Роль физических факторов происхождения нефти
Температура. Все имеющиеся данные говорят о том, что нефть образуется на большой глубине при воздействии различных физических агентов на химически восстановленное органическое вещество. Физическими агентами, играющими роль при этом превращении являются: температура, сжатие, гидростатическое давление, время, катализаторы и радиоактивность. Некоторые из этих агентов, по-видимому, играют важную роль в процессе нефтеобразования, но хотя численное значение некоторых из них можно определить довольно точно, все же неизвестно, как они действуют и какие из них играют основную роль в превращении твердого органического вещества в нефть.
В отдельных случаях температура нефтеносных пород определяется путем измерения в скважинах; в большинстве же случаев о ней судят по глубине, средней температуре на поверхности и среднему геотермическому градиенту. Средние температурные градиенты в нефтяных месторождениях сильно варьируют. Э.А. Никольс указывает, что температурные градиенты варьируют от 0,2 до 2,3° F на каждые 100 футов глубины [т. е. от 0,11 до 1,28° С на каждые 30,5 м или от 0,36 до 4,2° С на 100 м]. В нефтяной залежи, обнаруженной в Луизиане, температура нефти на глубине в 14 000 футов (4270 м) при градиенте 1,5° F на каждые 100 футов [2,7° С на 100 м] должна достигать 285° F [140,6° С]. Таким образом, температура в известных нефтеносных свитах варьирует, по-видимому, от 40 до 150° С.
В статье Б.Б. Кокса обсуждаются различные физические условия, при которых может возникнуть нефть. В районах, где эродирована мощная толща отложений, как например, в Аппалачской области, трудно даже приблизительно определить наибольшую температуру, которой подвергались нефтепроизводящие отложения. Безусловно, максимальные температуры не являются необходимым условием нефтеобразования, хотя постепенное изменение нефти [с голубиной] позволяет думать, что она могла подвергаться воздействию повышенных температур.
Давление. Три типа давления, испытываемого осадочными породами, рассматривались в 10 главе. Все три типа примерно пропорциональны глубине и на больших глубинах могут достигать значительных величин. На глубине в 10 000 футов (3050 м) уплотняющее давление достигает 7400 фунтов на квадратный дюйм (520 кг/см2). Для суждения о следствиях, вызываемых воздействием различных типов давлений, используют, в качестве руководящей, теорему [принцип] Ле-Шателье, согласно которой действие давлений на процессы способствует такому их течению, при котором эффект давления уменьшается. Таким образом, гидростатическое давление будет способствовать реакциям, идущим с уменьшением объема, а уплотняющее давление — реакциям, которые заканчиваются переходом твердых веществ в жидкости, так как именно этот переход не препятствует уплотняющему давлению.
Другим руководящим моментом является наблюдение Бартона, заключающееся в том, что с глубиной нефти, как правило, становятся более парафиновыми и более легкими. Уменьшение удельного веса нефтей по мере увеличения глубины их залегания может происходить в результате действия давления или температуры, а переход нефти в газ в зоне высоких температуры и давления может происходить только лишь под действием высоких температур, так как это превращение приводит к большому увеличению объема. По всей видимости, нефть образуется на глубинах, превышающих 1000—2000 футов (300—600 м). На этих глубинах имеются необходимые для образования нефти высокая температура, высокое давление (особенно уплотняющее давление) и достаточное время. Все три фактора: давление, температура и время, прошедшее с момента захоронения осадков, увеличиваются с глубиной; поэтому трудно сказать, какой из них является наиболее эффективным.
Катализаторы. Часто указывается, что катализаторы играли определенную роль в процессе образования нефти. Катализатором является вещество, под воздействием которого происходит химическая реакция или которое ускоряет химическую реакцию, однако само при этом не изменяется. Различные мелко измельченные металлы являются хорошими катализаторами в процессе очистки нефти и в аналогичных процессах, а поэтому присутствие в нефти малых количеств металлов, таких как ванадий и никель, расценивается как свидетельство того, что эти металлы, путем каталитического воздействия [на органическое вещество], способствовали образованию нефти.
Р.Е. Грим утверждает, что глины могут выполнять функцию катализаторов при образовании нефти. Полагают, что под действием катализаторов переход твердого вещества в нефть [oil] и газ происходит при более низких температурах, чем те, при которых проводились опыты в лаборатории. Кроме того, такое же воздействие на процесс оказывает и время. Так как при понижении температуры в лабораторных условиях процесс превращения замедляется, то, очевидно, можно сделать вывод, что в природных условиях, когда время исчисляется миллионами лет, подобные превращения могут происходить при низких температурах.
Точные данные о влиянии понижения температуры на скорость превращения пока еще отсутствуют.
Температура разложения. При перегонке горючих сланцев [oil shales] и других битуминозных пород, содержащееся в них твердое органическое вещество переходит в жидкие или полужидкие масла [oil] или битумы. Как указывает Р. Мак-Ки, при дальнейшем повышении температуры этот промежуточный продукт разлагается, в результате чего появляются продукты дистилляции. Таким образом, температура появления начала дистиллятов имеет большое значение для установления начала диссоциации. Очевидно, что лучше всего можно судить о температуре начала диссоциации по температуре, при которой появляется газ.
Б. Т. Брукс считает, что кероген горючих сланцев начинает заметно разлагаться примерно при температуре в 482° F (250° С). По Р. Мак-Ки, первые масляные пары [смолы] (выделяются из горючих сланцев при температуре в 360°С, а по П. Траску, образование масел [смолы] в исследованных им образцах происходило в интервале от 260 да 525° С, причем 25% от общего количества газов выделялось в пределах от 170 до 600° С. Очевидно, не должно быть большого различия между температурами, наблюдаемыми в самых глубоких залежах, и температурами диссоциации, возможными при любых условиях.
Однако еще не доказано, что твердое органическое вещество переходит в нефть под действием температуры или что этот переход аналогичен образованию масел [смолы] при перегонке горючих сланцев. Органическое вещество последних вполне устойчиво при обычных геологических условиях; оно сохранилось даже в кембрийских породах. Нефтематеринское органическое вещество, по-видимому, менее устойчиво, так как оно непрерывно переходит в нефть при таких условиях, при которых горючие сланцы почти не изменяются.
Радиоактивность. Возможность превращения [органического] вещества породы в нефть и газ под воздействием альфа-лучей радиоактивных веществ обсуждалась К.У. Шеппардом, К.У. Шеппардом и У.Л. Уайтхедом и У. Расселом. Альфа-лучи, излучаемые радиоактивными элементами, присутствующими в значительных количествах во всех тонкозернистых осадках, обладают способностью превращать твердое органическое вещество в жидкие и газообразные углеводороды; однако сведения о количестве органического вещества, изменяющегося при установленной степени радиоактивности в течение геологического времени, сейчас еще настолько неопределенны, что судить по ним о роли этого процесса в образовании нефти невозможно. Полевые [геологические] данные не подтверждают важности этого процесса. По данным Р. Бирса и У. Рассела, среди осадочных пород наиболее радиоактивными являются черные, морские битуминозные сланцы. Если считать, что происхождение нефти обусловлено действием альфа-лучей, то эти сланцы можно было бы считать весьма хорошими нефтематеринскими породами, ввиду их высокой активности в отношении излучения альфа-частиц и высокого содержания в них органического вещества. Однако исследования П. Траска и Г. Патнода не подтвердили этого. По данным У. Рассела, черные сланцы Чэттенуга (Chattanooga), развитые в Кентукки, несмотря на свою высокую радиоактивность и высокое содержание органики, все же не являются источником нефти, добываемой в соседних месторождениях. Как бы то ни было, считать эту проблему решенной еще нельзя.