ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО В ПРИРОДЕ

Прежде, чем перейти к рассмотрению особой группы осадочных пород – каустобиолитов, рассмотрим как возникает и накапливается в осадках и в осадочных породах литосферы органическое вещество.

Важнейшим процессом, в результате которого в конечном итоге возникли месторождения нефти и газа, явился фотосинтез, при котором световая энергия преобразуется в химическую. В основе его лежит переход водорода из воды в углекислый газ и образование органического вещества в форме глюкозы и кислорода. Из глюкозы аутотрофные организмы могут синтезировать полисахариды, например целлюлозу и крахмал.

Б. Тиссо и Д. Вельте приводят уравнение фотосинтеза, при котором зеленые растения, используя солнечный свет, накапливают энергию (h*v) образуя глюкозу (формула 1).

6СО2+12Н2О=h*v=С6Н12О6+6О2+6Н2О (1)

Древнейшая жизнь на Земле началась около 3,7-3,3 млрд. лет назад, но скачок накопления энергии в результате фотосинтеза произошел около 2 - 1,8 млрд. лет назад (рис.2.2.) с перехода на кислородную атмосферу, что вызвало появление новых групп организмов, и их расцвет привёл к формированию каустобиолитов.

В современных условиях по данным Б. Тиссо и Д. Вельте только 18% общего количества углерода планеты в осадочных породах имеет органическую природу, тогда как 82% углерода осадочного генезиса присутствует в форме карбонатов. По мнению этих исследователей, весь атмосферный кислород, который в настоящее время входит в состав карбонатов и силикатов, образовался в процессе фотосинтеза, а соотношение кислорода и углерода в атмосфере Земли соответствует этой пропорции в составе углекислого газа.

Вслед за фитопланктоном и бактериями третьим по важности поставщиком органического вещества в осадки являются высшие растения.

С докембрия до девона естественным продуцентом первичного органического вещества оставался морской фитопланктон. Начиная с девона все более возрастающая доля стала переходить высшим наземным растениям. В настоящее время считается, что морской фитопланктон и высшие наземные растения производят примерно равное количество органического углерода. Таким образом, продуцентами органического вещества являются в основном четыре группы организмов: фитопланктон, зоопланктон, высшие растения и бактерии (рис.2.2.).

Рис.2.2. События в истории Земли, которые повлияли на эволюцию жизни. До 2 млрд. лет на Земле не происходило массового образования органического вещества (по Б. Тиссо и Д. Вельте, 1981 г).

Учитывая, что в атмосфере содержание кислорода составляет 21%, а в воде на 1 литр приходится только несколько миллиграммов растворенного кислорода, логично предположить, что накопление органического вещества в осадках может происходить только в субаквальных осадках (морях, болотах).

Ткани отмерших организмов состоят из следующих веществ: белков-протеинов, липидов, углеводов и лигнина у высших растений (табл. 3). Вот определение этих терминов из словарей в Интернете с некоторыми упрощениями или уточнениями из других словарей.

Белки - природные высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот, которые соединены пептидными связями в длинные цепи. Белки - основа кожи, шерсти, шелка и других натуральных материалов. В зависимости от формы белковой молекулы различают фибриллярные и глобулярные белки. Протеины - Простые белки, основа, на которой построены отдельные клетки животного организма и растения. [От греч. πρω̃τος — первый, важнейший].

Липиды (от греч. lípos — жир), жироподобные вещества, входящие в состав всех живых клеток и играющие важную роль в жизненных процессах.

Лигнин - органическое полимерное соединение, содержащееся в клеточных оболочках сосудистых растений. Пропитывая оболочки лигнин и целлюлоза вызывают одеревенение растений. Древесина лиственных пород содержит 2О-3О% лигнина, хвойных - до 5О%. В водрослях лигнин не обнаружен.

Углеводы - органические соединения, в состав которых входят углерод, кислород и водород. Углеводы - в растениях - первичные продукты фотосинтеза и основные исходные продукты биосинтеза других веществ. Подвергаясь окислительным превращениям, обеспечивают все живые клетки энергией, входят в состав клеточных оболочек и других структур, подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Целлюлоза (франц. cellulose - от лат. cellula, букв. - комнатка, здесь - клетка) (клетчатка), полисахарид, образованный остатками глюкозы; главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей. В коробочках хлопчатника содержится 95-98% целлюлозы, в лубяных волокнах 60-85%, в стволовой древесине 40-55%. В природе разложение целлюлозы осуществляют организмы, имеющие целлюлазу.

В отличие от морских организмов, высшие наземные растения, включая большую часть древесной растительности, содержат главным образом целлюлозу (30-50%) и лигнин (15-25%).

В додевонское время всю биомассу составляли бактерии, сине-зеленые водоросли и более высокоразвитые водоросли, обитавшие в море. Представителем более древних ископаемых природных сообществ организмов являются докембрийские угли водорослевого происхождения – шунгиты.

С начала девонского периода начинается все возрастающая дифференциация животного и растительного мира, и завоевание растениями континентов. В субаквальных осадках в составе остаточного, сформированного биологическим путем органического вещества, можно встретить три основных природных комбинации (табл. 3).

Таблица 3. Основные химические компоненты морского планктона в процентах от сухого веса (по Б. Тиссо и Д. Вельте, 1981 г).

Следует отменить, что органическое вещество преимущественно наземного происхождения с высоким содержанием лигнина и углеводов характеризуется соотношением Н/С примерно 1,0-1,5 и наибольшей степенью ароматичности структуры. В органическом материале, образованном главным образом остатками автохтонного морского планктона, величина соотношения Н/С достигает примерно 1,7-1,9. Это органическое вещество имеет алифатическую и алициклическую структуру. В силу некоторых особенностей, благоприятными условиями для накопления обогащенных органическим материалом осадков являются зоны континентальных шельфов в зонах со спокойными водами: лагуны, эстуарии и глубокие впадины с ограниченной циркуляцией вод, а также – континентальные склоны. Вследствие особенностей химического состава устойчивы для сохранения в осадке липидные (или жироподобные) вещества как водонерастворимые соединения. Они лучше сохраняются входя в состав детритового органического материала (в меньшей степени - в состав растворенного органического материала) делая содержащие их осадки потенциально нефтематеринскими породами.

Все остальные вещества в водной среде гидролизуются, и, как следствие, в дальнейшем участвуют в пищевой пирамиде и в осадках не сохраняются. Наиболее обогащены подобным детритовым материалом алеврито-глинистые породы (табл. 4).

Таблица 4. Изменение содержания органического вещества в осадках серии Викинг Канады в зависимости от размерности пород (по Б. Тиссо и Д. Вельте, 1981 г).

Обогащённые органическим веществом осадки способны формироваться в любом районе, где сохраняется высокий уровень поставки органического материала, относительно спокойных гидродинамический режим и средние скорости накопления тонкозернистых минеральных частиц. Минеральные частицы пелитовой (глинистые минералы) размерности легко адсорбируют органический материал. Эта тонкая минеральная взвесь вместе с взвешенными частичками детритового органического вещества характеризуется низкой плотностью и поэтому выносится из районов с высоким уровнем гидродинамической активности в зоны распространения более спокойных вод.

Для накапливающихся здесь тонкоразмерных осадков характерен ограниченный доступ растворенного молекулярного кислорода, вследствие чего возрастает вероятность сохранения органического вещества. При возрастании скорости седиментации наступает разубоживание и формируются осадки с низким содержанием органического вещества.

Липиды, сохранившиеся в осадках и преобразованные в результате проявления диагенетических и катагенетических процессов, называются битумами. При повышенном их содержании формируются битуминозные породы, такие как битуминозные песчаники, известняки. Особенностью битумов является их способность растворяться в скипидаре, хлороформе и других растворителях. Выделяется также группа веществ, которых в названных жидкостях не растворимы, но при прокаливании породы они выделяют летучие компоненты. Это - пиробитумы. К ним относятся такие твердые битумы, как антраксолиты, альбертиты, шунгиты.

Форма нахождения органических веществ в осадочных породах весьма различна. Различают: растительный детрит; капли и комочки, выполненные органическим материалом (в том числе кусочки окаменевшей смолы); органическое вещество может находиться в форме сорбентов на поверхности минеральных частиц породы; кроме того, органическое вещество может находиться и в рассеянной форме, например в виде органического вещества, входящего в состав кристаллической решетки минералов породы.

При изучении петрографического состава пород при помощи поляризационного микроскопа принято подразделять фрагменты органического вещества на три группы:

1-ая группа включает тонкодисперсное ОВ, размер частиц которого менее 0,005 мм. Оно практически не видимо и усматривается в виде серого оттенка породы, так как находится в основном в сорбированном состоянии;

2-ая группа включает мелкий спорово-пыльцевой и растительный детрит с размером частиц органического вещества более 0,005 мм. Здесь органическое вещество уже отделяется от вмещающей породы и различимо в виде мелких фрагментов.

3-ья группа включает органическое вещество, попавшее в породе уже в процессе постседиментационного преобразования, в катагенезе или эпигенезе. Их размер и форма нахождения зависит от вторичных процессов, преобразующих вмещающую породу. Они либо развиты по микростилолитам или трещинам, либо выполняют поры или каверны в породе. Это – капли нефти, мигрирующие по трещинам и порам породы.

В морских и озёрных осадках сохраняются липиды, остальные органические вещества, попавшие в осадок гидролизуются, переходят в сахарах и уходят на питание микроорганизмов, обитающих в водоёмах.

Благоприятными условиями для накопления обогащенных ОВ морских осадков являются зоны континентальных шельфов в зонах со спокойными водами: лагуны, эстуарии и глубокие впадины с ограниченной циркуляцией вод, а также – континентальные склоны.

САПРОПЕЛИТЫ

Веществом, на примере которого наиболее ярко видны принципы формирования нефти из осадочных пород, обогащенных органическим веществом, являются сапропели. Сапропель (сапрос – гнилой, пилос – ил) (рис. 2.3.) формируется в результате разложения анаэробными бактериями (без доступа кислорода) остатков членистоногих, водорослей, планктона с формированием в результате органогенного ила и характеризуется высоким содержание органического углерода или С орг.

Рис. 2.3. Относительное положение залежей торфа и сапропеля в условиях озерно-болотного ландшафта. (В.Н. Волков, 2005г.)

Сапропель выглядит как однородная бурая масса полупрозрачная в тонких прослоях, напоминающая засохший столярный клей. Процессы преобразования пород типа сапропелей происходит в результате их погружения на определенную глубину, в результате чего возрастают температура и давление, и, как следствие, исходное органическое вещество породы обезвоживается, в нем возрастает содержание водорода, уменьшается содержание кислорода и азота. В качестве возможного источника протонефти рассматривается также гумусовое органическое вещество, слагающие многие угольные месторождения нашей планеты.

Исходное органическое вещество осадочных пород при их погружению на глубину попадает в зону все возрастающих температуры и давления. В этих породах постепенно происходят процессы преобразования, в результате которых остаются преимущественно измененные липиды, и формируется протонефть. Считается, что минимальное давление, при котором начинает формироваться первые месторождения нефти, отвечает перекрытию вышележащими породами более 900 м.

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ

Процесс образования нефти сопровождается обогащением органического вещества водородом. Этот процесс именуется гидрогенизацией. Вопрос об источнике водорода в настоящее время различными исследователями рассматривается по разному. Часть из них считает, что водород является неотъемлемой частью осадочного процесса и входит в состав нефтей по мере их преобразования в недрах без привноса водорода извне, другие исследователи считает этот водород привнесенным из глубин Земли.

Исследования современных ученых обширны и очень сложно аргументированы. Отдельно рассматривается преобразование сапропелевого и гумусового по происхождению органического вещества. По данным, приведенным О.К. Баженовой и др. (2004), был проведен эксперимент с третичными бурыми углями, которые нагревали в анклаве (более 6 лет) с увеличением температуры испытываемого материала на 1°С в неделю. Бурые угли в результате преобразовались в смесь жирного газа, углекислого газа и воды. В это же время пермский торбанит (разновидность богхеда, встречающегося в Шотландии, субаквальной природы) в этих же условиях генерировал продукт, не отличимый от сырой парафинистой нефти. Таким образом, считается установленным образование нефти из морских отложений, а не из континентальных преимущественно растительных, с которыми исследователи связывают генерацию газа.

Конечным продуктом преобразования органического вещества на глубине является графит и метан. При погружении на глубину с повышением давления и температуры в диагенезе первым начинает генерироваться газ, потом в катагенезе включается генерация нефти, и на катагенез приходится сначала пик генерации нефти, потом пик генерации газа, потом генерация нефти завершается, и генерация газа, так называемое «газовое дыхание» завершает этот процесс в стадию метагенеза.

Около 2-1,8 млрд. лет в результате появления кислородной атмосферы животные организмы, попадая после жизни в осадок стали формировать некие осадочные породы типа сапропелитов, которые спустя 2 млрд. лет дошли до нашего времени постепенно преобразуясь в виде шунгитов. Из первичных сапропелитов докембрия, вероятно, первоначально генерировалась нефть, в настоящее время это – углеподобные породы, похожие на антрациты (угольный ряд).

Около 430-410 млн. лет (силурийский период палеозоя) растительность вышла на сушу и в болотных условиях на суше стали накапливаться угли. Около 400-330 млн. лет - в девоне-карбоне сформировалось большое количество месторождений углей. Угли при метаморфизме продуцируют газ, в меньшей степени протонефть. Шунгиты, сапропелиты и угли, проходя на глубине преобразование, и сохраняются в преобразованном состоянии на протяжении всей истории своего существования в той или иной степени продуцируют и нефть и газ.

Весь комплекс пород, исходных для возникновения нефти и газа, нефть, газ и уголь, находящиеся в недрах Земли получили общее название «каустобиолиты».

КАУСТОБИОЛИТЫ

Предметом изучения настоящего учебного курса являются нефть и газ. Нефть, газ, угли и горючие сланцы, твердые битумы представляют собой особую группу минеральных образований земной коры. Они сформировались в результате преобразований органического вещества, первоисточником которых являлись живые организмы. Захороненное в породе органическое вещество изменяется по мере погружения пород земной коры вследствие геотермического градиента и повышения давления с глубиной.

В настоящем учебном курсе основное внимание уделено нефтяной ветви каустобиолитов. А так как угли рассматриваются в другом учебном курсе с соответствующим наименованием, то мы тему углей здесь не рассматриваем.

Итак, все горючие полезные ископаемые подразделяются на два больших ряда: угольный и нефтяной (см. рис.1.14, стр.31.). Нефти характеризуются весьма незначительным колебанием содержания углерода (83-87%), водорода (12-14%) и кислорода (от десятых долей % до 1,5%), отмечается примесь серы и азота (до 1-2%), в то время как в каустобиолитах угольного ряда диапазон их содержания изменяется более значительно.

2.6. ЧТО ТАКОЕ «НЕФТЬ»? ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ

Нефть – жидкое полезное ископаемое, состоящее в основном из углеводородных соединений. По внешнему виду это маслянистая жидкость буровато-черного реже светло-коричневого цветов. Она флюоресцирует на свету, особенно при ультрафиолетовом освещении. При характеристике химического состава нефти обычно оценивают содержание таких элементов, как углерод, водород, кислород, сера и азот. Первые два элемента, вошедшие в название «углеводороды», преобладают и составляют более 90% (табл. 5).

Табл. 5. Углеводородные соединения, слагающие нефть.

Компоненты нефти	Графическое изображение
1. Парафиновые (метановые или алканы) - алифатические соединения, которые соединены прямыми цепочками, бензольного кольца не содержат). На рисунке метан и этан.
2.нафтеновые (полиметиленовые или цикланы); На рисунке: циклопропан, тетрагидрофуран, пиперидин
3.ароматические (арены) - бензольное кольцо, На рисунке: бензольное кольцо и анилин, имеющий в своём составе бензольное кольцо

Характеристики нефти и газов приводят в своих работах многие исследователи. Нами, при изложения материала, выбраны как наиболее полные работы следующих авторов: О.К. Баженовой, Ю.К. Бурлина, Б.А. Соколова и др. (2004), Э.А. Бакирова, В.И. Ермолкина, В.И. Ларина (1980). Предваряя рассказ про нефть, хочется напомнить высказывание Н.Б. Вассоевича, который дал следующее этому понятию: «Нефть - это жидкие гидрофобные продукты процесса фоссилизации органического вещества пород, захороненного в субаквальных отложениях».

Таким образом, как указано в таблице, углеводородные соединения, слагающие нефть подразделяются на: парафиновые (метановые или алканы); нафтеновые (полиметиленовые или цикланы); ароматические (арены); смешанные.

Парафиновые углеводороды С_nH_2n+2делятся на нормальные и разветвленные.

Нафтеновыеуглеводороды представлены углеводородами с формулой С_nH_2n.

Ароматическиеуглеводороды делятся на моноарены (бензол и его гомологи С_nH_2n-6) и полиарены (С_nH_2n-12,С_nH_2n-18,С_nH_2n-4).

В молекулах смешанных углеводородов имеются различные структурные элементы: ароматические кольца, парафиновые цепи, пяти- и шестичленные нафтеновые циклы.

Гетероорганические соединения могут составлять 10-20% сырой нефти. В их состав, кроме углерода и водорода, входят, главным образом, кислород, сера и азот. Нефть содержит микропримеси таких элементов, как никель, ванадий, натрий, серебро, кальций, алюминий, медь, как первоначально входившие в состав организмов, сформировавших нефть. По О.К. Баженовой и др. (2000 г) дана более подробная картина.

2.7. СОСТАВ И СВОЙСТВА НЕФТЕЙ

В химическом отношении нефть представляет систему сложного природного углеводородного раствора, в котором растворителем являются легкие углеводороды (УВ), а растворенными веществами прочие компоненты - тяжелые УВ, смолы, асфальтены. Характерные свойства этой системы - преимущественно углеводородный состав и фазовая обособленность от природных вод - гидрофобность, способность перемещаться в недрах, при этом, не смешиваясь с водами, насыщающими горные породы.

Основные химические элементы, из которых состоит нефть - углерод и водород. Содержание углерода в нефти 83-87%, а водорода 11,5—14,5%. Главные компоненты нефти — углеводороды (УВ), кроме того, в нефти присутствуют такие гетероэлементы, как кислород, азот, сера, фосфор и другие. Нефти могут содержать примеси: серы до 7—8% (обычно меньше), азота до 2%, кислорода до 4%, фосфора до 0,1%, многочисленные микроэлементы: ванадий и никель (наиболее широко представлены), а также железо, цинк, вольфрам, ртуть, уран и др.

Гетероэлементы входят в состав неуглеводородных соединений - смол и асфальтенов. Содержание смолисто-асфальтеновых компонентов так же, как и гетероэлементов, в целом в нефтях невелико, но их содержание во многом определяет свойства нефтей. Смолы, вязкие полужидкие образования, содержащие кислород, азот и серу, растворимые в органических растворителях, их молекулярная масса изменяется в пределах 600 - 2000. Асфальтены - твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных алканах, содержащие высококонденсированные УВ структуры с гетероэлементами молекулярной массой от 1500 до 10000.

По примеси асфальтеново-смолистых веществ выделяются нефти: малосмолистые 10%, смолистые 10-20% и высокосмолистые более 20%. По содержанию серы: малосернистые до 0,5%, сернистые 0,5-2%, высокосернистые более 2%.

Важным показателем качества нефти является фракционный состав. В процессе перегонки при постепенно повышающейся температуре из нефти отгоняют части - фракции, отличающиеся друг от друга пределами выкипания. При атмосферной перегонке получают следующие фракции: выкипающие до 350°С - светлые дистилляты: н.к. (начало кипения) 140°С - бензиновая фракция; 140-180°С - лигроиновая (тяжелая нафта); 140-220°С - керосиновая фракция; 180-350 (220-350)°С - дизельная фракция (легкий газойль, соляровый дистиллят).

В последние годы фракции, выкипающие до 200°С, называют легкими, или бензиновыми, от 200 до 300°С - средними, или керосиновыми, выше 300°С - тяжелыми, или масляными. Все фракции, выкипающие до 300°С, называют светлыми, остаток после отбора светлых дистиллятов (выше 350°С) - мазутом.

Мазут разгоняют под вакуумом, при этом получают следующие фракции. в зависимости от переработки: для получения топлива -350 - 500°С - вакуумный газойль (вакуумный дистиллят) и более 500°С - вакуумный остаток (гудрон). Для получения масел - 300-400°С - легкая фракция, 400-450°С - средняя фракция, 450-490°С - тяжелая фракция, более 490°С - гудрон.

2.8. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ

Все физические свойства нефти - цвет, плотность, вязкость, растворимость, температура кипения и застывания, оптические и электрические свойства изменяются в зависимости от состава и структуры входящих в нефть индивидуальных компонентов.

Плотность нефтиизменяется в пределах 0,730—1,04 г/см³, наиболее представлены величины - 0,82-0,90 г/см³. По плотности нефть подразделяется на классы: очень легкая (до 0,80 г/см³), легкая (0,80-0,84 г/см³), средняя (0,84-0,88 г/см³), тяжелая (0,88-0,92 г/см³) и очень тяжелая (более 0,92 г/см³). Низкая плотность нефтей обусловлена преобладанием метановых УВ, низким содержанием смолисто-асфальтеновых компонентов, во фракционном отношении - высоким содержанием бензиновых и керосиновых фракций. Тяжелые нефти своим высоким удельным весом обязаны повышенной концентрации смолисто-асфальтеновых компонентов, преобладанию в структуре УВ циклических структур и низкому содержанию легко кипящих фракций. В недрах в условиях повышенных температур и давлений в нефти обычно растворено какое-то количество газа, поэтому плотность нефти в пласте значительно ниже, чем на поверхности. В США плотность нефти измеряется в других единицах — API (American Petroleum Institute, градус): высокие значения API соответствуют низким значениям плотности.

Вязкость - это свойство оказывать сопротивление перемещению частиц под влиянием приложенной силы. B применении к жидкостям различают вязкость динамическую и кинематическую. Динамическая вязкость, это сила сопротивления перемещению слоя жидкости площадью в 1 см² на 1 см со скоростью 1 см/с, она измеряется в пуазах (г/см-с); в Международной системе единиц СИ - единица измерения Паскаль в секунду - это сопротивление, оказываемое жидкостью при перемещении относительно друг друга двух ее слоев площадью каждый 1 м² на расстояние 1 м со скоростью 1 м/с под действием приложенной силы 1 Н. Динамическая вязкость воды 1 м Па*с.

Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью. Кинематическая вязкость - отношение динамической вязкости к плотности жидкости; (Ст = см²/с = 10^-4 м²/с, измеряется в стоксах; в единицах СИ - м²/с).

В практике также используется условная вязкость, определяемая скоростью вытекания испытуемой жидкости в стандартных условиях. Приборы для определения вязкости называются вискозиметрами. Вязкость нефти меняется в широких пределах в зависимости от свойств (от менее 0,1 до 10 м Па*с). Чем тяжелее нефть, тем она менее текучая и подвижная. Среди УВ с одинаковым числом атомов углерода в молекуле наибольшей вязкостью характеризуются нафтеновые, затем следуют ароматические и метановые; внутри единого гомологического ряда вязкость увеличивается с ростом молекулярной массы; вязкость нефти растет с увеличением в ней смолисто-асфальтеновых компонентов и уменьшается с повышением температуры и увеличивается с повышением давления. В пластовых условиях, если в нефти растворен газ, то вязкость ее может снизиться в десятки раз.

Поверхностное натяжение нефти σ, это стремление жидкости уменьшить свою поверхность. Оно обусловлено силами притяжении между молекулами, внутри жидкости силы взаимно компенсируются. На поверхности на молекулы действует некомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь от поверхности жидкости, поэтому здесь молекулы обладают определенной потенциальной энергией.

Поверхностное натяжение - σ, это отношение работы, требующейся для увеличения площади поверхности, к величине этого приращения (в системе единиц СИ измеряется в Дж/м²). Поверхностное натяжение также измеряется в Н/м (Ньютон на метр), или дин/см — это сила, действующая на 1 см линии, ограничивающей поверхность, направленная по нормали к этой линии в сторону уменьшения поверхности жидкости, лежащая в плоскости, касательной к жидкости в данной точке: для нефти σ = 0,03 Н/м, Дж/м², или 25-30 дин/см; для воды σ = 0,07 Н/м, Дж/м², или 73 дин/см. Чем больше поверхностное натяжение, тем больше проявляется капиллярный подъем жидкости. Величина поверхностного натяжения у воды почти в три раза больше, чем у нефти, что определяет разные скорости их движения по капиллярам. Это свойство влияет на особенности разработки залежей и т.д.

Температура застывания,этотемпература, при которой охлажденная в пробирке нефть не изменит уровня при наклоне на 45°. Она возрастает с увеличением в нефти твердых парафинов, а с повышением содержания смол температура застывания снижается.

Растворимость нефти в воде при обычных температурах ничтожна, но она резко возрастает при температуре больше 200°С. Жидкие УВ и гетероатомные соединения легче образуют в воде миццелярный раствор. Растворимость индивидуальных УВ повышается в ряду: алканы —цикланы — арены — смолы. Растворимость УВ в воде снижается с ростом ее минерализации. Нефть хорошо растворяется в углеводородном природном газе.

Мицеллярные растворы - растворы поверхностноактивных веществ, в которых крупные молекулярные (ионные) ассоциаты (мицеллы) находятся в термодинамич. равновесии c неассоциированными молекулами (ионами) (по Геологическая энциклопедия).

Оптические свойства нефти. Нефть обладает способностью вращать плоскость поляризованного луча света, люминесцировать, преломлять проходящие световые лучи. В подавляющем большинстве случаев нефти вращают плоскость поляризованного луча света вправо, но известны и левовращающие нефти. Отмечено, чем моложе нефти, тем больше угол поворота поляризованного луча. Поскольку образование веществ, обладающих оптической активностью, характерно для жизненных процессов, то оптическая активность нефтей является важным свидетельством их генетической связи с биологическими системами. Установлено, что главными носителями оптической активности нефти являются полициклические циклоалканы - стераны тритерпаны, так называемые хемофоссилии.

Показатель преломления нефти или узкой фракции нефти определяется на границе воздух-жидкость производят на специальных приборах - рефрактометрах. Величина показателя преломления зависит от относительного содержания углерода и водорода в гомологических рядах, он растет с увеличением числа атомов углерода: от метановых УВ (1,3575—1,4119) к ароматическим (у бензола n = 1,5011).

Все соединения нефти имеют определенные спектры поглощения, излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне, а ароматические в ультрафиолетовом (УФ). На этом свойстве молекул основаны ИК и УФ спектроскопия нефтей и фракций нефтей.

Люминесценция, или «холодное» свечение под действием внешнего облучения - неотъемлемое свойство всех нефтей и природных продуктов их преобразования. Характерной чертой люминесценции является то, что способностью люминесцировать обладают не чистые вещества, а растворы. Нефть — это природный раствор способных к люминесценции веществ - смол в нелюминесцирующих в основном соединениях - углеводородах. Люминесцирующие вещества имеют свои определенные спектры, отражающиеся в цвете люминесценции, их концентрация выражается в интенсивности свечения. На люминесцентных свойствах соединений нефти основан ряд методов исследования: люминесцентная спектроскопия, люминесцентная микроскопия, битуминология. Нефть является диэлектриком и обладает высоким удельным сопротивлением (10¹⁰-10¹⁴ Омм).

2.9. ХЕМОФОССИЛИИ

Хемофоссилии - биологические метки, реликтовые вещества, химические ископаемые, биологические фоссилии, молекулярные фоссилии, биомаркеры и др. Эти различные названия были предложены геохимиками разных стран для обозначения химических соединений, встречающихся в нефтях (в ОВ пород и углях), близких по структуре биологическим молекулам. А.Н. Гусева и И.Е. Лейфман определяют хемофоссилии как остатки органических соединений организмов, распознаваемые на химическом молекулярном уровне. По мнению А.А. Петрова, к таковым следует относить все углеводородные и неуглеводородные соединении, в которых узнается структура биологических предшественников, а не только те, которые без изменения перешли из исходного ОВ в нефть.

Хемофоссилии, являясь биологическими индикаторами, могут нести информацию об исходном материнском веществе нефти, использоваться в качестве корреляционных параметров (нефть-нефть и нефть - материнская порода), для реконструкции условий осадконакопления.

Хемофоссилии включают две группы соединений: неуглеводородные соединения и УВ. Наиболее широко распространенными представителями первой группы являются порфирины. Эти соединения были идентифицированы в нефтях еще в 1934 г. А Трейбсом. Порфирины - тетрациклические азотсодержащие органические соединения, основой их структуры является порфириновое ядро, состоящее из четырех связанных друг с другом пиррольных колец.

В нефтях содержатся металлопорфирины, в которых азот пиррольных колец соединен с ванадием или никелем. Биологическими предшественниками нефтяных порфиринов считают широко распространенные в природе пигменты, имеющие порфириновую структуру. Хлорофилл растений содержит металлоорганические порфириновые комплексы с магнием, гемоглобин животных, металлокомплексы с железом.

Важнейшим, свойством реликтовых УВ является их гомологичность, т.е. эти УВ присутствуют в виде серии гомологов, имеющих в основе общую структурную группу. Другое важное свойство реликтовых УВ - их высокая концентрация в нефтях, обычно значительно превышающая равновесные концентрации близких по строению изомеров.

Реликтовые УВ являются источником значительной части преобразованных УВ нефтей. Реликтовые углеводородные соединения тесно связаны с исходными биомолекулами. Знание этой связи облегчает исследование нефтяных УВ, так как гомологичес­кие серии обычно имеют характерные для исходных веществ черты строения, которые затем реализуются в их нефтяных производных.

Главная особенность этих УВ соединений - способность при изменении условий в процессе диа- и катагенеза изменять пространственное положение определенных атомов. Эта эпимеризация (пространственная изомеризация) является как бы степенью преобразованности исходных биомолекул в процессе созревания вещества нефти.

На основе отношения биостеранов и новообразованных изомеров - изостеранов рассчитывается коэффициент созревания или зрелости нефти.