Меню

Биосферная концепция и современное нефтегазообразование

Опубликовано 17.03.2025
Азарий Баренбаум   |   просмотров - 3893,   комментариев - 0

Биосферная концепция и современное нефтегазообразование 

Азарий Александрович Баренбаум

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории газонефтеконденсатоотдачи пластов им. С.Н. Закирова Института проблем нефти и газа РАН

Смирновский сборник – 2024. М.: МАКС Пресс. 2024. С.160-178

Аннотация.В настоящее время в нефтегазовой геологии происходит Куновская научная революция, вызванная крупными открытиями отечественных ученых-нефтяников, сделанных на протяжении последних 40 лет. В результате этих открытий на смену остро конкурировавшим органической и минеральной гипотезе образования углеводородов приходит новая нефтегазовая парадигма – биосферная концепция нефтегазообразования. Она относит нефть и газ к неиссякаемым полезным ископаемым нашей планеты, пополняемым в эксплуатируемых месторождениях, а сами месторождения рассматривает как подземные ловушки подвижного углерода, циркулирующего через земную поверхность в трех циклах круговорота: двух геологических с временами ~108-109 и ~106-107 лет и биосферным ≈40 лет с участием метеогенных вод. Определяющую роль в современном пополнении месторождений нефти и газа играет 40-летний биосферный цикл, который ранее геологи и климатологи не принимали во внимание. Темп пополнения месторождений углеводородов в этом цикле определяется технологиями разработки и в целом зависит уровня современной добычи и потребления нефти, газа и угля в мире. 

Ключевые слова: происхождение нефти и газа, научная революция в проблеме нефтегазообразования. 

Введение В последние десятилетия мировое сообщество столкнулось с двумя проблемами: ограниченностью энергетических ресурсов для устойчивого развития и необходимостью противодействия потеплению климата, которое связывают с ростом содержания в атмосфере углекислого газа (СО2), метана (СН4) и других парниковых газов. Обе проблемы рассматривают как взаимоисключающие, поскольку причиной потепления климата считают деятельность людей, потребляющих ископаемые углеродные топлива: нефть, газ и уголь. Их добыча сопряжена с вредным воздействием на окружающую среду, а промышленное использование с выбросом в атмосферу больших количеств СО2. 

 В целях противодействия потеплению климата к настоящему времени принят ряд международных соглашений, в которых решение проблемы климата сводится к отказу от ископаемых углеродных топлив и их замене возобновляемыми «зелеными» источниками энергии, которыми формально признаны: солнечная, ветровая, гидроэнергетика, включая приливную и гидротермальную, а также водородная энергетика. После продолжительных дискуссий, зеленой также признана атомная энергетика. 

В основаниях такой климатической политики и проектах по сокращению выбросов парниковых газов сегодня, однако, выявлены серьезные просчеты. Наиболее важными из них являются: 1) не учет роли антропогенного водяного пара – главного парникового газа атмосферы; 2) завышение времени жизни в атмосфере неосновных парниковых газов, в частности фреонов, на 2–4 порядка, а СО2 – в ~10 раз; и 3) игнорирование климатологами в математических моделях изменения климата масштабов водородной и метановой дегазации Земли, установленной российскими геологами. В итоге Киотский протокол в 1997 г. был принят с дисбалансом по СО2 минимум в 30%.

Это свидетельствует, что в реализуемом подходе к изменению климата отсутствует понимание причин, реально влияющих на климат планеты. Такое понимание стало возможным в результате научной революции в нефтегазовой геологии [1–3]. Эта революция вызвана созданием в России новой нефтегазовой парадигмы – биосферной концепции нефтегазообразования, которая решила проблему происхождения нефти и газа. В отличие от остро конкурировавших в нефтегазовой геологии последнее столетие органической и минеральной гипотез образования углеводородов (УВ), в биосферной концепции учтены три ранее неизвестных явлений природы, открытых российскими учеными. 

Дополняя друг друга, эти три открытия меняют общепринятые взгляды на природу и механизм образования нефти и газа, вскрывая истинную причину потепления климата. Суть новых представлений состоит в том, что нефть и газ являются неуничтожимыми полезными ископаемыми нашей планеты, продуктами циркуляции подвижного углерода биосферы через земную поверхность в составе метеогенных вод, а потепление климата – это результат неумелого вмешательства людей в процессы, происходящие в биосфере. В статье рассказано о каждом из открытий российских ученых, а также обсуждаются следствия биосферной концепции, реализация которых на практике позволяет превратить нефть и газ в «зеленые» источники энергии. Главный вывод статьи состоит в том, что решение проблем устойчивого энергетического развития лежит на пути использования месторождений нефти и газа как неиссякаемых полезных ископаемых нашей планеты, которые требуют научного подхода к разработке и бережного к себе отношения. 

Открытие I : Явление геосинтеза 

Геосинтезом [4, 5] назван поликонденсационный синтез УВ в механически активированной водонасыщенной минеральной матрице пород. Активаторами пород могут выступать разные естественные сейсмотектонические процессы, включая суточное приливное влияние Луны, а также процессы, вызванные деятельностью людей. Активация заключается в том, что под действием этих механических процессов в минералах пород возникают внутрикристаллические дефекты, которые диффундируют к поверхности минеральных зерен, создавая энергонасыщенный слой свободных радикалов (разорванных химических связей). Наличие такого слоя [6], снижает энергию Гиббса химических реакций, протекающих на поверхности минеральной матрицы пород. В результате химические реакции, термодинамически возможные при температурах ≥ 500ºС, могут происходить в геологических средах при «стандартных» условиях (Т = 25°С и Р = 1 атм.). 

К этим реакциям, как показано сибирскими учеными [7–17], относятся реакции синтеза УВ в водонасыщенных горных породах. Главную роль здесь играет разрушение молекул Н2О с образованием атомарного водорода, который является очень сильным реагентом-восстановителем. Первоначально это явление было установлено при образовании УВ из органического вещества (ОВ) осадочных пород. Эксперименты показали, что при контакте воды с образцами углеродсодержащих пород, механически активированных трением, возникает широкий спектр УВ (предельных, непредельных и ароматических), как газообразных, так и жидких. Углеводороды были представлены н-алканамиот СН4 до n-C5, а также в меньшем количестве изоалканами i -C4 и i -C5. В гексановых экстрактах из образцов обнаружены углеводороды С11–С31. 

Этот факт стал предметом Научного открытия №326 [13], зарегистрированного Комитетом СССР по изобретениям и открытиям в 1982 г. Позже авторы открытия показали, что УВ образуются не только из органического [8,9,11–13], но также из неорганического [14] и предельно окисленного углеродсодержащего вещества [16,17]. 

Тем самым, было доказано, что УВ не обязательно образуются в термобарических условиях астеносферы и мантии Земли, как считают сторонники глубинной минеральной гипотезы [17,18], а при температурах <150ºC в водонасыщенных породах осадочного чехла, механически активированных природными процессами. Донорами водорода в УВ при геосинтезе является Н2О [7–9], а углерода – ОВ, водорастворенный СО2 и легкорастворимые карбонатные породы [16]. 

Начиная с 2000-х годов, экспериментальное изучение механизма геосинтеза с целью обоснования разрабатывавшейся в ИПНГ РАН биосферной концепции проводилось под руководством С.Н.Закирова. В экспериментах [4, 5, 20–24] изучалось взаимодействие содержащих СО2 метеогенных вод с осадочными породами при атмосферном давлении и комнатных температурах.

Эксперименты показали, что геосинтез (СО2+Н2О) относится к тому же классу поликонденсационных реакций синтеза УВ из оксидов углерода (СО, СО2) и водорода (Н2, Н2О) [25], что и синтез Фишера-Тропша (ФТ-синтез) по реакции (СО+Н), синтез Кёльбеля-Энгельгардта (СО+Н2О) и реакция (СО2+Н). Но отличается от трех последних тем, что является реакцией эндотермической и происходит в активированных минеральных средах. Другое отличие этой реакции состоит в том, что геосинтез УВ сопровождается разрушением большой массы воды и образованием водорода. Геосинтез также как и ФТ-синтез происходит по двум каналам с различающимися энергиями Гиббса. Эта специфика геосинтеза отражена в двух химических формулах, которые для н-алканов (CnH2n+2) могут быть записаны в феноменологическом виде [26]: 

nCO2 + (n+m+1)H2O +‹Fe› = CnH2n+2 +mH2 +æ(FeO)+1/2(3n+m+1–æ)O2, (1) 

nCO2+2(2n+m+1)H2O+‹Fe› = CnH2n+2 +(3n+2m+1)H2 +æ(FeO)+1/2(3n+m+1–æ)O2 , (2) 

где: n, m, æ – стехиометрические коэффициенты, а значком ‹Fe› обозначены механохимические свойства среды. В наших экспериментах эти свойства моделировались добавлением железа, которое выполняло функции катализатора и поглотителя О2. 

Реакцию геосинтеза удобно изучать с применением теоретической модели Андерсона-Шульца-Флори (АШФ-модель). Эту модель широко используют при анализе молекулярно-массовых распределений (ММР) УВ, образующихся в реакции ФТ-синтеза. Распределение УВ согласно классической АШФ-модели представляют формулой [26]: 

lg(gn/n) = n lga + lg(ln2a), (3) 

где gn – массовая доля УВ с числом n атомов углерода в молекуле, a – параметр распределения УВ (0 < a <1). 

Формула (3) отражает случайный непрерывный рост цепи УВ за счет присоединения к ней новых звеньев (интермедиатов) и обрыва цепи за счет десорбции в случае, когда параметр a постоянен и имеет физический смысл a = rр/(rр+rо), где rр и rо – скорости роста и обрыва цепи, независящие от длины цепи. УВ удобно анализировать в полулогарифмической системе координат уравнения (3), где их ММР имеют вид прямых линий. 

На рис. 1 показано ММР н-алканов нефти месторождения Тенгиз [27].

Рис. 1. Хроматограмма нефти месторождения Тенгиз (а) и молекулярно-массовое распределение в нефти н-алканов (б). Штриховая линия – аппроксимация АШФ моделью

Параметр a, найденный из тангенса угла наклона пунктирной прямой (рис. 1-б) к оси абсцисс (atg) и вычисленный из отрезка, отсекаемого этой прямой на оси ординат (aот), оказываются одинаковыми и равными atg=aот =a= 0.77±0.01. Нефть, газовый конденсат и природный газ различаются значениями параметраa. Вследствие возможного образования УВ по двум каналам геосинтеза (1) и (2) в нефтях этот параметр тяготеет к двум значениям a = 0.63÷0.68 и 0.77÷0.78 [24]. В конденсатах величина a меняется в пределах 0.6–0.8, а в газах 0.4 < a < 0.6 (рис. 2). Параметры АШФ-распределений н-алканов в исследованных пробах нефтей, газов и битумов [24, 28, 29] практически были такими как в лабораторных экспериментах.

Рис. 2. Распределения н-алканов: а) нефть (1) и конденсаты (2-3) – построено по данным [29]; б) газы Вуктыльского месторождения (1–2) и полученные (3–5) в экспериментах [21] ММР газов нормированы на метан, принятый за 100%; Возле ММР указана величина параметра a.

Открытие II : Явление пополнения разрабатываемых месторождений

Данное явление, хотя и не признано открытием, по своему значению в нефтегазовой геологии нисколько не уступает геосинтезу. В начале 1990-х годов ряд месторождений в России, на Украине, Азербайджане и Чечне некоторое время не разрабатывали. Спустя 2–3 года, когда к их разработке вернулись, оказалось, что в обводнившихся старых месторождениях восстановились давления, и они снова дали промышленные притоки нефти [30–34]. Пополнение запасов истощенных месторождений никак не предполагалось сторонниками органической и минеральной гипотезами, что вызвало в их рядах большое замешательство. В Москве и Казани организуются конференции, на которых обсуждается это явление и проблема происхождения нефти и газа в целом [35–40]. Предлагаются разные гибридные «органо-минеральные» гипотезы [37, 38], оказавшиеся несостоятельными. 

Правильное объяснение новому явлению, ставшее новой нефтегазовой парадигмой, дали в 1993 г. Б.А. Соколов и А.Н. Гусева, заявившие [30], что «нефть и газ являются возобновляемыми природными ископаемыми, освоение которых должно строиться, исходя из баланса объемов генерации УВ и возможностей их отбора в процессе эксплуатации месторождений». Насколько значимо это открытие для геологии поясним, подчеркнув два ключевых положения парадигмы Соколова-Гусевой. Первое состоит в том, что при научно обоснованной эксплуатации нефтегазовых месторождений нефть и газ восполняются в залежах. А второе – вводит в решение проблемы образования УВ закон «баланса» вещества. Рассмотрим детальнее каждое из этих положений. 

Положение 1. Факты свидетельствуют, что пополнение УВ на разрабатываемых месторождениях весьма значительно и происходит достаточно быстро (рис. 3). 

После 30–40 лет разработки, не зависимо от геологических условий, начальных запасов и технологий эксплуатации, добыча УВ выходит на асимптоту в ≈ 20% от лет максимальной добычи. Это явление наблюдается как на крупных, так и на мелких месторождениях. Причем их запасы пополняются за счет легких УВ, в первую очередь метана. 

Поэтому, если извлекать УВ в количестве, не превышающем ≈20% от лет с максимальной добычи, то месторождение может быть переведено в режим «неиссякаемого» источника УВ. По нашей рекомендации такой режим разработки успешно реализуется на Шебелинском газоконденсатном месторождении с начала 2000-х годов [5].



Рис. 3. Графики разработки Ромашкинского (1), Самотлорского (2) и Туймазинского (3) нефтяных месторождений и Шебелинского (4) газоконденсатного месторождения

Положение 2. Относительно баланса вещества в парадигме Соколова-Гусевой заметим, что в состав нефти и газа входят углерод, водород, а также кислород, которые участвуют в глобальном геохимическом круговороте вещества биосферы. В учении о биосфере В.И. Вернадский писал [41]: «…часть вещества биосферы, может быть большая, неземного происхождения, попадает на нашу планету извне, из космических пространств». 

Необходимо сказать, что это заключение В.И. Вернадского полностью подтверждено [42,43]. В настоящее время твердо установлено [43], что воду, углерод и многие другие химические элементы, которыми богата земная кора, приносят на Землю галактические кометы. Эти кометы выпадают в короткие (~2−5 млн лет) периоды кометных бомбардировок, повторяющиеся через 19−37 млн лет. На Земле кометное вещество включается в геохимический круговорот вещества. Следуя В.И. Вернадскому, этот круговорот происходит с участием живого вещества биосферы, а также людей, как наиболее деятельного ее представителя. 

Именно такой геохимический круговорот вводит в рассмотрение биосферная концепция [1−3, 42−48], решая проблему происхождения нефти и газа, которая также имеет прямое отношение к вопросам потепления климата.  

Открытие III : Биосферный (климатический) цикл углерода 

На рис. 4 показана схема В.П. Гаврилова [49] круговорота углерода на Земле, каким этот процесс представляли геологи в середине 1980-х годов. 

Основной цикл круговорота углерода показан сплошной линией, пунктирная линия – круговорот углерода в космосе и в мантии Земли. В биосфере углерод обоих циклов усваивается растительностью и животными, превращаясь в ОВ. Основная часть ОВ попадает в литосферу, где преобразуется в УВ нефти и газа. Другая часть ОВ через зоны подвига литосферных плит поступает глубоко в мантию, где, испытав преобразование, в виде «газового дыхания» недр поднимается к земной поверхности, формируя залежи газа. Побочным продуктом этих процессов являются отложения угля и карбонатных пород. 

Первым, кто обратил внимание на то, что в круговороте углерода (рис. 4) есть балансовые противоречия, был Г.И. Войтов (Институт физики земли РАН). Систематизируя данные по циркуляции углерода через поверхность Земли, он нашел [50], что если в осадках континентов и океанов ежегодно захоранивается (2¸6)´1014 г углерода, то на поверхность из недр поступает (1¸5)´1015 г/год углерода. Причем, если захоранивается окисленный углерод, состоящий на ~2/3 из карбонатов и на ~1/3 из отмершего ОВ, то на восходящей ветви круговорота при дегазации недр в атмосферу поступают СН4 и СО2 примерно в равных количествах.

Рис. 4. Круговорот углерода в природе [41]. Залежи: 1 – углеводородов, 2 – газа (СО2, СН4), 3 – каменного угля, 4 – массы карбонатных пород. Стрелки показывают движение углерода

На оценки Г.И. Войтова в те годы мало кто обратил внимание. Важность учета баланса углерода при круговороте через земную поверхность обнаружилось позднее, когда в дело вмешались климатологии. Они подсчитали массу CO2, поступающего в атмосферу при добыче и сжигании нефти, газа и угля. О круговороте углерода через земную поверхность они не знали, и СО2 от сжигания топлив в их расчетах остается над поверхностью. Потребление углеродных топлив – это не что иное, как превращение УВ в СО2. Поэтому масса углерода, будь он восстановлен (нефть, газ, уголь) или окислен (СО2), при круговороте через земную поверхность суммарно меняться не может. Так что между восходящими и нисходящими потоками углерода должен выполняться строгий баланс. Однако еще при подписании Киотского протокола в 1997 г. было показано [51], что при современном потреблении углеродных топлив ~30% СО2 невозможно удалить из атмосферы известными механизмами его поглощения растениями и растворением в водах Мирового океана. Если также принять во внимание дегазацию СН4 и СО2 из недр [50], то дисбаланс углерода на восходящей и нисходящей ветвях круговорота составит ~30 раз. В начале 2000-х годов автором была разработана биосферная концепция нефтегазообразования, которая подвела под нефтегазовую парадигму Соколова-Гусевой необходимое теоретическое основание, решив проблему дисбаланса углерода [43]. С этой целью в схему круговорота (рис. 4) был внесен ряд изменений (рис. 5).


Рис. 5. Схема геохимического круговорота углерода на Земле

1. Учтено циклическое поступление на Землю углерода и воды в составе космического вещества. Космический источник показан стрелкой слева вверху. 

2. В процессах нефтегазообразования учтен биосферный цикл круговорота углерода через поверхность с участием метеогенных вод климатического круговорота воды. Характерное время этого цикла составляет 40 лет. Поэтому биосферный цикл углерода с полным основанием является климатическим. При содержании углерода ~10–5–10–4 г/г метеогенные воды способны ежегодно переносить в породы земной коры ~1015 г углерода, что обеспечивает баланс круговорота углерода через земную поверхность. На рис. 5 это обстоятельство отражено двумя одинаковыми разнонаправленными стрелками. 

3. Поверхность Земли считается геохимическим барьером, пересекая который СО2 и ОВ частично преобразуется в УВ. Из-за низкой растворимости в воде УВ создают собственные скопления в виде нефти и газа. 

Введенные изменения позволили более адекватно учесть специфику геохимического круговорота вещества согласно учению В.И. Вернадского о биосфере. А также обеспечить баланс углерода при его круговороте через поверхность с учетом, во-первых, хозяйственной деятельности людей и, во-вторых, – образования нефти и газа в недрах. 

До создания биосферной концепции участие в образовании УВ биосферного цикла углерода ни геологи, ни климатологи не предполагали. Спор между сторонниками органической и минеральной гипотез шел по вопросу, какой из геологических циклов дает основной вклад. Первые утверждали, что цикл ~106 лет, а вторые — цикл ~109 лет. Тогда как месторождения пополняются УВ исключительно за счет участия в нефтегазообразовании метеогенных вод климатического 40 летнего цикла. Вклады геологических циклов оказываются в ~104 и ~107 раз меньше. 

Участие метеогенных вод в образовании УВ однозначно доказывает продукция высокодебитных скважин – «миллионеров» Ромашкинского месторождения (рис. 6), а также расположение этих скважин на Минибаевской площади месторождения (рис. 7) [52].

Рис. 6. Отношение содержания i-бутана и n-бутана в газовой фракции нефти из скважин «миллионеров» Ромашкинского месторождения [52]

Рис. 7. Скважины «миллионеры» (треугольники) на Минибаевской площади [52] и соединяющие их линии разломов


Рис. 7. Скважины «миллионеры» (треугольники) на Минибаевской площади [52] и соединяющие их линии разломов

Авторами [44] установлено, что с тем же периодом ≈5 лет варьируют на территории Татарстана климатические осадки. Причем максимумы i/n-отношения бутана в нефтях и выпадения осадков совпадают по времени. Данный факт говорит о том, что метеогенные воды быстро проникают на глубины ~1.8 км (отложения девона на месторождении), где участвуют в процессах нефтеобразования. На Минибаевской площади (рис. 7), являющейся антиклинальной ловушкой УВ, скважины «миллионеры» явно тяготеют к разломным зонам. Миннибаевская ловушка – это поверхностная структура, так что говорить о поступлении в нее УВ из глубоких земных недр нет никаких оснований. 

Еще более важно Открытие III для гидрогеологии. В этой науке бытует мнение, что метеогенные воды проникают на глубину не более 500 м от поверхности. Ниже эти воды не опускаются, поскольку там находятся области медленного и крайне медленного водообмена с низкой подвижностью флюидов. Это мнение сложилось в гидрогеологии более полувека назад и сегодня нуждается в радикальном пересмотре. 

Многочисленные факты свидетельствуют об очень интенсивной циркуляции вод на всех доступных изучению глубинах континентальной земной коры. Эта циркуляция носит как нисходящий, так и восходящий характер и обнаруживается не только в приповерхностной зоне, но и внизу осадочного чехла на границе с фундаментом, нередко залегающим на глубине десяти и более километров. 

Нами показано [1], что природные водоемы на континентах пополняются со скоростью C= (2.0±0.5)×1019 г/год за счет двух циклов круговорота воды: надземного – климатического (~90%), и подземного – геологического (~10%). Первые воды – метеогенные, имеют местное происхождение, в виде дождя и снега они выпадают из атмосферы и затем, фильтруясь через земную поверхность, поступают в области питания водоемов. Вторые – морские воды глубокого залегания, входящие в систему циркуляции подземных вод с участием Мирового океана. 

Оба типа вод различаются содержанием солей, а также изотопией водорода и кислорода, что позволяет их надежно идентифицировать [53]. В континентальной земной коре на глубинах 3−6 км почти все подземные воды являются метеогенными, хотя и в разной степени измененными (рис. 8).

Рис. 8. Связь δD и δ18O в различных типах подземных вод [54]. Наклонная прямая – линия метеогенных вод по Крейгу.

Известно, что метеогенные воды играют определяющую роль в процессах гидротермального изменения пород и образования гидротермальных рудных месторождений разного возраста. Данный вывод распространяется и на попутные воды нефтяных и газовых месторождений (рис. 9), которые характеризуются очень высокими содержаниями дейтерия, не встречающимися в других природных объектах.

Рис. 9. Вариации изотопного состава водорода в природных водах и объектах [54].

Весьма важен вопрос о глубине проникновения метеогенных вод в осадочный чехол земной коры. Имеется четкая гидродинамическая зональность давлений в подземной коровой гидросфере нефтегазоносных осадочных бассейнов (рис. 10).

Рис. 10. Изменение пластовых давлений в осадочных бассейнах с глубиной по Дж. Уолтеру и Б. Вуду [55] с изменениями [43].

Верхний участок графика указывает на гидравлическую связь наземных и подземных вод по трещинам и порам в породах, образующих сообщающиеся между собой и с поверхностью каналы, по которым происходит конвективное движение вод [55]. В зоне литостатических давлений, которая на рисунке 10 глубже 5,5 км, характер изменения давления с глубиной определяют вышележащие породы. Обычно они обладают низкой трещиноватостью и пористостью, и если включают воду, то в химически и физически связанных состояниях. Движения подземных вод в этой зоне практически нет. 

Наибольший интерес представляет зона переходных флюидных давлений. Ее происхождение в гидрогеологии и в литологии не имеет общепринятого объяснения. Согласно биосферной концепции, в нефтегазоносных бассейнах этот интервал глубин является главной зоной нефтегазообразования, где вода может многократно участвовать в геосинтезе УВ, утяжеляя изотопный состав водорода (рис. 9). Расход воды в пределах этой зоны столь велик, что она почти полностью распадается, превращаясь в Н2, СН4 и другие УВ. 

Водород, большая часть метана, а также СО2 и N2 из растворенного в воде воздуха дегазируют в атмосферу. В результате в этой зоне возникает дефицит пластовых давлений – пьезоминимум, который играет роль насоса «засасывающего» метеогенные воды с поверхности, поддерживая их нисходящее конвективное течение [45]. 

Биосферная концепция (теоретическая модель) 

В соответствии со схемой (рис. 5) циклически поступающий на Землю кометный углерод перераспределяется по трем основным циклам круговорота: биосферному (климатическому) со временем циркуляции t1 ~40 лет и двум геологическим с t2 ~106 лет и с t3 ~109 лет. Все три цикла связаны между собой и происходят таким образом, что над поверхностью, играющей роль геохимического барьера, углерод циркулирует в окисленном виде (CO2), а под поверхностью – преобразуется в нефтегазовые УВ. 

Данная схема позволяет построить теоретическую модель биосферной концепции в виде системы трех линейных дифференциальных уравнений, каждое из которых описывает свой цикл круговорота углерода [42, 43].

 

где n1, n2, n3 и t1, t2,t3 - соответственно количество углерода и его время жизни в каждом из циклов круговорота; Q(t) - функция циклического поступления углерода на поверхность Земли; aij - параметры обмена углеродом между циклами. 

Несмотря на очевидную простоту, модель (4) является эффективным инструментом анализа режимов круговорота углерода в докембрии, фанерозое и в настоящее время [43]. В частности, для фанерозоя и современной эпохи модель приводит к выводу, что в условиях периодического поступления больших масс кометного вещества устойчивое функционирование биосферы требует вывода из активного обмена излишков углерода и фиксацию их в неких «резервуарах». В настоящее время такими резервуарами углерода на земной поверхности являются Мировой океан, живое вещество, атмосфера и почвы-илы, а под поверхностью – скопления УВ в земной коре. 

В состоянии динамического равновесия для всех резервуаров должно выполняться условие: ni / τ i= С, где С – константа, имеющая смысл скорости круговорота углерода в биосферном цикле. Это условие вполне выполняется в настоящее время (рис. 11).


Рис. 11. Сопоставление содержания углерода и его времени жизни в атмосфере (1), Мировом океане (2), живом веществе (3) и почвенно-иловом слое (4); прямоугольники показывают разброс оценок по данным литературы. Прямая – линия равновесия [43] 

Видно, что биосфера сегодня пребывает в динамическом равновесии, характеризуясь скоростью круговорота в пересчете на СО2 равной С =2.7×1027 г/год. Поэтому при всех изменениях в биосфере, в том числе за счет деятельности людей, блоки-резервуары на рис. 11 перемещаются вдоль линии равновесия без изменения ее положения. 

Аналогичные n(τ)-диаграммы, построенные для воды и кислорода, показывают, что в пределах точности измерений скорости круговоротов СО2 и кислорода, а также геологического круговорота морских вод практически совпадают (табл. 1). 

Табл. 1. Константы круговорота углекислоты, кислорода и воды [43]

 Тип круговорота

Константа равновесия

С х10–17 г/год

Круговорот диоксида углерода в биосфере

2.56±0.50

Циркуляция кислорода в атмосфере

2.75±0.06
 Круговорот вод Мирового океана 2.64±0.40

Отсюда следует, что «живое вещество», участвуя во всех трех круговоротах, приводит скорости круговорота СО2 в биосфере и круговорота О2 в атмосфере в согласие со скоростью круговорота вод Мирового океана через срединные океанические хребты. 

Тем самым, биосферная концепция подтверждает взгляды В.И. Вернадского на биосферу как самоорганизующуюся геохимическую систему, в которой живое вещество является тем фактором, который обеспечивает устойчивое функционирование биосферы в целом. Этот вывод В.И. Вернадского является ключевым при объяснении обсуждаемого нами круга геологических процессов.

Рассмотрим теперь с этих позиций хозяйственную деятельность людей. 

Сегодня в мире ежегодно потребляется 4.5 млрд т нефти, 4.1 млрд м3 газа и ≈2.8 млрд т угля, при сжигании которых образуется ≈25.5 млрд т СО2 в год, что составляет ≈10% от величины С = 2.7×1027 г/год. Эта масса «добавочного» СО2 почти всецело поступает в 40-летний цикл из геологических циклов ~106 и ~109 лет. Однако за исключением атмосферы (рис. 11) необходимых наземных резервуаров складирования этого углерода в биосфере нет. Мировой океан и растительность поглощают его лишь частично [56]. Большая часть СО2 поступает сначала в атмосферу, откуда он затем перераспределяется по подземным резервуарам биосферного цикла, но уже в виде УВ. Существуют два типа подземных резервуаров, в которых УВ могут накапливаться в промышленных количествах и сохраняться достаточно длительное время, – это аквамаринные метаногидраты и освободившиеся ловушки эксплуатируемых нефтегазовых месторождений.

Очевидно, что темп пополнения углеводородами этих резервуаров зависит не только от интенсивности добычи углеродных топлив, но и от степени сохранности ловушек УВ на месторождениях, а также логистики перемещения УВ по земному шару. В итоге потребление УВ за тысячи километров от мест их образования, а также добыча УВ методами гидроразрыва пластов, полностью или частично уничтожающая ловушки на месторождениях, не дает возможности залежам пополняться УВ в полной мере. 

Поскольку такая практика является мировой, то лишь небольшая часть добавочного углерода поступает в разрабатываемые залежи УВ, а его большая часть отлагается в виде метаногидратов в акваториях Мирового океана, куда сегодня смещаются основные запасы УВ на нашей планете [46]. 

Метаногидраты – это ловушки УВ «химического» типа,в которых молекулы СН4 входят в решетку льда Н2О [57]. Большинство метаногидратов (98%)отлагаются на шельфе и континентальном склоне Мирового океана в условиях, когда они могут сохраняться десятилетиями. Образуются эти метаногидраты из водорастворенного СО2, который с подземным стоком вод с континентов переносится на шельф, где СО2 преобразуется в СН4 [58]. По нашим оценкам, запасы СН4 в аквамаринных метаногидратах~1018 г, а скорость их образования близка современному темпу добычи углеродных топлив [59].  

Заключение 

Вследствие космического происхождения на Земле биосферы и гидросферы [43], УВ фактически являются неуничтожимыми полезными ископаемыми нашей планеты, которые по массе уступают свободной воде в ~103 раз. Но если ~2/3 воды находится в Мировом океане и ~1/3 в верхнем слое земной коры, то почти все УВ пребывают под земной поверхностью, где в ловушках может быть локализовано ~104 млрд т нефти и газа. 

Будет ли человечество потреблять нефть и газ или нет, УВ возникать не перестанут. Поэтому все же лучше их использовать как дешевые природные источники энергии [60], чем от них отказаться. Вместе с тем, если ситуацию не изменить, то с одной стороны, будет расти содержание Н2О, СО2 и СН4 в атмосфере и повышаться средние поверхностные температуры, а с другой – снижаться нефтегазовый потенциал недр добывающих стран и происходить смещение мировых запасов УВ в акватории Мирового океана, что приведет к резкому усложнению и удорожанию их добычи.

На основе биосферной концепции предложен стратегический подход к освоению нефтегазовых месторождений, который способен замедлить эти процессы. Подход ориентирован на добычу нефти и газа из месторождений, как пополняемых источников УВ. С этой целью предлагается реализовать следующий комплекс мер: 

· ограничить извлечение УВ из сланцевых месторождений методами гидроразрыва пласта как главной причины, ухудшающей экологию и влияющей на климат планеты; 

· вводить в эксплуатацию мелкие и мельчайшие нефтегазовые месторождения, которые сегодня считаются нерентабельными по экономическим соображениям; 

· снизить темпы извлечения нефти и газа на разрабатываемых месторождениях до уровня естественного восполнения УВ в залежах; 

· стремиться потреблять УВ в пределах того же гидрогеологического бассейна, где они добываются, что также позволить существенно сократит расходы на логистику. 

Отдельные из этих мер совпадают с рекомендациями в докладе А.Э.Конторовича на Международной научно-практической конференции «Новые идеи в геологии нефти и газа. Новая реальность-2021» [61], другие его рекомендации указанные меры дополняют. Отметим также, что данная стратегия опирается на научные открытия российских ученых, приведших к созданию биосферной концепции, которая подтверждена практикой эксплуатации месторождений старых нефтегазодобывающих регионов страны. 

Литература: 

1.Баренбаум А.А. Механизм формирования месторождений нефти и газа // Доклады АН. 2004. Т.399. №6. С.802-805. 

2. Баренбаум А.А. Научная революция в нефтегазообразовании // Уральский геологический журнал. 2009. №2 (68), С.16-29. 

3. Баренбаум А.А. Научная революция в проблеме происхождения нефти и газа. Новая нефтегазовая парадигма //  Георесурсы, 2014. 59(4). С.9-15. 

4. Закиров С.Н., Закиров Э.С., Баренбаум А.А., Климов Д.С., Лысенко А.Д., Серебряков В.А. Геосинтез в проблеме происхождения нефти и газа. // Тр. VIII Международного технологического симпозиума: Передовые технологии разработки, повышения нефтеотдачи месторождений и исследования скважин (отечественный и мировой опыт). М.: Институт нефтегазового бизнеса. 2013. С.43-46. 

5. Закиров С.Н., Закиров Э.С., Баренбаум А.А.и др. Природный геосинтез углеводородов и его следствия // Тр. IV Межд. науч. симп.: «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов». – М: ВНИИнефть. 2013. Т.I. С.130–135. 

6. Семенов Н.Н. Основные проблемы химической кинетики. М.: Изд-во АН СССР. 1959. 28 с. 

7. Молчанов В.И. Опыты по синтезу углеводородов при тонком измельчении минеральных веществ в воде // Доклады АН. 1967, Т.174, №5, С.1185–1187. 

8. Молчанов В.И., Павлов А.Л., Гонцов А.А. Экспериментальные исследования образования углеводородов из твердого органического вещества // Доклады АН. 1969. Т.189. №2. С.397–399. 

9. Молчанов В.И., Гонцов А.А. Моделирование нефтегазообразования. Новосибирск: ОИГГМ, 1992, 246 с. 

10. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов Е.Н. Активация минералов при измельчении. М: Недра. 1988, 208 с. 

11. Трофимук А.А., Черский Н.В., Царев В.П., Сороко Т.И.  Новые данные по экспериментальному изучению преобразования ископаемого органического вещества с использованием механических полей. // Доклады АН. 1981. Т.257.  №1. С.207-211. 

12. Трофимук А.А., Черский Н.В., Вышемирский В.С., Галимов Э.М., Конторович А.Э., Кузнецов О.Л.,  Пецюха Ю.А., Сороко Т.И., Царев В.П., Чахмахчев  В.Г. Природный фактор, вызывающий трансформацию ископаемого органического вещества. Геология и геофизика, 1982, №6, 72–77.         

13. Трофимук А.А., Черский Н.В., Царев В.П., Сороко Т.И. Явление преобразования органического вещества осадочных пород под действием тектонических и сейсмических процессов земной коры //Диплом на открытие №326. Приоритет 21.04.1982. 

14. Черский Н.В., Царев В.П. Механизмы синтеза углеводородов из неорганических соединений в верхних горизонтах земной коры // Доклады АН. 1984. Т.279. №3. С. 730–735. 

15. Черский Н.В., Царев В.П., Сороко Т.И., Кузнецов О.Л. Влияние тектоно-сейсмических процессов на образование и накопление углеводородов. – Новосибирск: Наука. 1985, 224 с.  

16. Черский Н.В., Мельников В.П., Царев В.П. Явление генерации углеводородов из предельно окисленных соединений углерода и воды // Доклады АН. 1986. Т.288. №1. С.201–204. 

17. Царев В.П. Особенности нефтегазообразования в зонах тектоно-сейсмической активации. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1988, 186 с. 

18. Кудрявцев Н. А.  Против органической гипотезы происхождения нефти // Нефтяное хозяйство. 1951. № 9. C.3–8. 

19. Чекалюк Э.Б. Термодинамические основы теории минерального происхождения нефти. – Киев: Наук. думка, 1971,  256 с. 

20. Баренбаум А.А., Климов Д.С. Измерение скорости разрушения карбонизированной воды при геосинтезе // Труды ВЕСЭМПГ-2015. Т.2. М.: ГЕОХИ РАН. 2015. С.336-340. 

21. Климов Д.С. Экспериментальные исследования физико-химических явлений при участии CO2 в фильтрационных и обменных процессах: автореф. дис. канд. тех. наук. М., ИПНГ РАН, 2015, 22 с. 22. Баренбаум А.А., Закиров С.Н., Закиров Э.С., Климов Д.С., Серебряков В.А. Физико-химические процессы при заводнении нефтяных месторождений карбонизированной водой // SPE Russian Petroleum Technology Conference,  26-28 October 2015, Moscow , Russia . SPE-176729-RU. 2015. 

23. Zakirov S., Barenbaum A, Zakirov E., Indrupskiy I, Serebryakov V., Klimov D. Revisiting the Development of Oil Deposits with Low Permeability Reservoirs // Indian Journal of Science and Technology, 2016, Vol. 9(42), DOI:10.17485/ijst/2016/v9i42/ 104219 

24. Barenbaum A.A, Klimov D.S. Theoretical model Anderson-Schulz-Flory within the framework of studying the mechanism of polycondensation synthesis // Inorganic Chemistry Communications.  2020. Vol. 112, 107664. 

25. Руденко А.П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. – М.: МГУ, 1969.  276 с.

26. Глебов Л.С., Клигер Г.А. Молекулярно-массовое распределение продуктов синтеза Фишера-Тропша // Успехи химии. 1994. Т.63. №2. С.192–202. 

27. Глебов Л.С. Молекулярно-массовое распределение н-парафинов тенгизской нефти // Нефтехимия. 2002, Т.42, №2, С.92–94. 

28. Баренбаум А.А., Абля Э.А. Молекулярно-массовое распределение нормальных алканов нефти как свидетельство их поликонденсационного синтеза // Органическая минералогия. Матер. III Рос. совещ. Сыктывкар: Геопринт. 2009. С. 74-77 

29. Петренко В.И., Зиновьев В.В., Зленко В.Я. и др. Геолого-геохимические процессы в газоконденсатных месторождениях и ПХГ. М.: Недра-Бизнесцентр, 2003. 511 с. 

30. Соколов Б.А., Гусева А.Н. О возможности быстрой современной генерации нефти и газа // Вестник МГУ. Сер. геол. 1993. №3. С.48-56.

31. Соколов Б.А., Абля Э.А. Флюидодинамическая модель нефтегазообразования. М.: ГЕОС. 1999. 76 с. 

32. Муслимов Р.Х., Изотов В.Г., Ситдикова Л.М. Влияние флюидного режима кристаллического фундамента Татарского свода на регенерацию запасов Ромашкинского месторождения // Новые идеи в науках о Земле. IV Межд. конф. – М.: МГГА. 1999. Т.1. С. 264. 

33. Аширов К.Б, Боргест Т.М., Карев А.Л. Обоснование причин многократной восполнимости запасов нефти и газа на разрабатываемых месторождениях Самарской области // Известия Самарского НЦ РАН. 2000. Т.2. №1. С.166–173. 

34. Дмитриевский А.Н., Валяев Б.М., Смирнова М.Н. Механизмы, масштабы и темпы восполнения нефтегазовых залежей в процессе их разработки // Генезис нефти и газа. М.: ГЕОС. 2003. С.106-109. 

35. Гусева А.Н., Климушина, Л.П. Состояние проблемы генезиса нефти к началу XXI века // Новые идеи в геологии нефти и газа. Нефтегазовая геология в XXI веке. Часть I. М.: Изд-во МГУ. 2001. С.115-117. 

36. Дмитриевский А.Н., Баренбаум А.А., Баталин О.Ю. К вопросу о биогенном и абиогенном генезисе нефти // Прогноз нефтегазоносности фундамента молодых и древних платформ. Казань: КГУ. 2001. С.99-100. 

37. Гаврилов В.П. Микстгенетическая концепция образования углеводородов: теория и практика // Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа. К созданию общей теории нефтегазоносности недр. Кн.1. М.: ГЕОС. 2002. 

38. Дюнин В.И., Корзун А.В. Движение флюидов: происхождение нефти и формирование месторождений углеводородов. Обзорная информация. М.: Научный мир. 2003. 98 с. 

39. Гаврилов В.П. Возможные механизмы естественного восполнения запасов на нефтяных и газовых месторождениях // Геология нефти и газа. 2008. №1. С.56-64. 

40. Дмитриевский А.Н. Полигенез нефти и газа // Доклады АН. 2008. Т.419. №3. С.373 -377. 

41. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружение. М.: Наука. 2001. 376 с. 

42. Баренбаум А.А. О поступлении космического углерода и его круговороте на Земле // Экосистемные перестройки и эволюция биосферы. М.: ПИН РАН. 1998. Вып.3. С.15-29. 

43. Баренбаум A.A. Галактоцентрическая парадигма в геологии и астрономии. М.: ЛИБРОКОМ. 2010. 544 с 

44. Баренбаум А.А. Современное нефтегазообразование как следствие круговорота углерода в биосфере // Георесурсы. 2015. № 1(60). С.46–53. 

45. Баренбаум А.А. К вопросу нисходящей фильтрации воды в нефтегазоносных осадочных бассейнах // Электронный научный журнал «Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика» Вып.(2) 12. 30.12.2015. 

46. Баренбаум А.А. О возрасте нефти в залежах // Георесурсы, 2017. 19(1). С. 30-37. 

47. Баренбаум А.А. О связи процессов нефтегазообразования и дегазации с разложением подземных вод. Георесурсы, 2018. 20(4), Ч.1, С. 290-300. 

48. Баренбаум А.А. Новые представления о происхождении нефти и газа в связи с открытием явления пополнения запасов эксплуатируемых месторождений // Георесурсы, 2019. 21(3), С.34-39. 

49. Гаврилов В.П. Происхождение нефти. М.: Наука. 1986, 176 с. 

50. Войтов Г.И. Химизм и масштабы современного потока природных газов в различных геоструктурных зонах Земли // Журн. всесоюз. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 1986. Т.31. №5. С.533–539. 

51. Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф. Моделирование глобального круговорота углерода. М.: Физматлит. 2004. 336 с. 

52. Муслимов Р.Х., Глумов Н.Ф., Плотникова И.Н., Трофимов В.А., Нургалиев Д.К.  Нефтегазовые месторождения – саморазвивающиеся и постоянно возобновляемые объекты // Геология нефти и газа. Спец. выпуск. 2004. С.43–49. 

53. Ферронский В.И., Поляков В.А. Изотопия гидросферы Земли. М.: Научный мир. 2009. 632 с. 

54. Зыкин Н.Н. Попутные воды нефтегазоконденсатных месторождений как нетрадиционное сырье для газохимического производства //Газовая промышленность. Спец. выпуск. Нетрадиционные ресурсы нефти и газа. 2012. С.38–42. 

55. Уолтер Дж., Вуд Б. (ред.) Взаимодействие флюид-порода при метаморфизме. М.: Мир. 1989. 248 с. 

56. Бурков В.Д., Крапивин В.Ф. Шалаев В.С. Сбалансированная модель глобального биогеохимического круговорота углерода // Лесной вестник. 2012. Т.9. С. 86–94. 

57. Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты. СПб.: ВНИИОкеанология, 1994. 199с. 

58. Баренбаум А.А. О возможной связи газогидратов с субмаринными подземными водами // Водные ресурсы. 2007. Т.34. №5. С.620-625. 

59. Баренбаум А.А. Балансовая оценка скорости образования аквамаринных метаногидратов // Геология морей и океанов. Т.II. М.: ИО РАН. 2017. С.135-139. 

60. Мартынов В., Кучеров В., Бессель В., Лопатин А. Неорганический синтез нефти как фактор устойчивого развития глобальной энергетики // Энергетическая политика. 2022  №1(167), С.20-29. 

61. Конторович А.Э. Современное состояние теории нафтидогенеза и перспективы развития нефтегазового комплекса России в XXI веке // Международная научно-практической конференция «Новые идеи в геологии нефти и газа.  Новая реальность 2021». Москва. МГУ. 27-28 мая 2021. 

Возврат к списку

Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!