О нефти и газе доступным языком

Размещено на http://www.allbest.ru/

О нефти и газе доступным языком

Сергей Пронин

Какое топливо лучше?

Еще наши далекие пещерные предки обогревались у костров. Пламя служило также для освещения и для приготовления пищи. Огонь поддерживали дровами, и именно они, эти куски дерева, долгое время были основным видом топлива для человечества.

При помощи дров жители Земли решали многие проблемы: обогревались, готовили пищу, даже начали плавить металлы (правда, для этого дрова сначала превращали в древесный уголь). Дерево играло столь решающую роль в жизни общества, что в истории остались упоминания о «блуждающих» городах. Например, столица Эфиопии - Аддис-Абеба - в прошлые времена постоянно кочевала с места на место по мере того, как жители вырубали окрестные леса.

Но проходили столетия, людей на планете становилось все больше, а лесов - все меньше. И в XIX веке Англию - самую передовую промышленную страну того времени - постиг топливный кризис. Дров на острове перестало хватать для нужд населения и промышленности. Нужно было срочно искать им замену.

Поиски, впрочем, были недолгими. О том, что прекрасно могут гореть также уголь и нефть, люди знали издавна. Правда, одно дело знать, а другое - использовать эти знания на практике. Ведь уголь и нефть надо искать, добывать. Да и топить ими тоже надо уметь. Скажем, уголь просто от спички как хворост не загорится. А обычные печи для нефти так и вообще не годятся.

Но нужда всему научит. В той же Англии, а затем и в других странах мира со временем научились топить углем еще лучше, чем дровами. Конечно, это вовсе не значило, что о дровах тотчас забыли. Они ведь нужны даже для того, что бы разжечь уголь. А в тех местах, где лесов было в достатке, дрова по-прежнему широко использовались. Так, в России начала 20 века дрова давали более половины всей энергии, одну четвертую часть уголь, шестую - нефть.

«Один сумасшедший предлагает освещать Лондон - чем бы вы думали? Представьте себе - дымом!...» - так писал Вальтер Скотт в письме одному из своих друзей, не подозревая, что освещение дымом, а точнее газом, вполне возможно, и вслед за Лондоном рожки появятся вскоре в Париже, Нью-Йорке, Берлине, Петербурге и Москве.

В те времена светильный газ получали переработкой каменного угля. Но уже в начале 20 века поняли, что тот газ, который выходит из недр Земли, горит не чуть не хуже. Лишнее тому доказательство - газовые плиты, стоящие во многих домах и по сей день.

В 1910 году, как свидетельствует статистика, большую часть топлива в мире составлял уже уголь - 65%. За ним шли дрова и на последнем месте стояла нефть. Ее доля в мировом топливном балансе составляла всего 3%, а природный газ вообще не использовался.

Еще через четверть века доля каменного угля снизилась до половины, в то время как доля нефти в топливном балансе возросла до 15%. Во многих странах мира начали использовать и природный газ.

Еще более разительные перемены произошли в России. Уже в годы первых пятилеток страна начала стремительно наращивать темпы угледобычи. «Хлебом промышленности» назвал уголь В.И.Ленин, и страна не хотела держать на голодном пайке свою развивающуюся индустрию. Ежегодно угольная промышленность давала прирост более 100%. С 1930 по 1940 год добыча угля возросла в три раза: с 70 до 220 миллионов тонн в год. Подобные темпы сохранились и в первые послевоенные годы. За пятилетку с 1950 по 1955 годы был достигнут прирост в 170 миллионов тонн.

И все же, невзирая на столь бурный рост угольной промышленности, она постепенно теряла лидирующее положение.

В 70-е годы первое место в топливном балансе уверенно заняла нефть - около 35%. Доля каменного угля снизилась до 30%. На третьем месте оказался природный газ - около 20%. Затем шли дрова - 10%. Прочие источники энергии, в том числе электростанции на воде и на атомной энергии, давали всего 5% энергии.

В наши дни первые места занимают нефть и газ - они обеспечивают более две трети топливного баланса.

Почему так получилось? Ведь угля и сегодня предостаточно: его разведанные запасы составляют 1075 миллиардов тонн - 87,5% всех топливных запасов планеты. А все дело в том, что нефть и газ более удобны в эксплуатации. Вот только один пример: уголь в топку бросали лопатами чумазые кочегары; жидкое же и газообразное топлива легко подавать при помощи насосов по трубам, а жечь - форсунками и горелками.

Эти удобства особенно видны на транспорте. На сегодняшний день практически вся потребность в топливе судов и тепловозов, самолетов и автомобилей, тракторов и мотоциклов обеспечивается за счет нефти и газа.

И такая тенденция, по всей вероятности, сохранится еще долго. Потому что нефть с газом горят лучше любого другого топлива. Так при сгорании 1 кг нефти выделяется 46 тыс. кДж, при сгорании 1м3 газа - около 38 тыс. кДж, в то время как 1 кг угля дает в лучшем случае только 29 тыс. кДж. Говоря другими словами, теплота сгорания нефти примерно в 1,5 раза выше, чем у угля, и в два с лишним раза превышает теплоту сгорания дров. И с этим тоже приходится считаться.

Так что, как видите, в отличие от арифметики, в топливном балансе от перемены мест слагаемых общая картина может измениться разительно.

Сколько нефти в мире?

Анекдот: Американцы выяснили, что у них очень большие запасы нефти. Правда на поверхности над этими запасами располагается арабская страна.

В современном обществе роль нефти возросла неимоверно. Военная техника, мирный транспорт, электростанции, оборудование на заводах и фабриках, системы отопления - все это приводится в действие за счет нефти и газа.

Волей-неволей возникает некоторое беспокойство: «А хватит ли нефти на все нужды?». Беспокойство это усиливают воспоминания о нефтяном кризисе 70-х годов, когда миру вдруг перестало хватать нефти и газа. Взвинтились цены на бензин, дизельные топлива и другие нефтепродукты. В Японии, во многих странах Западной Европы и даже в США были введены различные энергетические ограничения.

Некоторые эксперты объяснили создавшееся положение так. «Чего же вы хотите? - говорили они. - Стремительное увеличение потребностей в энергетическом сырье привело к столь же быстрому росту добычи нефти и газа. Если, например в 1920 году на планете добывалось 95 млн. тонн нефти, то к началу второй мировой войны - уже около 300 миллионов тонн, а в 1950 году - 523 миллиона тонн. И так возрастание темпов немалое, а с начала 60-х годов так и вообще произошел «взрыв» нефтедобычи. В 1960 году во всем мире было добыто уже 1052 миллиона тонн нефти, а в 1970 году - 2336 миллионов тонн! Кладовые же Земли не беспредельны…»

Однако, такое объяснение далеко от правды. Нет, все цифры, которые приводили специалисты, были точны - действительно во второй половине 20 века темпы нефтедобычи стали расти, как в сказке. Но дело было не только и не столько в них.

Запасы нефти, выявленные специалистами к настоящему времени, составляют порядка 230 миллиардов тонн. Так что хватит на наш век и потомкам. Перестало ее хватать по другим причинам - экономическим и политическим.

По капризу природы наибольшее количество «черного золота» сконцентрировано в недрах Аравийского полуострова. Здесь обнаружено более 50 миллиардов тонн нефти, причем лежит она на небольшой глубине, отличного качества, и большинство пробуренных скважин сразу же начинают фонтанировать. Словом, рай для нефтедобытчиков, да и только.

Наиболее богата нефтью Саудовская Аравия, на ее долю приходится чуть меньше половины всех запасов Аравийского полуострова. За ней идут Кувейт, Иран, Ирак, ОАЭ. Все это сравнительно небольшие страны, которые долгое время находились под контролем англо-американского капитала. Если где-то и объявлялся вдруг непослушный эмир, то в стране тут же организовывался государственный переворот или со строптивцем вдруг происходил «несчастный случай».

Но вот в 1960 году правительства Ближнего и Среднего Востока сумели объединиться, образовав организацию стран - экспортеров нефти - ОПЕК. В нее впоследствии вошли также и некоторые другие нефтедобывающие страны (Нигерия, Венесуэла, Индонезия) - всего в ОПЕК входят 14 стран. До 70-х годов это объединение никто всерьез не воспринимал. Один из западных нефтяных магнатов даже счел возможным пошутить: «Эти парни годятся только для гонок на верблюдах…».

А в 1970 году вдруг выяснилось, что «парни» способны и на гораздо более серьезные дела. Ливия выступила с требованием резко увеличить отчисления в свою пользу. А когда западные компании, добывающие нефть в стране, заупрямились, правительство Ливии заявило, что на 25% снизит добычу нефти и полностью прекратит отгрузку за рубеж сжиженного газа.

Требования ливийцев поддержали правительства других стран - членов ОПЕК.

Полгода длилась борьба американских нефтяных компаний с правительством Ливии, и в конце концов нефтепромышленники были вынуждены уступить.

Страны ОПЕК почувствовали свою силу, и в 1971 году в Тегеране состоялись переговоры между ОПЕК и «семью сестрами» - крупнейшими нефтекомпаниями, которые вели разработки недр Аравийского полуострова. ОПЕК потребовала увеличить налог в пользу стран-экспортеров, предъявила еще некоторые экономические требования. А когда компании хотели было припугнуть ближневосточников военной силой, те, в свою очередь приняли ответные меры. Американцам было заявлено, что в случае военного вторжения все нефтепромыслы будут взорваны. Восток - дело тонкое!

Такая тактика оказалась вполне успешной. Через 33 дня после начала переговоров американские нефтяные магнаты все-таки сдались.

В 1972 году был сделан следующий шаг по освобождению стран ОПЕК из-под власти иностранного капитала. В Ираке начала работать национальная нефтедобывающая компания, а несколько месяцев спустя было объявлено о национализации британской, американской и голландских компаний, ведущих разработки в стране. Во главе данных действий стоял Садам Хусейн, и американцы так и не простили ему такой дерзкой выходки. Вслед за Ираком подобные перемены были произведены в Алжире и некоторых других странах-производителях нефти.

В результате таких событий перед капиталистическими странами и встала проблема топливного дефицита. Цены на нефть резко подскочили. В США, например, они повысились в 6-7 раз! Из-за нехватки горючего, как в США, так и в Западной Европе пришлось снизить число авиарейсов, резко сократились заказы на строительство танкеров, уменьшилось число выпускаемых автомобилей. Тогда и возникли разговоры о «нефтяном голоде».

Но имели ли они под собой реальную почву? Как оказалось, нет. Прежде всего виновниками недостачи топлива в США оказались те же «семь сестер» - ведущие нефтекомпании страны. Потеряв некоторую долю барышей при добыче нефти, они тут же постарались вернуть потерянное на продаже. Взвинчивая цены на топливо, искусственно придерживая танкеры в море, замораживая запасы в нефтехранилищах бизнесмены от нефти в конце концов добились своего: в период с 1972 по 1974 годы, то есть в самый разгар нефтяного кризиса, их доходы возросли втрое.

Сразу скажем, что такое увеличение цен на нефть оказалось лишь началом последующих событий. Скачки продолжались после некоторого затишья, и в 1978-1979 годах справочные цены на нефть достигли потолка. Если в благополучном предкризисном 1972 году нефть в районе Персидского залива предлагалась по 25-30 долларов за тонну, то в 1979 году страны ОПЕК подняли цены до 250-300 долларов. Индекс роста цен довольно долго оставался на уровне 10.

Эти события были порождены политическими и экономическими причинами, имеющими достаточно давние и глубокие корни. Совершенно очевидно, что в течение долгих лет хозяйничанья нефтяных монополий на Ближнем Востоке и в других нефтедобывающих районах имел место самый классический грабеж. С месторождений «снимались сливки», не соблюдались ни технологические, ни экологические нормы. Цель была одна - добыть как можно больше и как можно дешевле. В результате такой деятельности многие запасы, которые можно было освоить в начале разработки месторождений переходили в запасы, добыча которых становилась экономически неоправданной. (В следующих выпусках будет более подробно рассказано о таких явлениях). Таким образом достигались низкие цены на нефть. В самом деле, 25 долларов за тонну нефти, то есть 2,2 цента за литр - это в десять раз дешевле прохладительных напитков. Нелепость!

Однако и безудержная гонка цен ничего хорошего не дала ни странам потребителям, ни производителям нефти. Началась галопирующая инфляция, подскочили цены на все. Началась настоящая война цен. Джеймс Картер, бывший в конце 1970-х годов президентом США, провозгласил воинственный лозунг: «Бушель зерна за баррель нефти». (Бушель - 25,34 литра, баррель - 159 литров.). В результате нефтедобывающие страны, традиционно ввозящие продукты питания, вынуждены были тратить больше на приобретение продовольствия.

Еще круче были взвинчены цены на нефтепромысловое оборудование, которое производится в основном в США и в нескольких развитых странах Западной Европы. Был во время этой войны цен период, когда доход США от поставок за рубеж нефтяного оборудования доходил до половины затрат на импорт нефти. Были и другие примеры экономического хаоса - различного рода торговые эмбарго, квоты на добычу и поставку нефти странами-членами ОПЕК, согласование уровня цен, а потом односторонние нарушения всех договоренностей и запретов. Доходило дело и до угроз, политического шантажа. Конечно, так не могло продолжаться долго. Мир един, хозяйственные связи существуют объективно, их нарушение не проходит безнаказанным. И если человечество сегодня не в состоянии прожить без нефти, то следует искать и находить взаимовыгодные или по крайней мере взаимоприемлемые решения спорных вопросов.

После 1981 года началось практически регулярное снижение мировых цен на нефть. И здесь не обошлось без скачков, но в целом процесс протекал относительно спокойно, без кризисов. Может возникнуть вопрос: а сегодняшняя ситуация на мировом рынке не является ли кризисной ? Ведь цена нефти пересекла границу 350 долларов за тонну. Хотя, еще в 1999 году за «черное золото» давали не больше 100 долларов. Мое мнение, что в настоящий момент нет ни какого кризиса. По крайне мере, это не нефтяной кризис, а кризис американского доллара. В последующих выпусках мы поговорим об этом подробнее.

К благоприятным последствиям нефтяного кризиса 1970-х годов нужно отнести резкое ускорение работ по поиску и добыче нефти в Северном море. Норвегия и особенно Великобритания очень быстро перешли из разряда импортеров в экспортеры. Тем самым они существенно изменили ситуацию на мировом рынке, лишив монополии стран ОПЕК. Но самым главным результатом следует считать прогресс в мировом энергетическом хозяйстве. Началось быстрое совершенствование всех потребителей топлива и энергии - от крупных электростанций до транспортных двигателей. Экономия энергии превратилась в новый и очень мощный источник энергии. За десять лет примерно на 30% снизилась энергоемкость самой нефтеперерабатывающей промышленности, хотя глубина переработки возросла. В целом энергоемкость единицы валового продукта в США снизилась за 1973-1983 годы на 24%. За это же время среднегодовое потребление бензина в 21 стране, входящей в Международное агентство по энергетике и производящей почти все количество автомобилей в западном мире, увеличилось всего на 5,9%, а численность автомобильного парка возросла на 34,7%. В чем же дело? И автомобилей стало больше, и ездят не меньше (те же 18 000 км годового пробега на легковой автомобиль в США), а потребность в топливе практически не увеличилась. А это результат реализации тех резервов экономии, которые раньше в следствии дешевизны нефти оставались невостребованными. Ну кому придет в голову удорожать двигатель, чтобы сэкономить дешевый бензин? Иные резоны выдвигает разумное удорожание топлива.

Короче говоря, польза нефтяного шока в том, что все осознали уникальность и экономическое значение нефти как невозобновимого природного ресурса, осознали необходимость ее всемирной экономии. Второй урок - в понимании необходимости решать все международные нефтяные проблемы спокойно и конструктивно, в режиме не конфронтации, а диалога. И третье - стало меньше спекуляций в части ресурсов, запасов нефти, их распределения по регионам. Установлено, что при разумном хозяйствовании и даже при существующих темпах прироста разведанных запасов нет основания для паники.

Нужно отметить, что все нефтяные кризисы относительно стороной прошли мимо СССР. В стране Советов все было подконтрольно партии и ни о каких спекуляциях внутри страны речи быть не могло. Бум открытия новых месторождений в Западной Сибири пришелся на середину 60-х годов и к началу 70-х СССР не нуждался в закупках нефти из-за рубежа. Однако, как мы увидели: у кризиса были не только отрицательные стороны. СССР, в свою очередь не получил от мирового кризиса ничего - ни плохого, ни хорошего.

Нефти и газа хватит не только нам, но и многим последующим поколениям жителей Земли. И даже если они вдруг начнут испытывать ее недостаток, уже в настоящее время есть немало рецептов получения синтетических топлив. Их оказывается можно делать не только из угля, которого, как мы говорили, на планете несметное количество, но даже из воздуха.

Химический состав нефти и газа

Что такое нефть и газ известно всем. И в то же время даже специалисты не могут договориться между собой о том, как образуются нефтяные залежи. Такая ситуация покажется не столь уж странной, если начать знакомиться с «биографией» этого полезного ископаемого.

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

Конечно, чистого угля в природе практически не бывает: его пласты всегда засорены пустой породой, различными вкраплениями и включениями… Но в данном случае мы 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 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.

Такое название может показаться не совсем точным. 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 ввиду, 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 СnH(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 нафтанам относят алициклические углеводороды состава CnH2n, CnH(2n-2) и CnH(2n-4). В нефтях содержится преимущественно циклопентан С5Н10, циклогексан С6Н10 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 С5Н10, циклогексана С6Н12 и бензола С6Н6 - типичных представителей каждого из 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 нерастворяющуюся, понятно, смолой.

Порфирины - особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они 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 мы поговорим в дальнейшем.

К сказанному, пожалуй, можно добавить, что 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 С5 и выше. Более тщательный анализ, 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 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 19 века 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 не более 30-40% теплоты топлива. При окислительной газификации с добавлением кислорода, воздуха, водяного пара можно добыть 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 20 веке, появилась возможность повысить калорийность бытового газа, включив в схему газификации операцию каталического 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/м3 (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?

Дело в том, что всерьез стали искать и разрабатывать месторождения природного газа в 20-х годах 20 века. И лишь в 30-х годах техника бурения на большие глубины (до 3000 метров 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 СССР пересекали 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.

Теории возникновения нефти. Часть 1

Про уголь, вы, наверно, 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 19 веку споры, в основном, сводилось 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 Балшах. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…

Так опытным путем была 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 теории 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 ссылается 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 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 ядром осуществляется интенсивный тепло- и массообмен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями - землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями материков...

Парад неоргаников

Первые попытки объяснить происхождение нефти относится 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.Гумбольд 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 примитивных горных пород, под которыми покоится энергия всех вулканических явлений.»

Неорганическая теория происхождения нефти выкристаллизовывалась постепенно, и к тому моменту, когда Менделеев выдвинул свою теорию карбидного происхождения нефти, неорганики накопили достаточное количество 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 количество 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. 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 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 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.

Рассказ о неорганических гипотезах нельзя будет считать полным, если не упомянуть известного 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 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 до двух километров все горные породы буквально пропитаны нефтью. В то же время, как показал анализ, количество углерода, образовавшегося одновременно с породой чрезвычайно невелико - 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 связан 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 город соседних Медных гор. Но сами по себе граниты, из которых состоят те 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 - тех 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 сначала углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Они движутся в веществе мантии от области высокого к области низкого давления. А так как в зоне разломов перепад давлений особенно ощутим, углероды 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 теоретических представлений, Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается, и глубина бурения с каждым годов возрастает.

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.

Теории возникновения нефти. Часть 2

В ученом споре о возникновении нефти другая сторона - это адепты биогенной теории.

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».

Академик И.М.Губкин в своей книге «Учение о нефти», впервые увидевшей свет в 1932 году, 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 их от окисления. Дальнейшие процессы идут 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 органического вещества 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 углеводородного 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 затухают. Сравнительно небольшая температура земных недр на данной глубине (порядка 50 С) определяет 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, 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.

Есть и еще одна интересная гипотеза. В соответствии с ней, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил подвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказаться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков в зону подвига 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, наползающий с материка плиты углеводороды могут быть «выжаты» из осадочных пород и активно мигрировать в сторону надвига. 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, ведется бурение 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 не должно было быть.

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 промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива. Это уникальное месторождение.

Круговорот углерода в природе

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 высказал известный 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 400 000 000 000 тонн! В процессе выветривания и фотосинтеза ежегодно из атмосферы поглощается более 800 000 000 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 5 000 000 000 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, что бы пополнить его запасы, в атмосферу ежегодно должно поступать около 1 000 000 000 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 довольно короткий срок - за 50-100 тысяч лет. Однако этого не происходит. 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 с метеоритным веществом. Точнее будет сказать: поставляло. В настоящее время поступление космического углерода на планету незначительно - всего 0,000 000 001 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 пыли было намного больше.

Второй и на сегодняшний день основной поставщик углерода - мантия планеты, причем не только во время извержения вулканов, как считалось ранее, но и при дегазации недр, за счет уже упоминавшегося газового дыхания планеты. Поскольку и здесь углеродные запасы не безграничны, то они, естественно, должны как-то пополняться. И такой механизм пополнения исправно функционирует 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 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 образовывались 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. Как сказал 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, что нас ограничивает только недостаток воображения, решительности и технология.»

Места скопления нефти

На заре развития нефтяной промышленности поиск месторождений нефти и газа велся по существу вслепую. В США, например, в те годы возник даже специальный термин - «метод дикой кошки»: искали по чутью, иногда шарахаясь в сторону, как это делает испуганная кошка.

Вот как английский геолог К. Крэг описывал закладку скважины:

...