Нефть и газ - горючие полезные ископаемые

Нефть, газ и природные продукты преобразования нефтей (мальты, асфальты, асфальтиты и др.), находящиеся в недрах, представляют собой сложную систему растворенных друг в друге органических компонентов, включающих сотни индивидуальных соединений. Нефть, природный газ и их природные производ­ные — горючие полезные ископаемые — природные образования, которые могут быть источником тепловой энергии. Горючие по­лезные ископаемые служат ценнейшим топливом, а чтобы вещест­во являлось таковым, оно должно обладать достаточно высокой теплотой сгорания, быть распространенным, продукты его горе­ния должны быть летучими, чтобы не затруднять процесс горе­ния и не быть вредными и ядовитыми для людей. В зависимости от агрегатного состояния горючие ископаемые подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Агрегатное состояние определя­ет способы добычи и использования их в качестве источника энергии. Горючие ископаемые также являются ценным сырьем для химической промышленности, это в первую очередь касается нефти. Фраза Д.И. Менделеева: «Нефть ведь не топливо, можно топить и ассигнациями», — в настоящее время стала особенно актуальна.

Главное свойство горючих полезных ископаемых — способ­ность гореть, поэтому их элементный состав в общем сходен: главные элементы — углерод, водород и гетероэлементы (кисло­род, азот, сера), соотношение последних определяет вид или тип горючих полезных ископаемых и их свойства.

Органическое вещество горючих ископаемых состоит из ог­ромного числа родов молекул, его можно назвать гетеромолеку-лярным. В отличие от химически индивидуальных веществ, со­стоящих из одинаковых молекул и обладающих постоянными свойствами, для гетеромолекулярных веществ характерно непос­тоянство их свойств. Гетеромолекулярные вещества не имеют определенных точек кипения и отвердевания, эти превращения происходят постепенно. С возрастанием величины молекул их подвижность (летучесть, растворимость) уменьшается.

Для исследования горючих полезных ископаемых приемы и методы классической химии недостаточны, поскольку в ней

изучаются химически индивидуальные вещества и не учитывается зависимость свойств от дисперсной структуры (Веселов, 1955). При изменении внешних условий (температуры, давления и др.) в веществе горючих ископаемых происходят химические реакции, при которых молекулы реагируют пропорционально их концент­рациям и активностям; это групповые реакции, приводящие не к химически индивидуальным продуктам, а к смеси неопределенно большого числа родов молекул. Для горючих ископаемых в при­роде ведущую роль играют такие типовые реакции, которые мо­гут быть сведены к двум простейшим типам: ассоциации-диссо­циации и окислению-восстановлению. Напряженность и продол­жительность протекания реакций ассоциации-диссоциации и окисления-восстановления приводят к разнообразию горючих ископаемых.

Для изучения горючих ископаемых используется большое ко­личество аналитических методов. Наравне с традиционными ме­тодами фундаментальных наук (химии и физики) применяются петрографические, минералогические методы и др. В последние годы в практику исследования горючих ископаемых внедрились новые методы: электронная микроскопия, ядерно-магнитный ре­зонанс, хромато-масс-спектрометрия.

Классические работы Г. Потонье положили начало класси­фикации горючих полезных ископаемых, для которых он ввел термин «каустобиолиты» (каустос — горючий, биос — жизнь, ли­тое — камень), т.е. горючие камни биогенного генезиса. Для углей и горючих сланцев, а также твердых природных продуктов преобразования нефти (нафтидов) это и справедливо, но такое определение вряд ли соответствует основным горючим полезным ископаемым — нефти и горючему газу.

По типам исходных биопродуцентов и с учетом химической структуры тканей все концентрированные формы ОВ были под­разделены на: 1) сапропелиты, образующиеся за счет фитозоо-планктона (жиры, белки, хитин); 2) гумиты, формирующиеся за счет остатков высшей наземной растительности (углеводы и лиг­нин); 3) липтобиолиты, исходный материал которых представлен наиболее стойкими к разложению тканями высших растений (воски, смолы, кутикулы).

Термин «каустобиолиты» был распространен на нефть и ее природные производные, которые отнесены к классу липтосапро-пелитов. Впоследствии все каустобиолиты разделили на каусто­биолиты угольного ряда (угли, торф, антрацит, сапропелевые угли и др.) и каустобиолиты нефтяного ряда, к которым были от­несены УВ газы, нефти, мальты, асфальты, озокериты и прочие природные битумы.

Генетическая классификация каустобиолитов

Одна из первых классификаций каустобиолитов была пред­ложена Э.Р. Лиллеем (1938), в которой выделялись «угольная» и «битумная» ветви, но эта классификация основана не на генети­ческих признаках, а на различных, иногда чисто формальных признаках — агрегатном состоянии, растворимости и др. Эта классификация сложна и не нашла широкого использования.

Более приемлемой оказалась классификация каустобиолитов, разработанная В.А. Клубовым (1948), который исходил из поло­жения, что все каустобиолиты имеют сходный элементный состав и что количественные изменения соотношений этих элементов, происходящие в процессе образования и преобразования каусто­биолитов, отразятся на соотношениях С:Н и C:(O+N+S). Пос­троенная в прямоугольной системе координат диаграмма пред­ставляла генетическую классификацию каустобиолитов, в основу которой положены три генетических класса каустобиолитов, вы­деленные Г. Потонье (гумиты, сапропелиты и липтобиолиты). В.А. Клубов выделил четвертый самостоятельный класс нефтяных битумов, к которому отнес газы, нефти и все природные продук­ты ее преобразования. Сходство элементного состава антрацитов и антраксолитов, обусловленное общностью характера процессов карбонизации гумитов и нефтяных битумов асфальтового ряда, привело В.А. Клубова к необходимости выделения еще одного, пятого, класса каустобиолитов — карболитов.

Другой генетической классификацией горючих полезных ис­копаемых, построенной также по их элементному составу, явля­ется схема А.Ф. Добрянского. Она представляет собой треуголь­ную диаграмму, по сторонам треугольника отложено в процентах содержание углерода, водорода и суммы гетероэлементов (кисло­рода, азота и серы). Все точки, соответствующие элементным со­ставам каустобиолитов разных классов, сгруппированы в две рас­ходящиеся вверху вытянутые линии, отражающие две ветви пре­образования единого исходного вещества. Схема превращения сапропелитов от керогена горючих сланцев через оксиасфальты и мальты в нефти, предлагаемая А.Ф. Добрянским (правая ветвь диаграммы), не отвечает действительным соотношениям, сущест­вующим в природе. И.О. Брод обратил внимание на то, что гене­тическую классификацию каустобиолитов вряд ли целесообразно строить на основе элементного анализа, поскольку количествен­ное соотношение атомов углерода и водорода может быть сход­ное у веществ, имеющих совершенно различное строение и гене­зис. При этом он отмечает «удачность» генетической классифика­ции В.А. Клубова, построенной также по элементному составу, но, «прибегая к иной системе изображения элементного состава,

можно получить совершенно иной генетический смысл. По Доб-рянскому, чем глубже превращение, тем глубже расхождение сап-ропелитов и гумитов, по Клубову, чем глубже превращение, тем ближе сходятся эти ветви» (Брод, 1957).

Генетическая классификация каустобиолитов, в основу кото­рой положены представления о геологических условиях их обра­зования, была создана В.А. Успенским и О.А. Радченко. Схема представляет собой блок-диаграмму (рис. 1.1), которая состоит из двух ветвей: левой, соответствующей каустобиолитам угольного ряда, и правой, отвечающей горючим ископаемым нефтяного (битумного ряда). Отдельные типы горючих полезных ископае­мых изображены на схеме в виде блоков, на торцевой стороне которых дана геохимическая и фациальная обстановки их образо­вания. У основания левой угольной ветви изображены две основ­ные категории биопродуцентов — высшие растения и низшие организмы. В зависимости от исходного органического вещества и палеобстановки накопления образуются и горючие ископаемые различных типов. Угольная ветвь изображена в виде трех сопри­касающихся блоков: гумусовые, гумусо-сапропелитовые и сапро­пелитовые угли. Нарастание интенсивности катагенетического преобразования показано в виде вертикального подъема ветви.

Правая ветвь схемы отвечает горючим ископаемым нефтяно­го ряда (от газов до антраксолитов и шунгитов). Генетичес­кая связь их с сапропелитами, отложениями озер и морских во­доемов, показана стрелками. Также стрелками показана генети­ческая связь озокеритов с легкими метановыми нефтями. В сред­ней части правой ветви располагаются продукты гипергенетичес­кого изменения нефтей, а в верхней части — продукты катагенеза и метаморфизма нафтидов. Крайне левая и крайне правая части соответствуют наиболее выветрелым разностям как углей, так и нафтидов. И хотя не все ныне известные типы каустобиолитов на этой генетической диаграмме нашли свое место согласно услови­ям генезиса (просто невозможно на одной схеме представить раз­нообразие процессов, дающие сходные продукты), эта генетичес­кая классификация наиболее полно отражает суть геологических обстановок углеобразования и битумогенеза.

Горючие полезные ископаемые относятся к органическим породам, подразделяемым на каустобиолиты и акаустобиолиты (мшанковые, птероподовые известняки и др.). До сих пор нет единой общей классификации каустобиолитов, и, видимо, созда­вать ее по единому принципу невозможно, поскольку при разли­чии исходного ОВ нефти и угля существует ряд переходных форм.

Современные классификации нефтей, газов и твердых наф­тидов приводятся в соответствующих разделах.