Продолжение доклада ведущего научного сотрудника Лаборатории газонефтеконденсатоотдачи пластов Института проблем нефти и газа РАН, кандидата физико-математических наук Азария Александровича Баренбаума «Решение междисциплинарных проблем на примере Биосферной концепции нефтегазообразования» на заседании секции «Дегазация Земли» Московского общества испытателей природы 20 февраля 2018 года в ИА REGNUM.

Микалоюс Константинас Чурлёнис. Соната моря. Аллегро

* * *

Проблема «стока»

Проблема состоит в ответе на вопрос, каким образом окисленный углерод (в основном СО2) из надземной биосферы попадает в породы земной коры, где в участвует в процессах образования углеводородов. Другими словами, должен существовать физико-химический механизм, который в биосферном цикле круговорота изымает СО2 из воздуха атмосферы и переносит его под земную поверхность на глубину в несколько километров, где СО2 преобразуется в нефть и газ.

Скажу сразу, что таким физико-химическим механизмом является хорошо всем известный климатический круговорот метеогенных вод.

Ранее никому из геологов-нефтяников не приходило в голову, что круговорот вод на поверхности может иметь хотя бы отдаленное отношение к образованию углеводородов в недрах. Да и в гидрогеологии этой проблемы никогда ранее не возникало.

Долгое время среди гидрогеологов господствовало мнение, что столь глубоко метеогенные воды проникать в земную кору не могут. Они поступают разве что на глубину не более 500 м от поверхности и ниже не опускаются. Здесь находятся так называемые области «медленного» и «крайне медленного» водообмена с низкой подвижностью флюидов. Такие представления сложились полвека назад и в основном опираются на исследования водоносных горизонтов сравнительно небольших глубин.

Факты, однако, свидетельствуют об интенсивной циркуляции подземных вод в земной коре континентов на всех доступных изучению глубинах. Эта циркуляция носит как нисходящий, так и восходящий характер и обнаруживается не только в приповерхностной области, но и в нижних частях осадочного чехла, на границе с фундаментом, нередко залегающим на глубине более 10 км.

Ниже представлена n (τ)-диаграмма для вод на земной поверхности, построенная по известным эмпирическим данным по тем же правилам, что и для углерода. Верхняя наклонная линия отвечает климатическому круговороту метеогенных вод со скоростью 5.2×1020 г/год. А нижняя — круговороту морских вод со скоростью 2.7×1017 г/год (Рис. 17).

Рис. 17. Динамическое равновесие вод на земной поверхности

Все содержащие воду природные объекты, за исключением разве что воды и льдов атмосферы, а также айсбергов, ложатся на общую среднюю линию, соответствующую скорости круговорота воды C =(2.0±0.5)x1019 г/год.

Это означает, что на нашей планете основные резервуары вод пополняются, причем в определенном соотношении (Рис. 18), за счет двух главных циклов круговорота воды: «надземного», или климатического, и «подземного», в котором участвуют соленые морские воды, циркулирующие через срединные океанические хребты.

Рис. 18. Соотношение вод, поступающих под земную поверхность

Из расчета следует, что все водоемы примерно на 10% пополняются за счет круговорота морских вод глубокого залегания и на 90% метеогенными водами. Проникновение метеогенных вод под поверхность происходит столь быстро, что в земной коре чаще всего они не успевают перемешаться с морскими. Более того, практически все подземные воды являются метеогенными, только в разной степени измененными вторичными процессами (Рис. 19).

Рис. 19. Надземное происхождение подземных вод

Поскольку метеогенные (поверхностные) воды всегда содержат растворенный углерод (СО2 + органика) в количестве ~10-5-10-4 г/г, то при климатическом круговороте с ними ежегодно под земную поверхность поступает ~4–1015 г углерода в окисленном виде. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить общей баланс по углероду при круговороте через земную поверхность.

Однако проблемустока это не решает. Необходимо ответить еще на один принципиальный вопрос, каким образом большое количество поверхностных вод инфильтруются под поверхность Земли на глубины в нескольких километров.

В гидрогеологии предложено большое число гипотез (Рис. 20), призванных вскрыть причину и механизм нисходящей фильтрации воды в осадочных бассейнах. Но ни одна из них не способна объяснить поступление содержащих СО2 метеогенных вод на большие глубины за время биосферного цикла.

Рис. 20. Гипотезы нисходящей фильтрации

Такое объяснение дает решение третьей проблемыобмена, которая состоит в выявлении химического механизма, быстро трансформирующего в земной коре окисленный углерод в газонефтяные углеводороды. Установлено, что этим механизмом является реакция поликонденсационного синтеза углеводородов из СО2 и Н2О, протекающая в минеральной матрице пород. Эта реакция сопровождается разложением больших масс карбонизированной воды (вода с растворенным СО2) и наряду с углеводородами приводит к образованию свободного молекулярного водорода (Н2).

Эксперименты и расчеты показали, что в результате этой реакции в осадочном чехле превращается в углеводороды и водород масса подземных вод ~1015 г/год. Причем если жидкие и твердые углеводороды, заполняя геологические ловушки, могут сохраняться там достаточно длительное время, то свободный водород, большая часть метана, а также выделившиеся из воды углекислый газ и азот растворенного в воде воздуха дегазируют в атмосферу.

Тем самым, вследствие участия СО2 и Н2О в синтезе углеводородов и утечки в атмосферу образующихся Н2, СН4 и других газов, в очагах активного нефтегазообразования возникает пьезоминимум давлений. Благодаря чему в эти зоны нефтегазоносных бассейнов «засасывается» большая масса подземных вод. Воды поступают с разных глубин, но в первую очередь — метеогенные воды с поверхности.

Данный механизм не только обеспечивает быстрое поступление метеогенных вод в осадочный чехол, но и формирует в нефтегазоносных бассейнах три гидрологические зоны, отличающиеся характером пластовых давлений (Рис. 21).

Рис. 21. Гидрологическая зональность континентальной гидросферы в осадочных нефтегазоносных бассейнах

На глубинах до ~3 км от земной поверхности (в зоне I) рост давления с глубиной создают флюиды, заполняющие поры и трещины пород. Последние образуют сообщающиеся между собой и с поверхностью каналы, по которым происходит интенсивное нисходящее движение вод.

В зоне III градиент давления определяет вес вышележащих пород. Породы этой зоны характеризуются низкой пористостью и проницаемостью, а если и содержат воду, то, как правило, в химически связанном состоянии.

Интервал глубин II — зона переходных давлений, где исчезает четкая связь давлений с глубиной, а сами давления испытывают резкие колебания. Полагают, что эта зона возникает из-за неоднородного литологического преобразования осадочных пород при увеличении с глубиной давления и температуры.

Биосферная концепция предлагает и другое объяснение существования зоны II в нефтегазоносных бассейнах. Эта зона вполне может возникнуть вследствие интенсивного разложения воды в очагах генерации углеводородов. На такую возможность, в частности, указывает изотопный состав попутных вод на месторождениях нефти и газа (Рис. 22).

Рис. 22. Участие метеогенных вод в нефтегазообразовании

В последней строчке приведены данные по попутным водам месторождений нефти и газа, которые по изотопному составу резко отличаются от законтурных вод тех же месторождений и вообще всех других типов вод.

Всё дело в том, что вода, участвующая в синтезе углеводородов по реакции СО2+Н2О, меняет изотопный состав. Легкий изотоп 1Н переходит в Н2 и СН4, которые дегазируют в атмосферу, а тяжелый дейтерий D — накапливается в остаточной воде. Судя по разбросу содержаний дейтерия в попутных водах месторождений, эти воды многократно участвуют в синтезе углеводородов. О том же говорят и данные по содержанию в них тяжелого изотопа 18О.

Оценки показывают, что разложение подземных вод при нефтегазообразовании столь велико, что они могут полностью прекратить свое существование в зоне II. Показательно, что эта зона приходится на интервал глубин так называемого «нефтяного окна», где сосредоточены 95% всех разведанных промышленных скоплений нефти и газа.

В Биосферной концепции происхождение, а также конфигурацию и глубину залегания «нефтяного окна» (Рис. 23) можно объяснить теоретически.

Рис. 23. Происхождение «нефтяного окна». Термодинамический аспект

На левом графике приведены результаты расчета фазовой РТ-диаграммы типичной системы углеводородов: СН4 (70−85%), С2Н6-С4Н10 (5−10%), С5+(10%) для температур и давлений на глубинах до 6 км. Наклонная красная прямая — шкала глубин. По расчетам, данная смесь углеводородов может существовать в гомогенном состоянии лишь с внешней стороны двухфазной области. Внутри этой области смесь распадается на две фазы: газообразную — «газ» и жидкую — «нефть». На правом графике Рис. 23 показана кривая изменения нефтяной фазы (%) с глубиной. Кривая получена как результат пересечений системы изоплер с линией глубин. Вариации состава углеводородов деформируют кривую нефтенасыщения, смещая «нефтяное окно» по оси глубин, но принципиально не меняют наших выводов. Расчет хорошо объясняет распределение нефтяных и газовых залежей по глубинам в разных нефтегазоносных бассейнах мира.

Таким образом, решая проблему стока, мы приходим к заключению, что происхождение «нефтяного окна», интенсивная дегазация СН4, СО2, Н2 и N2, а также гидрологическая зональность подземной гидросферы осадочных бассейнов являются разными следствиями современного образования нефти и газа в недрах.

Подчеркнем, что решение проблемы стока в Биосферной концепции опирается на решение другой, не менее важной проблемы, уже химической, — проблемы обмена.

Продолжение следует…