ФАКТОРЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В НЕФТЬ

В качестве факторов, обеспечивающих превращение органиче­ского вещества в нефть, исследователи называют температуру, давле­ние, катализаторы, микробиологическую деятельность, зараженность бассейна сероводородом, радиоактивность, электромагнитные коле­бания, тангенциальные давления, окисление. Многочисленность предполагаемых факторов объясняется отсутствием достаточно отчет­ливого представления о процессах нефтеобразования. Обычно тот

или иной фактор исследователи выдвигали в качестве решающего при нефтеобразовании на основании лабораторных экспериментов. При этом данному фактору приписывали исключительную роль, отри­цали влияние других факторов и недоучитывали реальную природную обстановку. Иногда влияние того или иного фактора утверждали без каких-либо обоснований.

Нефть представляет собой глубоко восстановленный продукт превращения органического вещества. Поэтому почти все исследо­ватели предусматривают наличие восстановительной среды для тече­ния процесса нефтеобразования. И. Потапов, однако, считает воз­можным образование нефти за счет окисления метана. Образование нефтей в результате окислительных процессов признает также и В. А. Успенский. Если образование метана связывать с глубокими недрами земли, то «окислительная» гипотеза должна быть отнесена к разряду неорганических, и по отношению к ней применимо боль­шинство возражений, изложенных выше. Если метан осадочного, т. е. органического, происхождения и образование нефтей идет за счет процессов окисления, то во времени нефти должны становиться все менее и менее метановыми. По этой схеме более древние нефти должны быть наименее метанизированы. В действительности, как уже отмечалось, наблюдается как раз обратное явление. В термодина­мических условиях земной коры окисление метана считается невоз­можным. Наконец, в противоречии с этой гипотезой находятся и изотопные соотношения углерода в нефтях и газах.

Как отмечают С. Сильверман и С. Эпштейн, изотопный состав углерода в нефтях и их фракциях изменяется в очень узких пределах, в то время как природные газы, связанные с ними, значительно обога­щены изотопом С¹². Если колебания изотопного состава групп угле­водородов в нефти составляют 1°/до; ^{то в} попутных газах они достигают 18°/до и более. На основании этого упомянутые авторы делают вывод о невозможности образования всей газовой фазы за счет превращения тяжелых углеводородов нефтей. Еще менее вероятным оказывается предположение об образовании нефтей из газовой фазы.

Еще Н. И. Андрусов, а затем А. Д. Архангельский и Н. М. Стра­хов обратили внимание на наличие сероводородного заражения в современных бассейнах (Черное море), в которых происходит накопление органического вещества в осадках в ясно выраженной восстановительной среде. Сероводороду довольно долго приписы­вали существенную роль в процессе преобразования органического вещества в нефть. Впоследствии более детальные исследования Н. М. Страхова показали, что это представление является одним из «увлекательных заблуждений». Сероводород следует рассматри­вать как индикатор среды, благоприятной для процессов нефтеоб­разования, как индикатор одной из геохимических фаций, в ко­торой могли идти процессы превращения органического вещества в нефть.

 

Особенно частокак основной фактор процесса нефтеобразования выдвигается температура. Это вполне естественно, так как в лабора­торной обстановке нефтепродукты наиболее легко получают воздей­ствием высоких температур на различные органические вещества. М. В. Ломоносов, Г. Потонье, Д. Уайт и их последователи рассма­тривали высокотемпературную деструкцию органического вещества как единственный фактор нефтеобразования. Если бы породы, с ко­торыми связаны процессы нефтеобразования, подвергались темпе­ратурному воздействию в 300—500° С, то они несли бы на себе явные следы температурного метаморфизма. Все известные и изученные нефтеносные толщи, судя по их характеру и минералогическому со­ставу, никогда не испытывали влияния такой высокой температуры.

Химический состав нефти также свидетельствует об определенных температурных пределах ее образования. Исследования температур­ных интервалов образования нефтей привели С. Н. ббрядчикова к выводу, что некоторые углеводороды, содержащиеся в нефтях, не могли возникнуть при температуре выше 300° С. Разобранные ранее соотношения между постоянными компонентами нефтей указы­вают на невозможность образования последних при высоких темпе­ратурах. К такому выводу приходят по существу все химики, зани­мающиеся детальным исследованием химического состава нефтей (С. Н. Обрядчиков, А. Фрост, А. Ф. Добрянский, А. И. Богомолов и многие другие). "'

А. Фрост, опираясь на геохимические идеи Н. Д. Зелинского, экспериментальным путем показал возможность образования угле­водородов из различных органических веществ при умеренно низ­ких температурах (90—150° С).

В качестве катализаторов в своих последних работахА. Фростиспользовал сухие природные глины. Американский исследователь Брукс, продолжая работы А. Фроста с природными катализато­рами, принял за нижний температурный предел образования нефтей температуру 65° С. Последние исследования в этом направлении А. И. Богомолова указывают на возможность таких превращений при катализенад глинами, не подвергшимися просушке.

Как показали исследования М. А. Мессиневой, каталитическая активность ферментов (продуктов жизнедеятельности бактерий) во много раз выше, чем глин. Высокая каталитическая активность ферментов определяется специфичностью их действия. Фермента­тивные процессы сопряжены с перераспределением химической энергии и не требуют или почти не требуют внешних источников энергии. Ферменты могут действовать при низких температурах. В отличие от бактерий каталитическая деятельность ферментов не ограничивается источниками питания, температурой, давлением, влажностью и т. д.

Участие бактерий в разложении органического вещества в осадке установлено исследованиями Н. Д. Зелинского, Е.'М. Брусиловского,

А. С. Вериго и др. Н. И. Андрусов, Г. П. Михайловский, Н. Г. Ушин-ский, Г. А. Надсон, В. О. Таусон, Б. Л. Исаченко и многие другие отводили бактериям большую роль в образовании нефти. Особенно много в этом направлении было сделано Т. Л. Гинзбург-Карагиче-вой в СССР, Э. Бастеном и К. Зобеллом за рубежом. Т. Л. Гинзбург-Карагичева экспериментальным путем установила образование нефте-подобных продуктов из жирных кислот под воздействием бактерий. К аналогичным выводам пришел К. Зобелл. Он подчеркивал способ­ность бактерий синтезировать некоторые простейшие углеводороды. При погружении осадка вследствие потери им влаги, а в дальней­шем повышении температуры и влияния других ограничивающих факторов, деятельность бактерий замирает или во всяком случае не может быть решающей в превращении органического вещества в нефть.

После открытия радиоактивных явленийвесьма распространен­ными стали попытки применения их для объяснения самых различ­ных процессов в природе, начиная от образования земли до превра­щения органического вещества в нефть. Впервые идея о влиянии радиоактивности на процесс образования нефти была высказана В. А. Соколовым в 1925 г. В качестве исходных продуктов для образо­вания нефтяных углеводородов В. А. Соколов рассматривает орга­нические вещества, которые преобразуются под действием радиоак­тивных излучений. Он приводит расчет, показывающий возможность образования за 1 млн. лет 180 тыс. т нефти из 1 км⁸ породы плотно­стью 2,0 г/см³, содержащей 1% органического вещества и обла­дающей суммарной радиоактивностью, равной по урану 0,001%. Произведя подсчет для месторождений Апшеронского полуострова, В. А. Соколов констатирует, что радиоактивным путем в продуктив­ной толще могло образоваться значительно менее 1% содержащейся в этих слоях нефти, i

В США И. Бергер и В. Уайтхэд отводят радиоактивным процес­сам очень большую роль в образовании нефти. Однако они несколько переоценивают значение радиоактивности. В самом деле, судя по их экспериментам, в заметных количествах образуется лишь метан, да и то только при разложении уксусной кислоты. В основном обра­зуются такие газы, как Hg, COg и СО. Запасы этих газов, особенно инертного водорода, были бы в земной коре колоссальными, если бы образование известных скоплений нефти и горючих газов шло таким путем. Следовательно, если радиоактивность и оказывает влияние на процесс образования нефти,то она во всяком случае веявляетсярешающей.

Некоторые ученые, например В. П. Батурин, решающее значе­ние в процессе нефтеобразования придают давлению. В. А. Сенюков и Н. И. Талдыкина (1967) экспериментальным путем доказали раз­личие в процессах преобразования органического вещества, проте­кающих при низких и высоких (до 200 am) давлениях.

Для описания процессов, происходящих в нефти, до сих пор практически не привлекались вопросы кинетики и представления о цепных процессах. Между тем известно, что почти все превращения углеводородов (крекинг, окисление, полимеризация и т. п.), в осо­бенности при низких температурах, являются цепными реакциями. С. П. Максимов, Н. А. Еременко, А. А. Жуховицкий и др. (1959) предложили в качестве одной из возможных схем следующую цепь реакций, согласующуюся с термодинамическими концепциями и отвечающую в основном экспериментальному материалу.

Первой стадией любого цепного процесса является зарождение цепи. Отщепление радикала (СНд или Н) от органической молекулы (М) может произойти v результате воздействия радиоактивного излучения:

мЛСНз "sh

В настоящее время хорошо изучены возможные последующие реакции, вызываемые свободными радикалами. Прежде всего воз­можно раскрытие циклов нафтеновых углеводородов:

Возможно также образование метанапо реакции

СНз+СНз—СНа—СНз —> СЩ+СНэ—СНг—СНг

В результате всех трех рассмотренных процессов возникает ра­дикал углеводорода. Свободные радикалы обнаружены в нефти, ка­менном угле и сланцах (X. Жутовский, 1959; И. Дучесня и Дж. Дей иекс. 1961; Е. Роберте, 1961 и др.).

Таким образом, большинство рассмотренных факторов может оказать то или иное влияние на процессы образования нефти. Основ­ная ошибка авторов большинства схем преобразования органиче­ского вещества в нефть заключается в том, что они приписывают исключительную роль какому-либо фактору. При этом явления от­рывают от естественной природной обстановки, где все эти факторы действуют, взаимно переплетаясь. Каждому фактору в таких слу­чаях приписывается активное энергетическое воздействие на исходное органическое вещество. В то же время до последних лет энергетиче­ская сторона проблемы никогда серьезно не рассматривалась. А ведь представляется естественным, что органическое вещество само по себе обладает достаточно высоким запасом энергии для последующих преобразований. Процесс преобразования веществ с потерей энер­гии является обычным для земной коры. В этом случае все указанные выше факторы может быть следует рассматривать не как главные действующие силы, а лишь как определенные показатели среды пре­образования подобно тому, как это было выявлено по отношению к сероводороду, или как факторы, лишь возбуждающие и стимули­рующие течение того или иного процесса.

Первая серьезная попытка разрешения вопроса в этом направле­нии была предпринята А. Ф. Добрянским и П. Ф. Андреевым. Крат­кое изложение основных положений, выдвинутых А. Ф. Добрянсннм и П. Ф. Андреевым, приводится ниже. Термодинамика изучает энер­гию и ее превращения. Оперируя понятиями энтропии и свободной энергии, термодинамика может предсказать направленность процес­сов движения материи и энергии. При этом знание начального и ко­нечного состояний вещества достаточно для суждений о возможностях происхождения того или иного процесса в заданных условиях. С энергетической точки зрения ассимиляция углекислоты организ­мами представляет собой процесс трансформации солнечной энергии. В живом организме идет накопление запаса свободной энергии высо­кого потенциала за счет поглощения солнечной радиации в резуль­тате построения сложных, способных ко множеству превра­щений энергетически насыщенных соединений: углеводов, белков и липоидов.

После смерти организма начинается самопроизвольный распад сложных соединений, термодинамически не устойчивых в условиях окружающей среды. Конечным результатом этого процесса в окисли­тельной обстановке будут продукты полной минерализации: угле­кислота, вода, азот и другие соединения, обладающие наименьшими запасами свободной энергии. Запас энергии системы в целом умень­шается, энтропия увеличивается. В конечном счете вся запасенная солнечная энергия рассеивается. Общей тенденцией процессов пре­вращения остатков организмов, захороненных в толще осадочных пород, является отделение от углерода гетерогенных элементов:

кислорода, азота, серы и водорода. Потеря свободной энергии си­стемой идет таким образом, что все процессы, вызывающие наиболь­шее выделение энергии, протекают в начале, а менее — экзотермиче­ские — в конце.

На первых этапах превращения отделяются главным образом углекислота и вода как наиболее энергоемкие соединения. Вслед за этим отщепляются аммиак и сероводород. С исчезновением запасов легко отщепляемого кислорода и водорода в виде СОд, HgO, HgS, NHg наступает очередь удаления основной массы водорода в виде СН^. Прогрессирующая потеря водорода приводит к образованию в остатке углеродистых систем со структурой графита, обладающих нулевым

запасом свободной энергии. Таков путь превращений при образова­нии углей.

Захоронение в толще глинистых пород органических остатков в дисперсном состоянии создает возможность некоторого осложнения описанного процесса. Вследствие каталитических процессов на гра­нице органическое вещество — минеральные зерна могут возникнуть явления распада исходной сложной молекулы с отщеплением более крупных обломков, чем молекулы газов. Относительно большая часть отщепившихся молекул получит возможность покинуть мате­ринскую молекулу. Подвижные продукты, возникшие в результате процессов разрушения сложных молекул и потери энергии, могут в определенных случаях образовать скопления нефти.

Система сложных молекул захороненных остатков живых орга­низмов имеет в себе достаточно высокий запас энергии для того, чтобы за счет внутренних ресурсов протекали все необходимые хи­мические процессы, связанные с возникновением энергонасыщенных соединений — углеводородов. Однако реализация этой возможности, как отмечает П. Ф. Андреев и М. Ф. Двали, происходит лишь в оп­ределенных условиях — при наличии некоторых факторов. К числу последних обычно относят время, температуру, бактериальное дей­ствие, минеральные и органические катализаторы. Влияние этих внешних факторов в конечном счете сводится к мобилизации внут­ренних возможностей, к преобразованию захороненного органиче­ского вещества и превращению части его-в углеводороды и другие компоненты нефти.