Геосинтез углеводородов как планетарное геохимическое явление

Доклад ведущего научного сотрудника Института проблем нефти и газа РАН, кандидата физико-математичсеких наук Азария Александровича Баренбаума на конференции «Новые Идеи в Геологии Нефти и Газа-2019». МГУ имени М. В. Ломоносова, 23−24 мая 2019 года, с.37−42.

* * *

Предисловие ИА REGNUM

На рубеже 1980-х и 1990-х годов среди ученых и практиков нефтегазовой отрасли стало распространяться понимание того, что повсеместно наблюдающийся феномен восполнения месторождений нефти и газа невозможно объяснить с помощью гипотез ad hoc, то есть придуманного для объяснения случая, который не укладывался в сложившиеся представления. К таким гипотезам, которые не выдержали проверку временем, можно отнести объяснение восполнения месторождений за счет перетоков углеводородов (УВ) из соседних неразведанных залежей. Продолжающиеся почти 30 лет исследования данного феномена привели к открытию нового механизма образования УВ и пониманию углеводородов как закономерной и неустранимой фазы планетарного кругооборота подвижного углерода и воды через земную поверхность (см. сюжет «Биосферная концепция нефтегазообразования»). Физико-химическим механизмом образования УВ оказалась реакция поликонденсационного синтеза УВ из окислов углерода и водорода, широко распространённая в природе. Чтобы подчеркнуть природный характер этой реакции, она была названа авторами ГЕОСИНТЕЗОМ.

Официальное признание феномена восполнения нефтегазовых месторождений, а УВ — возобновимым и неуничтожимым ресурсом планеты встречает естественное сопротивление нефтегазовых корпораций и зависящих от них научных кругов. Очевидно, что новое понимание генезиса УВ радикально меняет всю технологическую и экономическую стратегию развития нефтегазовой отрасли и мировой энергетики. Современная стратегия отрасли строится на придуманных для поддержания высоких цен на УВ двух мифологических конструкциях: «пика нефти», то есть бесконечного ожидания почему-то не наступающего исчерпания мировых запасов УВ, и международных соглашений по климату, которые парадоксальным образом привели не к сокращению, а увеличению выбросов парниковых газов и росту потребления УВ. Последствия такой «стратегии» — нарастающие глобальные экологические проблемы нефтегазового комплекса, которые не имеют решения в старой системе научных представлений. При этом огромные возможности развития российского ТЭК на базе новой научной нефтегазовой парадигмы остаются невостребованными.

* * *

Введение

В начале 1990-х годов геологи нашей страны заметили, что ряд месторождений, где добыча нефти и газа была приостановлена вследствие распада СССР, войны в Чечне и/или передела собственности, через несколько лет снова начали давать промышленные притоки углеводородов (УВ). Эти притоки, прежде всего, удалось заметить на поздних этапах разработки старых месторождений, находившихся в эксплуатации 50 и более лет (Муслимов и др., 1991; Соколов и Гусева, 1993; Смирнова, 1999; Аширов и др., 2000; Корчагин, 2001; и др.). Притоки сначала пытались связать с недостаточной точностью оценки извлекаемых запасов либо с подпиткой залежей из соседних малопродуктивных пластов. Однако сегодня стала очевидна повсеместная распространенность этого явления, что привело геологов к выводу о постоянном подтоке в разрабатываемые залежи новых порций УВ.

Пополнение запасов эксплуатируемых месторождений нефти и газа никак не предполагалось общеизвестными в то время органической и минеральной теориями образования УВ, что и явилось толчком к научной революции в нефтегазовой геологии (Баренбаум, 2009, 2014). Итогом революции стало рождение в нашей стране новой нефтегазовой парадигмы. Ее суть сформулировали сотрудники кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых МГУ Б. А. Соколов и А. Н. Гусева (1993), которые первыми заявили, что:

Тем самым на смену противоборствовавшим в нефтегазовой геологии более 100 лет органической и минеральной гипотезам образования УВ пришла новая система взглядов на происхождение нефти и газа как на полезные ископаемые, пополняемые в процессе эксплуатации месторождений.

К началу 2000-х годов на основе анализа известных фактов и идей автор предложил биосферную концепцию нефтегазообразования (Баренбаум, 2004, 2010), которая позволила придать новой нефтегазовой парадигме необходимое теоретическое обоснование. Биосферная концепция обобщила известные гипотезы происхождения УВ, дополнив их представлениями об участии в образовании нефти и газа геохимического круговорота углерода и воды через поверхность Земли. На этой основе была решена проблема баланса углерода в биосфере с учетом образования нефти и газа в недрах при современной очень активной хозяйственной деятельности людей (Баренбаум, 2014, 2015, 2017, 2018). Тогда же был выявлен главный химико-физический механизм генезиса нефти и газа, долгое время ускользавший от внимания геологов-нефтяников. Это поликонденсационный синтез УВ из окислов углерода и водорода в водонасыщенной минеральной матрице пород, механически активированной природными сейсмотектоническими процессами. Этот механизм, названный нами ГЕОСИНТЕЗОМ (Закиров и др., 2013), утвержден дипломом как научное Открытие №326 (Трофимук и др., 1982). В этом механизме донором водорода в УВ является вода, а донором углерода — органическое вещество, водорастворенный CO₂ и углеродсодержащие минералы.

* * *

Существо ГЕОСИНТЕЗА

На образование в земной коре водорода из воды одними из первых обратили внимание В. И. Вернадский и А. П. Виноградов (Молчанов, 1981). Позднее было установлено (Семенов, 1959), что протекание очень многих химических процессов, в частности реакций поликонденсации, определяют свободные радикалы, то есть разорванные химические связи. Выяснилось, что свободные радикалы могут генерироваться внутрикристаллическими дефектами в минералах. Диффундируя к поверхности минеральных зерен, эти дефекты формируют здесь энергонасыщенный слой, снижающий энергию Гиббса химических реакций. В результате реакции, термодинамически возможные при температуре 500 °C и более, в минеральной матрице пород могут идти и при «стандартных» условиях (Т = 25 °C и Р = 1 атм.).

К таким реакциям, как показали В. И. Молчанов (Молчанов, 1981; Молчанов и др. 1988; Молчанов и Гонцов, 1992), Н. В. Черский и В. П. Царев (Черский и Царев, 1984; Черский и др., 1985), относится разложение Н₂O с выделением водорода, который участвует в синтезе УВ из окислов углерода (СО и СO₂). Авторами экспериментально доказано, что требуемый для синтеза УВ энергонасыщенный слой можно создать при механической активации углеродсодержащих минеральных сред в присутствии воды. Этот слой также возникает на поверхности минеральной матрицы пород при их естественном залегании под приливным воздействием Луны, а также тектонических и сейсмических процессов.

Необходимым условием синтеза УВ является создание на контактируемой с водой поверхности минералов восстановительных условий, при которых вода генерирует атомарный водород, который вступает в реакции с окислами углерода. При возникающих на активированной поверхности зерен минералов высоких температурах вода переходит в суб‑ и сверхкритическое состояния, при которых её свойства резко меняются. Плотность воды снижается, а её растворяющая и экстрагирующая способности возрастают на два и более порядка величины. При этом сама вода начинает действовать не только как растворитель, но и как реагент и как катализатор (Галкин, Лунин, 2005).

По данным (Черский, Царев, 1984), реакция синтеза УВ идет в тонком слое порядка нескольких ангстрем на поверхности минеральной матрицы пород. При этом возникает широкий спектр газообразных, жидких и твердых УВ — предельных, непредельных и ароматических. Мы полагаем (Баренбаум, 2015), что газообразные и жидкие УВ, вероятно, сразу же переходят в поровый флюид, тогда как отлагающиеся на поверхности матрицы битумоиды экстрагируются самим флюидом.

Изучение небиодеградированных нефтей, природных битумов и газов показало (Баренбаум, 2007; Баренбаум, Абля, 2009), что молекулярно-массовые распределения в них н-алканов идентичны возникающим при синтезе Фишера-Тропша (Глебов и Клигер, 1994), а также тем, которые получены в экспериментах Черским и Царевым при комнатной температуре и атмосферном давлении. Данный механизм ГЕОСИНТЕЗА, может быть записан в виде химической реакции С0₂ + Н2О (Баренбаум, 2013а). Эта реакция поликонденсационная и так же, как синтез Фишера-Тропша, относится классу каталитических реакций синтеза УВ из окислов углерода (СО, С0₂) и водорода (Н₂, Н₂0), чрезвычайно широко распространенному в природе (Руденко, 1969).

* * *

Изучение ГЕОСИНТЕЗА в ИПНГ

В последние годы реакция СO₂+Н₂O изучалась в ИПНГ РАН в лабораторных экспериментах при фильтрации карбонизированной воды (вода с растворенным СO₂) через железосодержащие среды, моделировавшие терригенные осадочные породы (Закиров и др., 2013). Эксперименты проводились при комнатной температуре и близком к атмосферному давлении на специальной лабораторной установке (Рис. 1).

Эксперименты позволили установить, что синтез УВ из СO₂ и Н₂O сопровождается образованием большого количества молекулярного водорода (Табл. 1). Эта реакция применительно к образованию н-алканов может быть представлена феноменологической формулой:

nСO₂ + (n + μ + 1) Н₂O + œFe = C_nH_2n+2 + μН₂ + œ(FeO) + (3n + μ + 1 — œ)O…(1)

где n — число атомов углерода в молекуле УВ, μ и œ — стехиометрические коэффициенты.

Таблица 1. Химический состав газовой фазы после доочистки щелочью

Реакция (1) становится энергетически возможной (Баренбаум, 2015) лишь при достаточно полном удалении из системы кислорода. В наших экспериментах «поглотителем» кислорода служило Fe — железная стружка, которая в реакции (1) выступала также в роли катализатора. В осадочных породах эти функции могут выполнять разные химические элементы и их соединения.

Молекулярно-массовые распределения синтезированных УВ теоретически хорошо объясняются моделью Андерсона-Шульца-Флори (АШФ-модель) и её модификациями (Глебов, Клигер, 1994). В классической АШФ-модели это распределение может быть представлено формулой:

lg (g_n/n) = n lgα + lg (ln²α)…(2)

где g_n — массовая доля УВ с n атомами углерода в молекуле, α — параметр молекулярно-массового распределения (0 < α <1).

Формула (2) описывает поликонденсационный процесс образования УВ при постоянной величине α = r_p/(r_p+r₀), где r _р и r₀ — скорости роста и обрыва цепи УВ, независящие от длины цепи.

На Рис. 2 приведены примеры АШФ-распределений н-алканов в пробах нефти, конденсатов и УВ газов. В газах зависимость (2) выполняется для УВ тяжелее метана (n = 1).

Небиодеградированные нефти имеют параметр α > 0.6 и тяготеют к двум его значениям α = 0.65 ± 0.04 и 0.78 ± 0.01 (Баренбаум, 2007). В газах и конденсатах имеет место 0.4 < α < 0.6.

Специальный цикл лабораторных экспериментов был посвящен измерению скорости разрушения воды при ГЕОСИНТЕЗЕ (Баренбаум, Климов, 2015). Результаты экспериментов позволили оценить темп образования УВ в недрах с учетом современных объемов добычи углеродсодержащих топлив (нефти, газа и угля) и объяснить наблюдаемую интенсивность дегазации из недр СН₄, Н₂, СO₂ и N₂.

На этой основе было дано физически обоснованное объяснение механизму пополнения УВ в залежах на разрабатываемых месторождениях нефти и газа (Баренбаум, 2013, 2015, 2017, 2018).

* * *

Заключение

Согласно биосферной концепции залежи УВ представляют собой ловушки подвижного углерода, циркулирующего через земную поверхность в трех главных циклах круговорота — двух геологических с характерными временами ~10⁶ лет и ~10⁹ лет соответственно, а также «биосферном» с периодом ~ 40 лет. Последний цикл вызван переносом в осадочный чехол СO₂ из атмосферы метеогенными водами в процессе их климатического круговорота.

До создания биосферной концепции участие в нефтегазообразовании биосферного цикла углерода никак не предполагалось. Спор между сторонниками органической и минеральной гипотез происхождения нефти и газа шел по вопросу, какой из двух геологических циклов образования УВ доминирует. Первые утверждали, что цикл ~10⁶ лет, а вторые — что ~10⁹ лет.

Эти споры продолжались бы ещё долгие годы, если бы не открытие феномена пополнения запасов давно разрабатываемых месторождений УВ, а также радикально нового объяснения этого явления Б. А. Соколовым и А. Н. Гусевой, что нефть и газ являются природными ископаемыми, возобновляемыми в процессе эксплуатации месторождений. Что и было теоретически подтверждено на основе биосферной концепции нефтегазообразования.

Эта концепция представила неопровержимые доказательства того, что решающий вклад в пополнение запасов разрабатываемых месторождений вносит 40-летний биосферный цикл с участием метеогенных вод. При этом местом образования и накопления УВ выступают сами месторождения, в которых УВ образуются посредством механизма ГЕОСИНТЕЗА из воды и углерода, который помимо водорастворенного СO₂ может входить в состав органического вещества и легко растворимых углеродсодержащих минералов.

Сегодня не подлежит сомнению, что ГЕОСИНТЕЗ — это планетарное явление химической природы, которое состоит в разложении в породах земной коры больших количеств содержащих СO₂ подземных вод и образованием из СO₂ и Н₂O газонефтяных УВ. При этом, если возникший при разложении воды Н₂, большая часть СН₄ и не прореагировавший СO₂ дегазируют в атмосферу, то жидкие и твердые УВ и часть метана остаются в недрах, формируя в благоприятных условиях скопления нефти и газа.

Эти процессы главным образом происходят в верхнем 5-километровом слое земной коры. При массе свободных вод в этом слое — 6 * 10²² г (Шварцев, 1996) и скорости их разложения, оцененной по результатам наших экспериментов значением ~10¹⁶ г/год, время их жизни в подземной гидросфере составит ~ 6 млн лет (Баренбаум, 2018).

Полученная оценка позволяет подтвердить наш вывод (Баренбаум, 2010), что круговороты на Земле кислорода атмосферы, углерода биосферы и вод гидросферы образуют на нашей планете единую геохимическую систему, что соответствует представлениям В. И. Вернадского (1960).

* * *

Список литературы

1. Аширов К. Б, Боргест Т. М., Карев А. Л. Обоснование причин многократной восполнимости запасов нефти и газа на разрабатываемых месторождениях Самарской области // Известия Самарского НЦ РАН. 2000. Т.2. №1. С. 166−173.

2. Баренбаум А. А. Механизм формирования скоплений нефти и газа // Доклады АН. 2004. Т.399. №6. С.802−805.

3. Баренбаум А. А. Изучение условий образования нефти с использованием теоретической модели Андерсона-Шульца-Флори // Вестник ОНЗ РАН, 2007, 1(25), с. 1−5.

4. Баренбаум А. А. Научная революция в нефтегазообразовании // Уральский геологический журнал. 2009. №2 (68). С. 16−29.

5. Баренбаум А. А. Галактоцентрическая парадигма в геологии и астрономии. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. 544 с.

6. Баренбаум А. А. Решение проблемы происхождения нефти и газа на основе биосферной концепции нефтегазообразования // Уральский геологический журнал. 2013. № 2 (92). С. 3−27.

7. Баренбаум А. А. О механизме поликонденсационного синтеза углеводородов нефти и газа // Органическая минералогия. Материалы IV Российского совещания. Черноголовка: ИПХФ РАН. 2013а. С.24−26

8. Баренбаум А. А. Научная революция в проблеме происхождения нефти и газа. Новая нефтегазовая парадигма //Георесурсы, 2014. № 4(59). С. 3−9.

9. Баренбаум А. А. Современное нефтегазообразование как следствие круговорота углерода в биосфере//Георесурсы. 2015. № 1(60). С.46−53.

10. Баренбаум А. А. О возрасте нефти в залежах //Георесурсы. 2017. 19(1), С.30−37.

11. Баренбаум А. А. О связи процессов нефтегазообразования и дегазации с разложением подземных вод //Георесурсы, 2018. 20(4), 4.1. С. 288−298.

12. Баренбаум А. А., Абля Э. А. Молекулярно-массовое распределение нормальных алканов нефти как свидетельство их поликонденсационного синтеза // Органическая минералогия: Матер. III Рос. совещ. Сыктывкар: Геопринт, 2009. С. 74−77.

13. Баренбаум А. А., Климов Д. С. Экспериментальное измерение скорости разрушения карбонизированной воды при геосинетезе // Труды ВЕСЭМПГ-2015. М.: ГЕОХИ РАН. 2015 С. 347−351.

14. Галкин А. А., Лунин В. В. Вода в суб‑ и сверхкритическом состояниях — универсальная среда для осуществления химических реакций // Успехи химии. 2005, Т. 74, №1, С. 24−40.

15. Глебов Л. С., Клигер Г. А. Молекулярно-массовое распределение продуктов синтеза Фишера — Тропша // Успехи химии. 1994, Т.63, №2, С.192−202.

16. Вернадский В. И. Избранные сочинения. М.: Изд-во АН СССР, 1960. T.V. 423 с.

17. Закиров С. Н., Закиров Э. С., Баренбаум А. А., Климов Д. С., Лысенко А. Д., Серебряков В. А. Геосинтез в проблеме происхождения нефти и газа // Передовые технологии разработки, повышения нефтеотдачи месторождений и исследования скважин (отечественный и мировой опыт): Тр. VIII Межд. Технологии, симпозиума. М.: Институт нефтегазового бизнеса. 2013, С. 43−46.

18. Корчагин В. И. Нефтеносность фундамента // Прогноз нефтегазоносности фундамента молодых и древних платформ. Тез. докл. Межд. конф. Казань: КГУ, 2001, С.39−42.

19. Молчанов В. И. Генерация водорода в литогенезе. Новосибирск: Наука. 1981. 142 с.

20. Молчанов В. И., Гонцов А. А. Моделирование нефтегазообразования. Новосибирск: ОИГГМ, 1992, 246 с.

21. Молчанов В. И., Селезнева О. Г., Жирнов Е. Н. Активация минералов при измельчении. М: Недра. 1988, 208 с.

22. Муслимов Р. Х., Изотов В. Г., Ситдикова К. М. Роль кристаллического фундамента нефтегазоносных бассейнов в генерации и регенерации запасов углеводородного сырья // Нефтегазовая геология на рубеже веков. Прогноз, поиски, разведка и освоение месторождений. Фундаментальные основы нефтяной геологии. Докл. конф. — СПб: ВНИГРИ, Т.1, 1991, С.268.

23. Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: МГУ, 1969,. 272 с.

24. Семенов Н. Н. Основные проблемы химической кинетики. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 26 с.

25. Смирнова М. Н. Возможность современного формирования залежей нефти и газа // Новые идеи в науках о Земле: Тез. IV межд. конф. М.: МГГА, 1999, T. I, С.272.

26. Соколов Б. А., Гусева А. Н. О возможности быстрой современной генерации нефти и газа // Вестник МГУ. Сер. геол. 1993, №3, С.48−56.

27. Трофимук А. А., Черский Н. В., Царев В. П., Сороко Т. И. Явление преобразования органического вещества осадочных пород под действием тектонических и сейсмических процессов земной коры. Диплом №326 на Открытие от 21.04.1982.

28. Черский Н. В., Царев В. П. Механизмы синтеза углеводородов из неорганических соединений в верхних горизонтах земной коры // Доклады АН. 1984, Т.279, №3, С. 730−735.

29. Черский Н. В., Мельников В. П., Царев В. П. Явление генерации углеводородов из предельно окисленных соединений углерода и воды // Доклады АН. 1986, Т.288, №1, С.201−204.

30. Шварцев С. Л. Общая гидрогеология: Учебник для вузов. М.: Недра, 1996, 423 с.