Углеводороды нефти

Нефть — это важное полезное ископаемое, которое используется и как топливо, и как промышленное сырье. Возьмите в руки смартфон, посмотрите в окно, посмотрите на стены, на мебель, на одежду — все это производные нефти. Лаки, краски, удобрения, парфюмерия, вся пластмасса, даже асфальт — это все производные нефти. Но мне бы хотелось, чтобы сейчас мы поговорили о нефти не как о топливе и промышленном сырье, а как об источнике фундаментальных знаний о жизни нашей планеты, чтобы мы изучили ее состав на молекулярном уровне.

Рекомендуем по этой теме:

Происхождение нефти

Микробиолог Александра Пошибаева о поиске новых месторождений нефти, неорганической теории ее происхождения и роли прокариот и эукариот в образовании углеводородов

Как известно, нефть и газ залегают на различных глубинах, иногда они выходят на поверхность земли. Нефть и газ находятся не в озерах, не в огромных пустотах под землей, а в породах-коллекторах, которые имеют большую пористость, чтобы туда могло войти много нефти, и проницаемость, чтобы эта нефть могла оттуда выйти. В качестве аналога можно представить обычную губку, наполненную водой. Чтобы нефть сохранилась в породах, необходимо наличие вышезалегающих непроницаемых слоев, которые называются породами-покрышками. Породами-коллекторами могут служить известняки, песчаники, а породами-покрышками — соляные и глинистые толщи.

Считается, что нефть и газ образовались в нефтегазоматеринских толщах, то есть таких породах, где находится огромное количество органического вещества. Откуда взялось это органическое вещество? Многие горные породы, а именно осадочные породы, образовались в результате осадков, например, морского ила или глубоководной глины. В этих осадках происходило захоронение колоссальных количеств биомассы. Трудно представить, какое количество органического вещества накапливается и осаждается в Мировом океане каждый день. Можно только предположить, сколько осадилось его за всю геологическую летопись нашей планеты.

При определенных условиях в нефтегазоматеринских толщах могут образоваться нефть и газ. По мельчайшим трещинами, по пустотам они могут мигрировать в вышележащие слои пород-коллекторов, причем в определенных геологических структурах земной коры могут образоваться колоссальные скопления нефти и газа. Сохранность таких скоплений обеспечивается наличием вышезалегающих непроницаемых пород-покрышек. Нефти залегают в древних породах. Например, возраст самой древней породы, в которой была найдена нефть, более одного миллиарда лет. Есть и молодые нефти, залегающие в породах, которым сотни и десятки миллионов лет.

Нефти бывают разные. У одних нет легкой фракции, например у бензина и керосина. Бывают тяжелые нефти — это остаточные нефти, из которых мигрировали легкие углеводороды или биодеградированные нефти. Исследование углеводородов нефти на молекулярном уровне помогает решать как теоретические вопросы, связанные с происхождением нефти, так и практические вопросы, связанные с поиском и разведкой новых нефтяных месторождений и промышленным освоением уже разрабатываемых месторождений. Всеми этими вопросами занимается органическая геохимия.

Эта дисциплина возникла в 1960-е годы. Ее целью является изучение на молекулярном уровне особенностей состава и строения органических молекул земной коры, морей и океанов. Причем если биогеохимия — это геохимия живого вещества, то органическая геохимия занимается изучением мертвого органического вещества, которое захоранивалось в осадочных породах. Исследуются как современные соединения, так и соединения, которые были накоплены сотни миллионов лет тому назад. В нашей стране существует несколько крупных школ. Это школа академика Алексея Эмильевича Конторовича в Новосибирске и школа профессора Александра Александровича Петрова в Москве, а сейчас его ученика профессора Гурама Николаевича Гордадзе.

Из каких соединений состоит нефть? В основном это углеводороды, а также смолы и асфальтены. Подробно остановимся на наиболее изученном классе углеводородов — это углеводороды нефти. Дело в том, что все нефти мира от самых древних до самых молодых содержат один и тот же набор углеводородов. Это насыщенные углеводороды, то есть алканы, циклоалканы и углеводороды алмазоподобного строения, а также ароматические углеводороды. Причем кроме углеводородов алмазоподобного строения превалируют углеводороды-биомаркеры — соединения, сохранившие черты строения, свойственные исходным биоорганическим молекулам. Например, нормальные алканы образовались из нормальных и насыщенных жирных кислот. А изо- и антеизоалканы образовались из изо- и антеизокислот за счет процесса декарбоксилирования. То есть происходит только декарбоксилирование, то есть отщепление COH-группы, а сам углеводородный фрагмент остается неизменным.

Рекомендуем по этой теме:

Три вопроса про нефть

Эксперты исследовательских институтов Канады, Австралии и Великобритании отвечают на главные вопросы о нефти

Изопренаны — это углеводороды, содержащие изопреновые кирпичики 2-метилбуто-1,3-диен. Считается, что они образовались из фитола — спирта, являющегося боковой цепочкой хлорофилла, который находится у растений. Интересно отметить, что только в самых древних нефтях мира обнаружены 12 и 13 метилалканы. Об их происхождении пока известно лишь то, что алканы такого строения в нефтях более молодого возраста не обнаружены. Помимо этого, в нефтях есть и циклические углеводороды-биомаркеры, моноциклы, циклопентаны, циклогексаны, бициклы, декалины, гидринданы, трициклы хелантаны, тетрациклы стераны и пентациклы терпаны. А также углеводороды алмазоподобного строения: адамантаны, диамантаны, триамантаны, тетрамантаны.

В нефтях континентального генезиса наблюдается превалирование углеводородов ряда циклогексана стерана состава ²⁹C и присутствует терпан или анан. А в нефтях морского генезиса превалируют углеводороды ряда циклопентана стерана состава ²⁷C, а терпан или анан вовсе отсутствуют. Что касается углеводородов алмазоподобного строения, для них характерно то, что они выдерживают очень высокие температуры и не подвергаются биодеградации. В то время как на ранних стадиях биодеградации бактериями сначала съедаются нормальные алканы, потом изоалканы, затем циклоалканы и даже ароматические углеводороды.

Таким образом, изучая углеводородный состав нефтей и органического вещества пород на молекулярном уровне, мы можем сделать следующие важные выводы. Какое исходное органическое вещество было для данной нефти — морское или континентальное. В каких литолого-фациальных условиях эта нефть образовалась. Иными словами, в каких породах нефть образовалась — глинистых или карбонатных. Например, мы можем сказать о том, какова степень солености вод в конкретном бассейне осадконакопления, окислительно-восстановительные условия. Мы можем определить степень преобразованности нефти, то есть зрелости.

В исходном органическом веществе для нефти находятся термодинамически слабоустойчивые углеводороды. В процессе созревания органического вещества эти соединения преобразуются в более термодинамически устойчивые углеводороды. То есть мы можем проследить эволюцию органического вещества в конкретном бассейне осадконакопления. Мы можем сказать о биодеградации нефти. И наконец, изучая углеводородный состав нефтей на молекулярном уровне, мы можем сказать о геологическом возрасте данной нефти. А под геологическим возрастом мы подразумеваем возраст тех нефтематеринских толщ, которые эту нефть генерировали.

Все перечисленные выводы имеют большое значение в нефтегазопоисковой, нефтегазопромысловой геохимии. А какое будущее у исследований углеводородов на молекулярном уровне? Это, безусловно, проведение междисциплинарных комплексных исследований совместно с геологами, химиками, микробиологами, палеонтологами. Важно изучать не только нефти, но и рассеянное органическое вещество пород.

Рекомендуем по этой теме:

Нетрадиционные углеводороды

Директор Центра добычи углеводородов Сколтеха Михаил Спасенных о нетрадиционных источниках нефти и методах их разработки

Мы исследовали нефти и органическое вещество пород в нижнекембрийских отложениях на юге Восточной Сибири. Промышленная значимость этих нефтеносных толщ очень велика. До недавнего времени считалось, что источниками этой нефти являются более древние толщи. Предполагалось, что эта нефть мигрировала в вышележащие слои. Однако в результате комплексных исследований мы показали, что это не так, а именно: порода, которая содержит в себе нефть, то есть порода-коллектор, является одновременно нефтегазоматеринской. То, что раньше геологи считали просто природным резервуаром для нефти, то есть породой-коллектором, может являться той породой, в которой образуется эта нефть. Учитывая, что породы такого типа широко распространены в этом регионе, обнаружение новых месторождений в этих отложениях возрастает в несколько раз.

Таким образом, изучение углеводородного состава нефтей и рассеянного органического вещества имеет огромное значение при поисках, разведке и разработке нефтяных месторождений. Помимо этого, изучение углеводородного состава нефтей помогает нам ответить на вопросы, связанные с эволюцией жизни на нашей планете.