Як утворюються нафта, газ і вугілля; Жан-Марк Янчовічі

Примітка: майже всі графіки взяті зі статті "Від керогену до нафти та вугілля: шляхи та механізми перетворення осадових органічних речовин під час поховання", Бернард Дюран, Мем. Соц. Геол. France, N.S., 1987, с. 77-95, за що я щиро вдячний.

"Звичайна" нафта, або, у жаргоні нафтових танкерів, "звичайна", означає рідину, що складається в основному з молекул вуглеводнів (утворених лише з вуглецю та водню). Ця "нормальна" олія також містить у досить змінних пропорціях (в середньому 15%) складніші важкі молекули (включаючи кисень, азот та сірку), які називаються смолами або асфальтенами.

Ця олія утворилася з живих організмів (водоростей, планктону, іноді континентальних рослин тощо), які жили дуже давно. Кожен нафтовий резервуар у всьому світі забезпечує нафту зі своїми властивостями: оскільки жодна з двох людей не є абсолютно однаковою, жодні два нафтові родовища не забезпечують абсолютно однакову рідину.

Утворення нафти є завершенням тривалого процесу седиментації, який вимагає послідовності дуже конкретних фаз:

Загальна маса керогену на планеті

Хоча він, як правило, присутній лише в невеликих пропорціях у відкладах, кероген у планетарному масштабі представляє загальну масу 10 000 000 трильйонів тонн. Лише 0,1% цього керогену (тобто одна тисячна всієї осілої органічної речовини) утворює вугілля (але це все одно 10 000 млрд т!), А газ і нафта представляють 0,003% загального керогену в порядку величини (але це все ще кілька сотень мільярдів тонн).

Завдяки тектоніці плит, тобто дуже повільним конвекційним рухам під земною корою, відкладення повільно опускаються в землю. Потім температура навколишнього середовища підвищується, причому нагріванням забезпечує геотермальна енергія (до речі, геотермальна енергія є результатом природної радіоактивності наземних порід). Швидкість поховання мінлива, температура набору осаду збільшується на 0,5-20 ° С на мільйон років.

Від 50 до 120 ° C температури навколишнього середовища (мінімальний рівень залежить від віку основи, це складно!), Кероген піддається розкладанню термічного походження, піролізу (за умови, що він не контактує з вільним киснем, інакше він окислиться ). Це розкладання спочатку виганяє воду та СО2 з керогену (у більшій чи меншій кількості залежно від початкової частки кисню). Потім, коли температури з часом зростають, кероген виганяє рідкі вуглеводні (це відома нафта, яку досі називають "нафтою") і "природний" газ (зверніть увагу, що нафта і вугілля - це все). Також "природний", оскільки знайдено в природі!).
Чим глибше залягав осад, тим більша фракція газу, оскільки вона гарячіша, і піроліз тривав довше, руйнуючи сильніше як кероген, так і самі рідкі вуглеводні. Враховуючи швидкість "пірнання", потрібно кілька мільйонів років, щоб кероген частково перетворився під впливом тепла в нафту, газ, СО2 та воду.

Тому кожна невелика цівка керогену у вихідній породі перетворюється на суміш води + рідкі вуглеводні + газ + високовуглецевий твердий залишок (оскільки більша частина водню надходить у рідкі вуглеводні та газ). Лише відносно непроникні гірські породи (отже, дрібнозернисті) можуть утримувати кероген досить довго, щоб він встиг значно трансформуватися, але ця непроникність має наслідком, що результат піролізу спочатку зберігається. шлях.

Етап 1 еволюції керогену, на початку піролізу.

Кожен невеликий потік керогену виробляє воду, яка іноді викидається під дією тиску шарів над осадом.

Етап 2 еволюції керогену, під час піролізу.

Кожна маленька цівка керогену починає виробляти вуглеводні

Отже, утворення вуглеводнів є нормальним довгостроковим наслідком седиментації до тих пір, поки у вихідній речовині є органічна фракція, але без процесу, що дозволяє "концентрувати" олії та газ, що утворюються в дуже дифузному в результаті цього розкладання, існували нафтові чи газові родовища.

Це поява газу, оскільки кероген доводиться до зростаючої температури (в результаті поховання), що закінчується процесом піролізу. Тиск газу в маленьких кишенях, в яких містився початковий кероген, справді зростає із глибиною (оскільки він стає все більш і більше гарячим), і коли цей тиск стає достатнім для подолання "непроникності" основи (опори, пов'язані з капілярністю, дуже сильний для дрібних пор), рідка фракція та газова фракція поступово витісняються з основи.
Це вигнання називається "первинною міграцією" на нафтовому жаргоні. Вік основи коливається від 1 мільйона років до 1 мільярда років на момент міграції, найпоширеніший вік - близько 100 мільйонів років: отже, нафта - це відновлювана енергія .... Якщо ми можемо зачекати кілька десятків мільйонів років перш ніж ми спалимо його !

3 етап еволюції керогену.

Кожна маленька цівка керогену виробляє майже всі вуглеводні, які вона могла виробляти (в осаді навряд чи залишився водень). Під тиском газу починається «первинна міграція».

Після вигнання з основи вуглеводні та газ (і вода) починають так зване «вторинне переміщення»: вони «слідують» вздовж проникних шарів, що прилягають до шарів основи (що, як правило, не дуже проникне., як пояснювалося вище), рухаючись до поверхні під впливом тиску шарів осаду, розташованих вище.

Якщо ніщо не зупиняє цю висхідну міграцію, нафта в кінцевому підсумку доходить до землі, де вона розщеплюється під дією бактерій і призводить до утворення бітуму. Смоляні піски (або смоляні піски) Атабаски, Канада, які становлять найбільше в світі накопичення бітумів цієї природи, відповідають цій стадії еволюції "нафти". Певним чином, ми маємо справу зі сполукою, "старшою за нафту". Ці витоки нафти є частими, і оскільки вони можуть надходити або з вихідних порід, або з уже сформованих водосховищ, ущільнення яких порушилось (див. Нижче), вони довгий час служили маркерами для пошуку родовищ на початку розвідки нафти. Ці витоки все ще носять назву "дисміграція".

Для того щоб утворилося придатне для використання родовище рідких вуглеводнів, тому необхідно, щоб ці вуглеводні десь "концентрувались" до того, як потраплять на землю, що, на практиці, вимагає зупинки їх у підйомі. На поверхню " пастка ". На практиці ця пастка є новим непроникним шаром, який найчастіше утворює своєрідний «циркумфлексний акцент» над пористою породою, в якій циркулює нафта. Це може бути шар солі, мергелю тощо. Завдяки їхній відповідній щільності вода, що викидається з основи, потрапляє нижче нафти, а газ вище. На цьому етапі нафта називається «звичайною». Порода, що містить нафту, називається колектором.

Огляд міграції нафти.

1 - Первинна міграція
2 - Вторинна міграція вздовж пористих порід, розломів тощо.
3 - Дисміграція: нафта "витікає" з водойми, де вона накопичилася.

коли кероген виробляє всі вуглеводні, які він міг виробляти, це означає, що він втратив весь свій водень. Він залишається сполукою, близькою до вугілля, але не обов’язково для експлуатації, оскільки він завжди розповсюджується в гірських породах із вмістом нижче, ніж у середньому 1%.

Але історія нашої нафти ще не закінчена! Дійсно, сам нафтовий пласт захоплений тектонічним рухом плит, і тому його також невблаганно тягне до глибин, де стає дедалі спекотнішим. В результаті нафта може пройти подальший піроліз, що є дещо еквівалентом дистиляції на нафтопереробному заводі. Цей піроліз буде виробляти газ та певний сорт бітуму (званий піробіт) у зростаючих кількостях з часом та температурою.

Якщо резервуар добре герметично закритий, це нове занурення призводить до утворення по суті покладів газу. Якщо водосховище недостатньо герметично закрите, газ витікає, і лише бітуми (або асфальти) залишаються в пористостях породи пласта. Це пояснює, чому в осадових басейнах резервуари газу, як правило, розташовані глибше, ніж нафтові родовища (насправді нафтогазові).

Вугілля - це особливий різновид керогену, який утворюється із залишків так званих «вищих» рослин (дерев, папоротей тощо). Це кероген, який виявляє властивість бути домінуючим в осаді, замість того, щоб бути там меншиною. Перший етап осідання призводить до торфу. Під час звалища піроліз тоді призводить до бурого вугілля, потім вугілля, потім антрациту, який є майже чистим вуглецем, позбавленим більшої частини водню (а оскільки це остання стадія, піроліз антрациту, як правило, є найглибшим з вугілля). Як і інші керогени, вугілля виробляє нафту і газ під час його поховання, хоча в менших кількостях, коли йдеться про нафту. Утворення нафти з вугілля відбувається на стадії кам’яного вугілля, а утворений метан, який залишиться адсорбованим у вугіллі, називатиметься ....

Огляд вугілля.
Шкала праворуч дає мільйони років час між нами та сьогоденням. Шкала зліва дає для кожного графіка глибину в км.

Кожне креслення представляє стан вуглевидобутку, починаючи зверху (що, отже, представляє систему, яка даватиме вугілля 320 мільйонів років тому).

Органічна речовина (концентрована, оскільки саме рослини осідають) проходить наступні стадії: торф - матовий лігніт - блискучий лігніт - вугілля - антрацит. З кожним разом вміст вуглецю збільшується.

Букви V1 і V2 представляють ту саму вихідну органічну речовину, яка потім утворює жилки (отже, V) вугілля. Тип деревного вугілля, що знаходиться у жилі (A, H та ін.), Згадується в дужках із абревіатурою вени. Різні малюнки показують, як ці вени еволюціонують і рухаються (завдяки тектоніці) з часом.

Джерело: Б. Дюран, Енергетика та навколишнє середовище, ризики та виклики оголошеної кризи. EDP Sciences, 2007

Які рідкі вуглеводні ми знаємо, як використовувати? ?

На початку видобутку нафти нафта, яку ми знали, як видобувати, була "звичайною" нафтою, тобто рідиною, що утворюється при піролізі керогену, вигнавши її з гірської породи, маючи гарну ідею концентрату в танк. Експлуатувати цю нафту відносно просто: одна частина виходить сама під тиском газу, який зазвичай пов'язаний, а інша частина «прокачується» різними методами, які постійно стають все більш досконалими. За допомогою цієї "звичайної" олії видобуток споживає в середньому лише кілька відсотків енергії, яка буде доступна у видобутій олії.

Але операторів все більше цікавить "нетрадиційна" нафта, яка охоплює:

смоляні піски та надмірно важкі мастила, що відповідають кишеням, де нафта, що утворилася, втратила свої леткі елементи. Отже, це нафта "старша", ніж звичайна нафта, і вона погіршилася поблизу земної поверхні, збагачуючись важкими молекулами, як пояснювалося вище.,

горючі сланці, що означає - помилково, оскільки бітум відсутній - суміш гірських порід та керогену, яка не зазнала піролізу. Отже, це викопне паливо, яке зупинилося «до нафти» в ланцюзі переробки, і ці ресурси, швидше, слід зараховувати до категорії вугілля, наприклад, торфу або бурого вугілля. Вони можуть бути перетворені в нафту, пройшовши піроліз (при 500 ° С, щоб не чекати мільйона років) на заводі, але енергетичний баланс дуже поганий (загалом вихід негативний, тобто, що витрачені, ніж потім будуть отримані при спалюванні отриманого палива).

У всіх випадках нетрадиційна нафта відповідає пастоподібним або навіть твердим продуктам і часто змішується з гірською породою з незначною часткою органічної частини. Ці родовища набагато важче використати, ніж “звичайну” нафту:

якщо це надважкі оливи або смоляні піски, необхідно, наприклад, нагнітати пару під тиском (зріджувати "масло", нагріваючи його, і давати йому виходити під тиском пари), що вимагає виділення кілька десятків відсотків енергії, яку буде забезпечувати видобута "нафта",
У випадку горючих сланців видобуток палива схожий на видобуток корисних копалин, і паливо може становити лише кілька вагових% породи, яку воно просочує. Деякі геологи навіть рекомендують не враховувати його при інвентаризації запасів.

Також можна використати гази, що утворилися в гірській породі, не перемістившись потім: "сланцевий газ" .

Дізнайтеся більше про утворення нафти

Сторінка Андре Бурка, професора університету Лаваль (Квебек)