломоносова далеко опередили научную мысль того времени, искавшую источники нефти среди неживой природы.

В 1805 г. знаменитый немецкий естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт высказал предположение, что нефть образуется на больших глубинах в магматических породах. Он наблюдал, как нефть сочилась из таких пород в Южной Америке, Венесуэле. В 1866 г. французский химик Пьер Бертло обнаружил, что газ ацетилен (ненасыщенный углеводород) при низких температурах может переходить в тяжёлые углеводороды. На этом основании он сделал вывод о том, что так образовались углеводородные соединения метеоритов и что, по-видимому, подобное происхождение имеют углеводороды на других планетах.

В 1866 французский химик М. Бертло высказал предположение, что нефть образуется в недрах Земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы. В 1871 французский химик Г. Биассон выступил с идеей о происхождении нефти путём взаимодействия воды, CO2, H2S с раскалённым железом. В 1889 В.Д. Соколов изложил гипотезу космического происхождения нефти. По этой гипотезе исходным материалом для возникновения нефти служили углеводороды, содержавшиеся в газовой оболочке Земли ещё во время её звёздного состояния. По мере остывания Земли углеводороды поглотились расплавленной магмой. Затем, с формированием земной коры, углеводороды проникли в осадочные породы в газообразном состоянии, конденсировались и образовали нефти.

Д.И. Менделеев, разделявший вначале представление об органическом происхождении, склонялся к мысли о происхождении её в результате реакций, идущих на больших глубинах, при высоких температурах и давлениях, между карбидом (углеродистым железом) и водой, просачивающейся с поверхности земли. Гипотеза Менделеева о происхождении нефти из неорганического вещества теперь имеет лишь исторический интерес. Теории происхождения нефти более чем достаточно, и все они имеют место существовать. Проблема происхождения нефти перекликается с нерешенными вопросами происхождения нашей планеты, жизни на Земле, которая имеет те же фактические и философские корни. Так же есть одна теория которая связывает органическое и неорганическое происхождение нефти.

Современные эксперименты

Углеводороды могут формироваться глубоко под землей и, вероятно, без участия органической материи. Такой вывод сделала группа исследователей из Геофизической лаборатории института Карнеги.

В начале августа стало известно, что ученым удалось доказать возможность неорганического синтеза тяжелых углеводородов на глубинах 65-150 км.

Классическая точка зрения, что углеводороды образуются из гниющих органических остатков, не раз подвергалась сомнению. Геофизики поставили эксперимент, смоделировав физические условия верхних слоев мантии. Во время опыта ученым удалось добиться того, что метан в данных условиях превращался в этан, пропан, бутан, молекулярный водород и графит. Затем исследователи поместили в похожие условия этан. Одним из продуктов реакции стал исходный метан. Подобная обратимость указывает на то, что формирование углеводородов в верхних слоях мантии проходит без участия органики и определяется только термодинамическими условиями. О происхождении ископаемых углеводородов ученые спорят давно. Согласно традиционной теории органического происхождения, нефти и газа осталось на несколько десятков лет. Согласно теориям неорганического происхождения, запасы углеводородов практически неистощимы, поскольку их можно получить и неорганическим путем. Считаю что об остатках нефти, которая еще не добыта говорят для того чтобы поддерживать её рыночную стоимость, и всё это выгодно фирмам занимающимся экспортом нефте-продуктов и государствам имеющие крупные нефтяные запасы. Ведь теперь экономическую развитость страны считают не по количеству того что производят на душу населения, а тонны нефти и газа которые она добывает за год [4].

1.3.3 Факторы нефтеобразования

По современным представлениям основными факторами, обусловливающими возникновение и развитие процесса преобразования органического вещества в углеводороды нефтяного ряда, являются деятельность бактерий, каталитические свойства горных пород, температура, давление, радиоактивность вмещающих пород и геологическое время.

Деятельность бактерий активно проявляется в начальной стадии накопления и переработки рассеянного органического вещества в осадке. Исследованиями Т.А. Гинзбург-Карагичевой, К. Зобелла и других установлено, что организмы играют активную роль: в процессе распада органического вещества в начальной стадии преобразования его в анаэробной обстановке;

При создании в осадке геохимической обстановки с низкими отрицательными значениями окислительно-воссиановительного потенциала, благоприятной для развития процессов преобразования органического вещества осадка в направлении битумообразования;

В качестве биокатализатора в процессе образования битумной части органического вещества осадка.

Исследования химиков и геохимиков (Зелинского, Фроста, Сатар-Заде и других) показали, что при образовании углеводородов из органического вещества большое значение имеют каталитические свойства некоторых минералов, в частности алюмосиликатов. Лабораторными опытами доказано, что при каталитическом воздействии на органические соединения (спирты, эфиры, кетоны) алюмосиликатов при определённых температурных условиях образуются углеводороды, входящие в состав природных нефтей. В природных же условиях такими катализаторами, вероятно, служат алюмосиликатные соединения, т.е. глинистые образования, слагающие разрезы большей части нефтегазоносных районов.

По мере погружения осадка с рассеянным органическим веществом ведущими факторами, способствующими образованию углеводородов нефтяного ряда, становятся температура и давление. Установлено, что в нефтях содержится ряд углеводородов, которые не сохраняются при температуре 200-250о С. Предполагается, что нижний предел существования углеводородов в жидкой фазе не может быть выше 200 о С. По мнению большинства учёных образование нефти в недрах происходит при сравнительно небольших температурах, колеблющихся в зависимости от геологических и геохимических условий в пределах от 50 до 200 о С.

Исследованиями В.А. Соколова (1937) впервые показано, что определённую роль при образовании углеводородов нефтяного ряда из рассеянного в породах ОВ может играть радиоактивность пород, что экспериментально подтверждено в лабораторных условиях.

Н.Д. Зелинским, П.Ф. Андреевым, М.Ф. Двали, А.Ф. Добрянскими другими исследователями было установлено, что при процессах преобразования органического вещества в осадках, значение имеют также и внутренние источники энергии самого органического вещества. Активизация внутренней химической энергии органического вещества может происходить в связи с молекулярной перестройкой структуры вещества, возникающей при сочетании определённых геологических, физико-химических и биогеохимических условий окружающей среды. Однако механизм и масштабы действия внутренних источников энергии органического вещества на отдельных стадиях его преобразования изучены ещё слабо и многие аспекты этого вопроса ещё не выяснены.

Основоположником органической теории происхождения нефти является М.В. Ломоносов. Он объяснял образование каменного угля из болотного торфа путём его обугливания при повышении температуры и давления. С этим же явлением он связывал возникновение нефти. В середине 18 века в своем трактате "О слоях земных" великий русский ученый Ломоносов писал: " Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя... и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменного масла, жидковская смола, нефть. Которые хотя чистотой разнятся. Однако из одного начала происходят". Таким образом, более 200 лет назад была высказана мысль об органическом происхождении нефти и каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть и газ. Родилась органическая гипотеза. М.В.Ломоносов был не единственный, кто высказался по интересующему нас вопросу в 18 веке. Правда, другие гипотезы того времени носили курьёзный характер. Так, один варшавский каноник утверждал, что Земля в райский период была настолько плодородна, что на большую глубину содержала жировые примеси. После грехопадения этот жир частично испарился, а частично погрузился в землю, смешиваясь с различными веществами. Всемирный потоп содействовал превращению его в нефть.

Идеи Ломоносова поддерживали такие учёные как Ч. Лайель, Потонье, Д. Уайт.

В конце 19 века К. Энглер развивал гипотезу о животном происхождении нефти, позднее - о смешанном, растительно-животном характере исходного вещества. Он провёл первые экспериментальные исследования для подтверждения органического происхождения нефти. В начале 20 века в работах Г. Потоноье (1904, 1908), Г.П. Михайловского (1906) и Н.И. Андрусова (1908) были выдвинуты положения об образовании нефти из сапропелевого органического вещества. Г. Потонье считал, что нефть является продуктом перегонки сапропелевых горных пород под действием подземного тепла. Г. Потонье в начале 20 века связывал образование нефти с сапропелевым органическим веществом, обогащенным живыми компонентами. Позже, почти до начала ХХ в., исследователями предлагались различные гипотезы органического происхождения нефти, причем одни учёные считали, что нефть образуется из растительных осадков, а другие основное значение придавали ОВ животного происхождения. Однако все варианты теории органического происхождения углеводородов объединяет то, что исходным материалом для образования нефти считается органическое вещество.

В 1906 году Михайловский выдвинул свою гипотезу происхождения нефти. Её можно охарактеризовать по следующим пунктам:

Исходное вещество - смешанное, растительно-животное.

Первая стадия образования материнского органического вещества связывается с бактериальными процессами

Последующие стадии являются физико-химическими, а главными факторами - температура и давление

Первичная нефть - дифузионно-рассеянная

Скопление нефти в коллекторах является вторичным

Образование залежей нефти происходит в результате тектонических нарушений.

Эта схема получила развитие у Губкина («Учение о нефти» 1937)

С этими положениями соглашается большинство геологов-нефтяников.

А.Д. Архангельским в 1925-1926 впервые были проведены работы по изучению состава и распределения органического вещества осадочных пород. А.Д. Архангельский (1927) рассматривал образование нефти как процесс, обусловленный действием бактерий, и считал, что материнским веществом нефти были органические соединения, содержавшиеся в глинистых отложениях. Аналогичные исследования были проведены П. Траском в США (1932, 1942). Он изучил около 35 тысяч образцов. Исследования Архангельского и Траска заложили основы представлений о нефтематеринских свитах.

В работах И.М. Губкина (1932, 1938) процесс нефтеобразования рассматривался как начинающийся в мелководных, органогенных илах и продолжающийся в течение всего диагенеза и позднее. На первоначальной стадии преобразования органического вещества основную роль по Губкину играют биохимические процессы, приводящие к образованию жидких и газообразных битумов, рассеянных по всей породе, а в дальнейшем наступает неизмеримо более длительный геохимический период, в которым основными факторами являются температура, давление и время. Миграция нефтесборных площадей приводит по Губкину к образованию нефтегазовых залежей. С начала 20 века и до сороковых годов были выдвинуты различные положения об органическом происхождении нефти, отличавшиеся друг от друга по характеру предполагаемых исходных для нефти веществ (жиры, белки, углеводы и др.), по факторам, вызывающим образование нефти (температура, давление, катализ, бактерии и др.), а также по другим условиям, касающимся времени и места образования нефти и газа, характера нефтематеринских пород, процессов накопления нефти и т.п. Разнообразные мнения высказывались в тот период и о миграции нефти и газа, начиная от полного отрицания роли миграции в образовании нефтяных залежей и кончая представлениями, согласно которым накопление нефти и газа происходит вследствие их миграции на очень большие расстояния. К середине ХХ века было доказано единство всех горючих полезных ископаемых: нефти, угля, газа, горючих сланцев; установлена генетическая связь нефти с ископаемым органическим веществом осадочных пород. Нужно сказать, что ни одна теория не касается всех трёх упомянутых звеньев генезиса нефти: исходное вещество - образование нефти - образование залежей нефти. Развивая те или иные взгляды на один или два из этих вопросов, выдвинутые теории, как правило, или совсем не касаются остальных вопросов, или если и касаются, то лишь в самых общих выражениях. Большинство гипотез и теорий вообще выдвинуто в виде подобных общих выражений, которые по существу ничего не объясняют и которые нельзя считать теориями, хотя в литературе они и фигурируют под этим термином. Например, во многих случаях выдвигается утверждение, что под действием повышенных температур и давлений органические остатки превращаются в нефть, или, что скопления нефти образовались в результате миграции, или что нефть образовалась благодаря воздействию на вещество анаэробных бактерий и т.д. Подобного рода положения общего характера не имеют доказательной силы и представляют собой лишь гипотезы, касающихся причин или общего направления процесса нефтеобразования. Особое внимание при разработке органической теории уделялось вопросу об исходном органическом веществе. Одни учёные считали, что нефть образуется из растительных остатков, другие из остатков животных, третьи - из растительно-животных остатков. Взгляд, предполагающий растительно-животный характер исходного материала, получил широкое признание благодаря исследованиям Потоноье (1905), Губкина (1932), Траска (1939). Надо было также решить, накапливается ли вещество в большой массе или возможно образование нефти из органического вещества, рассеянного в нефти материнской свите.

Основные положения различных гипотез и теорий органического происхождения нефти касаются следующего:

Исходное вещество

Пути и условия образования нефти и её скоплений

Различные органические остатки, торф, уголь, сланцы

Под действием тепла, идущего от магматических очагов, исходные вещества разлагаются, а образовавшиеся при этом нефтяные углеводороды скопляются в вышерасположенных более холодных пластах. Тот же процесс разложения и отгонки нефтяных углеводородов происходит под действием перегретого водяного пара, идущего из более глубоких слоёв Земли. Жиры морских животных и низших морских организмов (растительные остатки играют подчинённую роль). Под действием повышенной температуры происходило разложение жиров и образование смеси различных углеводородов - протопетролеума. Современная нефть является результатом полимеризации первоначально образовавшихся углеводородов. Разложение жиров морских животных и образование нефти при каталитическом воздействии глин, содержащих в смеси:

Морские водоросли, фукоиды.

Диатомовые водоросли.

Фораминиферы.

Органическое вещество диатомей, морских водорослей и фораминифер разлагается, в результате чего образуется нефть.

Морская трава (Zostera и др.)

Пути и причины превращения морской травы в нефть точно не указываются, но делаются предположения о возможности такого превращения, благодаря специфическим, ещё неизвестным бактериям, а также благодаря гидрогенизации с помощью водорода, образуемого бактериями

Принимается, что современные залежи нефти находятся строго в первичном залегании, образовались из отложений морской травы и не претерпевали какой-либо миграции

Наземная растительность

Остатки наземной растительности, отложившиеся в глинах, песках или в виде самостоятельных залежей и опустившиеся в процессе накопления осадочных отложений на ту или иную глубину, превращаются в нефть главным образом благодаря высокому давлению, которое в значительной степени обеспечивается при наличии глинистой покрышки. Принимается, что температура при этих процессах была невысокой и соответствующей обычным глубинам залегания нефтей. При отсутствии надлежащего давления и непроницаемости покрышки исходный растительный материал превращался в уголь, а не в нефть. Органические остатки планктона, бентоса и принесённые с суши и превратившиеся в органический или сапропелевые породы подвергаются на глубине действию повышенной температуры и высокого давления. Органическое вещество сапропелевых пород разлагается с образованием нефти, которая отгоняется в вышерасположенные и более холодные пористые пласты Органическое вещество присутствии соленой морской воды в процессе его перекрытия свежими отложениями под действием бактерий разлагается с образованием нефти. Органические остатки под действием бактерий превращаются в промежуточный устойчивый продукт - кероген (сапропель, образовавшийся в морских условиях). Под давлений повышенных температуры и давления из керогена постепенно образуется нефть. Горючие сланцы, содержащие кероген, под действием повышенных температуры и давления разлагаются с образованием нефти, которая отгоняется в более высоко расположенные пласты .

Накопление органических остатков происходит благодаря сероводородному заражению, вызывающему гибель организмов. Большая часть органических остатков под действием бактерий превращается в кероген и лишь небольшая часть после погребения остатков под действием анаэробных бактерий превращается в нефть. Нефть образовалась в нефтепроизводящих свитах из рассеянного органического вещества под действием повышенной температуры и высокого давления, а затем мигрировала в породы-коллектора.

Органические остатки после их погребения разлагаются под действием анаэробных бактерий с образованием нефти.

Органические остатки превращаются в нефть до их погребения. Нефть не всплывает благодаря тому, что удерживается глинистыми частицами. Впоследствии свободная нефть образуется в результате её выжимания в пористую породу . Превращение органических остатков в нефть происходит с помощью энзимов (биокатализаторов). Исходное вещество включало Жиры, смолы, воски, лигнин и другие устойчивые продукты растительного происхождения. Гидрогенизация первичной нефти производилась анаэробными бактериями. Гидрогенизация первичной нефти или непосредственно исходных органических веществ производилась водородом, образующимся из воды под действием альфа-излучения. Различные типы нефтей обусловлены различным соотношением жиров, смол, лигнина и других веществ в исходном органическом материале. Восстановительные процессы, происходившие под действием бактерий, обусловили отщепление карбоксилов и гидроксилов от исходных органических веществ и привели к образованию первичной нефти. В дальнейшем происходила деструктивная гидрогенизация первичной нефти при повышенных температуре и давлении с помощью Н2 и СО, пришедшим из глубоких недр Земли, где эти газы образовались при действии воды на карбиды металлов.

1.4 Запасы нефти и основные нефтегазоносные районы

Наиболее крупные месторождения нефти расположены в арабских странах Ближнего и Среднего Востока, Иране, Индонезии, Северной и Южной Америке. На территории России месторождения нефти имеются в Западной Сибири, районах Поволжья, Урала, Северного Кавказа, Коми.

Из нефти выделяют разнообразные продукты, имеющие большое практическое значение. В начале от нее отделяют растворенные углеводороды (преимущественно метан). После отгонки летучих углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в газообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой температурой кипения. Таким образом, можно собрать отдельные смеси (фракции) нефти. Чаще всего при такой перегонке получают три основные фракции, которые затем подвергаются дальнейшему разделению.

В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов. Основными группами являются жидкое топливо, газообразное топливо, твердое топливо (нефтяной кокс), смазочные и специальные масла, парафины и церезины, битумы, ароматические соединения, сажа, ацетилен, этилен, нефтяные кислоты и их соли, высшие спирты. Эти продукты включают горючие газы, бензин, растворители, керосин, газойль, бытовое топливо, широкий состав смазочных масел, мазут, дорожный битум и асфальт; сюда относятся также парафин, вазелин, медицинские и различные инсектицидные масла. Масла из нефти используются как мази и кремы, а также в производстве взрывчатых веществ, медикаментов, чистящих средств, наибольшее применение продукты переработки нефти находят в топливно-энергетической отрасли. Например, мазут обладает почти в полтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Он занимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Замена твердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водном транспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитию основных отраслей промышленности и транспорта.

Энергетическое направление в использовании нефти до сих пор остается главным во всем мире. Доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46%.

Однако в последние годы продукты переработки нефти все шире используются как сырье для химической промышленности. Около 8% добываемой нефти потребляются в качестве сырья для современной химии. Например, этиловый спирт применяется примерно в 150 отраслях производства. В химической промышленности применяются формальдегид (HCHO), пластмассы, синтетические волокна, синтетический каучук, аммиак, этиловый спирт и т.д. Продукты переработки нефти применяются и в сельском хозяйстве. Здесь используются стимуляторы роста, протравители семян, ядохимикаты, азотные удобрения, мочевина, пленки для парников и т.д. В машиностроении и металлургии применяются универсальные клеи, детали и части аппаратов из пластмасс, смазочные масла и др. Широкое применение нашел нефтяной кокс, как анодная масса при электровыплавке. Прессованная сажа идет на огнестойкие обкладки в печах. В пищевой промышленности применяются полиэтиленовые упаковки, пищевые кислоты, консервирующие средства, парафин, производятся белково-витаминные концентраты, исходным сырьем, для которых служат метиловый и этиловый спирты и метан. В фармацевтической и парфюмерной промышленности из производных переработки нефти изготовляют нашатырный спирт, хлороформ, формалин, аспирин, вазелин и др. Производные нефте-синтеза находят широкое применение и в деревообрабатывающей, текстильной, кожевенно-обувной и строительной промышленности.

1.5 Полученные из нефти продукты и их применение. Значение нефти и газа как энергоносителей и как источник сырья для различных отраслей промышленности

Из нефти выделяют разнообразные продукты, имеющие большое практическое значение. Вначале от нее отделяют растворенные углеводороды (преимущественно метан). После отгонки летучих углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в газообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой температурой кипения. Таким образом можно собрать отдельные смеси (фракции) нефти. Чаще всего при такой перегонке получают три основные фракции, которые затем подвергаются дальнейшему разделению. Основные фракции нефти следующие:

Фракция, собираемая от 400 до 2000 С, - газолиновая фракция бензинов - содержит углеводороды от С5Н12 до С11Н24. При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают: газолин (от 400 до 700 С), бензин (от 700 до 1200 С) - авиационный, автомобильный и т.д.

Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 1500 до 2500 С, содержит углеводороды от С8Н18 до С14Н30. Лигроин применяется как горючее для тракторов. Керосиновая фракция включает углеводороды от С12Н26 до С18Н38 с температурой кипения от 1800 до 3000С. керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов, реактивных самолетов и ракет. Газойль (выше 2750 С) - дизельное топливо. Мазут - остаток от перегонки. Содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. Мазут также разделяют на фракции:

Соляровые масла - дизельное топливо,

Смазочные масла (авиатракторные, авиационные, индустриальные и др.),

Вазелин (основа для косметических средств и лекарств).

Из некоторых сортов нефти получают парафин (для производства спичек, свечей и др.). После отгонки остается гудрон. Его широко применяют в дорожном строительстве.

Применение продуктов крекинга.

Менделеев говорил о нефти, что она является ценным сырьем для производства многих органических продуктов. По его словам, топить нефтью - все равно что топить ассигнациями.Однако современная промышленность и транспорт использует и нефтепродукты в чрезвычайно больших количествах в качестве топлива и энергоносителя.В связи с этим, нефти не хватает, поэтому высокомолекулярные фракции нефти подвергают крекингу(от английского слова ломать),т.е расщеплению молекул на две или более частей, например: СnH2n+2_____C10H20+Cn-10H(2n+18)

Если применяют высокую температуру, то этот крекинг называют термическим. Если используют катализатор, то крекинг называют католическим. Продукты крекинга используют чаще всего для заправки транспортных средств (бензин, солярка), а также для получения смазочных масел.

1.6 Внутреннее строение Земли. Общая информация

Толщина земной коры изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 миллионов лет.

От низ лежащей мантии земную кору отделяет во многом еще загадочный Слой Мохо (назван так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909 году), в котором скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается.

На долю мантии приходится около 67% общей массы планеты. Твердый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют литосферой - самой жесткой оболочкой Земли. Под ней отмечен слой, где наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн, что говорит о своеобразном состоянии вещества. Этот слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, называют астеносферой. Вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. В нижней мантии на глубине 2900 км отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности, а поперечные волны здесь исчезают совсем, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли По Б. Болту приведены следующие границы отдельных зон: основание слоя С - 670км, слоя D - 2885 км, слой F в интервале 4590-5155 км. Земное ядро открыто в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (внешнее ядро) и твердую (внутреннее), переход между ними лежит на глубине 5156 км. Железо - элемент, который соответствует сейсмическим свойствам ядра и обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки - плюмы.

Внутреннее твердое ядро не связано с мантией. Полагают, что его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра 3емли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При этом многие вещества как бы металлизируются - переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода.

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовал постепенный разогрев земных недр, в основном за счёт теплоты, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои-геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее лёгких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в процессах выплавления возникла, расположенная над мантией земная кора. Совокупность этих внутренних геосфер, ограниченных твёрдой земной поверхностью, иногда называют "твёрдой" Землей (хотя это не совсем точно, поскольку установлено, что внешняя часть ядра обладает свойствами вязкой жидкости). "Твёрдая" Земля заключает почти всю массу планеты. За её пределами находятся внешние геосферы-водная (гидросфера) и воздушная (атмосфера), которые сформировались из паров и газов, выделившихся из недр Земли при дегазации мантии. Дифференциация вещества мантий Земли и пополнение продуктами дифференциации земной коры, водной и воздушной оболочек происходили на протяжении всей геологической истории и продолжаются до сих пор. (5,6)

Новые месторождения будут открываться в более сложных условиях (большие глубины бурения на суше и море, географически трудно доступные районы, сложные природно - климатические условия). Эти месторождения будут более сложными для освоения в связи с преобладанием в них трудно открываемых и трудно извлекаемых запасов.