Биогенное образование нефти


ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ АБИОГЕННОЙ НЕФТИ

Геворг Симонян, доцент, кандидат химических наук, доцент

Ереванский государственный университет, Армения

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Армения";

Открытое Европейско-Азиатское первенство по научной аналитике;

В статье обсуждаются  многочисленные теоретические и экспериментальные работы, в том числе последних лет, различных авторов, касающиеся   теорий абиогенного образования нефти и газа. Приведены уравнения  химических реакции каждой гипотезы  абиогенного образования нефти. Показано, что нефть образуетсяв недрах Земли изглубинных мантийных флюидов и является  возобновляемым ресурсом.   

Ключевые слова: нефть, генезис нефти, абиогенная нефть, химические процессы нефтеобразования. 

The numerous theoretical and experimental works regarding theory of abiotic formation of oil and gas, including in recent years and various authors, are discussed in the article. The chemical equations of reactions of every hypothesis of formation of oil are given. It is shown that the oil is formed in the bowels of the Earth from the deep mantle fluids and is a renewable resource.

Keywords: oil, genesis of oil, abiotic oil, chemical processes of oil formation

Нефтьпредставляет собой  смесь низко- и высокомолекулярных соединений, относящихся к различным гомологическим рядам. Низкомолекулярные соединения представляют собой, в основном, парафиновые, нафтено-парафиновые и ароматические углеводороды. Высокомолекулярная часть нефти состоит из высокомолекулярных парафиновых углеводородов, моно- и конденсированных нафтенопарафиновых, моно- и бициклических ароматических углеводородов ряда бензола и нафталина, смол и асфальтенов.Таким образом, нефть – это сложная многокомпонентная смесь, которая в зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или дисперсной системы.В составе нефти обнаружено свыше 1000 индивидуальных органических веществ, содержащих: углерод, водород, кислород, азот, серу и  более 60 элементов.

В настоящее время существуют  многочисленные теории о происхождении нефти, однако основнымииз них являются  - органического (биогенного)[1]и неорганического (абиогенного) происхождения[2].

Сторонники биогенной гипотезы считают, что источниками происхождения нефти были остатки растений и животных, скопившихся в течение многих миллионов лет на дне водоемов в прошлые геологические эпохи[1]. Мы придерживаемся  абиогенной теории образования нафтидов глубинными мантийными флюидами. В работе [3] нами подробно анализирована  несостоятельность биогенной теории образования нефти. Целью данной работы является обсуждение химические процессы при образовании  абиогенной   нефти.

Впервые теория абиогенного происходения нефти предложена в 1805 году немецким естествоиспытателем Александром Гумбольдом. Он высказал предположение, что нефть образуется на больших глубинах в магматических породах. Гумбольд наблюдал, как нефть сочилась из таких пород в Южной Америке, Венесуэле.

В1 866 году французский химик Марселен Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. После долгих поисков Бертло удалось синтезировать ацетилен из углерода и водорода в условиях высокой температуры вольтовой дуги.   

2C + h3→C2h3

Он обнаружил, что газ ацетилен (ненасыщенный углеводород- С2Н2) при низких температурах может переходить в тяжёлые углеводороды.  В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ. Синтез ацетилена и получение при его пиролизе бензола, а также других ароматических углеводородов (например, стирола, нафталина) стали экспериментальным обоснованием ацетиленовой теории Бертло .

3C2h3→C6H6

На этом основании он сделал вывод о том, что так образовались углеводородные соединения метеоритов и что, по-видимому, подобное происхождение имеют углеводороды на других планетах.

А французский химик Г. Биассон в 1871 году высказал идею о происхождении нефти путем взаимодействия воды, CO2 и h3S с раскаленным железом. Эксперименты по неорганическому синтезу углеводородов, проведенные этими исследователями, в значительной степени способствовали развитию гипотезы минерального происхождения нефти.

CO2 + h3S →CS2 + h3O

3Fe +4h3O →Fe3O4 + 4h3

CS2 + h3→h3S + Ch5

CO2 + 4h3 → Ch5 + 2h3O

nCO2 +(2n + 0.5mh3 → CnHm + 2nh3O

В 1877 г. на заседании Русского химического общества с изложением «минеральной» (карбидной) гипотезы происхождения нефти выступил Дмитрий Иванович Менделеев. Опираясь на конкретные геологические и химические факты, Менделеев писал: «...Образование нефти... более вероятно приписать действию воды, проникающей чрез трещины, образовавшиеся при подъёме гор, в глубь земли, до того металлосодержащего накалённого ядра земли, которое необходимо признать во внутренности земной...»[4]. По его мнению, вода проникала вглубь земли по трещинам в осадочных и кристаллических породах до магмы, где реагировала с карбидами тяжелых металлов, образуя углеводороды:

СаС2 + 2Н2О → Са(ОН)2 + С2Н2,

Al4C3 + 12h3O → 4Al(OH)3 + 3Ch5,

2LаС2 + 6Н2О → 2Lа(ОН)3+ 2С2Н2+ Н2,

2Mg2C3+ 8Н2О → 4Mg(ОН)2 + СН3C≡CH + Ch3=C=Ch3,

Be2C+ 4h3O → 2Be(OH)2+ 3Ch5.

FeC + 3h3O→Fe2O3 + C2H6

В 1892 г. русский учёный Соколов В.Д. предложил так называемую,«космическую» гипотезу[5], согласно которой углеводороды нефти образованы из углерода и водорода в эпоху формирования Земли и других планет. По мере охлаждения Земли углеводороды поглощались ею и конденсировались в земной коре. В последствии, когда образовалась земная кора, из магмы выделялись углеводороды, которые по трещинам в земной коре поднимались в верхние части, сгущались и там образовали скопления. В доказательство своей теории Соколов приводил факты обнаружения углеводородов в метеоритах

В  наше время выдвинут целый ряд других гипотез о неорганическом происхождении нефти и газа в недрах Земли в результате химических реакций непосредственно из углерода и водорода в условиях высоких температур, давлений и каталитического действия оксидов металлов (Fe, Niи др.).В основном все гипотезы неорганического происхождения нефти и газа базируются на следующих основных положениях: синтез углеводородов возможен на основе оксидов углерода и водорода, которые в тех или иных количествах присутствуют во флюидах,поступающих из недр земли:

nCO + (2n+1)h3 → Cnh3n+2 + nh3O

в процессе Фишера-Тропша среди побочных продуктов образуется СО2. Степень протекания побочных реакций существенно зависит от природы катализатора и температуры процесса.

В середине XX века возрождаются различные гипотезы абиогенного (космического, вулканического и магматогенного) происхождения нефти.

Николай Александрович Кудрявцев выдвинул магматическую гипотезу образования нефти[1]. В мантии Земли - в условиях очень высокой температуры углерод и водород образуют углеводородные радикалы – СН., СН2. и СН3..По мере понижения температуры в верхних слоях эти радикалы соединяются друг с другом и с водородом.

2CH* →С2Н2,

2Ch3* →С2Н4,

2Ch4* →С2Н6,

Но Кудрявцев обходит стороной вопрос, откуда, собственно, берется в этих радикалах водород.  А.А. Воробьев выдвинул предположение, что в развитии нашей планеты немалую роль играли именно электрические процессы[ 6]. В результате сильных электрических разрядов возникают частицы плазмы, которые обладают высокой химической активностью. Это обстоятельство, в свою очередь, создает предпосылки для протекания таких реакций, которые невозможны при обычных условиях. По мнению Воробьева, метан при воздействии подземного электрического разряда может подвергнуться частичному дегидрированию, образуются свободные углеводородные радикалы -СН., СН2. и СН3..

Александр Александрович Маракушев показал, что залежи солей и нефти в осадочных депрессиях пассивных континентальных окраин порождаются глубинными магматическими очагами на щелочной стадии их развития[7]..

NaAlSi2O6 +Na2SiO3 +CO2+2HCl+4h3) = NaAlSi3O8 + 2NaCl + Ch5+ 3h3O.

Показано, что  Fe2SiO4 подвергается  флюидной сульфуризации с генерацией сульфидных расплавов. Вовлечение в этот процесс оксидов углерода (СО2, СО) порождает углеводороды:

7Fe2SiO4+28h3S+4CO2=14FeS2+7SiO2+22h3O+C2H6.

Подобными процессами определяется наблюдаемая пространственная связь углеводородов и сульфидных руд. Ими вносится существенный вклад в углеводородную специализацию депрессионных структур срединно-океанических хребтов[8].

В работах [9,10] показано, что в мантийных условиях из FeO (вюстита), CaCO3(кальцита) и вода. наряду с углеродом обнаруживаются  такжеуглеводороды, по реакции:

nCaCO3+(9n+3)FeO+(2n+1)h3O= nCa(OH)2+(3n+1)Fe3O4+Cnh3n+2 +C.

Дмитрий Николаевич Тимофеев предполагает, что  в нижней мантии от тепла ядра Земли, в результате распада карбидов, нитридов, гидридов и оксидов образуются газообразные соединения NO, N2O, N2O4, N2O5, HCN, O3, N2h5,C2h3, C2h5, HN3. При поднятии этих газообразных соединений, давление в них снижается, газы расширяются, из-за этого охлаждаются, и  в условиях астеносферы по термодинамическим характеристикам элементы этих газов наиболее стабильны в виде соединений с большим молекулярным весом, которые получили название нитронефть. В мантии также  синтезируются металлоорганические соединения, органосилоксаны, карбонилы, которые растворяются в нитронефти. В нитронефти присутствуют непредельные углеводороды, перекиси, амины, гидразин, озон и  нитропарафины (нитрометан, гексанитроэтан и т.д.),  нитроароматические соединения (тринитротолуол, гексанитробензол и т.д), нитроамины (гексоген- C3H6N6O6, октоген-C4H8N8O8), карбонилы Fe(CO)5, Ni(CO)4, металлоорганические соединения, кремнеорганические соединения (органосилоксаны), сера, SO3.

При поднятии нитронефти до глубин менее 10 км, нитронефть разлагается с образованием нефти, воды, N2, СО2 рудных образований, гипсов и известняков. В случае избытка водорода в составе нитронефти происходит образование природного газа. При избытке кислорода нитронефть разлагается без образования углеводородов[11].

Михаил Абрамович Лурье и Федор Карлович Шмидт утверждают,  что сера принимает участие в образовании нефти уже на начальных стадиях нефтегенеза, согласуется с данными о ее наличии в глубинных флюида в виде h3S и S [12]. Показано,что взаимодействие СН4с S при мантийных условиях  приводит к образованию различных S-содержащих соединений и более высокомолекулярных углеводородов.

Ch5 + 4S → 4h3S + CS2

Ch5 + 2S→ 2h3 + CS2

nCS2 +(2n + 0.5m)h3   → 2nh3S+ CnHm

2Cnh3n  + h3S→ (Cnh3n)2S

Нами принимается, что азот, являясь одним из основных компонентов нефти, принимает участие в образовании нефти во всехстадиях нефтегенеза[1,13,14] .  Так,по расчетам Сорохтина [15]в мантии количество азота  приблизительно4,07·1021г.В  мантийных условиях возможны  существования некоторых нитридов. Вода,проникая  в глубь земли по трещинам в осадочных и кристаллических породах до магмы,  реагирует  с нитридамитяжелых металлов, образует аммиак:

Са3N2+ 6Н2О → 3Са(ОН)2 + 2Nh4,

ТiN + 3h3O → Тi (OH)3 + Nh4.

При 1000 °C аммиак реагирует с углём, образуя синильную кислоту HCN и частично разлагаясь на азот и водород:

С + Nh4→  HCN+ h3

Непосредственное образование цианистого водорода из метана и аммиака основано на эндотермической реакции:

Ch5 + Nh4→  HCN + 3h3.

УВ могут синтезироваться и прямым взаимодействием углерода с водородом по реакции:

nС + 0.5mh3→ CnHm

С+2Н2 →СН4

16СН4 + 11C→C2H6+ C3H8+ C4H8+ C5h22+ C6h24+ C7h26

Как уже показано, в мантийных условиях возможно образование радикалов и бирадикалов (СН3,Nh3, СН2, NH).  Взаимодействия образующихся радикалов с метаном и аммиаком приводят к получению алкиламинов,. которые взаимодействуют с олефинами.

     Ch3=CHХ +(CnHm)2NH→ (CnHm)2N–Ch3–Ch3Х.

Этой реакцией объясняется отсутствие олефинов в подавляющем большинстве нефти.

Следует отметить, что в присутствии алкиламинов с пероксидами происходит полимеризация алкенов,с образованием высокомолекулярных веществ.

п(Ch3=CHХ)→ -(Ch3=CHХ)-п

Из газообразных мантийных флюидов получаются почти все азотистые соединения, входящие в состав нефти [16]:

Nh4 → дифениламин → карбазол,

Nh4→анилин →индол,

Nh4→ пиридин  и т.д.,

Nh4 → пиррол → порфин →VО- и Ni- порфирины.

Порфириновые комплексы нефти обладают каталитической активностью. Oни играют определенную роль  в процессе генезиса нефти. Ванадилпорфириновые комплексы стимулируют эпоксидирование в процессе оксигенирования олефинов. Никелопорфирины участвуют в образовании метана и других углеводородов, а также  они играют определенную роль в реакциях диспропорционирования водорода в процессе генезиса нефти.

Таким образом показано, что нефть образуетсяв недрах Земли изглубинных мантийных флюидов и является  возобновляемым ресурсом.  Мы, сторонники абиогенной теории образования нефти, смотримв будущее с оптимизмом. Мыполагаем, что запасов нефти и газа нам хватит еще на долгие столетия.

Литература:

  • 1. Кудрявцев Н. А. Генезис нефти и газа. Л., Недра,1973,216 с.
  • 2.  Губкин И.М.Учение о нефти.  М.,  Наука, издание третье, 1975, с. 300-328.
  • 3. Симонян Г.С., Пирумян Г.П. Роль азота в генезисе нефти. Сборники научных трудов "Фундаментальные и прикладные проблемы науки" . М.,  РАН, 2013, c. 142-152.
  • 4. Менделеев Д.И. Сочинения.  Л.-М.,  АН СССР, 1949,т. 10, с. 302-310.
  • 5. Соколов В. Д.Космическое происхождение битумов.–Бюллетень МОИП, VIII, нов. сер., 1889.
  • 6.  Воробьев А.А. Физические условия залегания и свойства глубинного вещества. (Высокие электрические поля в земных недрах). –Томск: ТГУ,1975.
  • 7. Маракушев А.А., Маракушев С.А.Образование нефтяных и газовых месторождений. //Литология и полезные ископаемые, 2008, №5, с. 505-521.
  • 8. Маракушев А.А., Панеях Н.А., Маракушев С.А. Образование сульфидных руд и углеводородов в срединно-океанических хребтах. Электронный журнал "Глубинная нефть". Том 2. №5. 2014. c.689-698.
  • 9. Алексеев В.А., Дюжева Т.И., Мельник Н.Н.Водородно-углеродная дегазация Земли иобразование мелкодисперсного углерода при высоких давлениях и температурах.Дегазация Земли:геотектоника, геодинамика, геоморфология, нефть, газ, углеводороды и жизнь. 10-22 октября 2010,Москва, ГЕОС,  2010, с.21-22.
  • 10. Кучеров В.Г., Бенделиани Н.А., Алексеев В.А., Кенней Д.Ф.Синтез углеводородов изминералов при давлении до 5 ГПа.//Доклады РАН, 2002, т.387, №6, с.789-792.
  • 11. Тимофеев Д.Н.Структура мантии Земли и синтез углеводородов в свете теории химических процессов. Электронный журнал "Глубинная нефть". Том 2. №9. 2014. c.1455-1469.
  • 12. Лурье М.А., Шмидт Ф.К. О связи содержания серы и других характеристик нефти. Абиогенный вклад в нефтеобразование. // Химия и технология топлив и масел, 2007,  № 4, с. 3-6.
  • 13. Симонян Г.С.Роль мантийного азота в нефтеобразовании. 2-е Кудрявцевские Чтения. Материалы Всероссийской конференции по глубинному генезисунефти и газа. М.: ЦГЭ, 2013. с.293-296.
  • 14. Симонян Г.С. Роль металлопорфиринов никеля и ванадия в абиогенном образовании  нефти.// Современные наукоемкие технологии.   2015, №9 , 
  • 15. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А.  Развитие ЗемлиМ:  МГУ, 2002. 506 с.
  • 16. Несмиянов А.Н.,Несмиянов Н.А.Начала Органической химии.–М.: Химия, 1970, т.2. 824с.
Ваша оценка:

Ваша оценка: Нет Средняя: 7 (3 голоса)

gisap.eu

Биогенная теория образования нефти и газа

Страница 2 из 3

Как отмечает Д. Хант (1979 г.), некоторые углеводороды, содержащиеся в нефти, попали в нее из живых организмов в малоизмененном виде, большинство же углеводородов претерпели значительные изменения, и в конечном счете углеводороды нефти в целом намного сложнее по строению, чем таковые в исходном органическом веществе. Таким образом, современное представление о биогенной теории происхождения нефти и газа сводится к следующему (табл. 15). Углеводороды органического вещества, накапливающегося в осадках в диффузно-рассеянном состоянии, и само органическое вещество испытывают на первой стадии действие главным образом биохимических процессов и микроорганизмов. По мере погружения осадков, с усилением действия внутренней химической энергии ОВ и все возрастающего теплового потока земных недр процесс генерации УВ активизируется и они эмигрируют из неф те продуцирующих толщ в коллекторы (вторая стадия). Под влиянием различных внутренних и внешних источников энергии углеводороды в свободном или растворенном состоянии мигрируют по коллекторам или по трещинам (третья стадия), заполняя ловушки и образуя залежи (четвертая стадия).

В зависимости от характера проявления дальнейших тектонических движений и других геологических процессов эти залежи консервируются (пятая стадия) или разрушаются (шестая стадия), рассеиваясь в литосфере или атмосфере. Так завершается полный цикл естественно-исторического процесса генерации, аккумуляции и разрушения скоплений углеводородов, который является частью жизненного цикла углерода В. И. Вернадского. § 2. О концепциях неорганического происхождения нефти и газа Гипотезы неорганического происхождения нефти и газа появились в начале ХГХ в. (Гумбольдт и др.). Позднее М. Вертело (1866 г.), А. Биассон (1866 г.), С. Клоэц (1878 г.) предложили свои гипотезы, разработанные на основе проведенных лабораторных исследований по неорганическому синтезу углеводородов. Д. И. Менделеев в книге "Основы химии", опубликованной в 1877 г., сформулировал ставшую широко известной "карбидную гипотезу".

Согласно этой гипотезе по трещинам в земной коре в глубинные недра проникает атмосферная вода, которая вступает в реакцию с карбидом железа и, взаимодействуя с углеродом, образует предельные и непредельные углеводороды. Эти углеводороды также по трещинам, развитым вдоль горных сооружений, поднимаются в осадочную толщу и скапливаются в виде залежей нефти. Свои предположения Д. И. Менделеев подкрепил, получив жидкую углеводородную смесь при обработке марганцовистого чугуна, (с 8 %-ным содержанием углерода) соляной кислотой. Позже предлагались и другие варианты глубинного происхождения нефти и газа. Иное направление представлений о неорганическом происхождении нефти и газа развивалось В. Д. Соколовым (1889 г.), который на основании установленного им присутствия углеводородных газов и углерода в хвостах комет и водорода в космическом пространстве высказал идею о формировании углеводородов в глубинных недрах Земли еще во время ее образования.

www.oilngases.ru

Биогенная теория образования нефти и газа

Страница 3 из 3

Наиболее последовательно эту гипотезу разрабатывал П. Н. Кропоткин, по мнению которого углеводороды поступают в осадочную толщу литосферы в результате дегазации мантии. По современным представлениям земная кора и верхняя мантия подразделяются на две геосферы: верхнюю оксисферу (глубиной до нескольких километров) и нижнюю редуктосферу (глубиной до 150 км), характеризующуюся восстановительной обстановкой во флюидно-газовой фазе, которая содержит много водорода, метана и других углеводородов, а также НО, СО и h3S, значительное количество азота и гелия. Прорыв этих газов по разломам в верхние слои, где они задерживаются в ловушках, главным образом среди осадочных пород, может быть источником место скопления газа, конденсата и нефти (П. Н. Кропоткин, 1985 г.). Иных представлений о механизме образования скоплений углеводородов придерживался НА. Кудрявцев. По его мнению, содержавшиеся в пылевом облаке углеводороды при формировании планеты Земля под действием температур в несколько тысяч градусов распадались на углеводородные радикалы и водород.

Поднимаясь в верхние части литосферы уже при относительно невысоких температурах-, эти радикалы и водород соединялись, образуя скопления нефти и газа. Даже из очень краткого рассмотрения различных гипотез происхождения нефти и газа видно, насколько сложна эта проблема. В лабораторных условиях сейчас получают углеводороды синтезом как неорганических, так и органических соединений. То же происходит в природных условиях. Однако совершенно очевидно, что на данной стадии изученности проблемы генезиса нефти и газа наиболее убедительной и подкрепленной фактическим геологическим и физико-химическим материалом является биогенная теория происхождения углеводородов, хотя целый ряд вопросов еще требует дальнейшего углубленного исследования. Теория биогенного происхождения нефти и газа многие десятилетия служит научной основой поисково-разведочных работ.

Отдельные ее положения, в частности о внешних и внутренних источниках образования углеводородов, о формировании и разрушении залежей, используются при развитии научных основ разработки нефтяных и газовых местоскоплений.

www.oilngases.ru