Новые идеи и современные особенности нефтегазовой геологии

Нефть и природный газ играют выдающуюся роль в развитии современного общества благодаря широкому географическому распространению и огромным ресурсам, подчинив себе прогресс техники, структуру промышленности, слагая основу экономического развития и роста производительных сил. Не случайно в XX веке экономика мира развивалась под знаком возрастающего потребления углеводородного сырья. Нефть и газ составляют основу топливно-энергетического комплекса, наземного, морского и воздушного транспорта, химической промышленности, комфортного быта населения. Хотя нефть и природный газ известны с доисторических времен, промышленное использование нефти началось с конца XVIII – начала XIX века, то есть менее 200 лет назад, что связано с изобретением парового двигателя (Уайт, 1784), паровоза (Фултон, 1804), парохода (Стефенсон, 1814) и других видов техники, потребовавшей большого количества смазочных масел. Во второй половине XIX века, кроме того, возникла потребность в керосине для освещения улиц и домов. По этой причине вторая половина прошлого века вошла в историю нефтяной промышленности под названием «керосинового» периода. Важнейший этап развития нефтяной промышленности и тесно связанной с ней нефтяной геологии приходится на конец XIX – начало XX века, когда были изобретены двигатель внутреннего сгорания (Отто, 1876), автомобиль (Даймлер и Бенц, 1886) и дизельный двигатель (Дизель, 1897). Появление высокоэкономичных бензиновых и мазутных моторов произвело революцию в транспорте, химии, военном деле и резко увеличило спрос на продукты переработки нефти, следствием чего стал беспрецедентный рост геологоразведочных работ, позволивший увеличить мировую добычу нефти до 20,6 млн. т в 1910 г. и 3,55 млрд. т в 2000 г.

Потребность в природном газе возникла по сравнению с потребностью в нефти на 100 лет позже – XX веке, и испытала бурный рост во второй его половине, когда развитие хозяйства без газа стало немыслимо. Разработка газовых месторождений позволила достаточно быстро довести добычу газа до 2 трлн. м3 в год, что превратило нефть и природный газ в фундамент благополучия современной цивилизации. Это положение будет сохраняться и в течение следующего столетия.

Нефть и газ пока реальной альтернативы не имеют, и, следовательно, остается необходимость в развитии нефтегазовой геологии, техники и технологии поисков на суше и в акваториях, а также в сохранении приоритетов в подготовке высококвалифицированных специалистов для этих областей науки и техники. На 1 января 1996 г. суммарные запасы во всех обнаруженных месторождениях мира были оценены в 150 млрд. т нефти и 145 трлн. м3 газа. При сохранении существующего уровня годовой добычи этого должно хватить на 60-70 лет. За указанное время в освоение будут вовлечены к уже разрабатываемым 200 бассейнам еще не менее 200 НГБ (их изучение только начинается), а 150 ждут своей очереди. Геолого-поисковые работы в XXI веке, безусловно, приведут к открытию новых крупнейших месторождений, а значит и приросту запасов углеводородного сырья.

Одна из уникальных особенностей Земли как космического тела ? наличие жизни. Анализ размещения ресурсов на земном шаре показывает, с одной стороны, что месторождения встречаются практически повсюду, с другой ? обладают разной концентрацией. Это две основные черты распространения нефти и природного газа: первая связана с геосферной природой исходного для УВ органического вещества, вторая ? с неравномерным распределением зон повышенной тепловой энергии, тяготеющих к осадочным бассейнам Земли, где накапливающееся органическое вещество трансформируется в нефть и газ. Широкое распространение нефти и газа обусловлено генетической связью этих полезных ископаемых с биосферой и седиментосферой ? внешними оболочками нашей планеты. Вся совокупность живых организмов, распространенных в твердой, жидкой и газовой оболочках Земли, составляет одну фундаментальную систему – биосферу (Вернадский, 1925).

Биосфера, присущая Земле, представляет целый спектр характерных особенностей ее строения и развития, одна из которых – наличие сообщества горючих полезных ископаемых. Появление и сосуществование их закономерно связаны с функционированием биосферы. Это сообщество включает нефть, природный газ, уголь и их производные, т.е. те полезные ископаемые, наличие которых предопределило появление индустриального общества и его невиданный научно-технический прогресс.

Горючие ископаемые в общем виде ? это погребенная форма существования преобразованной живой материи, то есть биосферы, появление которой уже в раннем докембрии предопределило возможную нефтегазоносность неметаморфизированных отложений любого послеархейского возраста. Древняя биосфера представляла собой оболочку, почти нацело состоящую из бактерий – организмов, ставших начальным звеном всего живого на Земле. В первые миллиарды лет существования ее можно рассматривать как бактериальную сферу (бактериосферу или монерасферу). Впоследствии к ней присоединились сферы четырех остальных царств жизни (простейшие, преимущественно водоросли, грибы, животный и растительный мир), образовав в совокупности современную биосферу со своими дискретностью, структурными связями и энергетикой. Однако бактериосфера, которая с фанерозоя составляет элемент биосферы, продолжает играть решающую роль в жизни Земли, а особенно в геологических процессах, благодаря повсеместному распространению, очень высокой производительности, приспособляемости к жизни в самых различных условиях (аэробных, анаэробных, низко- и высокотермобарических обстановках) и огромному энергетическому потенциалу (рис. 1).

Разлагающиеся остатки биологического мира фоссилизируются в виде рассеянного органического вещества (ОВ) вместе с минеральными частицами, являясь непременной компонентой осадочных пород. ОВ формируется за счет различного типа микроорганизмов (бактерии, простейшие, низшие водоросли), живущих в водоемах. Захороненное вместе с минеральными осадками рассеянное ОВ претерпевает сложную биохимическую трансформацию, приводящую к созданию своеобразного нефтяного «полуфабриката», получившего название керогена. Основную компоненту керогена составляют липиды, а также дезинтегрированные остатки наземной растительности. Растительный детрит – это гумусовая составляющая керогена, а липиды – сапропелевая. Липиды – основной исходный источник для углеводородных флюидов – нефти и природного газа. Кроме того, источником больших количеств газа служит уголь.

Накопление ОВ связано, в первую очередь, с аквальными осадочными бассейнами, представляющими собой гигантские накопители ископаемых и современных остатков биосферы. В осадочных бассейнах, в качестве которых выступают океаны, моря и озера настоящих и прошлых эпох, и концентрируются толщи, обогащенные органическим веществом, за счет преобразования которого формируются скопления нефти и газа (рис. 2).

Вся совокупность современных и ископаемых осадочных бассейнов образует седиментосферу. Седиментосфера, как и бактериосфера, имеет повсеместное распространение и сопровождает Землю в течение всей ее геологической истории. Следствием этого является широкое распространение нефтегазовых скоплений различных размеров и возраста образования по всему лику Земли. Это обстоятельство позволило ввести понятие «углеводородная сфера» Земли, или увосфера, объединяющая всю совокупность углеводородных полезных ископаемых. Увосфера (УВ), как биосфера, гидросфера и седиментосфера Земли, представляет собой дискретную оболочку, имеющую повсеместное распространение, но с разной плотностью концентрации углеводородов в осадочных породах.

Таким образом, существование увосферы предопределяется, с одной стороны, наличием у Земли бактериосферы, а с другой – осадочными бассейнами ? накопителями органического вещества, в которых реализуются процессы, трансформирующие органическое вещество в нефть и газ.

Седиментосферная особенность, как и биосферная, предопределяет «повсюдность» распространения нефти и газа на Земле.

Флюидодинамический «феномен» контролирует как сам процесс нефтегазообразования в осадочных бассейнах, так и количественно-избирательный характер размещения нефтегазовых залежей на Земле. Проблема механизма нефтегазообразования является ключевой и в деталях еще требует своего решения. Общность состава ОВ осадочных пород и углеводородов ? важный аргумент в пользу биосферного источника нефти и газа. Очевидна роль тепловой энергии для получения жидких и газовых УВ из твердого исходного вещества. Эти обстоятельства позволили обосновать существование очагов генерации УВ и сформулировать представления о главных фазах газо- и нефтеобразования, получивших распространение во всем мире. Согласно этим представлениям, генерация нефти протекает в очагах с температурой от 50 до 160°С.

В последнее время к механизму нефтегазообразования стало возможным подойти с позиции общих законов трансформации горных пород при нагреве, происходящем в процессе погружения. Сущность подхода заключается в трех положениях. Первое обязано установлению закона локальной тектоно-петрологической расслоенности литосферы и верхней мантии, выражающейся чередованием зон уплотнения и разуплотнения. Второе заключается в том, что разуплотненные зоны представляют собой вместилища природных породных растворов и расплавов (ППРР). И третье положение определяется тем, что флюиды, насыщающие зоны разуплотнения, при нагреве значительно повышают внутреннее давление и за счет этого расширяются. Это обстоятельство приводит к созданию своеобразной гидравлической подушки, приподнимающей вышележащие слои, а также их прорывающей.

Новообразованные флюиды, и в первую очередь вода, переходя из связанного состояния в свободную фазу, переводят в раствор не только легкорастворимые соли, но и такие породообразующие минералы, как кварц, кальцит, алюмосиликаты и др. ППРР, соучаствующие в создании зон разуплотнения, возникают и при плавлении горных пород в условиях погружения на большие глубины в зоны высоких температур. Так, пласты каменной соли трансформируются в горизонты жидкой раппы, которая при дальнейшем прогреве приобретает высокую внутреннюю энергию и прорывает вышележащие слой, образуя соляные диапиры и купола.

Все это позволяет сделать два основополагающих вывода. Первый ? нефть и газ, объединяемые понятием углеводородного раствора (УВР), есть не что иное, как обобщенный вариант сравнительно низкотемпературной дефлюидизации осадочных пород, обогащенных ОВ. Второй ? саморазвитие осадочного бассейна, испытывающего интенсивное погружение, приводит к созданию мощной системы восходящих тепловых потоков, активизирующих процессы нефтегазообразования во всем бассейне. Чем интенсивнее прогибание, тем выше уровень реализации нефтегазоматеринского потенциала, накопленного данным бассейном. Таким образом, на первом этапе термобарические процессы в нефтегазоматеринских осадках связаны с внешними тепловыми потоками, источниками которых являются тепловые потоки, образующиеся за счет дефлюидизации мантийных диапиров, а на втором основная роль принадлежит тепломассоносителям самого осадочного разреза нефтегазоносного бассейна.

Мигрирующие флюиды являются мощными тепломассоносителями. Здесь происходит взаимодействие двух разнонаправленных вещественноэнергетических потоков. Один из них связан с погружением и катагенетическим преобразованием пород и содержащихся в них органических веществ – продуктов жизнедеятельности бактериосферы, а другой – с подъемом конвективного теплового потока, осуществляющего тепломассоперенос из нижних частей бассейна к его поверхности. Составной частью вертикальных флюидных потоков закономерно являются нефти и природный газ, генерируемые очагами нефтегазообразования. Очаги представляют собой погруженные части нефтегазоматеринских отложений, попавшие в зоны нефте- и газообразования с температурой 100°С и выше.

Углеводородные потоки, поднимаясь по трещинам и порам вверх по разрезу, пересекают коллекторские горизонты, где температура и давление ниже соответствующих показателей очагов генерации. Это приводит к насыщению этих горизонтов нефтью и газом. Если процесс погружения бассейна достаточно длителен, то в его разрезе появляется несколько уровней расположения очагов генерации, а над ними ? несколько этажей размещения залежей углеводородов. Причем если внизу состав нефтей и газа приблизительно отвечает составу ОВ сопряженного с ними очага генерации, то в более высоко расположенных скоплениях нефти и газа их химический состав имеет смешанный характер за счет смешения углеводородов, мигрировавших из различных ниже расположенных очагов.

Таким образом, нефтегазообразование представляет собой универсальный саморазвивающийся процесс, закономерно сопровождающий существование осадочных бассейнов. Последние являются накопителями ОВ и производителями УВ. Осадочные бассейны, имеющие повсеместное распространение, являются своеобразными «заводами» по производству нефти и газа. За всю историю своего существования система осадочных бассейнов произвела гигантское количество нефти и газа. Это многие триллионы тонн нефти и кубических метров газа. Если бы лишь часть этого количества попала на поверхность Земли, то жизнь на планете давно бы перестала существовать. Однако развитие бассейнов происходит таким образом, что основные количества УВ перехватываются осадочными слоями с невысокими термобарическими характеристиками, а те количества, которые все-таки достигают поверхности Земли, уничтожаются бактериями.

Статистика размещения по глубинам месторождений нефти и газа в бассейнах мира однозначно свидетельствует о наличии оптимального глобального уровня в 1-3 км, на который приходится до 90% всех запасов нефти и газа. В бассейнах бывшего СССР на глубинах до 3 км сосредоточено до 95% разведанных запасов нефти и до 88% запасов газа (рис. 3).

По величине перспективных ресурсов нефти до 40% приурочено к интервалу глубин до 5 км, углеводородного газа до 60% находится в интервале глубин до 7 км. В то же время основная величина прогнозных ресурсов нефти (52%) залегает на глубине от 3 до 7 км, а газа (64%) – свыше 5 км.

Что касается глубинного положения очагов генерации, которым отвечают зоны с температурой более 100°С, то для него характерен большой разброс в интервале от 2 до 10 км и более (рис. 4). Причем если первая статистическая особенность имеет универсальный характер для любого типа бассейнов, то вторая индивидуальна для каждого типа бассейна.