Геохимия нефти и газа


МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»



В. И. ПОПКОВ, В. А. СОЛОВЬЕВ, Л. П. СОЛОВЬЕВА





ГЕОХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА

Учебник





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 553.98
ББК 26.3
      П57

Рецензенты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Э. С. Сианисян; доктор технических наук, профессор И.Г.Шнурман








        Попков, В. И.

П57 Геохимия нефти и газа : учебник / В. И. Попков, В. А. Соловьев, Л. П. Соловьева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 248 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0896-7

     Рассматриваются основные вопросы геохимии нефти и газа как науки: химические элементы и их соединения в составе нефти и газа, круговорот химических элементов в природе, органическое вещество в осадках, физические свойства нефти и газа, нефтехимическое производство. Особое внимание уделено геохимическим методам поисков. Уделено внимание концепциям нафти-догенеза.
     Для студентов всех геологических специальностей, особенно специализирующихся в области геологии нефти и газа.


                                                                  УДК 553.98
                                                                  ББК 26.3








ISBN 978-5-9729-0896-7

     © Попков В. И., Соловьев В. А., СоловьеваЛ. П., 2022
     © Кубанский государственный университет, 2022
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Адресат данного учебника хорошо известен - это прежде всего студенты, специализирующиеся в области геологии и геохимии нефти и газа. В Кубанском государственном университете им читается двухсеместровый курс: в первом семестре - геология нефти и газа; во втором - геохимия нефти и газа. Данный учебник следует рассматривать как вторую часть читаемого курса. Учебник также пригоден и для студентов-геологов других специальностей (геофизиков, гидрогеологов, инженер-геологов и др.), но с учетом возможности сокращения отдельных разделов по усмотрению преподавателя. Не исключается использование учебника магистрантами и аспирантами, сдающими экзамены по специальности «Геохимия нефти и газа».
     Целевое назначение учебника состоит в получении исчерпывающих знаний по геохимии нефти и газа. В нем представлены все основные разделы этой науки: химические элементы и их соединения в составе нефти и газа, круговорот химических элементов в природе, органическое вещество осадков, физические свойства нефти и газа, нефтехимическое производство. Особое место отведено геохимическим методам поисков месторождений нефти и газа. Заключительный раздел посвящен концепциям нафтидогенеза.
     Каждый из авторов внес свой вклад в написание книги, но алфавитный принцип соавторства указывает на равные доли участия каждого из авторов в работе над пособием.
     Степень новизны учебника заключается в том, что оно существенно отличается от уже зарекомендовавших себя учебников (Брод, Еременко, 1957; Леворсен, 1958; Еременко, 1961; Габриэлянц, 1972, 1978, 1979; Бакиров, Ер-молкин и др., 1980). Прежде всего, это касается характеристики геохимии нефти и газа как науки. Характеристика геохимических объектов приведена на основе обновленной информации, появившейся благодаря достижениям органической химии (Пустовалова, 2005), химии и технологии нефти и газа (Вержичинская, Дигуров, Синицын, 2007), изучения органического вещества (Баженова, Бурлин и др., 2000), разработки геохимических методов поисков (НПЦ-геохимия, 2005), а также в развитии концепций нафтидогенеза (Конто-рович, 1998; Дмитриевский, Валяев, 2002, 2003; Валев, 1997, 2006; Бембель, Мегеря, 2006; Мегеря, 2009; Гатаулин, 2006; Попков, Соловьев, Соловьева, 2010, 2011; Попков, Ларичев, Медведев, 2010).
     Методика использования учебника базируется на новом подходе к обучению, которое четко подразделяется на две формы - лекционную и семинарскую . Лекционная форма предусматривает усвоение терминов и понятий по разделам пособия, а семинарская форма - проверку усвоения терминов и понятий. Получается, что усвоение геохимии нефти и газа сводится, в конечном

3

счете, к освоению языка данной науки, владение которым проверяется на практике поисково-разведочных работ на нефть и газ.
     Авторы считают своим долгом выразить глубокую благодарность своим рецензентам за профессиональную оценку значимости и новизны учебника. Естественно, мы не могли бы обойтись без дружеской поддержки сотрудников кафедры нефтяной геологии, гидрогеологии и геотехники КубГУ и многих других, с пониманием воспринявших наш вклад в преподавание геохимии нефти и газа.

4

            ВВЕДЕНИЕ



     Постановку рассматриваемых проблем начнем с их перечисления:
    -  понимание геохимии нефти и газа как науки (цели и задачи, объект и предмет, методы и средства, геохимики-нефтяники);
    -  определение главных химических элементов и соединений в составе нефти и газа (биогенные элементы, микроэлементы, инертные элементы и др.);
    -  выяснение круговорота химических элементов в природе (круговорот гелия, круговороты гидрохимических элементов);
    -  преобразование органического вещества в осадках (исходный химический материал для ОВ, преобразование ОВ в диагенезе, катагенезе и метаморфогенезе, битумы и др.);
    -  определение видов миграции и аномально высоких давлений (первичная и вторичная миграции, вертикальная и горизонтальная миграции, аномально низкие и высокие давления);
    -  получение нефтехимических продуктов (синтетические каучуки, спирты, удобрения и др.);
    -  совершенствование геохимических методов поисков месторождений нефти и газа (прямые и косвенные методы);
    -  парадигмы концепций нафтидогенеза (миграционно-осадочная, дегазационная, солитонная и другие концепции).
     Рассмотрение все этих проблем можно найти в соответствующих главах пособия (гл. 1-9), поэтому остановимся только на некоторых примерах, подчеркивающих актуальность проблем и продолжающиеся усилия ученых для их решения.
     Уточнение и детализацию тем начнем с понимания геохимии нефти и газа как науки и, в частности, с её определения. Расхождение существует в отсутствии единства в определении целей и задач, объекта и предмета, методов и средств науки. При наличии четкости в разграничении этих методологических элементов достигается и ясность в понимании науки в целом.
     По целям и задачам геохимия нефти и газа подразделяется на геостатику, геодинамику и геоисторию. Определяющими являются геостатика и геодинамика, а геоистория - это только интерпретация статических и динамических моделей с использованием исторической терминологии.
     Нет должной ясности и в разграничении таких методологических элементов, как объект и предмет. Объектами геохимии нефти и газа выступают нефтегазоносные тела на уровне химических элементов (атомном уровне), а предметом являются фундаментальные характеристики этих объектов - состав, свойства, форма и структура.

5

     Учитывая сказанное, геохимию нефти и газа можно определить как науку, изучающую распределение и взаимодействие химических элементов в нефтегазоносных телах с целью познания их фундаментальных характеристик.
     Вопросы возникают при анализе и всех других перечисленных проблем. Позволим себе остановиться на проблеме круговорота и, в частности, круговороте гелия и гидрохимических элементов в природе. Дело в том, что эти вопросы оказались не затронутыми в предыдущих учебных пособия по геохимии нефти и газа. В представленных нами материалах миграция гелия и гидрохимических элементов хорошо объясняется с позиции концепций дегазации Земли (Попков, Соловьев, Соловьева, 2011; Попков, Ларичев, Медведев, 2011).
     Дискуссионность затронутых в учебнике проблем особенно ярко проявилась в проблеме нафтидогенеза - как осадочно-миграционной, так и дегазационной концепций.
     Дискуссии возникают и по проблеме преобразования органического вещества и, в частности, по вопросам, связанным с понятием «битумы». Попытки снять эти вопросы предпринимались В. А. Успенским и О. А. Радченко, которые рассматривают битумы двух ветвей - угольного и нефтяного (битумного). Угольная ветвь включает гумусовые и сапропелитовые угли, а нефтяная -горючие ископаемые от газов до антроксолитов и шунгитов.
     Битум - первоначальный термин, охватывающий явление преобразования нефти и переводящийся как «вспыхивающая смола». В последующем термин «битум» стал употребляться в разных значениях, но сохранил основополагающий признак сходства с нефтью и её производными.
     Эти примеры приведены для того, чтобы показать не только результаты достижений геохимии нефти и газа, но и сохраняющиеся дискуссионные проблемы.

6

            1. ГЕОХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА КАК НАУКА



        1.1. Цели и задачи

     Цель - это конечный результат исследований.
     Задачи - это промежуточные этапы достижения цели.
      По целям и задачам целесообразно различать: статическую (познание состава и свойств, формы и структуры нефтегазоносных тел), динамическую (познание процессов в нефтегазоносных телах) и историко-генетическую (познание истории и генезиса нефтегазоносных тел) геохимию нефти и газа. Смысл такого деления состоит в том, чтобы четко представлять, что именно мы изучаем - нефтегазоносные тела, в которых скапливается нефть (геостатика), современные процессы, происходящие в нефтегазоносных телах (геодинамика), историю и генезис, которые реконструируются на основе информации по геостатике и геодинамике нефтегазоносных тел.

        1.2. Объект и предмет

      Объекты - это реально существующие нефтегазоносные тела. Мир этих тел располагается в общей иерархии вещества между микромиром и макромиром, образуя свой мезомир. В каждом из миров действуют свои законы мироздания, образуя уровни организации вещества: физико-химический (микромир), геологический (мезомир) и планетарно-астрофизический (макромир).
      Иерархия геотел включает минералы, породы, геоформации, геокомплексы и геосферы. В этом отношении геология - полиобъектная наука. Геология нефти и газа тоже полиобъектная наука. Углеводороды могут накапливаться даже в минералах (например, включения в минералах кимберлитов). Но явные скопления нефти и газа начинаются с породных тел, которые называются залежами. В геоформациях это месторождения, в геокомплексах - нефтегазоносные области и провинции.
      Объектом геохимии нефти и газа выступают нефтегазоносные тела на уровне химических элементов и их соединений.
      Предмет - это изучение фундаментальных характеристик тел (состава, свойств, формы и структуры). Результаты их познания представляются в виде моделей этих характеристик. Например, познание состава осуществляется в рамках предметов наук химического цикла (геохимия), познание свойств -наук физического цикла (геофизика), формы изучают науки геометрического цикла (геоморфология), структуры - науки структурного цикла (структурная геология).


7

      Зная объект и предмет, можно дать определение геохимии нефти и газа -это наука, изучающая химические элементы, их распределение и миграцию в нефтегазоносных телах.


        1.3. Методы и средства

      Методы - логические операции (алгоритмы) решения задач. Одним из важнейших является геокартирование, или районирование, нефтегазоносности. Полипредметность геологии нефти и газа позволяет говорить о геохимических, геофизических, геоморфологических и структурных методах.
      Геохимия нефти и газа пользуется методами аналитической химии, методами количественного анализа, рентгенографическими методами и т. д. Важнейший - метод геохимического картирования.
      Средства - технические орудия решения задач. Средствами геохимии нефти и газа являются реактивы, химические приборы (микроскопы, спектроскопы, рентгеновские аппараты, химическая посуда и т. д.).


        1.4. Практическое значение

      Геохимия нефти и газа участвует в решении самой важной для выживания человечества энергетической проблемы. По прогнозу Мирового энергетического агентства в 2020-х гг. потребление нефти достигнет 6 млрд т/год. Доля нефти и газа в энергетическом балансе составляет 70 %, опережая другие виды энергии.


        1.5. История науки


      За каждым научным открытием стоят отдельные личности, поэтому надо знать имена выдающихся ученых-нефтяников. Далее приведены имена членов Российской академии наук, но мы ни в коем случае не умаляем заслуг многих

других, не менее достойных упоминания.
      Менделеев Дмитрий Иванович (18341907 гг.) - академик, выдающийся химик, открывший периодический закон химических элементов, который является теоретическим фундаментом для геохимии нефти. Известен как основоположник абиогенной гипотезы генезиса нефти. Многие считают, что он пришел к этой гипотезе через химию, но Менделеев был хорошо осведомлен и в нефтяной геологии (обследовал бакинские нефтяные промыслы, был в курсе дел по геологии нефти в США).


Д. И.Менделеев

8

В. ИВернадский

     Вернадский Владимир Иванович (18631945 гт.) - академик, выдающийся геохимик и биогеохимик. Известен как основоположник биогенной гипотезы генезиса нефти. Основоположник геохимии и биогеохимии, а также истории науки и методологии. В вопросе генезиса нефти большое значение придавал принципам симметрии Кюри. Заслуги в публикации избранных трудов В. И. Вернадского принадлежат А. Л. Яншину иФ.Т. Яншиной.





     Губкин Иван Михайлович (18711939 гг.) - академик, основоположник отечественной геологии нефти и газа, организатор нефтяной специальности в Московском нефтяном институте, участник открытий нефтяных месторождений в Приуралье. Сделал прогноз на открытие месторождений в Сибири. На основании работ Губкина месторождения майкопского типа были открыты и в Америке. Основоположник диапировой модели формирования месторождений и сторонник осадочномиграционной концепции.




ИВ. Губкин

НА. Кудрявцев

     Кудрявцев Николай Алексеевич (18931971 гг.) - профессор, известный геолог-нефтяник, основоположник абиогенной концепции нафтидогенеза, связывавший образование углеводородов с глубинными структурами Земли, особенно с магматическими проявлениями и с глубинными разломами. В 1951г. Н. А. Кудрявцев выступил со статьей, направленной против биогенной концепции нафтидогенеза, в которой пытался возродить представление В. Д. Соколова об абиогенном генезисе и назвал свою концепцию магматической. В последующие годы он опубликовал на эту тему две книги и более двух десятков статей (Кудрявцев, 1963, 1973).

9

Вассоевич Николай Брониславович (1902— 1981 гг.) — член-корреспондент РАН, выдающийся нефтяник-геохимик, заведующий кафедрой геологии и геохимии горючих ископаемых МГУ, основатель осадочно-миграционной концепции, ядром которой являются понятия о главных зонах нефте- и газообразования. Автор работ по литологии, стратиграфии и тектонике.









Н. Б. Вассоевич

П. Н. Кропоткин

      Кропоткин Петр Николаевич (1919— 1966 гг.) — выдающийся геолог, известный специалист в области тектоники, геофизики и нефтяной геологии. Особую известность он приобрел, когда в 1950-х гг. начал интересоваться углеводородами и выдвинул свою концепцию дегазации Земли. Первоначально П. Н. Кропоткин не связывал образование нефти с магмой, но в 1957 г., проанализировав данные о наличии битумов, нефти и газа в магматических породах, счел возможным и магматический генезис.





     Трофимук Андрей Алексеевич (1911— 1999 гг.) — академик, заместитель председателя Сибирского отделения РАН, организатор и директор Института геологии и геофизики СО РАН, открыватель месторождений в Приуралье, Западной и Восточной Сибири, первый геолог, получивший звание Героя Социалистического Труда (1944 г.), лауреат Государственных премий СССР и Российской Федерации. Его именем назван Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО РАН (2000 г.). Внес вклад в развитие осадочно-миграционной концепции.

А. А. Трофимук

10