Читать книгу Организация эксплуатации и ремонта установок электроцентробежных насосов в нефтедобывающей отрасли. Том 1. Эксплуатация - С. Ш. Шарипов - Страница 8

На протяжении всех времен человека интересовало происхождение нефти и газа. Существует много различных гипотез по этому поводу. Одним из первых ученых к этому вопросу обратился средневековый ученый Г. Агрикола (15461550 гг.). Он в своих работах высказал мнение, опровергающее утверждение о растительном происхождении битумов и янтаря и считал, что битумы занимают первое место среди всех материй, которыми питается подземный огонь. Представления исследователя Г. Агриколы о вулканических процессах как о процессе горения горючих ископаемых разделяли многие исследователи вплоть до XIX столетия: он предполагал, что "гореть" должно другое вещество – нефть или битум.

Позже появлялись и другие представления об этой проблеме. Развитие вопроса о происхождении нефти и газа можно разделить на несколько этапов:

1 этап – 1694–1760 гг. В конце XVII века французский ученый П. Поме (1694 г.) и итальянский ученый П. С. Бокконе, английский ученый В. Чарлитон (1697 г.) считали, что янтарь и битумы имеют одинаковое происхождение и нефть образуется "вулканическими силами из земли и серного начала".

В начале XVIII в. (1725 г.) немецкий ученый И. Ф. Генкель высказал предположение, что нефть ("горные масла", или "горные смолы") образуется из остатков животных и растительности.

К 1739 г. все представления о происхождении нефти обобщены русским академиком И. Вейбрехтом, который, разделяя мнение о нефти как о смеси "огненной (серой)", водной и земляной субстанций, в то же время считал, что нефть либо образовалась под влиянием тепла Земли, либо находилась в ее недрах изначально.

В 1748 г. французский ученый Б. де Малье высказал мысль, что все горячие ископаемые образовались из захороненных в морских осадках животных и растительных организмов и что вулканические процессы обусловлены горением этих веществ, в том числе и каменного угля.

В 1750 г. немецкий ученый Д. Р. Шпильман писал, что нефть образуется из растений, преимущественно из ели.

Член Французской академии наук, химик по специальности, П. Ж. Макер в 1758 г. высказал мнение о том, что битумы образуются в результате взаимодействия "растительных масел" и "кислот".

Таким образом, до 1760 г. существовали два различных мнения об образовании нефти: растительного (органического) и нерастительного (неорганического) происхождения нефти.

2 этап – 1761–1859 гг. Этот этап продолжался в течение почти 100 лет, а начался с работы М. В. Ломоносова, который впервые связал происхождение нефти с геологическим строением Земли, считая, что внутри нее имеется "огненное ядро", под действием которого и происходят извержения вулканов, а также "выгорание" целых участков "земли" и последующее их опускание. В 1768–1774 гг., по инициативе М. В. Ломоносова, Академией наук России были организованы экспедиции, участники которых наблюдали выходы нефти у оз. Байкал (П. С. Паллас), на Апшеронском полуострове (С. Г. Гмелин), в Кахетии (А. И. Гильденштедт), на Волге, вблизи Симбирска, на р. Белой (И. И. Лепихин).

Почти каждый из участников этих экспедиций высказывал основанные на собственных наблюдениях соображения о происхождении нефти, но единого мнения не было.

В энциклопедии, под редакцией Д. Дидро и Ж. Д. Аламбера, изданной в 1765 г., дано толкование терминов "асфальт", "битум" и "петройль" (нефть), описаны их свойства и распространение, но ничего нет о генезисе. Однако в XI томе, изданном в 1774 г., отмечается, что нефть "своим происхождением обязана погребенным смолистым деревьям, так же как и другие битуминозные субстанции, минеральные угли и янтарь".

Вероятно, первой работой, которую можно назвать в современном плане геохимической, является исследование английского химика и минеролога Ч. Гатчетта (1798 г.), установившего, что битумы состоят из трех элементов, как и растительные масла, смолы и животные жиры, и образуются в результате сгущения нефти, а нефть образуется из захороненного вещества растительного и животного происхождения. Он считал, что существует единый ряд: нефть-мальта-минеральные смолы-асфальт-гагат-ископаемый уголь, каждый последующий член которого отличается от предыдущего потерей водорода и повышением количества свободного углерода.

Немецкий химик К. Райхенбах в 1834 г. провел перегонку каменного угля с водой и получил 0,0003% масла, очень похожего на скипидар и на нефть Италии. На основании этого он предположил, что нефть "представляет собой скипидар доисторических пиний (итальянских сосен), находилась в углях в готовом виде и выделялась из них под действием тепла Земли".

Другой французский исследователь П. Т. Вирле в 1834 г. на основании результатов экспериментов К. Райхенбаха пытался доказать вулканическое происхождение нефти. Рассчитав количество угля (17,4 млн т), которое, исходя из данных К. Рейхенбаха, необходимо для образования нефти, поступающей в источник на острове Занте со времен Геродота (2300 лет), П. Т. Вирле заключил, что такого количества угля не содержат все залежи Англии. (В настоящее время наличие 17,4 млн т угля представляется нереальным). Он указал также, что в других географических пунктах, таких как Баку, на поверхность поступает намного больше нефти, и "для ее образования не хватило бы ископаемых углей всего земного шара".

Вторая группа аргументов сводилась к перечислению нефтепроявлений в районах современных вулканов (Везувий, Этна, Оверни и др.) и выходов магматических пород.

Наконец, третья группа аргументов основана на связи между нефтепроявлениями и грязевыми вулканами, которые П. Т. Вирле считал обычными вулканами.

А. Л. Ловецкий (1830 г.) не разделял взгляды М. В. Ломоносова, который считал, что нефть происходит из остатков растений или ископаемых углей, сомневался в возможности образования его из растительного вещества и под влиянием только "подземного огня".

Известный французский физик Ж. Б. Био, установивший в 1815 г. Закон вращения плоскости поляризации света, в 1835 г. определил, что таким свойством обладают нефть и нефтепродукты. К сожалению, это открытие было забыто, и только спустя более чем 70 лет русский химик П. И. Вальден использовал это открытие как доказательство органического происхождения нефти.

Русский геолог Р. А. Пахт (1856 г.) считал, что асфальт, содержащийся в виде включений в известняках пермского возраста, не мог образоваться из органического вещества животного происхождения, так как содержащееся в нем количество азота незначительно. Этот аргумент и позже являлся основным доводом противников образования нефти из органического вещества животного происхождения. Пожалуй, самым интересным явилось предположение, высказанное в 1859 г. американским ученым Д. С. Ньюберри. Изучая нефтеносные отложения на северо-востоке США, он пришел к выводу о том, что нефть образуется из битуминозных пород, в свою очередь сформировавшихся из осадков, обогащенных органическим веществом. При этом процесс нефтеобразования развивается при сравнительно низких температурах.

Обобщая существовавшие в течение рассматриваемого этапа представления о происхождении нефти, следует отметить, что среди них преобладало представление об образовании нефти из растительных остатков.

3 этап – 1860–1905 гг. После гениальных работ А. Л. Лавуазье стали понятны основные реакции, происходившие в "неорганическом мире". В отношении же химических реакций в живой природе существовало представление, что они не подчиняются выявленным законам и развиваются под влиянием особой "жизненной силы". Однако после того, как немецкий химик В. Велер синтезировал мочевину, а русский химик А. М. Бутлеров в 1861 г. осуществил синтез сахаристых веществ, резко изменились представления о химических реакциях, приводящих к образованию органических веществ.

Когда в 1860 г. Марселей Бертло (крупнейший французский химик-органик) сначала теоретически, а затем и экспериментально доказал возможность образования ацетилена (С₂Н₂) при взаимодействии щелочных металлов, углекислоты и паров воды, среди химиков стали распространяться представления о неорганическом происхождении нефти, а геологи-нефтяники придерживались в основном взглядов об органическом происхождении нефти. М. Бертло отмечал, что он не оспаривает мнение геологов о происхождении нефти, но обращает внимание на возможность образования углеводородов из неорганических веществ, считая возможным доказательством этого наличие углеводородов в метеоритах.

В 1861 г. Г. В. Абих (выдающийся геолог XIX века) утверждал, что нефть и газ образуются на глубине и нефть движется вверх благодаря газу. Он указал, что "углеводородные соединения… следует рассматривать как выделения из битуминозных сланцев и мергелей, имеющих место под влиянием высокой температуры и действия водяных паров, что битуминозные сланцы образуются из органического вещества растительного происхождения".

Французский геолог X. Кокан в 1867 г. пришел к выводу, что нефть образовалась на больших глубинах в результате синтеза, доказательством чего является наличие асфальтеновых покровов в Сицилии и Баку.

Г. Д. Романовский, проводивший в 1864 г. в районе Самарской Луки геологические изыскания с целью поисков каменного угля, пришел к выводу, что включения и примазки асфальта в отложениях каменноугольного и пермского возраста связаны с вулканической деятельностью, в процессе которой "выделялись пары минерального масла или прямо источники нефти…". В 1868 г. Г. Д. Романовский писал: "Я вполне уверен, что в Самарской губернии под пермскими песчаниками непременно заключаются бассейны жидкой нефти или горного масла и углеводородистые газы".

В 1871 г. французский химик Г. Бюассон, действуя на железо до белого каления водяными парами, углекислотой и сероводородом, получил нефтеподобное вещество. В 1876 г. немецкий химик С. Клоэц получил такие же продукты при действии серной кислоты на зеркальный чугун, содержащий примесь марганца.

Д. И. Менделеев 13 января 1877 г. на заседании Русского химического общества первым в истории наиболее полно изложил и обосновал неорганическое происхождение нефти следующими аргументами:

1) выходы нефти на поверхность свидетельствуют о ее стремлении к восходящим движениям, что связано с ее меньшей по отношению к воде плотностью. Следовательно, "место образования нефти должно лежать ниже тех мест, где она содержится";

2) если бы нефть происходила из организмов, то в местах ее скопления должны были быть "угольные остатки";

3) нефть в Пенсильвании встречается в породах девона и даже силура, в которые она должна была подняться из более древних отложений. Если учесть, что, по представлениям того времени, в силурийский период организмов было немного, то в более древние эпохи они совсем должны были бы отсутствовать;

4) при горообразовании появляются разломы, по которым вода проникает вглубь и, вступая во взаимодействие с "углеродистым металлом", дает окислы и предельные углеводороды, которые "в парах восходят до таких слоев, где сгущаются и пропитывают рыхлые пески, способные удержать много маслообразных веществ";

5) подтверждением правильности данной точки зрения является "распределение нефти по прямым линиям или дугам больших кругов, связь ее с вулканизмом" и др.

В 1889 г. русский геолог В. Д. Соколов на заседании Московского общества испытателей природы выступил с докладом, в котором доказывал космическое происхождение нефти и других битумов. Сущность этой гипотезы:

"1) запасы углерода и водорода в небесных телах громадны;

2) образующиеся из них углеводороды, возникая при одинаковых космических условиях, появляются в составе небесных тел в очень ранних стадиях их индивидуального развития;

3) на Земле они возникли тем же путем, как и на других небесных телах, образовав собой определенной запас, впоследствии в значительной степени поглощенный магмой;

4) при дальнейшем охлаждении и уплотнении магмы заключенные в ней углеводороды выделялись и продолжают выделяться по трещинам, возникающим в литосфере путем дислокаций;

5) подвергаясь конденсации в поверхностных частях нашей планеты, они дают основной материал для образования битумов".

В. Д. Соколов критиковал "минеральную" гипотезу Д. И. Менделеева, аргументируя ее несостоятельность отсутствием неокисленных металлов в центре планеты и отсутствием возможности проникновения к ним поверхностных и, особенно, соленых вод.

Следует особо подчеркнуть прозорливость Р. И. Мурчисона, который заметил, что если нефть имеет органическое происхождение, то ее следы должны быть в каждой породе морского генезиса. Этот вывод подтвердился через 80 лет.

Неоднозначность взглядов на происхождение нефти отражалась в учебниках и различных сводках по геологии.

4 этап – 1906–1931 гг. В течение этого этапа резко преобладали представления об органическом происхождении нефти. Были открыты нефтяные месторождения в новых регионах: в Волго-Уральской области, в Украине, на Северном Сахалине, в странах Ближнего и Среднего Востока (в Иране, Ираке, Бахрейне и др.), на юге Азии, в Америке (Венесуэле, Бразилии, Тринидаде, Боливии, Канаде и США), в Северной Африке (Алжире, Марокко и Египте), в Европе (Албании, Австрии, Чехословакии, Югославии и др.). Общее количество добываемой в мире нефти к 1929 г. возросло до 207 млн т. Геологический материал по открываемым новым нефтеносным регионам подтверждал представление об образовании нефти в отложениях, содержащих остатки огромных масс организмов животного происхождения. Существенное влияние на формирование таких представлений оказала вышедшая в 1909 г. монография химика К. Энглера и геолога-нефтяника Г. Гефера, в которой авторы обосновали происхождение нефти из остатков животных организмов.

Советский академик А. Д. Архангельский в результате изучения органического вещества, содержащегося в нефтеносных отложениях Северного Кавказа и в современных осадках Черного моря (в 1925–1927 гг.), пришел к выводу о том, что нефть образуется из органических веществ, заключенных в глинистых породах, которые в значительном количестве накапливались в морских бассейнах в условиях сероводородного заряжения.

Американский геолог К. Уошбэри считал (1914 г.), что солевой состав нефтяных месторождений указывает на их образование за счет "эманаций" из магматических очагов, а У. Рамсей (1923 г.) полагал, что никель, медь и другие металлы являлись катализаторами при синтезе углеводородов.

Академик В. И. Вернадский рассматривал решение проблемы происхождения нефти в аспекте влияния биосферы на процессы, развивающиеся в земной коре. В 1927 г. он писал: "Мы должны считать нефти фреатическими минералами, образующимися, по-видимому, вне биосферы, но связанными с живым веществом".

В 1925 г. советский химик Г. Л. Стадников пытался создать "гибридную" гипотезу происхождения нефти, согласно которой, нефть образуется из захороненного растительного детрита благодаря привносу глубинного водорода. На этом этапе преимущественно американскими исследователями проведены разнообразные исследования, в том числе экспериментальные.

В 1921 г. Д. Уайт считал основным фактором, вызывающим преобразование органического вещества в нефть, динамическое давление, действующее во время складкообразования.

В 1925 г. Ф. М. Ван Тайл и К. Д. Блэкборн в результате экспериментов с горючими сланцами пришли к выводу об отсутствии возможности "выжать" из них нефть, что в 1926 г. подтвердил и Д. И. Хэйлей.

Не прошло и 100 лет, в США с использованием наукоемкой технологии успешно разработали и организовали добычу нефти и газа из сланцевых пластов.

В 1925 г. В. А. Соколов экспериментально установил, что под действием альфа-лучей происходит распад содержащегося в осадках органического вещества с образованием водорода, СО₂, СО и метана. Метан под действием этих же лучей полемиризуется в более тяжелые газообразные и жидкие углеводороды. В 1926 г. к этим выводам пришли американские исследователи С. К. Линд и Д. К. Бэрдуэлл.

Подводя итоги развития представлений о происхождении нефти в течение 1906–1931 гг., можно отметить следующее. Большинство геологов-практиков и научных работников считали, что нефть образуется из органических остатков в земной коре. Однако по вопросу исходных веществ для ее образования мнения расходились.

5 этап – 1932–1950 гг. Академик И. М. Губкин, выпустив в 1932 г. книгу "Учение о нефти", положил конец колебаниям в рассуждениях о происхождении нефти: до 1950 г. стала господствовать гипотеза об образовании нефти из рассеянного органического вещества.

В 1948 г. было открыто уникальное нефтяное месторождение Гхавар. Началась разработка месторождений в акваториях Каспийского моря, Мексиканского залива. В результате развернувшихся в течение рассматриваемого этапа исследований не только подтверждены господствующие представления об образовании нефти из органического вещества, захороненного в осадках различных водоемов, но они также позволили уточнить детали данного процесса. Открытие в 1934 г. А. Трайбсом в нефти порфиринов, являющихся производными хлорофилла, не только подтвердило органическое происхождение нефти, но и свидетельствовало о том, что процесс ее образования не является высокотемпературным, так как при температуре выше 250°C порфирины разрушаются.

Однако при всей определенности решения проблемы происхождения нефти в общем все же остался ряд крупных невыясненных вопросов:

– во-первых, каким был механизм преобразования органического вещества в нефть;

– во-вторых, какие факторы вызывали развитие этих процессов;

– в-третьих, почему при изучении современных ископаемых осадков не удается обнаружить начало образования углеводородов.

Ввиду неразрешенности этих вопросов нельзя было установить диагностические признаки толщ, которые генерировали нефть и, следовательно, нельзя было использовать указанные теоретические разработки для прогнозирования перспектив нефтегазоносности регионов.

В целом же на этапе господствовали представления об органическом происхождении нефти, и лишь отдельные авторы пытались отстаивать предположения о ее неорганическом происхождении. В США в 1940 г. Е. Мак-Дермот опубликовал статью об образовании залежей нефти из углеводородных газов, поднимающихся с больших глубин. В 1948 г. американский геолог К. ван Остранд пытался возродить предположение В. Д. Соколова, но также не был поддержан ни одним из геологов-нефтяников.

Несмотря на единомыслие, установившееся в отношении источников образования нефти к концу рассматриваемого периода, к 1951 г. в теории нефтегазовой геологии назрел кризис, обусловленный двумя главным причинами:

– во-первых, критерии, которые установлены для нефтепроизводящих толщ в традиционно нефтеносных регионах (Кавказ и Пенсильвания), оказались непригодными для новых регионов (Волго-Уральский и в США);

– во-вторых, не удалось обнаружить углеводороды ни в современных, ни в более древних осадках, в связи с чем не было однозначных критериев нефтегазопроизводящих пород.

Кризис в теории нефтегазовой геологии в определенной степени отражался и на практике проведения нефтепоисковых работ. Так, первые отрицательные результаты поисков нефти в Западной Сибири, Прибалтике, Белоруссии вызвали сомнения у многих геологов в целесообразности продолжения поисковых работ в этих регионах.

6 этап – 1951–2000 гг. Это этап становления теории осадочно-миграционного происхождения нефти и углеводородных газов. В 1950 г. группа ученых под руководством В. В. Вебера обнаружила углеводороды в современных осадках озер, лиманов и лагун, распространенных на Таманском полуострове. Американские исследователи под руководством П. В. Смита открыли углеводороды в современных осадках Мексиканского залива, прикалифорнийской части Тихого океана, дельте реки Ориноко. Хотя дальнейшие исследования показали, что углеводороды, содержащиеся в современных осадках, существенно отличаются от нефти, значение указанных открытий трудно переоценить. Они показали, во-первых, что углеводороды образуются в осадках и рассеянном органическом веществе, состоящем из остатков растительных и животных организмов. Теоретические предпосылки позволили обосновать необходимость широкого разворота поисковых работ на новых территориях и в акваториях, что и подтверждено открытием в самых различных частях мира новых нефтегазоносных провинций: Западно-Сибирской, Припятской, Прибалтийской, Североафриканской, Гвинейской, Восточно-Австралийской и др. Тем самым положен конец продолжавшейся в течение более двух столетий дискуссии о том, какое органическое вещество может быть исходным для образования нефти.

Однако некоторые советские исследователи усомнились в органическом происхождении нефти. Профессор ВНИГРИ Н. А. Кудрявцев, установив, что в разрезе Волго-Уральской области отсутствуют породы, характеризующиеся такими же параметрами, как нефтепроизводящие породы Кавказа, пришел к выводу о том, что нефть на месторождениях этой области имеет глубинное происхождение. Необходимо отметить, что такой же подход к данным по Западной Сибири еще в 1948 г. привел Н. А. Кудрявцева к заключению об отсутствии перспектив открытия залежей нефти и газа в этом регионе. В 1964 г. на 147-м Национальном съезде Американского химического общества, происходившем в Филадельфии, американский химик П. К. Маркс выступил с новой, так называемой "батарейной" теорией происхождения нефти, согласно которой, она образуется на больших глубинах (более 11–14 км) в результате возникновения электрического поля между двумя электродами – сульфидами железа и графита.

Несмотря на многочисленные противоречия в теории образования нефти и углеводородов, начиная с 1963 г. на международных нефтяных конгрессах не обсуждались вопросы о неорганическом происхождении нефти. Но новые исследования позволили получить качественно новую информацию и выявить многие детали процессов нефтегазообразования.