Найти залежи нефти, узнав природу образования - цель ученых Тюменского индустриального университета

Тюменские ученые развивают идеи чл.-кор. Нестерова, ставшие теоретической базой фундаментальных исследований и экспериментальных работ во взгляде на изучение процесса формирования месторождений нефти

       Переход от традиционных энергетических ресурсов к возобновляемым источникам энергии требует новых технологических решений. Экспертами предлагаются оригинальные подходы для выявления нефтегазовых месторождений с учетом того, что в основе образования нефти и газа лежат различные процессы. Например, важное значение имеет исследование механизма и закономерностей образования (взаимодействие внутримолекулярных или спиновых полей), структуры и состава углеводородов и гетеросоединений.

Ученые Тюменского индустриального университета (ТИУ, г. Тюмень) ведут длительную многолетнюю работу по изучению процессов формирования нефтяных месторождений в нефтематеринских породах. Проведенные экспериментальные и аналитические исследования подтверждают новаторство заложенных членом-корреспондентом РАН И.И. Нестеровым фундаментальных идей, которые сохраняют инновационный ресурс и актуальность.  В частности, специалисты ТИУ рассматривают явление спинового катализа и его роль в процессах нефтегенерации, изучают влияние природных геомагнитных полей на процесс генерации углеводородов и предлагают принципиально новый комплекс поисковых критериев залежей нефти в нефтематеринских отложениях (в баженовской свите).

Андрей Александрович Пономарев – ассистент кафедры Геологии месторождений нефти и газа Института геологии и нефтегазодобычи Тюменского индустриального университета (г. Тюмень) – рассказал об авторской концепции формирования месторождений нефти в баженовской свите, выдвинутой коллективом исследователей ТИУ, и о вкладе в дело геологии своего Учителя и Наставника, члена-корреспондента РАН Ивана Ивановича Нестерова, научное наследие которого бережно хранится и развивается нынешним поколением учеников.

Каковы сегодня приоритетные задачи и проблемы атомной и молекулярной геологии и как их решение (включая проводимые вами исследования) может способствовать развитию нефтегазовой геологии в ближайшем будущем?

«Насчет атомной или молекулярной геологии – это довольно громкое название, которое мог себе позволить наш Учитель Нестеров Иван Иванович. Я думаю, что геология, а точнее геохимия сама по себе является атомной и молекулярной, но вот что касается фундаментальных представлений о процессах нефтегазогенерации в нефтематеринских породах и о процессах, влияющих на геохимическую эволюцию нефти – здесь, безусловно, вопросы есть.  Задача и приоритетное направление нефтегазовой геохимии – это, как и всегда, накопление и создание достоверных знаний о процессах формирования нефтегазовых месторождений. Современная тенденция в нефтегазовой отрасли – это цифровизация всего и вся, но я думаю, что, прежде чем что-то цифровизовать, в первую очередь необходимо, чтобы процесс цифровизации был понятным.

В настоящее время процесс формирования нефтегазовых залежей описывается согласно биогенной теории – в целом мы с ней согласны. Но считаем, что конкретный процесс нефтегазогенерации заслуживает дополнительного изучения. При бассейновом моделировании для описания процесса нефтегазогенерации из органического вещества используется химико-кинетическое моделирование, в основе которого лежит уравнение Аррениуса. В упрощенном смысле оно подразумевает, что скорость химических реакций увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 градусов Цельсия.

Я не химик – я геолог, и с моими базовыми знаниями химии у меня не укладывается в голове, как могут разорваться высокоэнергетические связи углерод-углерод, соответствующие температуре разрыва связи 300 и более градусов Цельсия в органическом веществе при пластовой температуре, не превышающей 120-140 градусов по Цельсию. Это же самое мнение разделял и наш Учитель Нестеров, поэтому он еще в XX веке предложил свою собственную теорию, которая описывает процесс нефтегазогенерации за счет активации цепных радикальных реакций (см. Рис. 1).

То есть в пласте при определенных условиях внешней среды (пластовой температуре, давлении, магнитной обстановке) начинают протекать экзотермические реакции с выделением тепла, достаточного для разрыва высокоэнергетических связей углерод-углерод (-С-С-) в органическом веществе. Но касаемо этой теории было проведено не так много экспериментов, в своих же исследованиях мы провели дополнительные эксперименты, которые показывают, что количество сгенерированных из органического вещества углеводородов в присутствии магнитного поля выше, чем без магнитного поля. Точно объяснить этот процесс пока что мы не можем, но мы предполагаем участие в этом спинового катализа (это процесс увеличения скорости химических реакций в магнитных полях). Мы думаем, что в магнитных полях интенсивность нефтегазогенерации возрастает либо за счет снижения энергии активации в высокоэнергетических связях -С-С-, либо за счет многократного увеличения скорости химических реакций (второе исходя из логики химико-кинетического моделирования).

Решение этой проблемы – оценки роли геомагнитных полей в процессах нефтегазогенерации – может в значительной степени повысить эффективность геологоразведочных работ на нефть и газ. Первую ступень в этом направлении мы преодолели – выделили поисковые критерии для залежей нефти в баженовской свите (то есть в нефтематеринской породе – вопрос миграции нефти мы не рассматривали)», – дал аргументированный ответ Андрей Пономарев.

Член-корреспондент РАН Иван Иванович Нестеров – ведущий российский специалист в области геологии нефтяных и газовых месторождений, основал в Тюмени геологическую школу по разработке инженерных технологий на базе изучения геологических процессов. В вопросах изучения процессов образования нефти и газа опирался на труды академика А.Л. Бучаченко (который известен открытием спинового катализа), потому что, по мнению Андрея Пономарева, «видел в них рациональное зерно, необходимое для объективного описания процессов нефтегазогенерации».

По словам ученого, «явление спинового катализа простым языком можно объяснить как значительное увеличение скорости химических реакций во внешнем магнитном поле, также оно распространяется и на химические реакции с участием стабильных изотопов, обладающим магнитным моментов. Если не ошибаюсь, А.Л. Бучаченко выделил порядка 10 таких изотопов, а последние исследования Ивана Ивановича свидетельствуют о том, что магнитным эффектом могут обладать еще несколько изотопов, так как по своей атомной конфигурации они очень похожи на те 10 изотопов» (об этом  в статье Нестеров Н.И., Александров В.М., Пономарев А.А., Заватский М.Д., Лободенко Е.И., Кобылинский Д.А., Кадыров М.А. Экспериментальные исследования радикальных реакций преобразования углеводородного сырья. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2019;(4):57-69. https://doi.org/10.31660/0445-0108-2019-4-57-69).

Какую роль спиновый катализ играет в процессах нефтегазогенерации?

«Насчет роли спинового катализа и изотопов с магнитным эффектом в нефтегазовой геологии – этот аспект практически не изучен. Во всем мире этим вопросом, наверное, занимается только наш научный коллектив (ученики Нестерова). Всё на уровне гипотезы. Постараюсь объяснить простым языком: в настоящее время в нефтегазовой геологии наиболее распространена биогенная теория – за миллионы лет накапливалось органическое вещество на дне водоемов, далее происходил процесс осадконакопления терригенного материала, все это дело погружалось – происходило повышение температуры и давления и, соответственно, в результате этого сложные твердые углеводороды превращались в более простые жидкие и газообразные. Но проблема в том, что никто еще не доказал в лабораторных условиях возможность нефтегазогенерации при температурах эквивалентным пластовым (80-140 градусов по Цельсию). Все имеющиеся эксперименты показывают процесс генерации углеводородов в лабораторных условиях при температурах выше 300 градусов по Цельсию. И геохимики, и математики говорят, что высокие температуры компенсируются длительностью геологического времени. Мы с этим не согласны и считаем, что нужно искать дополнительные факторы внешней среды, оказывающие влияние на процесс нефтегазогенерации. Мы считаем, что геомагнитные поля оказывают непосредственное влияние на процесс нефтегазогенерации, и в магнитном поле интенсивность генерации возрастает. В геологических условиях дискретность геомагнитного поля обусловлена, во-первых, инверсией геомагнитных полюсов (напряженность геомагнитного поля на экваторе в два раза ниже, чем на полюсах); во-вторых, дизъюнктивными нарушениями, в которых происходят электромеханические эффекты при трении горных пород друг об друга, возможно, есть еще один фактор; в-третьих, смешивание пластовых вод разной минерализации при миграции. Влияние этих трех факторов на процессы нефтегазогенерации совершенно не изучено. Мы в своем исследовании рассмотрели первый фактор и нашли некоторые закономерности», – прокомментировал исследователь.

В чем в данном случае проявляется междисциплинарный аспект?

«Геохимиками-нефтяниками явление спинового катализа не изучалось. Этот вопрос связан с тем, что у нас колоссальные запасы нефти и газа в Российской Федерации, и до недавнего времени (пока не наступила проблема обводненности большинства месторождений) геологоразведочным работам уделялось не очень много внимания. Существующая биогенная теория вполне себе эффективно работала и выявляла новые месторождения. Сейчас настало время, когда геологоразведке нужна новая теория, которая может объяснить открытие существующих месторождений, а также открыть новые.

Иван Иванович был настоящим ученым и решил эту проблему еще до ее наступления, так сказать, оставил нам наследство в виде необходимости междисциплинарного изучения процессов нефтегазогенерации. Дело в том, что явление спинового катализа и свойства изотопов с магнитным моментом – это очень тонкая фундаментальная химия, в университетах геохимикам и нефтяникам такие знания не дают. Поэтому нужна коллаборация – нужно подключать в нефтегазовую геохимию специалистов по фундаментальной химии. Проблемы нефтегазовой геохимии уже сформулированы – нужно объяснять достоверно, при каких условиях возможен процесс нефтегазогенерации в пласте», – высказался ученый.

Говоря о перспективах применения спинового катализа, Андрей Пономарев отметил: «Иван Иванович говорил, что с помощью этих явлений можно создать принципиально новые материалы типа сверхпроводников или сверхпрочных наноматериалов, или сверхэффективные катализаторы. Секрет в том, что нужно использовать в исходном сырье стабильные изотопы с магнитным моментом».

Примечательно, что у профессора Нестерова большое количество учеников, и многие из них продолжают развивать идеи своего Учителя и занимаются фундаментальными исследованиями. Среди них – к.г.-м.н., заведующий кафедрой геологии месторождений нефти и газа Михаил Дмитриевич Заватский, область профессиональных интересов которого – наземные геохимические исследования при поиске залежей нефти и газа;  аспирант ТИУ, директор компании ООО “ТюменьНефтеТехнологии” Марсель Алмазович  Кадыров, который разрабатывает и производит химию для борьбы с АСПО и солеотложениями;  к.г.-м.н., главный геолог ООО «Тандем», доцент ТИУ Вадим Михайлович Александров – принимает активное участие в изучении влияния геомагнитных полей на процессы генерации УВ.

Следуя научным идеям своего Наставника и научного руководителя, Андрей Пономарев теперь со своими коллегами и единомышленниками из Тюменского индустриального университета занимается вопросами, связанными с задачами развития нефтегазовой геологии.

 «С первого курса студенчества я начал заниматься научной деятельностью сначала под руководством Михаила Дмитриевича Заватского, а когда поступил в аспирантуру, мне посчастливилось работать под руководством Ивана Ивановича Нестерова – он научил меня не только нестандартному научному мышлению, но и настоящей человеческой дружбе», – признался тюменский исследователь.

Молодой ученый уделяет внимание нескольким важным аспектам, в частности, в его диссертационном исследовании на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук «Ядерно-электронные взаимодействия при формировании топливно-энергетического потенциала баженовского горизонта».

«Во-первых, я провел дополнительные эксперименты, свидетельствующие в пользу идеи Нестерова о влиянии на процесс нефтегазогенерации внешних магнитных полей. Во-вторых, я попытался раскритиковать современный подход к химико-кинетическому моделированию, используя при этом критику биогенной теории с позиции абиогенной (неорганической) теории. В-третьих, выявил взаимосвязь между залежами нефти в баженовской свите и магнитными аномалиями по карте EMAG2. В-четвертых (но здесь уже про геохимическую эволюцию нефти), показал, в какой степени могут меняться геохимические характеристики нефти в результате дискретности магнитного поля – это может помочь в вопросе оценки миграции нефти в ловушки из нефтематеринских отложений. На эту тему есть статья, которая находится на втором круге рецензирования в рейтинговом международном тематическом журнале», – указал Андрей Пономарев.

В качестве объекта исследования Пономаревым рассмотрены образцы керна и нефти из баженовской свиты, которая является в Западной Сибири главным геологическим объектом нетрадиционных запасов нефти.

Как заметил ученый, уникальность её в том, что «она является нефтематеринской. По современной концепции именно из баженовской свиты нефть мигрировала вверх по разрезу и скапливалась в ловушках. На каких отложениях еще изучать процессы нефтегенерации, как не на нефтематеринских отложениях баженовской свиты?! В качестве объекта исследования в вопросе нефтегенерации были использованы именно образцы горных пород баженовской свиты. А в вопросе геохимической эволюции нефти мы выбрали баженовскую нефть, потому что процессы нефтегенерации изучались по баженовской свите. Для изучения влияния геомагнитных полей на процесс геохимической эволюции на первой стадии сгодилась бы любая нефть, хотя мы предполагаем, что на геохимическую эволюцию различной нефти геомагнитные поля оказывают разное влияние в зависимости от состава нефти. Это еще следует изучить, пока что у нас немного материалов».

Для того, чтобы проследить, как меняются геохимические характеристики нефти баженовской свиты в результате электромагнитного воздействия, тюменский исследователь фиксировал изменения в компонентном и изотопном составе и оценивал концентрацию парамагнитных центров в асфальтенах. Подбор оптимальной температуры для изучения процесса нефтегазогенерации в горных породах происходил с помощью компьютерной рентгеновской микротомографии.

«Если мы видим по данным томографии новообразованные трещины в результате прогрева нефтематеринской породы, то говорим, что трещины возникли в результате нефтегазогенерации. Компьютерная томография в нашей работе была использована косвенным образом – она помогла подобрать оптимальные температуры для проведения эксперимента по изучению влияния магнитного поля на процессы нефтегазогенерации. Это не новый подход, а просто один из многих подходов использования компьютерной микротомографии в нефтепромысловой геологии», – уточнил Андрей Пономарев.

Какую роль в работе сыграли карты EMAG2 (карты магнитных аномалий планеты)?

«Карты EMAG2 – это совсем другая история. Как я уже говорил, напряженность геомагнитного поля на геомагнитном экваторе в 2 раза ниже, чем на полюсах. Также известно, что за последние 80 млн. лет на нашей планете происходило 183 геомагнитной инверсии – наши геомагнитные полюса «гуляли» по территории планеты в хаотичном порядке. Реконструкция геомагнитных инверсий – штука трудоемкая и, предполагаю, дорогая. При литературном обзоре я нашел только реконструкцию инверсии, которая носит название «Лашамп» (см. Рис. 2).

Несмотря на это, известно, что магнитные аномалии на карте EMAG2 – это результат геомагнитных инверсий, которые происходили в прошлом. В этой связи мы решили проанализировать закономерности размещения залежей нефти в баженовской свите и значений магнитных аномалий по карте EMAG2, в результате получилось, что залежи характеризуются значениями магнитных аномалий от -100 до 100 нТ. Безусловно, для формирования залежей необходимы и другие геологические условия, например содержание органического углерода и пластовые температуры – эти параметры позволили выделить 2 зоны: перспективную и неперспективную с позиции нефтеносности. Мы нанесли эти зоны на карту EMAG2 (см. Рис.3) и выработали поисковые критерии. Мы установили, что залежи нефти в баженовской свите характеризуются значениями пластовой температуры больше 70 градусов по Цельсию, содержание органического углерода (С_орг) больше 4% и значениями магнитной аномалии по картам EMAG2 от -100 до 100 нТ. Ни много ни мало это позволяет сделать вывод о том, что в районе Увата в Тюменской области также могут быть залежи нефти в баженовской свите», – подробно проинформировал ученый.

 Причем учеными использованы не только результаты лабораторных исследований, но и непосредственно геохимические и геофизические характеристики открытых месторождений нефти в баженовской свите. Как подчеркнул Андрей Пономарев, «это позволяет выделить вполне конкретно площади, перспективные с позиции нефтеносности баженовской свиты».

На сегодняшний день специалисты ТИУ продолжают изучать процесс спинового катализа, в перспективе планируя привлечь в свою исследовательскую команду и геофизиков.

«Мы сможем с помощью магниторазведки судить о процессах нефтегазогенерации в баженовской свите или других нефтематеринских отложениях. Ну и еще я думаю, что, когда будет детально изучено влияние геомагнитных полей на геохимическую эволюцию нефти, появится возможность более точно проводить межпластовые корреляции типа нефть-нефть и судить о том, каким образом нефть из нефтематеринской породы попала в ловушку, либо вообще сделать кардинально противоположный вывод о том, что миграции нет, а нефть образуется непосредственно в пластах, в которых залегает», – нацелен молодой ученый.

Сейчас активно проходит сотрудничество исследователей Тюменского индустриального университета с коллегами из Казанского (Приволжского) федерального университета, в частности, с профессором Маратом Ревгеровичем Гафуровым. Молодые ученые из Тюмени полны новаторских идей и ожидают поддержки своих научных проектов от государственных фондов.

«Я бы хотел поблагодарить всю нашу команду ученых: Вадима Михайловича Александрова, Марселя Алмазовича Кадырова, Михаила Дмитриевича Заватского, Данила Александровича Кобылинского, Марата Ревгеровича Гафурова. А также особо отметить заслуги руководства Тюменского индустриального университета в лице ректора Вероники Васильевны Ефремовой и проректора по научной деятельности Юрия Владимировича Ваганова за посильную поддержку молодых ученых.

Отдельную благодарность я хочу выразить компании «World Sci Publ» в лице Марселя Алмазовича Кадырова за стремление вывести отечественных ученых в мировые лидеры по наукометрическим показателям – без этой компании мы бы не смогли бы ознакомить с результатами своих исследований мировую научную общественность. Огромную благодарность выражаю Фонду содействия инноваций и Российскому фонду фундаментальных исследований, которого уже нет, за финансовую поддержку наших научных начинаний», – Андрей Пономарев выразил особую признательность за помощь и поддержку научных исследований.

        Таким образом, фундаментальные достижения научной школы геологии ТИУ, развиваемые по настоящее время для нужд нефтегазовой геохимии, представляют собой альтернативный, прежде не рассматриваемый, вариант для поисков, разведки и разработки основы формирования залежей нефти и природных газов.

Фото и иллюстрации предоставлены А. Пономаревым