РАЗВИТИЕ ГЕОХИМИИ И ГЕОЛОГИИ НЕФТИ



Предыдущая | Следующая

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Глава

1

РАЗВИТИЕ ГЕОХИМИИ И ГЕОЛОГИИ НЕФТИ

Нефтяная геохимия — наука, задачей которой является применение законов химии к исследованиям проблем происхождения, миграции, аккумуляции и трансформации нефти, а также использование полученных знаний для поисков и выявления залежей газа, нефти и родственных ей битумов. Хотя нефть известна с незапамятных времен, только в этом столетии была разработана технология добычи этого горючего ископаемого в тех огромных количествах, которые необходимы для удовлетворения энергетических нужд развивающейся мировой экономики. Мировая потребность в нефти ныне составляет около 60 млн. баррелей 1 (8 млн. т) в сутки; считается, что в 2000 г будет необходимо 120 млн. баррелей (16 млн. т). Для выявления и добычи таких огромных количеств нефти потребовались и еще потребуются знания и тяжелый труд многих людей — нефтяников-разведчиков, геофизиков, геохимиков, специалистов по бурению и добыче.

Нет точных данных о том, когда геологические и геохимические знания были впервые применены для целей разведки нефти. Уже первые исторические документы доносят до нас сведения об естественных источниках нефти и газа. В местах их выхода на поверхность обычно рылись колодцы. Нефть зачастую получали как побочный продукт при бурении на соляные рассолы. Еще в 600 г. до н. э. Конфуций (см. [454]) упоминал о скважинах глубиной в несколько сотен метров. Горючий газ использовали в некоторых соляных выработках для выпаривания рассола. Созданное китайцами буровое оборудование позволило им уже в 1132 г. достичь глубины около 1000 м. В конце XVIII столетия на месторождении нефти Иенангяунг в Бирме было пробурено свыше 500 скважин, с помощью которых добывали около 40 000 т нефти ежегодно. Впечатляющие дебиты бакинских нефтяных и газовых источников привели к раннему развитию нефтяной индустрии в России. В 1870 г. ежегодная продукция в Баку достигла почти 28 000 т. В США рождение нефтяной промышленности, получившей в дальней-тем мощное развитие, связывают с именем Эдвина Дрейка, который в 1859 г. заложил скважину у источника нефти близ Тайтесвилла в Пенсильвании. В 1871 г. 91% мировой добычи, или 700 000 т нефти, поступал из пенсильванской нефтегазоносной зоны, обнаруженной скважиной Дрейка. Ежегодная добыча в Баку устойчиво росла и достигла в 1890 г. почти 4 млн. т, т. е. приблизительно сравнялась с добычей в штатах Пенсильвания и Нью-Йорк за тот же год [454].

Эти ранние успехи в разведке нефти были связаны с предпринимателями, бурившими скважины («дикие кошки») наугад на базе очень слабых геологических знаний или при полном их отсутствии. Геологические принципы стали приниматься в расчет не сразу. Раньше всего была применена «антиклинальная» теория, сыгравшая большую роль. Вкратце суть ее сводилась к следующему: так как нефть легче воды, она должна всплывать в наиболее приподнятую часть находящейся под землей антиклинальной складки. Поэтому антиклиналь является более благоприятным местом для бурения на нефть, чем синклиналь.

Эта концепция связана с именем Т. Стерри Ханта, геолога и химика из Геологической службы Канады, который изложил ее в публичной лекции, прочитанной в Монреале в марте 1861 г. Позднее в Canadian Naturalist and Geologist он опубликовал в развернутом виде текст своего выступления [311]:

«Эти источники расположены вдоль осевой линии широкой и пологой антиклинали, которая простирается в субширотном направлении через западную часть Канадского полуострова (район Великих озер.— Ред.) и сложена близ поверхности в районе Эннискиллена тонкослоистыми глинами и известняками группы Гамильтон, которые перекрыты слоем глины мощностью несколько футов. Нет сомнения, что нефть поднимается из вмещающего ее корниферового известняка. Будучи легче воды, которая вместе с ней проникает в пористый горизонт, нефть всплывает в ту часть толщи, которая в гипсометрическом отношении залегает наиболее высоко, а именно в свод над осевой частью антиклинали. Здесь нефть накапливается в обширной зоне, а затем постепенно через вертикальные трещины в перекрывающих глинах Гамильтон находит путь к поверхности и дает начало нефтяным источникам».

На стр. 250 своего обзора он пишет: «Говорят, что скопление значительного количества нефти находится в Диерхаме, примерно в четверти мили к юго-западу от Тилсонберга, и мы с полным правом можем надеяться найти и другие скопления вдоль антиклинали или в складках второго порядка».

В то время когда Хант описал антиклиналь в районе Эннискиллена, проф. Эндрюс из колледжа Мариэтты и Огайо сделал описание антиклинальць*^ак|18аа5^3ападной Виргинии и юго-

Рис. 1-1. Разрез через антиклиналь Кау-Крик в Виргинии (ныне Западная: Виргиния), составленный проф. Э. Б. Эндрюсом (колледж Мариэтты) в 1861 г. [21].

Нефтяные и газовые залежи приурочены к своду (Л).

восточной части Огайо [21]. В его статье охарактеризовано несколько антиклинальных поднятий со сводовыми нефтяными залежами, типичным примером которых является месторождение Кау-Крик в Виргинии (ныне Западная Виргиния). Нефтяные и газовые залежи расположены вдоль осевой линии антиклинали (А на рис. 1-1). Эндрюс понимал, что благодаря тектоническому сжатию в сводах антиклиналей развиваются трещины, которые заполняются нефтью лишь по прошествии значительного геологического времени. Он писал (стр. 92): «В нарушенных породах, которые находятся вдоль центральной зоны крупного поднятия, мы встречаем наибольшее количество нефти».

Это основополагающее правило о высоком положении нефти в структуре все еще остается важнейшим критерием при разведке с помощью бурения «диких кошек». Впрочем, к наземному геологическому картированию с тех пор добавилось геофизическое картирование глубоких структур.

После того как в начале 1900-х годов на территории США и Канады появились новые районы нефтедобычи, обнаружилось, что нефть наряду с антиклиналями встречается и во многих синклинальных зонах. Действительно, ее можно было встретить в самых разнообразных геологических условиях, чего антиклинальная теория объяснить была не в силах. Временами из-за казавшейся необъяснимой природы скоплений нефти геологи с трудом могли убедить буровиков в важности использования геологических принципов при выборе мест заложения скважин. Некоторые из таких предубежденных буровиков полагали, что привлечение геолога является лучшей гарантией получить «сухую скважину». В эти трудные времена мнение

о природе нефти ясно выразил один судья из Пенсильвании, который сказал, вынося предварительное судебное постановление: «Нефть — минерал, способный течь». Он имел в виду, что нефть обладает способностью перемещаться из мест своего рождения, что делает затруднительным юридическое определение границ ее географического распространения.

Открытие нефти в пределах крупных антиклинальных поднятий в Канзасе, Оклахоме и Калифорнии в период первой мировой войны привело к возрождению структурной геологической разведки и дало геологу право последнего слова при вынесении решений, касавшихся разведочного бурения. Успешное применение отраженных сейсмических волн в 1920-е годы для картирования глубинных структур еще более усилило веру в антиклинальную теорию. Затем в середине 1930-х годов было найдено крупное месторождение в восточном Техасе. Открытие этого стратиграфически экранированного вместилища нефти и газа заставило буровиков и геологов понять, что обнаружение нефти требует знаний всех важнейших законов науки о Земле. Геологи-поисковики не могли больше ограничиваться разведкой складчатых структур. Они должны были разбираться в вопросах литологии, стратиграфии, палеонтологии, геохимии, минералогии, петрографии, геоморфологии и исторической геологии. Времена предпринимателей, «чующих нефть носом», миновали, и месторождения стали открывать в результате детальных исследований с использованием всех имевшихся в распоряжении научных данных.

Однако даже при наличии всех этих новых подходов поиски нефти продолжают оставаться весьма рискованным предприятием. Сегодня только одна скважина типа «дикая кошка» из 10 оказывается перспективной на нефть, и примерно одна из 50 скважин вскрывает залежь с запасами свыше 1 млн. баррелей нефти или 1,68 - 108 м3 газа. Учитывая подобные шансы, не удивительно, что нефтяная индустрия США не способна удовлетворять энергетические потребности своего растущего населения. Геологи-разведчики должны быть осторожными оптимистами. В этой отрасли промышленности неприемлем консерватизм. Периодически появляющимся предсказаниям о том, что запасы нефти в мире истощаются, должны быть противопоставлены новые идеи, новые концепции, а также новые методы разведки. Структурное картирование открыло путь для стратиграфического подхода — поисков нефти в рифах, соляных куполах, под несогласиями, в зонах выклинивания пластов гто восстанию, в местах литофациальных замещений и регионального выклинивания, в дельтовых отложениях, в осадках неморского происхождения, а в конечном итоге — к использованию всех этих концепций при бурении в открытом море.

X. Д. Хедберг [262] подытожил философию поисков нефти таким образом:

«От геологической разведки можно требовать эффективного результата и быстрой с экономической точки зрения передачи месторождений в аренду или концессию лишь в регионах с общими благоприятными геологическими предпосылками. Выявление таких регионов должно базироваться на геологических предпосылках, но при этом следует опасаться проявления крайнего всезнайства, которое характерно для части геологов.

2*

Оценка большей части регионов обычно требует проведения бурения, и зачастую в достаточно большом объеме, прежде чем будет получен логичный окончательный результат. Его достижению не должен мешать и чрезмерный геологический консерватизм. При этих условиях он никогда не окажется случайным и будет обладать преимуществом, которое дают полноценные геологические знания».

В связи с тем, что поиски нефти становятся все более трудными, от геолога требуется знание геохимии нефти. Каков состав нефти? Как она возникла и каким образом мигрировала по направлению к поверхности? Как она меняется в зависимости от глубины, температуры и давления? Можно ли использовать знания такого рода с целью облегчения поисков пригодных к разработке месторождений?

Хотя Т. Стерри Хант, канадец по рождению, был признан первым среди мировых авторитетов в области геологии нефти [454], он был к тому же ученым, обладавшим обширными познаниями, и применял химические концепции в своих исследованиях нефти. В его первом высказывании о происхождении нефти было выражено согласие с теорией Карла Бишофа, профессора химии из Бонна, которая связывала образование нефти с постепенным разложением органического вещества. Хант развил эту теорию, назвав в качестве возможных источников нефти низшие формы морских организмов [312, стр. 527]:

«Органический материал, находящийся в форме битумов в палеозойских породах Северной Америки, возник либо из морских растений, либо из остатков морских животных. Последние, в особенности низшие формы, отличаются, но не сильно, по элементному составу от растений, и при их разложении могли легко образовываться битумы. Трансформация, благодаря которой органическое вещество могло превращаться в битумы, несколько отличалась от той, вследствие которой возникают обогащенные битуминозными компонентами каменные угли, к каковым весьма близки по-составу некоторые асфальты. В настоящих нефтях сохраняется значительное количество водорода, а их происхождение связано с изменениями при условиях, еще до конца не понятых, но способствующих сохранению большей части водорода в природной комбинации».

В то время как часть геологов размышляла о происхождении нефти, другие обратили свое внимание на практическое использование геохимических знаний, в том числе на теорию углеродного коэффициента. Эта теория, которая связывает нахождение нефти в недрах с катагенезом (метаморфизмом) углей, получила последовательное развитие в конце XIX столетия в ряде статей Г. Роджерса. Однако только Дэвиду Уайту из Геологической службы США удалось четко сформулировать соответствующую концепцию в ставшей классической работе, которая была выпущена в качестве его президентского обращения к Академии наук в Вашингтоне [657].

Он показал, что нефтяные залежи в восточных районах США залегают там, где угли характеризуются устойчивым содержанием углерода (нелетучего углерода) на уровне 60%. На глубинах ниже зоны распространения углей с содержанием углерода в пределах 65—70% исчезают газовые месторождения. Эта теория впервые доказывала, что аккумуляция нефти и газа в недрах контролируется уровнем постдиагенетических изменений. Как будет показано ниже, в модифицированном виде эта идея находит применение и сегодня.

Когда бурением были охвачены западные и южные районы США, оказалось, что многие скважины, заложенные в благоприятных структурных условиях, не встречали нефти даже при наличии хороших природных резервуаров. Естественно возник вопрос: «Обусловлено ли отсутствие нефти отсутствием исходного материала?» Взгляд на битуминозные глины как на материнские породы по отношению к залежам нефти, расположенным на территории Пенсильвании, был высказан еще в 1860 г. геологом Ньюберри, находившимся на государственной службе. Позднее Ньюберри и другие подчеркивали, что в Огайо и Кентукки нефть следует искать там, где пески контактируют с черными сланцами Огайо.

Положение, что нефть происходит из битуминозных материнских пород и мигрирует в пласты-резервуары, получило полное признание в 1926 г., когда Американский нефтяной институт совместно с Геологической службой США предпринял детальные исследования с целью выработать критерии для выявления нефтематеринских толщ. За осуществление этой тяжелой задачи взялся Паркер Траск, который в конечном итоге опубликовал результаты анализов 35 000 образцов керна и шлама из нефтедобывающих районов США. Исследования Траска, однако, не увенчались разработкой метода однозначного выявления материнских пород. Тем не менее он внес большой вклад в геохимию осадков, с трансформацией которых связано появление продуцирующих нефть горизонтов.

Между тем исследователи-полевики все еще продолжали поиски магического «черного ящика», который бы точно укалывал на скопления нефти под землей. Первую возможность прямой наземной разведки открывал патент, зарегистрированный в Германии и в США в 1929 г. под названием «Метод и прибор для обнаружения в недрах продуктивных отложений». Его изобретатель Г. Лаубмейер рассматривал углеводороды находящегося в почве газа в качестве показателя наличия нефтяных скоплений под землей. Примерно в то же самое время молодой советский физик В. А. Соколов начал работать над методами наземного поиска. В 1930 г. он в соавторстве с М. Г. Гуревичем изобрел прибор для определения радона и тория, выделяющихся при радиоактивном распаде элементов ряда урана [567]. Это привело Соколова к мысли, что если из вмещающих нефть резервуаров происходит утечка микроскопических количеств газа, это может привести к адсорбции радиоактивных газов на поверхности. Изобретенный им прибор должен обнаружить это. Он проверил свою идею на месторождениях Грозного и Баку и пришел к выводу, что находящиеся в недрах нефтеносные отложения могут быть обнаружены на поверхности. Затем Соколов совместил радиоактивное обследование с прямыми чувствительными методами анализа метана и более тяжелых углеводородов. Это привело к разработке широкой программы наземной геохимической разведки в СССР, рассчитанной на несколько последующих десятилетий.

Пионерские работы Соколова и Лаубмейера подтолкнули геохимиков в США, прежде всего Розера [502] и Хорвитца, на организацию компании, ведущей наземную разведку для нефтяных компаний, которые не имели собственного штата геохимиков. Тем временем главные нефтяные компании организовали собственные геохимические группы в составе своих исследовательских лабораторий, чтобы изучить возможности прямого поиска нефти с поверхности Земли. Эти исследования не увенчались успехом, за исключением нескольких нетипичных случаев. Однако они имели определенную ценность для региональной оценки перспектив. Методы прямого поиска с поверхности детально рассмотрены в гл. 9.

В историческом плане наземные поиски явились основным толчком для развития всех геохимических методов поисков. Вскоре геохимики поняли, что для целей поисков можно применять не только наземные, но и подземные исследования, и в наши дни гораздо шире ведутся исследования материала скважин (шлама и керна) и глубинных флюидов, чем собственно наземный поиск.

Многие успешно работавшие геологи-нефтяники обладали познаниями в области геохимии нефти. Это, естественно, помогало им принимать наиболее правильные решения при выборе участков для разведки на нефть. Одним из наиболее известных геологов-практиков прошлых лет был Уоллас Е. Пратт, который стал затем главным геологом и директором Humble Oil and Refining Company. В 1941 г. Пратт прочел ряд лекций в Канзасском университете, в которых продемонстрировал замечательную проницательность в вопросах происхождения, миграции н аккумуляции нефти. Многие идеи, которые он выдвинул в лих лекциях, подтвердились при выполнении последующих исследовательских и изыскательских программ. Наиболее важный для того времени вывод, к которому он пришел, касался повсеместного распространения углеводородов [478]:

«Нефть — неизбежный результат происходящих в недрах фундаментальных процессов, настолько характерных, что они реализовывались в каждом последующем цикле истории Земли. Я полагаю, что нефть в недрах распространена гораздо шире и в больших количествах, чем это обычно представляют. Нефть — естественный компонент неметаморфизованных пород прибрежно-морского происхождения. Породы же этого типа слагают примерно 40% всей поверхности суши на Земле. Нефть — продукт непосредственного воздействия самых обычных земных сил на обычные вещества, находящиеся в недрах».

Сегодня мы осознаем, что углеводороды присутствуют практически в любых осадочных породах, поэтому нельзя забраковать ни один из разрезов неметаморфизованных отложений до тех пор, пока не оценено содержание углеводородов в нем. Реальные различия между богатыми и бедными нефтью областями носят скорее количественный, чем качественный характер.

Пратт также четко изложил положения, которые ныне рассматриваются в качестве наиболее последовательного варианта теории происхождения нефти, подчеркнув, что небольшие молекулы образуются из больших молекул в результате природного крекинга в недрах. В лекциях, прочитанных в Канзасе, он утверждал [478]: «Основными чертами эволюции нефти в земной коре в масштабах геологического времени было уменьшение молекулярных размеров при соответствующем возрастании водород-углеродного отношения. Для молодых нефтей типичной является ненасыщенность; они характеризуются дефицитом водорода и содержат в небольшом количестве газ. Это асфальтовые нефти, которые состоят из крупных и тяжелых молекул. Нефть из древних в геологическом отношении пород часто оказывается парафиновой, она сложена насыщенными молекулами, с ней обычно связан в большом объеме свободный газ. Эти факты предполагают наличие прогрессирующего природного крекинга в природной лаборатории».

Применение Праттом его геологических и геохимических взглядов в практике полевых изысканий привело к превращению Humble Oil — относительно небольшой компании — в крупнейшего производителя нефти в США.

В других странах вскоре осознали, что разведка нефти представляет собой сложную проблему, требующую точных научных знаний. Хотя СССР и отставал в отношении технологии разработки месторождений нефти, там уже был накоплен большой объем основополагающих данных по геохимии нефти и органического вещества. Отец русской геохимии В. II. Вернадский был воодушевлен идеен интенсивного развития горнодобывающей промышленности СССР. В своей книге «Очерки геохимии» [637], которая была переведена на многие языки, он подчеркивал значение органического вещества в происхождении нефти. По его мнению, на поверхности Земли нет другой химической силы, которая действует с большим постоянством и поэтому наиболее могущественна, чем живые организмы, взятые в целом. Химический феномен биосферы прослеживается в течение всей геологической истории.

Вернадский [637] был одним из первых, кто четко сформулировал, что углеводородные газы (главным образом метан) возникают из органического вещества всех типов и могут иметь независимые от нефти источники: «Часть их в значительной мере генетически связана с нефтяными месторождениями. Это газовая фаза нефтей. Другая должна быть увязана с рассеянным органическим веществом осадочных пород, т. е. в значительной мере имеет сложное происхождение, выражаемое схемой: морская жизнь—морской ил—осадочные породы—газы». Вернадский отвергал неорганическую (карбидную) гипотезу образования нефти: «Таким образом, если самый механизм процесса недостаточно известен и если образование нефтяных нахождений со многих точек зрения еще спорно, главный факт все же установлен: нефти происходят из определенных живых организмов, из живого вещества — определенного химического состава, определяющего структуру нефтей. Это фреатические тела, генезис которых имеет свое начало на земной поверхности. Нефти не ювенильные минералы». Вернадский также понимал, что общая масса нефти, рассеянной в неколлекторских породах, например в глинах, далеко превосходит ту, которая находится в виде скоплений в природных резервуарах.

В Советском Союзе в разведке нефти большое участие принимают геохимики. Хотя развитие советской нефтяной промышленности началось позднее, она добилась замечательного прогресса в последние десятилетия, а запасы нефти в СССР все еще имеют тенденцию к росту в сравнении с тенденцией к понижению, которая отмечается в 48 штатах Америки.

Во многих других странах за последнее десятилетие увеличился объем геохимических исследований и расширилось использование нефтяной геохимии в поисковых работах. Быстрое развитие методик аналитических исследований способствовало тому, что стало возможным детально изучать распределение всех типов углеводородов в осадочном бассейне. Идентификация материнских пород, корреляция нефтей, корреляция нефти с материнской породой, оценка перспективности бассейна по геохимическим данным, а также определение уровня диагепети-ческого и постдиагенетического преобразования органического вещества вошли в практику повседневных исследований многих крупных нефтяных компаний. Даже менее крупные компании внимательно следят за применением таких методов, как газовый каротаж и анализ проб газа в стволе скважин, для оценки перспектив нефтематеринских горизонтов, а также выявления нефти в коллекторах. Весьма важным обстоятельством явилось осознание геологами-нефтяниками, что наличие благоприятной структуры или стратиграфической ловушки с удовлетворительными емкостными возможностями коллекторов не представляет ценности, если отсутствовали условия для образования и аккумуляции углеводородов. Знание особенностей формирования, миграции и аккумуляции нефти в бассейне имеет значение также и для полуколичественной оценки потенциальных ресурсов нефти.

В следующих главах излагаются основы нефтяной геохимии для геологов и показано, каким образом можно применять геохимические теории и методы для установления местонахождения новых нефте- и газоносных отложений.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

1.    В задачу нефтяной геохимии входит применение химических принципов при изучении происхождения, миграции, аккумуляции и изменений нефти, а также использование этих знаний для поисков и открытия нефти, газа и родственных с ними битумов.

2.    Появившаяся в конце XIX столетия теория углеродного коэффициента оказалась первой геохимической концепцией, в которой образование скоплений нефти и газа связывалось с процессами постдиагенетической трансформации. Нефтяные залежи преобразовывались в газовые в зонах, где содержание углерода в углях превышало 60%. Газовые скопления исчезали там, где содержания углерода в углях были выше 65—70%.

3.    Прямая наземная геохимическая разведка по газу, мигрирующему вертикально из нефтяных скоплений, явилась основным толчком, приведшим к появлению первых геохимических групп в крупных нефтяных компаниях.

4.    Концепция происхождения нефти из органического вещества битуминозных глин с последующей миграцией в пески впервые зародилась в конце XIX столетия в умах геологов-практиков как результат полевых наблюдений.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Owen Е. W. Trek of the oil finders: A history of exploration for petroleum:

Arner. Assoc. Petrol. Geol. Memoir 6. Tulsa, Okla.: American Association

of Petroleum Geologists, 1975.

Содержание