Migrace a akumulace ropy

Přeměna bitumenu na kapalnou ropu v průběhu katagenese přivodila v roponosné hornině významnou změnu. Nově vzniklá kapalná a plynná fáze získaly možnost matečnou horninu opustit. Postupný přechod vznikající ropy do jiné vrstvy se nazývá primární migrace. Podmínky uskutečnění jsou dobře známy. Ropa může migrovat z matečné horniny jen v tom případě, že sousedící vrstva v nadloží nebo podloží má větší porózitu a je pro ropa propustná. Taková vrstva, umožňující transport ropy, se označuje jako kolektor. Hlavní hnací silou primární migrace je geostatický tlak. V zemské kůře se za každých 100 m hloubky zvyšuje tlak nadloží průměrně o 2,3 MPa. Například v hloubce kolem 4 km, tj. asi uprostřed roponosného „okna“, působí na matečnou horninu geostatický tlak přes 90 MPa (při teplotě kolem 100 °C). Kolektorová hornina je zpravidla velkopórezní (např. pískovec) a má póry vyplněné spodní vodou. Hydrostatický tlak v otevřených pórech kolektoru je vždy nižší než okolní tlak geostatický. V hloubce kolem 4 km má voda (vlastně solanka) v pórech kolektoru tlak jen 42 MPa. Je zřejmé, že tlaková diference mezi fluidem uzavřeným v matečné hornině a vodou v pórech kolektoru podporuje migraci ropy směrem do kolektoru. Předpokládá se, že rozpínání kapalné a zejména plynné fáze, těsně uzavřené v malých pórech matečné horniny (nejčastěji to jsou jílovité horniny a černé břidlice), převyšuje okolní geostatický tlak ještě o 10 – 20 %. Vnitřní přetlak roztahuje póry a způsobuje v matečné hornině mikropukliny, které uvolňují ropě a plynu cestu do kolektoru. Po výronu kapalné a plynné fáze se mikropukliny vnějším tlakem opět uzavřou a proces se periodicky opakuje až do vyrovnání tlaků.

schéma primární a sekundární migrace ropy
schéma primární a sekundární migrace ropy

Při primární migraci, tj. přesunem do podloží nebo nadloží, se ropa vzdálí od matečné horniny jen o několik metrů. V případě, že roponosná vrstva není v kontaktu s vhodnou kolektorovou vrstvou, zůstane ropa „uvězněna“ v matečné hornině. Pokračující krakování ji postupně přemění disproporcionací na methan (ten je stálý do 550 °C) a nerozpustné uhlíkaté úsady. Proces úplného rozpadu ropy se ještě urychluje další subsidencí roponosné vrstvy do zóny metagenese (do hloubky pod 4 km). Vzniklý methan se buď difuzí vytratí do okolních vrstev, nebo je nějakým plynopropustným kolektorem odveden do jiných míst, kde může případně vytvořit ložisko zemního plynu. Uhlíkaté úsady zůstávají trvalou součástí takové „vypálené“ roponosné vrstvy. Pro geology jsou užitečným markantem pro klasifikaci vrstev.

Pohyb ropy v kolektorové vrstvě se označuje jako sekundární migrace. V naprosté většině případů se mikrokapičky ropy pohybují kolektorem skrze póry nasycené spodní vodou. Sekundární migraci proto řídí dvě síly. Jednou je vertikální vznos olejových kapiček ve vodě směrem vzhůru. Síla vznosu je dána rozdílem hustoty ropy (700 – 900 kg/m3) a slané vody v pórech (1000 – 1200 kg/m3). Přítomnost zemního plynu, ať již rozpuštěného v ropě, nebo ve formě mikrobublinek, tuto sílu ještě zvětšuje. Při vznosu může ropa stoupat přes více prostupných vrstev (např. přes zlomy) až k povrchu, kde se po oxidaci ztratí se jako CO2. Druhou silou, určující směr migrace, je hydrodynamický gradient způsobující pohyb vody pod zemským povrchem. Současným účinkem obou uvedených sil se ropa při sekundární migraci pohybuje v šikmo uloženém kolektoru v co nejvyšších polohách vrstvy a ve směru prosakování spodní vody. Ropa se ve vodné fázi pohybuje ve formě mikrokapiček nebo i tenkých vláken, které se snáze protahují skrze póry kolektoru. V případě speciální afinity může ropa vytvořit na vnitřním povrchu pórů olejový film. Ten se pak pohybuje po stěnách pórů vzlínáním a je usměrňován mezifázovým třením s pohybující se vodou. Ostatní možnosti pohybu ropy (emulze, micely) jsou méně pravděpodobné.

Sekundární migrace může také skončit na zemském povrchu, kde ropa podlehne oxidaci. V podzemí pokračuje ropa v migraci tak dlouho, až narazí na nepropustnou překážku. Může to být blok neporézní horniny nebo horniny s tak malými póry, že se v nich pohyb kapiček ropy zastaví účinkem kapilárních sil. V příznivém případě (pro naší civilizaci) se u takové překážky vytvoří ropné ložisko.

Rychlost sekundární migrace ropy se odhaduje na několik set metrů za 1000 let. Přesto, že jde vlastně jen o pomalé prosakován horninou, ropa na cestě od matečné horniny k ložisku často urazí kilometrové vzdálenosti. Nejdelší známá dráha migrace je přes 300 km.

Při sekundární migraci je ropa dlouhodobě v těsném kontaktu s povrchem různých hornin, což nutně vede k různým interakcím. Zpravidla se některé nejpolárnější složky ropy „zakotvují“ v pórech horniny a v migraci dále nepokračují. Ropa se tak zbaví části pryskyřic, asfaltenů, a jiných polárních látek, což vlastně poněkud zlepší její kvalitu. Pro geology je tento jev vítaný, poněvadž takto mohou vystopovat dávné cesty určitých rop od ložiska zpětně k matečné hornině. Používají se k tomu citlivé analytické metody jako je např. fluorescenční spektroskopie, která zviditelňuje stopy organických látek v hornině V poslední době se zadržování některých složek ropy na vodou smočeném minerálním povrchu kolektorů studuje jako tzv. geochromatografie. Ukázalo se, že při sekundární migraci ropy přes pískovec jsou z ní účinně odstraňovány polární hydrofilní sloučeniny jako alkylfenoly – ty z ropy již po několika desítkách km úplně vymizí. Přesnějším indikátorem délky migrační cesty je polární, ale hydrofobní benzokarbazol. Jeho koncentrace v ropě se během dlouhé migrace jen sníží, ale co je podstatné, z poměru dvou izomerů benzokarbazolu a/c po migraci lze stanovit nejen směr, ale i vzdálenost jakou ropa při sekundární migraci urazila.

izomery benzokarbazolu. Izomer [a], se stíněným heteroatomem, je méně hydrofobní a při migraci jeho obsah v ropě klesá rychleji než obsah izomeru [c]
izomery benzokarbazolu. Izomer [a], se stíněným heteroatomem, je méně hydrofobní
a při migraci jeho obsah v ropě klesá rychleji než obsah izomeru [c]

Nová metoda nazvaná „molekulové indikátory délky sekundární migrace“ je nezávislá na stupni zralosti ropy a je nyní geochemiky hojně využívána.

Je-li ropa při sekundární migraci zadržena nepropustnou překážkou, může se za vhodných podmínek v tom místě akumulovat, a případně vytvořit ropné ložisko. Pro vznik ložiska je nutné, aby kolektorová hornina a nepropustná překážka byly v takové vzájemné pozici, že vytvoří jakousi past na ropu (oil trap).

Běžné jsou tzv. strukturní pasti vytvořené tektonickou aktivitou. Uzávěrem takové pasti může být např. kupole z nepropustné vrstvy, která je součásti antiklinály, tj. tektonického prohnutí vrstev zemské kůry do tvaru hřbetu. V porézní hornině pod takovou kupolí se může snadno vytvořit ložisko ropy. Například jedno z největších ropných polí v iráckém Kirkúku leží pod antiklinálou dlouhou 100 km se třemi výraznými kupolemi.

schéma akumulace ropy v antiklinále
schéma akumulace ropy v antiklinále

Nepropustnou vrstvou uzavírající past bývají jílovité horniny a často tzv. evapority (soli z odpařené mořské vody), jejichž předností je jistá plastičnost, takže se při vnějším tlaku deformují, ale nepukají. Vydatné ložisko ropy se obvykle vytvoří tehdy, jeli pod nepropustnou kupolí vrstva velkoporézní horniny (pískovec, vápenec nebo dolomit) s mocností v desítkách až stovkách metrů. Ropa vyplňuje past postupně od shora dolu, vytlačuje vodu z pórů a zaujímá její místo. Nad vrstvou ropy se v pasti často vytvoří ještě horní vrstva zemního plynu (tzv, „čapka“). Voda je v pasti pouze v nejspodnější část kolektorové horniny. Výhodné je, když taková past je v dynamickém režimu, tzn. že voda z nejspodnější vrstvy kolektoru může pod uzávěrem pasti volně odcházet (bez ropy) a z druhé strany mohou kolektorem nové dávky vody s ropou přicházet.

Jiný typ strukturní pasti vytvořily v zemské kůře poklesové zlomy. Při vertikálním posunu vrstev se porézní vrstva někdy uzavře nepropustnou vrstvou, která se při posunu dostane do protilehlé polohy. Pod styčnou plochou s nepropustnou vrstvou se pak může vytvořit statická past. Téměř 80 % známých ložisek ropy je ve strukturních pastích obou uvedených typů.

Odlišným mechanismem vznikly pasti stratigrafické. Změna klimatických a jiných podmínek na povrchu (např. zaplavování souší) v minulosti často přivodila změnu sekvencí sedimentačních vrstev. Po takových událostech někdy zůstala vrstva porézní horniny zaklíněna mezi vrstvami nepropustnými. Vzniklý shora uzavřený prostor v porézní hornině se tak mnohde stal pastí na ropu. Mnoho pastí je také smíšeného typu.

příčný řez ložisky ropy v alžírské Sahaře
příčný řez ložisky ropy v alžírské Sahaře

Do určitého ložiska může ropa přicházet nejen z velké dálky, ale v mnoha případech se do ložiska svádí z plochy několika set km2. Kolektor ropu nevede jako potrubí, ale může ji přivádět v celé vrstvě a z více směrů. Jsou známy případy, že se do jednoho ložiska postupně dostaly dvě ropy odlišného složení přes dvě různé migrační cesty.

Každá ropa akumulovaná v ložisku byla i tam po dlouhou dobu vystavena různým vlivům, které pozměnily její chemické složení a fyzikální vlastnosti. Charakter změn byl především určen hloubkou ložiska. Pokud se ropa po sekundární migraci zachytila v ložisku na přibližně stejném horizontu, tj. v hloubce „ropného okna“, pak v ložisku dále pokračovala její maturace za vysoké teploty. Hlavní změny v jejím složení byly vyvolány termickou degradací. Štěpení molekul v tomto procesu je vždy spojeno s disproporcionací – uhlovodíky se střední molekulovou hmotností se štěpí na lehké uhlovodíky (až CH4), praskají kruhy cykloalkanů a současně vznikají i těžké nerozpustné podíly kondenzací aromatických struktur. Vedle toho se uplatňuje i další efekt: štěpením vzniklé lehké alkalické frakce se v ropě rozpouštějí a zpravidla z ní vysrážejí černou lepivou hmotu tzv. asfalteny. To jsou vysokomolekulární polyaromatické látky běžně rozpuštěné v ropě, které jsou ale nerozpustné v pentanu a jiných lehkých alkanech (při destilačním zpracování ropy zůstávají asfalteny v destilačním zbytku jako asfalt). Vysrážené asfalteny zůstávají nalepené v pórech ložiskové horniny a ropa se tak od nich z části očistí. Z takových akumulací se pak těží lehké, převážně alkanické, ropy s velkým podílem benzinové frakce.

Jestliže se ropa po migraci zachytila v ložisku blíže k povrchu, byla zase vystavena jiným vnějším vlivům. Hlavní změny způsobovala dešťová voda, která se do takového ložiska mohla snadno dostat. Taková voda nejenže obsahuje rozpuštěný kyslík, ale při prosakování do ložiska se v ní zachytí vždy množství aerobních i anaerobních bakterií. Složení ropy v takovém ložisku bylo proto většinou pozměněno oxidací a biodegradací. Oxidací v tomto případě nevznikaly v ropě nové kyslíkaté funkční skupiny, ale reakce měly dehydrogenační charakter, tzn. že se z cykloalkanů odtrhávaly atomy vodíku a vznikaly aromatické a polyaromatické struktury. Po dostatečně dlouhém čase se ropa v takovém ložisku pozměnila na těžkou aromaticko-asfaltickou ropu.

Zde je dlužno připomenout, že se objevily i snahy o průmyslové využití mikroorganismů napadajících ropu. V druhé polovině minulého století vzbudily velký zájem a naděje práce francouzského chemika Alfreda Champagnata o mikroorganismech, které konzumují uhlovodíky z ropy a metabolizují je na bílkoviny. Pozornost badatelů byla věnována hlavně kvasinkovým mikroorganismům rodu Candida lipolytica, které selektivně konzumují nerozvětvené alkany (hlavně C9 až C18) a produkují bílkoviny bohaté na cenné aminokyseliny. Je zajímavé, že těmto mikroorganismům více „chutnají“ alkany se sudým počtem atomů C než s lichým počtem. Pod ideou - bílkoviny z ropy, konec hladu na světě – byly vypracovány i velkotonážní technologické fermentační postupy, které např. z 10 tun plynového oleje z parafinické ropy vyprodukovaly 9 tun kvalitního (nízkotuhnoucího) plynového oleje a 1 tunu proteinového koncentrátu. Později zájem o proces opadl, poněvadž se ukázalo, že pro obsah určitých kontaminací bílkoviny z ropy nejsou vhodné ani pro lidskou výživu, ani jako krmivo pro hospodářská zvířata.

Ropa, která po akumulaci nebyla vystavena vysoké teplotě ani nebyla pozměněna biodegradací a dokončila za relativně mírných podmínek maturaci, si většinou zachovala původní převážně cykloalkanický (naftenický) charakter.

Kontakty


fiogf49gjkf0d
Vysoká škola
chemicko-technologická
Technická 5
166 28 Praha 6 - Dejvice

Ústav technologie ropy a alternativních paliv
Ing. Daniel Maxa, Ph.D.
daniel.maxa@vscht.cz
Odborný garant

fiogf49gjkf0d
Odborným garantem tohoto portálu je Česká národní rada světové rady pro ropu (WPC). Česká národní rada reprezentuje Českou republiku ve Světové radě pro ropu.

WPC


Světová rada pro ropu (World Petroleum Council – WPC) je mezinárodní nevládní organizace, jejíž cílem je prosazování využití vědeckého pokroku, přenosu technologií a posuzování ekonomických, finančních, environmentálních a sociálních vlivů na využívání ropy. Více informací...

Odběr novinek


Přihlásit k odběru novinek
Partner projektu

VŠCHT Praha

VŠCHT Praha

fiogf49gjkf0d
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze je největší vzdělávací institucí svého druhu ve střední Evropě. Její témeř 200 letá tradice v kombinaci s progresivními studijními obory a mezinárodním renomé otevírá každému studentovi přístup ke špičkovým technologiím, možnostem zahraničních stáží a je následně vstupenkou k prestižnímu, dobře ohodnocenému uplatnění doma i v zahraničí. Více informací...