Нефть

Нефть

Нефть, газ...

В лучшем сорте угля—антраците, например, на углерод приходится 94%. Остальное достается водороду, кислороду и некоторым другим элементам.

Специалист, правда, непременно добавит, что чистого угля в природе практически не бывает: его пласты всегда засорены пустой породой, различными вкраплениями и включениями... Но в данном случае мы ведь говорим не о пластах, месторождениях, а лишь об угле как таковом.

В нефти содержится почти столько же углерода, сколько и в каменном угле—около 86%, а вот водорода побольше— 13% против 5—6% в угле. Зато кислорода в нефти совсем мало—всего 0,5%. Кроме того, в ней есть также азот, сера и другие минеральные вещества.

Такая общность по элементному составу, конечно, не могла пройти незамеченной для ученых. И потому нефть вместе с газом относят к тому же классу горных пород, что и уголь (антрацит, каменный и бурый), торф и сланцы, а именно—к классу каустобиолитов.

Это замысловатое слово составлено из трех греческих слов: kaustikos—жгучий, bios—жизнь и lithos—камень. Можете теперь перевести сами.

— Название не совсем точное,—возможно, заметите вы.— Как это к классу камней, пусть органического происхождения, пусть даже и горючих, можно отнести жидкую нефть, а тем более природный газ?...

Замечание вполне резонное. Однако, наверное, вы удивитесь еще больше, когда узнаете, что нефть специалисты относят к минералам (хотя латинское слово minera означает “руда”). Вместе с газом она относится к числу горючих полезных ископаемых. Так уж сложилось исторически, и не нам с вами эту классификацию менять. Просто давайте иметь в виду, что минералы бывают не только твердыми.

В химическом отношении нефть—сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы—тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато, соответственно, большее количество водорода и кислорода.

Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов—алканы, нафтены и арены.

Алканы (в литературе вы можете также столкнуться с названиями предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) химически наиболее устойчивы. Их общая формула С_nН_{2n + 2}. Если число атомов углерода в молекуле не более четырех, то при атмосферном давлении алканы будут газообразными. При 5—16 атомах углерода это жидкости, а свыше—уже твердые вещества, парафины.

К нафтенам относят алициклические углеводороды состав С_nН_2n, С_nН_{2n - 2} и С_nН_{2n - 4}. В нефтях содержатся преимущественно циклопентан С₅Н₁₀, циклогексан С₆Н₁₂ и их гомологи. И наконец арены (ароматические углеводороды). Они значительно беднее водородом, соотношение углерод/водород в аренах самое высокое, намного выше, чем в нефти в целом. Содержание водорода в нефтях колеблется в широких пределах, но в среднем может быть принято на уровне 10—12%, тогда как содержание водорода в бензоле 7,7%. А что говорить о сложных полициклических соединениях, в ароматических кольцах которых много ненасыщенных связей углерод—углерод! Они составляют основу смол, асфальтенов и других предшественников кокса, и будучи крайне нестабильными, осложняют жизнь нефтепереработчикам.

Посмотрите, как устроены молекулы пентана C₅H₁₂, циклогексана C₆H₁₂ и бензола С₆Н₆—типичных представителей каждого и этих классов:

Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть.

Асфальто-смолистая часть—темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворившуюся, понятно, смолой.

Порфирины—особые органические соединения, имеющие своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то oни образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

Серы в нефти бывает довольно много—до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.

И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ. Об их использовании подробно – в четвёртом номере рассылки (в разделе “А знаете ли вы, что…”).

К сказанному, пожалуй, можно добавить, что и геологический сосед нефти—природный газ—тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего—до 95% по объему—в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутаны и другие алканы—от C₅ и выше. Более тщательный анализ, проведенный в последние годы, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.

Использование природного газа началось давно, но осуществлялось поначалу лишь в местах его естественных выходов на поверхность. В Дагестане, Азербайджане, Иране и других восточных районах с незапамятных времен горели ритуальные “вечные огни”, рядом с ними процветали за счет паломников храмы.

Позже отмечены случаи применения природного газа, получаемого из пробуренных скважин или из колодцев и шурфов, сооружаемых для разных целей. Еще в первом тысячелетии нашей эры в китайской провинции Сычуань при бурении скважин на соль было открыто газовое месторождение Цзылюцзынь. Практичные люди из Сычуаня довольно скоро научились использовать этот газ для выпаривания соли из рассола. Вот вам пример типично энергетического применения.

В течение многих столетий человек использовал такие подарки природы, но промышленным освоением эти случаи не назовешь. Лишь в середине XIX столетия природный газ становится технологическим топливом, и одним из первых примеров можно привести стекольное производство, организованное на базе месторождения Дагестанские Огни. Кстати, в настоящее время более 60% стекольного производства базируется на использовании в качестве технологического топлива именно природного газа.

Вообще говоря, преимущества газового топлива стали очевидны довольно давно, пожалуй, с момента появления промышленных процессов термической (без доступа воздуха) деструкции твердых топлив. Развитие металлургии привело к замене примитивных смолокурен коксовыми печами. Коксовому газу быстро нашлось бытовое применение—появились газовые рожки для освещения улиц и помещений. В 1798 году в Англии было устроено газовое освещение главного корпуса мануфактуры Джеймса Уатта, а в 1804 году образовалось первое общество газового освещения. В 1818 году газовые фонари осветили Париж. И очень скоро коксование стали применять для получения не столько металлургического кокса, сколько сначала светильного, а потом и бытового газа. Газификация быта стала синонимом прогресса, процессы газификации топлива совершенствовались, а получаемый газ стали все чаще называть “городским газом”.

Интересно отметить, что совершенствование пирогенетической технологии шло по пути более полного использования топливного потенциала. При сухой перегонке типа коксования в газ переходит ие более 30—40% теплоты топлива. При окислительной газификации с добавлением кислорода, воздуха, водяного пара можно добиться перевода в газ до 70—80% и более потенциальной теплоты. Практически при газификации твердого топлива в зольном остатке органических соединений не остается.

Однако у газа, получаемого при окислительной газификации, теплота сгорания ниже, чем у газа при коксовании. Поэтому при производстве городского газа комбинировали процессы коксования с газификационными. Впоследствии, уже в нашем веке, появилась возможность повысить калорийность бытового газа, включив в схему газификации операцию каталитического метанирования—превращения части оксида углерода и водорода, содержащихся в газе окислительной газификации, в метан. Тем самым удалось достичь необходимой для нормальной работы горелок теплоты сгорания получаемого бытового газа не менее 16,8 Мдж/M³ (4000 ккал/м³).

Итак, газ заменил другие виды топлива сначала для освещения, затем для приготовления пищи, отопления жилищ. Но почти столетие для этих целей использовался практически только искусственный газ, полученный из твердых топлив. А что же природный газ? Самый дешевый, самый удобный, самый доступный... Стоп! Вот в этом-то и загвоздка.

Дело в том, что всерьез стали искать и разрабатывать месторождения природного газа в 20-х годах нашего века. И лишь в 30-х годах техника бурения на большие глубины (до 3000 м и более) позволила обеспечить надежную сырьевую базу газовой промышленности.

Развитию новой отрасли помешала вторая мировая война. Тем не менее уже в 1944 году начались изыскательские работы по прокладке первого промышленного газопровода Саратов— Москва. Это был первенец, за которым в 50-х годах последовали Дашава—Киев, Шебелинка—Москва. В следующие десятилетия весь Советский Союз пересекли мощные трассы, по которым в настоящее время передаются огромные количества природного, газа. Именно поэтому газ становится постепенно энергоносителем номер один для коммунально-бытовых нужд и промышленных энергетических установок. Доля природного газа превысила 60-процентный рубеж в энергетике производства цемента, стекла, керамики, других строительных материалов, приближается к 50% в металлургии и машиностроении. Применение природного газа в стационарных энергетических установках позволяет с учетом снижения расхода на собственные нужды электростанций увеличить их КПД на 6—7%, повысить производительность на 30% и более. Особенно эффективно применение природного газа на энергоустановках малой производительности, в первую очередь на так называемых пиковых мощностях. Там относительный эффект замены жидких и твердых топлив выше.

По перечисленным причинам мы наблюдаем постоянное увеличение доли природного газа в топливно-энергетическом балансе многих стран. Но вот что удивительно. Газификация твердых и жидких топлив по-прежнему развивается если не количественно то качественно. Даже в таких благополучных по ресурсам природного газа России и США, не говоря уж о Западной Европе, бедней с этой точки зрения.

Происхождение нефти

Про уголь, вы, верно, уже знаете. Точка зрения на этот счет довольно устоявшаяся: он образовался (и продолжает образовываться) из остатков буйной вечнозеленой растительности, покрывавшей некогда всю планету, включая даже нынешние районы вечной мерзлоты, и занесенной сверху обычными горными породами, под воздействием давления недр и при недостатке кислорода.

Логично предположить, что и нефть была изготовлена по аналогичному рецепту на той же кухне природы. К XIX веку споры, в основном, сводились к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования нефти: остатки растений или животных?

Немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 °С и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.

Позднее, в 1919 году, академик Н. Д. Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения—сапропель—из озера Балхаш. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан...

Так опытным путем была, казалось бы, доказана теория органического происхождения нефти. Какие же тут могут быть еще сложности?...

Но с другой стороны, в 1866 году французский химик М. Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей точки зрения он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ.

Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества выступил с обстоятельным докладом Д.. И. Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования нефти. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа, под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Так образуются газовые и нефтяные месторождения.

В своих рассуждениях Менделеев ссылался на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.

Правда, идеи “чистого химика” Менделеева поначалу не имели успеха у геологов, которые считали, что опыты, проведенные в, лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе.

Однако неожиданно карбидная или, как ее еще называют, абиогенная теория о происхождении нефти получила новые доказательства—от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых оболочках комет встречаются соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики. Но ведь именно на этом предположении и построена теория Менделеева.

Итак, на сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна—биогенная. Согласно ей, нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория—абиогенная. Подробно разработал ее Д. И. Менделеев, предположивший, что нефть в природе может синтезироваться из неорганических соединений.

И хотя большинство геологов придерживается все-таки биогенной теории, отзвуки этих споров не затихли и по сей день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа... Словом, все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться.

Давайте посмотрим, какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез.

Но прежде несколько слов о строении Земли. Это поможет нам быстрее разобраться в логических построениях ученых. Упрощенно говоря. Земля представляет собой три сферы, расположенные внутри друг друга. Верхняя оболочка—это твердая земная кора. Глубже расположена мантия. И наконец, в самом центре—ядро. Такое разделение вещества, начавшееся 4,5 миллиарда лет тому назад, продолжается и по сей день. Между корой, мантией и ядром осуществляется интенсивный тепло- и массообмен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями—землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями " материков...

Парад неоргаников

Первые попытки объяснить происхождение нефти относятся еще ко временам античности. Сохранилось, например, высказывание древнегреческого ученого Страбона, жившего около 2000 лет тому назад: “В области аполлонийцев есть место под названием Нимфей,—писал он,—это скала, извергающая огонь, а под ней текут источники теплой воды и асфальта, вероятно, от сгорания асфальтовых глыб под землей...”

Страбон объединил в целое два факта: извержение вулканов и образование асфальтов (так он называл нефть). И... ошибся! В упомянутых им местах нет действующих вулканов. Не было их и двадцать столетий назад. То, что Страбон принял за извержения, на самом деле—выбросы, прорывы подземных вод (так называемые грязевые вулканы), сопровождающие выходы нефти и газа на поверхность. И в наши дни подобные явления можно наблюдать на Апшероне и Таманском полуострове.

Впрочем, несмотря на ошибку, в рассуждениях Страбона было здравое зерно—его толкование происхождения нефти имело под собой материалистическую почву. Эта линия прервалась надолго. Лишь в 1805 году, основываясь на собственных наблюдениях, сделанных в Венесуэле, на описаниях извержения Везувия, известный немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт снова возвращается к материалистической точке зрения. “... Мы не можем сомневаться в том,—пишет он,—что нефть представляет продукт перегонки на громадных глубинах и происходит из примитивны горных пород, под которыми покоится энергия всех вулканических явлений”.

Неорганическая теория происхождения нефти выкристаллизовывалась постепенно (вспомним, в частности, опыты Бертло), и к тому моменту, когда Менделеев выдвинул свою теорию карбидного происхождения нефти, неорганики накопили достаточно экспериментальных фактов и рассуждений. И последующие годы добавляли в их копилку новые сведения.

В 1877—1878 годах французские ученые, воздействуя соляной кислотой на зеркальный чугун и водяными парами на железо при белом калении, получили водород и значительное количеству углеводородов, которые даже по запаху напоминали нефть.

Кроме вулканической гипотезы у сторонников абиогенного происхождения нефти есть еще и космическая. Геолог В. Д. Соколов в 1889 году высказал предположение, что в тот далекий период, когда вся наша планета еще представляла собой газовый сгусток, в составе этого газа присутствовали и углеводороды. (Помните, что в атмосфере некоторых планет были обнаружены соединения углерода с водородом.) По мере охлаждения раскаленного газа и перехода его в жидкую фазу, углеводороды постепенно растворялись в жидкой магме. Когда же из жидкой магмы стала образовываться твердая земная кора, она, согласно законам физики, уже не могла удержать в себе углеводороды, Они стали выделяться по трещинам в земной коре, поднимались в верхние ее слои, сгущаясь и образуя здесь скопления нефти и газа.

Уже в наше время обе гипотезы—вулканическая и космическая—были объединены в единое целое новосибирским исследователем В. Сальниковым. Он использовал предположение, что некогда у Земли кроме Луны был еще один спутник. Эта планетка, имевшая в своем составе большое количество углеводородов, находясь на чересчур низкой орбите, постепенно тормозилась о верхние слои атмосферы и в конце концов упала на Землю как это происходит с искусственными спутниками. Резкий толчок активизировал вулканическую и горообразовательную деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла, мощнейшие грязевые потоки завалили принесенные из космоса углеводороды, похоронили их в глубоких недрах, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.

В качестве обоснования для своих выводов Сальников указывает на необычное расположение месторождений нефти и газа. Соединив между собой крупные зоны обнаруженных месторождений, он получил систему параллельных синусоидальных линий, которая, по его мнению, весьма напоминает проекции траекторий искусственных спутников Земли...

Но мы чуточку забежали вперед. Наш рассказ о неорганических гипотезах образования нефти ни в коем случае нельзя будет считать полным, если мы забудем упомянуть известного ленинградского геолога-нефтяника Н. А. Кудрявцева. В 50-е годы он собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным и газовым месторождениям мира.

Прежде всего Кудрявцев обратил внимание на то, что многие месторождения нефти и газа обнаруживаются под зонами глубинных разломов земной коры. Сама по себе такая мысль не была новой: на это обстоятельство обратил внимание еще Д. И. Менделеев. Но Кудрявцев намного расширил географию применения таких выводов, глубже обосновал их.

Например, на севере Сибири, в районе так называемого Мархининского вала, очень часто встречаются выходы нефти на поверхность. На глубину двух километров все горные породы буквально пропитаны нефтью. В то же время, как показал анализ, количество углерода, образовавшегося одновременно с породой, чрезвычайно невелико—всего 0,02—0,4%. Но по мере удаления от вала количество пород, богатых органическими соединениями, возрастает, а вот количество нефти резко уменьшается.

На основании этих и других данных Кудрявцев утверждает, что нефтегазоносность Мархининского вала скорее всего связана не с органическим веществом, а с глубинным разломом, который и поставляет нефть из недр планеты.

Подобные же образования имеются в других регионах мира. Скажем, в штате Вайоминг (США) жители издавна отапливают дома кусками асфальта, который они берут в трещинах горных пород соседних Медных гор. Но сами по себе граниты, из которых состоят эти горы, не могут накапливать нефть и газ. Эти полезные ископаемые могут поступить только из земных глубин по образовавшимся трещинам.

Более того, найдены следы нефти в кимберлитовых трубках— тем самых, в которых природа осуществила синтез алмазов. Такие каналы взрывного разлома земной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы, могут оказаться вполне подходящим местом и для образования нефти и газа.

Обобщив эти и множество других фактов, Кудрявцев создал свою магматическую гипотезу происхождения нефти. В мантии Земли под давлением и при высокой температуре из углерода и водорода сначала образуются углеводородные радикалы СН, CH₂ и СН₃. Они движутся в веществе мантии от области высокого к области низкого давления. А так как в зоне разломов перепад давлений особенно ощутим, углеводороды и направляются в первую очередь именно сюда. Поднимаясь в слои земной коры, углеводороды в менее нагретых зонах реагируют друг с другом и с водородом, образуя нефть. Затем образовавшаяся жидкость может перемещаться как вертикально, так и горизонтально по имеющимся в породе трещинам, скапливаясь в ловушках.

Исходя из этих теоретических представлений, Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается, и глубина бурения с каждым годом возрастает.

Незадолго до своей кончины, в одной из последних статей, посвященных неорганическому синтезу углеводородов, Кудрявцев писал: “Сторонники этой гипотезы, которых становится все больше, уверены, что именно за ней будущее...” И действительно, в Ленинграде, Киеве, Львове образовались целые научные коллективы, продолжающие развитие идей своего учителя.

В середине 60-х годов удалось ответить на такой важный вопрос: “Почему столь “нежные” углеводородные соединения, из которых состоит нефть, не распадаются в недрах Земли на, химические элементы при высокой температуре?” Действительно, такое разложение вполне можно наблюдать даже в школьной лаборатории. На подобных реакциях зиждется деструктивная переработка нефти. Оказалось, что в природе дело обстоит как раз наоборот—из простых соединений образуются сложные...! Математическим моделированием химических реакций доказано, что подобный синтез вполне допустим, если к высоким температурам мы добавим еще и высокие давления. То и другое, как известно, в избытке имеется в земных недрах.

Интересную гипотезу выдвинула группа московских ученых из Всесоюзного научно-исследовательского института ядерной геологии и геофизики. Они рассматривают горные породы как твердую смесь, состоящую из зерен и пластин минералов. При подвижках земной коры во время землетрясений и других сейсмических процессов составные части породы трутся друг о друга, накапливая статическое электричество. При содействии этого электричества и протекают электрохимические реакции образования нефти.

Audiatur et altera pars

Для тех, кто недостаточно знает латынь, переведем заголовок; это юридическая формула, означающая: “Пусть будет выслушана и другая сторона”.

В ученом споре, за которым мы следим, другая сторона—это адепты биогенной теории.

Хронология и историческая справедливость требуют упомянуть о бытовавшем в средние века мнении, что нефть образовалась в раю и представляет собой остатки той благодатной почвы, на которой некогда произрастали райские кущи.

На этом начальном уровне приходится признать превосходство “неоргаников”—рассуждения Страбона выглядят весьма солидно по сравнению с этой анекдотической “теорией”.

Но биогенной теории придерживались многие серьезные отечественные и зарубежные ученые. Академик В. И. Вернадский, основоположник современной геохимии нефти, еще в начале века писал: “Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей.”

Чтобы не заниматься длинным перечислением имен и фактов, давайте предоставим слово на нашей заочной научной конференции сразу академику И. М. Губкину. В своей книге “Учение о нефти”, впервые увидевшей свет в 1932 году, он наиболее обстоятельно и полно подвел научный итог тогдашней истории нефтяного и газового дела.

В качестве исходного вещества для образования нефти Губкин рассматривал уже знакомый нам сапропель—битуминозный ил растительно-животного происхождения. В прибрежной полосе моря, где жизнь особенно активна, происходит сравнительно быстрое накапливание этих органических остатков. Через какое-то время они перекрываются более молодыми отложениями, которые предохраняют ил от окисления. Дальнейшие процессы вдут уже без доступа кислорода под воздействием анаэробных бактерий.

По мере погружения пласта, обогащенного органическими остатками, под воздействием последующего наноса и тектонических перемещений в глубину, в нем возрастают температуры и давления. Эти процессы, которые впоследствии получили название катагенеза, и приводят в конце концов к преобразованию органики в нефть.

Взгляды Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее органического происхождения. В наше время многие ее положения расширены и дополнены. Так, скажем, долгое время считалось, что первоначальное накопление органических веществ обязательно должно идти в океане. Но, видимо, нефть может формироваться и в континентальной обстановке, ведь в болотах, озерах, реках достаточно органического вещества.

Детально рассмотрен и сам процесс формирования нефтяных месторождений. Выделяют пять основных стадий осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.

Первая стадия: в осадок, образующийся в море или в пресном водоеме, вносятся органические вещества с небольшим количеством углеводородов нефтяного ряда, синтезированных живыми организмами.

Вторая стадия: накопленный на дне осадок преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается. При этом часть вещества разлагается с выделением диоксида углерода, сероводорода, аммиака и метана. Словом, получается картина, частенько наблюдаемая на болотах.

Третья стадия: биохимические процессы постепенно затихают. Сравнительно небольшая температура земных недр на данной глубине (порядка 50° С) определяет и низкую скорость реакций. Концентрация битумов и нефтяных углеводородов возрастает слабо, в составе газовых компонентов преобладает диоксид углерода.

Четвертая стадия: осадок погружается на глубину 3—4 километров, окружающие температуры возрастают до 150° С. Происходит отгонка нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества в пласт. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь, образует промышленные залежи. .

И наконец, пятая стадия: на глубине 4,5 километра и более при температурах свыше 180° С органическое вещество прекращает выделение нефти и продолжает генерировать лишь газ.

Кроме температуры и давления в природных процессах принимает участие и электричество. Член-корреспондент АН СССР А. А. Воробьев выдвинул предположение, что в развитии нашей планеты немалую роль играли именно электрические процессы. По его мнению, горные породы обладают гораздо большими диэлектрическими свойствами, чем атмосфера. А если так, то грозы могут бушевать не только над, но и под землею!

В результате сильных электрических разрядов возникают частицы плазмы, которые обладают высокой химической активностью. Это обстоятельство, в свою очередь, создает предпосылки для протекания таких реакций, которые невозможны при обычных условиях. По мнению Воробьева, метан, выделяющийся из органических соединений, при воздействии подземного электрического разряда может подвергнуться частичному дегидрированию то есть потерять некоторую долю водорода. В результате образуются свободные углеводородные радикалы СН, СН₂ и СН₃. Соединяясь между собой, они образуют ацетилен, этилен и другие углеводороды, входящие в состав нефти.

Одним из основных механизмов электризации горных пород, согласно рассуждениям Воробьева, является трение в месте контакта горных пород при взаимном перемещении в ходе тектонических процессов. Таким образом, процессы трещинообразования в земной коре могут способствовать превращению механической энергии в электрическую.

И представьте себе, эти весьма неожиданные рассуждения нашли подтверждение в геологической практике! Еще в 1933 году было отмечено, что формы облаков в зонах разломов земной коры резко отличаются от облаков в тех местах, где трещин нет. Современные геофизические приборы указывают, что в приземном слое воздуха над зонами разломов земной коры увеличена электропроводимость.

Расскажем еще об одной интересной гипотезе. В соответствии с ней, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил поддвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказываться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков в зону поддвига жестких плит аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися жесткими деталями в различных технических устройствах и машинах.

Ну а дальше образовавшаяся нефть может подвергаться различным воздействиям. Например, под тяжестью литосферного выступа, наползающей с материка плиты углеводороды могут быть “выжаты” из осадочных пород и активно мигрировать в сторону от наддвига. Этим эффектом “горячего утюга” может быть объяснено формирование больших залежей нефти на сравнительно небольшой площади, как в районе Персидского залива.

В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей переработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.

Такая теория, учитывающая глобальную тектонику плит земной коры, оказалась весьма продуктивной и с практической точки зрения. В США, к примеру, в последние годы начали бурить в так называемых поднаддвиговых зонах Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам их здесь быть не должно.

В 1980 году в штате Вайоминг поисковая скважина на глубине 1888 метров вошла в докембрийский фундамент, сложенный из гранита. Затем в скальных породах геонефтеразведчики прошли еще 2700 метров и обнаружили осадочные отложения мелового периода. Необъяснимое, казалось бы, чередование пород разного геологического возраста объяснялось весьма просто: на осадочные породы в свое время была надвинута плита гранита.

Бурение было продолжено, и на глубинах 5,5 километров разведчики обнаружили промышленные залежи газа. К настоящему времени в Скалистых горах ведется уже промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива! Месторождение уникальное!

В Советском Союзе также имеются поднаддвиговые зоны—в Карпатах, на Урале, Кавказе, в Сибири. Не исключено, что эти зоны былых геологических катаклизмов тоже таят богатейшие запасы нефти и газа.

Стоит ли спорить?

Итак, как видите, обе точки зрения достаточно продуктивны, обе опираются не только на логические заключения, но и на реальные факты. Что же, надо спорить дальше? Вряд ли... Интересную точку зрения на этот счет высказывает известный советский геолог В. П. Гаврилов.

“Спор можно разрешить,—пишет он,—если проследить круговорот углерода в природе. Одним из первых, кто предпринял успешную попытку представить глобальный процесс круговорота углерода в природе, был В. И. Вернадский. Он считал, что углерод и его соединения, которые участвуют в строении нефти, газа, каменного угля и других пород, являются частью глобальной геохимической системы круговорота в земной коре...”

Что же, давайте проследим путь, который проделывают углерод и его соединения в природе.

Наиболее распространенным из таких соединений является диоксид углерода. Масса этого вещества в атмосфере оценивается астрономической цифрой 4 · 10¹¹ тонн! В процессе выветривания и фотосинтеза ежегодно из атмосферы поглощается более 8 · 10⁸ тонн СО₂. Если бы не было механизма кругооборота, то за несколько тысяч лет углерод полностью исчез бы из атмосферы, оказался “захороненным” в горных породах. По современным оценкам, масса диоксида углерода, “спрятанного” в горных породах, примерно в 500 раз превышает его запасы в атмосфере.

Еще одним переносчиком углерода является метан. Его в атмосфере тоже немало—около 5 · 10⁹ тонн. Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далее в космическое пространство. Кроме того, метан расходуется и в результате фотохимических реакций. Продолжительность существования молекулы метана в атмосфере в среднем составляет 5 лет.

Следовательно, чтобы пополнить его запасы, в атмосфера ежегодно должно поступать около 10⁹ тонн метана из подземных запасов. И он, действительно, поступает в виде метанового испарения или, как говорил Вернадский, “газового дыхания Земли”.

Если ограничиться традиционными рамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океана и биомассы исчерпался бы в доврльно короткий срок—за 50—100 тысяч лет. Однако этого не происходит. Почему? Приходится допустить, что запасы углерода на поверхности планеты непрерывно пополняются. Основными источниками поступления углерода ученые считают космос и мантию Земли.

Космическое пространство поставляет нам углерод вместе метеоритным веществом. Точнее будет сказать: поставляло настоящее время поступление космического углерода на планет незначительно—всего 10^-10 от общего количества ежегодно “складируемого” в процессе осадконакопления. Но, как полагают многие специалисты, так было далеко не всегда: в прошлые геологические эпохи количество метеоритов и космической пыл было намного больше.

Второй и на сегодняшний день основной поставщик углерода - мантия планеты, причем не только во время извержений вулканов как считалось ранее, но и при дегазации недр, за счет, ужи упоминавшегося газового дыхания планеты. Поскольку и здесь углеродные запасы не безграничны, то они, естественно, должны как-то пополняться. И такой механизм пополнения исправна действует и по сей день. Это затягивание осадков океанической коры в мантию при надвигании плит друг на друга.

Таков широкий взгляд на круговорот углерода в природе. Он должен примирить органиков и неоргаников. В самом деле: органики считают, что углерод при образовании нефти обязательно должен пройти через живой организм. И это, скорее всего, действительно так. Исследования, выполненные межпланетными автоматическими станциями, показывают, что на Венере и Марсе достаточное количество оксида и диоксида углерода, а вот углеводородных газов не обнаружено—по всей вероятности потому, что на этих планетах отсутствует биосфера и земной цикл превращения углерода в углеводороды там невозможен.

Правы и неорганики: ведь сами по себе все органические вещества, составляющие жизненные циклы, когда-то образовались из неорганических. Пока, правда, нет полной ясности, как именно это произошло, но в конце концов наука это узнает.

И стало быть, в практических поисках нефти и газа надо использовать весь арсенал теорий и гипотез, которыми располагает современная наука, не ограничивать свой взгляд какими-то искусственными шорами. И тогда успех придет. Придет обязательно! Как сказал, выступая на XXVII Международном геологическом конгрессе в Москве известный американский геолог М. Хэлбути: “Я твердо убежден, что в будущем мы откроем в глобальном масштабе столько же нефти и значительно больше газа, чем открыто сегодня. Я полагаю также, что нас ограничивает только недостаток воображения, решительности и технология.”

Добыча нефти (химические хитрости)

Чтобы густая нефть с большей легкостью поднималась по трубам, надо, конечно, прежде всего сделать ее более жидкой. Каким образом? “Давайте применим особые, разжижающие растворы”,—предложили химики.

И вот в последнее время на нефтедобывающих промыслах стали использовать особые вещества, имеющие довольно сложное название—мицеллярные дисперсии. Основными составляющими этих композиций являются нефтерастворимые поверхностно-активные вещества, спирт, углеводородный растворитель типа керосина или легких фракций нефти. Добавляют сюда и воду.

Именно поэтому по внешнему виду мицеллярные дисперсия практически неотличимы от обычной воды—такая же светлая, прозрачная жидкость. Но главную роль здесь играют уже не молекулы Н₂О, а молекулы поверхностно-активных веществ. Попав в пласт, они и образуют с нефтью эмульсию, дисперсную фазу которой составляют сложного состава частицы—мицеллы. При этом нефть как бы отрывается от породы, и ее удается выкачать из коллектора практически всю.

Еще одно неоценимое свойство возникающих эмульсий—они являются обратимыми системами. То есть достаточно на дневной поверхности добавить в поступающую из скважины эмульсию еще немного воды, как из нее выделяется свободная нефть, а поверхностно-активные вещества оказываются снова готовыми к работе.

Вообще, надо признать, что химики оказывают нефтяникам и ряд других важных услуг.

Известно, например, что бурение невозможно без специальных бурильных растворов. Обычно глинистые бурильные растворы готовят прямо на месте, доставляя в район бурения сухую глину. Однако приготовление раствора—вещь достаточно тонкая: кроме глины в воду добавляют и другие вещества, состав и количество которых зависит от применяемой техники, давления в пласте, геологического строения недр...

В настоящее время существует по крайней мере два десятка специальных ингредиентов, улучшающих качество бурильных растворов и снижающих затраты на бурение. В некоторых случаях даваемая ими экономия в 10—15 раз превосходит затраты на изготовление самой добавки!

Еще одна проблема, в решении которой неоценимую помощь промысловикам оказывает химия—защита оборудования от отложения парафинов. Часто при добыче высокопарафинистых нефтей специалисты сталкиваются с неприятным явлением. Пока нефть находится в залежи под давлением, температура ее достаточно высока. Но по мере продвижения к забою и дальше по скважине и давление, и температура падают. Тяжелые парафиновые углеводороды начинают выделяться из жидкости и откладываться на всех поверхностях, с которыми соприкасается нефть. Очистка оборудования от налипшего парафина связана с огромными затратами и техническими трудностями.

Но уже разработаны вещества, добавка которых в нефть препятствует росту кристаллов парафина, способствует их смыванию с металлических поверхностей оборудования на всем пути нефти к потребителю. Такие вещества недешевы, но тем не менее их применение окупает все затраты.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://chemistry.r2.ru/