Сегодня большинство ученых считает, что нефть имеет биогенное происхождение. Иначе говоря, нефть образовалась из продуктов распада мелких организмов животных и растений (планктона), живших миллионы лет назад. Старейшие месторождения нефти были образованы 600 млн. лет назад.
В то время большая часть Земли была покрыта водой. Живые организмы после смерти опускались на дно древних морей и заливов и покрывались илом, песком и слоями последующих отложений. Эти отложения постепенно уплотнялись, обезвоживались и опускались все ниже. При этом давление и температура в этих отложениях увеличивались. Под воздействием анаэробных бактерий (то есть бактерий, способных жить без доступа кислорода), из органического вещества стали образовываться углеводороды, собиравшиеся в маленькие маслянистые капельки. К сожалению, ученые пока не могут точно ответить на вопрос, какие именно процессы в органических отложениях привели к образованию нефти.
Важно понимать, что углеводороды не лежали под землей в виде озер нефти. Они были смешаны с водой и песком, которые постепенно просачивались сквозь пористые слои песчаников и известняков вместе с пузырьками газа. Часто смесь продвигалась сквозь породы под воздействием высокого давления. Нефть и газ просачивались в пустоты между частицами осадочных пород, как вода проходит в губку. Рано или поздно на пути нефти и газа попадался слой породы, сквозь который они не могли просочиться, - непроницаемой породы, не имевшей пор или трещин, - и таким образом, они оказывались в геологической "ловушке".
Пока шел процесс образования нефти, Земля тоже менялась. Происходили движения земной коры, разломы и соединения массивов. Эти процессы формировали различные типы нефтяных геологических "ловушек".
Мы знаем, что состав нефти, найденной в разных точках земного шара, сильно различается. Это объясняют разницей в реакциях, происходивших при образовании нефти или разными видами растений и животных, из организмов которых она формировалась.
Запасы нефти исчисляются сотнями миллиардов тонн, и распространена она повсеместно, на суше и на море. То, что лежало на поверхности, давно использовано, и теперь нефть добывают с глубин 2-4 и более километров. Но еще глубже ее еще больше, просто оттуда добывать ее пока экономически невыгодно, то есть дорого.
А знаете ли вы...
Первым догадку о происхождении нефти из органического вещества высказал русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов в своем труде «О слоях земных» (1763)
На счет образования нефти и угля обычно мало кто сомневается - это органические останки древних растений и животных преобразовавшиеся под воздействием давления недр и при недостатке кислорода. Поэтому уголь и нефть справедливо относят к невозобновляемым ресурсам и регулярно пресса нас попугивает весьма коротким промежутком времени, оставшемся до их полного исчерпания. В угле этому находят неоспоримые подтверждения - следы древних животных организмов и растений. Но с нефтью, оказывается, все далеко не так однозначно. Существует еще, как минимум, две теории имеющие под собой достаточно серьезную научную основу.Подтверждением классической теории образования нефти служит опыт немецких ученых Г.Гефера и К.Энглера поставленный ими в 1888 году. Они осуществили перегонку рыбьего жира при температуре 400 С и давлении около 1 МПа. При этом им удалось получить предельные углеводороды, парафин, смазочные масла, с высоким содержанием алкенов, нафтенов и аренов. Позже академик Н.Д. Зелинский проводил похожий опыт, но исходным материалом был выбран органический ил образованный из водорослей. Ему удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…
Казалось бы, все с этим процессом встало на свои места. Миллионы лет назад отложившиеся останки попавшие на большие глубины (как?) под действием давления и температур преобразовались в нефть-газ-уголь. Скоро (через 50 лет) мы их все извлечем, и придется подождать еще несколько миллионов лет до возобновления запасов. Не тут-то было. Факты свидетельствуют о том, что процессы образования нефти и газа продолжаются и гораздо более высокими темпами, чем это возможно по классической теории.
Об фактах продолжающегося образования нефти и газа свидетельствуют длительные сроки эксплуатации месторождений, достигающие ста и более лет, и суммарные объемы накопленной добычи, многократно превышающие первоначально планируемые. Уровень добычи на месторождениях на поздних ее этапах сначала снижается до 10-20% от максимального уровня добычи, а затем стабилизируется. Например, Шебелинское месторождение эксплуатируется уже более 50 лет, при этом его ресурсы не иссякают. Начальные запасы газа месторождения неоднократно уточнялись в сторону увеличения. В настоящее время они в 2 раза выше чем первоначально утвержденные. В Татарстане также установлено явное несоответствие нефтяных ресурсов и объемов добычи нефти. Сейчас уже извлечено более 3 млрд. т. нефти, в то время как оценка их нефтематеринского материала для всей осадочной толщи составляет всего 709 млн. т. И это не единичные случаи.
Теория первая. Карбидная или биогенная.
В 1866 году французский химик М.Бертло предположид, что нефть образовалась (и образуется) в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, и ему удалось искусственно синтезировать углеводороды из неорганических веществ.
Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества Д.И.Менделеев изложил свою гипотезу образования нефти. Великий химик считал, что во время процессов горообразования по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа и под воздействием высоких температур и давления вступает в химическую реакцию. В результате этой реакции образуются оксиды железа и углеводороды. Образующиеся вещества по разломам коры поднимаются в верхние ее слои и насыщают пористые породы. В результате образуются газовые и нефтяные месторождения.
Менделеев ссылается при этом на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.
В то время идеи «чистого химика» Менделеева не имели успеха у геологов, которые сочли опыты, проведенные в лаборатории отличными от процессов, происходящих в природе. Однако карбидная или, как ее еще называют, а биогенная теория о происхождении нефти получила доказательства из неожиданного источника – от астрофизиков. Изучение спектров небесных тел показало, что в атмосфере Юпитера и некоторых других планет, как и в газовых оболочках комет присутствуют углеводороды. Ну, а раз соединения углерода с водородом распространены в космосе, значит процессы синтеза органических веществ из неорганики в природе имеют место быть!
Теория вторая. Круговорот углерода в природе.
Группой ученых из Института проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН) под руководством доктора геолого-минералогических наук Азария Баренбаума была разработана еще одна теория происхождения нефти и газа. Согласно их концепции, залежи углеводородов могут возникать не за миллионы лет, а за десятилетия. При этом одновременно подвергается сомнению теория парникового эффекта, поскольку основным тезисом утверждается, что уровень двуокиси углерода в атмосфере может саморегулироваться, а значит неуправляемого накопления углекислоты в атмосфере не происходит.
Теория российских ученых предполагает, что нефтегазообразование – это процесс не столько геологический, сколько климатический. Он связан с круговоротом воды и углерода на Земле. Поступающий с дождевыми водами углерод, захваченный из атмосферы в форме гидрокарбоната в условиях земной коры восстанавливается до углеводородов, из которых уже в геологических структурах-ловушках формируются нефтегазовые скопления. По оценкам российских ученых до 90% нефтегазовых скоплений на глубинам от 1 до 10 километров появляются благодаря описанной им теории, и только 10% запасов формируются из органических остатков, как это предполагалось классической теорией.
И еще один важный вывод российских ученых-геологов заключается в том, что благодаря активному участию в образовании нефти и газа климатического круговорота, пополнение залежей ископаемых углеводородов происходит не за многие сотни тысяч и миллионы лет, а всего лишь за несколько десятилетий. А второй вывод заключается в том, что умеренное извлечение нефти и газа из залежей не должно сильно влиять на потенциальную нефтегазоносность региона. Но это верно при условии, что углеводороды будут потребляться в пределах того же региона, что и их добыча. То есть тепловые электростанции, работающие на углеводородах, компенсируют добычу нефти и газа ее образованием.
Владимир Хомутко
Время на чтение: 4 минуты
А А
Теории происхождения нефти
Существование современной мировой экономики немыслимо без таких полезных ископаемых, как нефть и газ, поэтому нефть нередко называют «чёрным золотом», поскольку высокий спрос на этот энергоресурс позволяет нефтяным компаниям получать солидные прибыли. Многих интересует вопрос о том, каково происхождение нефти и газа и что вообще такое нефть. В этой статье мы постараемся доступным языком ответить на эти вопросы.
Нефть – это сложная смесь различных химических веществ, в которой преобладают два элемента – углерод и водород, соединения которых называются углеводороды.
Итак, нефть состоит из следующих химических соединений:
- Углеводороды. Они подразделяются на метановые, нафтеновые, парафиновые и ароматические.
- Асфальтовые и смолистые вещества. Растворимые в бензине вещества называются асфальтенами. Вещества, которые бензин не растворяет, называют смолами.
- Сера и её соединения. Содержание сернистых веществ в нефти обычно колеблется от 0,1 до 6-ти процентов, однако есть нефти и большим содержанием этого химического элемента.
- Азотистые и кислородные соединения. Их содержание в нефти, как правило, не превышает 1-го процента.
- Металлы. Их в нефтях также немного (менее процента).
Сырая нефть для практического применения непригодна. Для того, чтобы получить практически применимые продукты, её подвергают переработке на нефтеперегонных заводах (НПЗ). Промысловая нефть бывает сырой и товарной. Сырая нефть – это то вещество, которое образовалось в природе естественным путем. В ней содержатся растворенные газы, соли, вода и обломки горной породы.
Все эти нежелательные примеси не только бесполезны с практической точки зрения, но еще и крайне негативно влияют на применяемое оборудование и на трубопроводы, по которым сырье поступает на переработку. Поэтому на нефтяных промыслах нефть перед закачкой в магистральный нефтепровод проходит предварительную очистку. Именно после этих процессов и получается нефть, называемая товарной.
Список получаемых из этого полезного ископаемого продуктов весьма обширен. Это и всем известные виды моторных топлив (бензины, дизельное топливо, авиационный керосин и так далее), а также котельное и судовое топливо (мазут) и различные виды масел (смазочные, трансмиссионные и так далее).
Кроме того, из нефтяного сырья делают пластмассы, растворители, краски, чистящие средства и взрывчатые вещества. Автомобильные шины также делают из сырья, полученного из «черного золота». Это полезное ископаемое не зря называют важнейшим энергоносителем, поскольку основное его предназначение – топливное сырье. А уже топливо путем сжигания преобразуется в тепловую, механическую и другие виды энергии.
В настоящее время наиболее популярными теориями, объясняющими образование нефти в природе, являются две гипотезы происхождения нефти. Оба этих предположения имеют в ученом мире как своих ярых сторонников, так и своих непримиримых противников.
Первая теория – биогенная.
Она гласит, что нефть образовалась из органических останков самых разных видов растительного и животного мира, и продолжался этот процесс в течение многих миллионов лет. и животных и растений на протяжении многих миллионов лет. Первым эту гипотезу высказал знаменитый на весь мир русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.
Если принять эту теорию за основу, то перспектива человечества в плане этого энергоресурса выглядит совсем не радужной. Дело в том, что наша цивилизация развивается гораздо быстрее, чем происходит естественное образование нефти в природе.
Другими словами, человечество выкачивает её намного больше, чем успевает создать природа, вследствие чего это полезное ископаемое относят к так называемым невозобновляемым ресурсам. Сторонники этой теории уверены, что в скором будущем запасы черного золота закончатся, и человечеству понадобятся альтернативные источники энергии.
Вторая теория в этом плане выглядит более оптимистичной, особенно для нефтяной промышленности. Она называется абиогенная.
И тут первым, кто выдвинул эту гипотезу, стал российский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Как-то раз, будучи в Баку, он познакомился с весьма известным в те времена геологом, которого звали Герман Абих. Именно этот геолог, на основании имеющихся у него научных геологических данных, рассказал Менделееву о том, что все наиболее крупные нефтяные месторождения, как правило, располагаются поблизости от разломов и трещин земной коры.
Приняв эту информацию к сведению, Дмитрий Иванович разработал собственную теорию о природном происхождении этого полезного ископаемого. Он предположил, что через такие трещины и разломы поверхностные воды проникают вглубь земной коры, после чего они вступают в реакцию с содержащимися в ней металлами и их карбидными соединениями.
По мнению ученого, именно в результате этого процесса и происходит образование углеводородов. Затем, по тем же разломам и трещинам, они со временем поднимаются ближе к поверхности, что и приводит к появлению нефтяного или газового месторождения. Главным в этой теории является то, что, по мнению Менделеева, длительность этого процесса не превышает десяти лет.
Если верить этой гипотезе, то углеводородных запасов нашей цивилизации хватит еще на много веков, поскольку разрабатываемые ныне месторождения будут постепенно восстанавливаться, если на некоторое время прекратить их разработку.
Биогенная теория происхождения нефти
Однако, в условиях колоссального спроса на этот энергоресурс, который постоянно увеличивается в связи с постоянным ростом численности населения земного шара, прекратить добычу на уже эксплуатируемых месторождениях не представляется возможным. Вся надежда – только на новые, еще не тронутые запасы сырья.
В настоящее время абиогенная теория набирает все большую популярность, поскольку развитие современных технологий позволяет ученым находить все больше доказательств её истинности. К примеру, научно доказано и проверено многочисленными экспериментами, что при нагревании до температуры четыреста градусов Цельсия любой содержащий полинафтеновые соединения углеводород, то начинается выделение чистой нефти. И это – научно доказанный достоверный факт.
Искусственное «черное золото»
«Позвольте!» – спросите вы, – «если нефть можно получать в лабораториях, то зачем тогда вообще тратить огромные средства на её добычу из земных недр?» Тут все не так просто, и главная проблема заключается в том, что себестоимость искусственной нефти очень высока. Другими словами, по тем ценам, по которым её станут продавать, её никто не купит, и производство такого продукта будет нерентабельным. Получение этого продукта в лабораторных условиях было интересно лишь с научной точки зрения, поскольку сама возможность такого процесса лишний раз подтверждала теорию Менделеева.
Давайте для сравнения рассмотрим происхождение и этого ценного природного энергоносителя. Согласно сложившемуся сейчас мнению, опустившиеся на морское дно умершие живые организмы, попали в такую среду, где нет кислорода и микроорганизмов, в результате чего их распада не происходило (из-за отсутствия окислительных процессов и воздействия микробов). Как итог – накапливались илистые осадки. В процессе движений геологических пластов земной коры, эти осадки опускались на все большую и большую глубину, проникая при этом в недра Земли.
В течение многих миллионов лет этот ил находился под воздействием высоких температурных значений и высокого давления, вызывавшее в этих осадках определенные химические и физические процессы. Содержавшийся в этих отложениях углерод начинал образовывать соединения с водородом (углеводороды). Высокомолекулярные углеводороды это жидкие вещества, которые входят в состав нефти. А низкомолекулярные углеводороды – это как раз газообразные химические соединения, из которых и образуется всем известный природный газ.
Именно поэтому в местах нефтедобычи всегда есть и углеводородные газы, называемые попутными, хотя на нашей планете есть и залежи чистого природного газа, без наличия в них жидкого нефтяного сырья. Эта теория как раз подтверждает биогенную гипотезу М.В. Ломоносова, поэтому однозначного ответа на вопрос о происхождении нефти до сих пор нет.
Так какие можно сделать выводы из всего вышесказанного?
Точно сказать, как образуются углеводородные полезные ископаемые, ученые в настоящее время дать не могут. Обе существующие в современном научном мире гипотезы находят свое подтверждение, и окончательно опровергнуть одну из них пока не удается.
Если верна теория Ломоносова, то человеческой цивилизации необходимо срочно искать альтернативные источники энергии, поскольку если запасы природных углеводородов будут исчерпаны, мировую экономику ждет очень глубокий кризис. Исходя из худшего, мировая наука активно работает в этом направлении. Уже сейчас научились делать топливо из растений, использовать энергию ветра и приливных волн для выработки электрической энергии, далеко продвинулись разработки в области электрического автомобилестроения, и работы в этой сферы постоянно продолжаются.
Однако пока равнозначной замены нефти ученые предложить не могут, и «черное золото» остается важнейшим природным энергоносителем для всей человеческой цивилизации.
Мало кто сомневается, что человеческий ум, запустивший ракету в космос и опустившийся на дно мирового океана, найдет выход из этой ситуации, какая бы теория происхождения нефти и природного газа не оказалась истинной. К примеру, водорода, из которого можно делать топливо, в водах мирового океана предостаточно.
Тут вопрос в другом – когда научно-технический прогресс сделает альтернативные источники энергии такими же дешевыми и доступными, как углеводороды. И если это произойдет позже, чем закончатся запасы привычных энергоресурсов, то переход мировой экономики на новые источники энергии может оказаться весьма болезненным.
В журнале очаровательной vl_ad_le_na прочитал великолепный пост о добыче нефти. Публикую с разрешения автора.
Что такое нефть?
Нефть - это смесь жидких углеводородов: парафины, ароматика и прочие. На самом деле, нефть не всегда черная - бывает и зеленая (девонская, раньше у меня в баночке стояла, жаль, выкинула), коричневая (самое частое) и даже белая (прозрачная, вроде бы на Кавказе она водится).
Нефть делится по качеству на несколько классов в зависимости от химического состава - соответственно, меняется ее цена. Еще в нефти очень часто растворен попутный газ, который так ярко горит на факелах.
Газа может быть растворено от 1 до 400 кубических метров в кубическом метре нефти. То есть дофига. Сам этот газ в основном состоит из метана, но ввиду трудности его подготовки (его надо сушить, очищать и доводить до ГОСТовых чисел Воббе - чтобы была строго определенная теплота сгорания) попутный газ очень редко используется в бытовых целях. Грубо говоря, если газ с промысла пустить в квартиру в газовую плиту, последствия могут быть от копоти на потолке до насмерть испорченной плиты и отравлений (например, сероводородом).
Ах, да. Еще одна попутная гадость в нефти - растворенный сероводород (потому что нефть - органическое вещество). Он очень ядовитый и очень коррозионно активный. Это накладывает свои трудности на добычу нефти. На дОбычу нефтИ. Профессионализм, который я, к слову сказать, не употребляю.
Откуда взялась нефть?
На этот счет есть две теории (подробнее - ). Одна - неорганическая. Впервые была высказана Менделеевым и заключается в том, что вода протекала мимо раскаленных карбидов металлов, и, таким образом, образовывались углеводороды. Вторая - органическая теория. Считается, что нефть "созревала", как правило, в морских и лагунных условиях, путем перегнивания органических остатков животных и растений (илов) в определенных термобарических условиях (высокое давление и температура). В принципе, исследования подтверждают эту теорию.
Зачем нужна геология?
Стоит, наверное, упомянуть строение нашей Земли. По-моему, на картинке все красиво и ясно.
Так вот, нефтяные геологи имеют дело только с земной корой. Она состоит из кристаллического фундамента (там нефть находится оооочень редко, поскольку это магматические и метаморфические породы) и из осадочного чехла. Осадочный чехол состоит из осадочных пород, но не буду углубляться в геологию. Скажу только, что глубины нефтяных скважин обычно порядка 500 - 3500 м. Вот на этой глубине и лежит нефть. Выше обычно только вода, ниже - кристаллический фундамент. Чем глубже порода - тем раньше она отложилась, что логично.
Где залегает нефть?
Вопреки почему-то распространенным мифам о "нефтяных озерах" под землей, нефть находится в ловушках. Упрощая, ловушки в вертикальном разрезе выглядят так (вода - вечная спутница нефти):
(Складка, выгнутая "спиной" вверх, называется антиклиналью. А если она похожа на чашу - это синклиналь, в синклиналях нефть не задерживается).
Или так:
А в плане они могут быть круглыми или овальными поднятиями. Размеры - от сотен метров до сотен километров. Одна или несколько таких ловушек, расположенных рядом, являются месторождением нефти.
Поскольку нефть легче воды, то всплывает вверх. Но чтобы нефть никуда больше не утекла (вправо, влево, вверх или вниз), пласт с ней должен быть ограничен породой-покрышкой сверху и снизу. Обычно это глины, плотные карбонаты или соли.
Откуда берутся изгибы внутри земной коры? Ведь породы откладываются горизонтально или почти горизонтально? (если они откладываются кучками, то эти кучки обычно быстро разравниваются ветром и водой). А изгибы - поднятия, опускания - возникают вследствие тектоники. Видели на картинке с разрезом Земли слова "турбулентная конвекция"? Эта самая конвекция двигает литосферные плиты, что приводит к образованию трещин в плитах, а следовательно, смещениям блоков между трещинами и изменениям во внутреннем строении Земли.
Как залегает нефть?
Нефть залегает не сама по себе, как было уже сказано, нефтяных озер не существует. Нефть находится в горной породе, а именно, в ее пустотах - порах и трещинах:
Породы характеризуются такими свойствами, как пористость
- это доля объема пустот в породе - и проницаемость
- способность породы пропускать через себя жидкость или газ. Например, обычный песок характеризуется очень высокой проницаемостью. А бетон - уже гораздо хуже. Но смею заверить, что порода, залегающая на глубине 2000 м с высоким давлением и температурой по свойствам гораздо ближе к бетону, чем к песку. Я щупала. Тем не менее, оттуда добывается нефть.
Это керн - выбуренный кусок горной породы. Плотный песчаник. Глубина 1800 м. Нефти в нем нет.
Еще одно важное дополнение - природа не терпит пустоты. Практически все пористые и проницаемые породы, как правило, водонасыщены, т.е. в их порах находится вода. Соленая, поскольку она протекала через множество минералов. И логично, что часть этих минералов уносится вместе с водой в растворенном виде, а потом, при изменении термобарических условий, выпадает в этих самых порах. Таким образом, зерна породы становятся скреплены солями и этот процесс называется цементированием. Именно поэтому, по большому счету, скважины не осыпаются сразу же в процессе бурения - потому что породы сцементированы.
Как находят нефть?
Обычно сначала по сейсморазведке: пускают колебания на поверхности (взрывом, например) и замеряют время их возврата по приемникам.
Далее по времени возврата волны вычисляют глубину того или иного горизонта в разных точках на поверхности и строят карты. Если на карте выявляется поднятие (=антиклинальная ловушка), ее проверяют на наличие нефти бурением скважины. Далеко не во всех ловушках есть нефть.
Как бурят скважины?
Скважина - это вертикальная горная выработка с длиной во много раз больше ширины.
Два факта о скважинах: 1. Они глубокие. 2. Они узкие. Средний диаметр скважины при входе в пласт - порядка 0,2-0,3 м. То есть туда человек не пролезет однозначно. Средняя глубина - как уже говорила, 500-3500 м.
Бурят скважины с буровых вышек. Есть такой инструмент для измельчения горной породы, как долото. Заметьте, не бур. И оно совершенно не похоже на то самое винтообразное устройство из "Черепашек Ниндзя".
Долото подвешено на буровых трубах и крутится - оно прижато ко дну скважины весом этих самых труб. Есть разные принципы приведения долота в движение, но обычно вращается вся буровая колонна труб, чтобы вертелось долото и измельчало своими зубцами горную породу. Также в скважину постоянно закачивается (внутрь буровой трубы) и откачивается (между стенкой скважины и наружной стенкой трубы) буровой раствор - для того, чтобы охлаждать всю эту конструкцию и уносить с собой частицы измельченной породы.
Для чего нужна вышка? Чтобы подвесить на ней эти самые буровые трубы (ведь в процессе бурения верхний конец колонны опускается, и к нему надо привинчивать новые трубы) и чтобы поднимать колонну труб для замены долота. Бурение одной скважины занимает около месяца. Иногда используется специальное кольцевое долото, которое при бурении оставляет центральный столбик породы - керн. Керн отбирается для изучения свойств горных пород, хотя это и дорого. Еще скважины бывают наклонные и горизонтальные.
Как узнать, где какой пласт лежит?
Человек не может спуститься в скважину. Но нам же надо знать, что мы там пробурили? Когда скважина пробурена, в нее на кабеле спускают геофизические зонды. Эти зонды работают на совершенно разных физических принципах работы - собственная поляризация, индукция, измерение сопротивления, гамма-излучение, излучение нейтронов, измерение диаметра скважины и т.д. Все кривые записываются в файлы, получается вот такой кошмар:
Теперь в работу вступают геофизики. Зная физические свойства каждой породы, они выделяют пласты по литологии - песчаники, карбонаты, глины - и выполняют разбивку разреза по стратиграфии (т.е. к какой эпохе и времени относится пласт). Думаю, про парк юрского периода слышали все:
На самом деле, есть намного более детальное разбиение разреза на ярусы, горизонты, пачки и т.д. - но нам сейчас это неважно. Важно то, что коллектора нефти (пласты, способные отдавать нефть) бывают двух типов: карбонатные (известняки, как мел, например) и терригенные (песок, только сцементированный). Карбонаты - это СаСО3. Терригенные - SiO2. Это если грубо. Сказать, какие лучше, нельзя, они все разные бывают.
Как скважину готовят к работе?
После того, как скважина пробуривается, ее обсаживают. Это значит - спускают длинную колонну стальных обсадных труб (диаметром практически как скважина), а затем в пространство между стенкой скважины и наружной стенкой трубы закачивают обычный цементный раствор. Это делается для того, чтобы скважина не осыпалась (ведь не все породы хорошо сцементированы). В разрезе скважина теперь выглядит так:
Но мы закрыли обсадной колонной и цементом нужный нам пласт! Поэтому выполняется перфорация колонны напротив пласта (а как узнать, где нужный пласт? геофизика!). Спускается, опять же, на кабеле перфоратор с заложенными в него взрывными зарядами. Там заряды срабатывают и образуются дыры и каналы перфорации. Теперь нас не волнует вода с соседних пластов - мы проперфорировали скважину только напротив нужного.
Как добывают нефть?
Самая интересная часть, думаю. Нефть гораздо более вязкая, чем вода. Думаю, что такое вязкость - понятно интуитивно. Некоторые нефтяные битумы, например, похожи по вязкости на сливочное масло.
Зайду с другого конца. Жидкости в пласте находятся под давлением - на них напирают вышележащие слои пород. А когда мы бурим скважину - со стороны скважины не давит ничего. То есть в районе скважины давление пониженное. Создается перепад давления, называемый депрессией, и именно он приводит к тому, что нефть начинает течь в сторону скважины и появляться в ней.
Для описания притока нефти есть два простых уравнения, которые должны знать все нефтяники.
Уравнение Дарси для прямолинейного потока:
Уравнение Дюпюи для плоско-радиального течения (как раз случай притока жидкости к скважине):
Собственно, на них и стоим. Дальше углубляться в физику и писать уравнение нестационарного притока не стоит.
С технической точки зрения наиболее распространены три способа добычи нефти.
Фонтанный. Это когда пластовое давление очень высокое, и нефть не просто поступает в скважину, а еще и поднимается до самого ее верха и переливается (ну, на самом деле не переливается, а в трубу - и дальше).
Насосами ШГН (штанговый глубинный насос) и ЭЦН (электроцентробежный насос). Первый случай - это обычный станок-качалка.
Второй на поверхности вообще не видно:
Заметьте, вышек нет. Вышка нужна только для спуска/подъема труб в скважине, но не для добычи.
Суть работы насосов проста: создание дополнительного давления, чтобы жидкость, поступившая в скважину, могла по скважине подняться до поверхности земли.
Стоит вспомнить обычный стакан с водой. Как мы из него пьем? Наклоняем, правильно? А вот скважину наклонить не получится. Но в стакан с водой можно опустить трубочку и пить через нее, втягивая жидкость ртом. Примерно так скважина и работает: ее стенки - стенки стакана, а вместо трубочки в скважину спускают колонну насосно-компрессорных труб (НКТ). Нефть поднимается по трубам.
В случае ШГН станок-качалка двигает своей "головой" вверх-вниз, соответственно, приводя в движение штангу. Штанга при движении вверх увлекает за собой насос (открывается нижний клапан), а при движении вниз насос опускается (открывается верхний клапан). Вот так, понемногу, жидкость поднимается вверх.
ЭЦН работает напрямую от электричества (с мотором, естественно). Внутри насоса крутятся колеса (горизонтальные), в них есть прорези, так нефть и поднимается наверх.
Должна добавить, что открытое фонтанирование нефти, которое любят показывать в мультиках, - это не только аварийная ситуация, а еще и экологическая катастрофа и миллионные штрафы.
Что делать, когда нефть плохо добывается?
С течением времени нефть перестает выжиматься из породы под весом вышележащих толщ. Тогда в работу вступает система ППД - поддержания пластового давления. Бурятся нагнетательные скважины, и в них закачивается вода под высоким давлением. Естественно, закачанная или пластовая вода рано или поздно попадет в добывающие скважины и будет подниматься наверх вместе с нефтью.
Еще надо отметить, что чем больше доля нефти в потоке, тем быстрее она течет, и наоборот. Поэтому чем больше воды течет вместе с нефтью, тем труднее нефти выбраться из пор и попасть в скважину. Зависимость доли проницаемости по нефти от доли воды в потоке представлена ниже и называется кривыми относительных фазовых проницаемостей. Тоже очень нужное понятие для нефтяника.
Если призабойная зона пласта загрязнилась (мелкими частицами породы, унесенными вместе с нефтью, или выпали твердые парафины), то проводят кислотные обработки (скважину останавливают и в нее закачивают небольшой объем соляной кислоты) - этот процесс хорош для карбонатных пластов, потому что они растворяются. А для терригенных (песчаников) кислота пофигу. Поэтому в них проводят гидроразрыв пласта - в скважину качают гель под очень высоким давлением, так, что пласт начинает трескаться в районе скважины, после этого закачивают проппант (керамические шарики или крупный песок, чтобы трещина не закрылась). После этого скважина начинает работать гораздо лучше, потому что препятствия потоку ликвидированы.
Что с нефтью происходит потом, когда она добыта?
Сначала нефть поднимается на поверхность земли в трубу, которая идет от каждой скважины. 10-15 близлежащих скважин подключены этими трубами к одному замерному устройству, где измеряется, сколько нефти добыто. Потом нефть поступает на подготовку по стандартам ГОСТ: из нее удаляются соли, вода, механические примеси (мелкие частицы породы), если необходимо, то и сероводород, а также нефть разгазируется полностью, до атмосферного давления (вы же помните, что в нефти может быть дофига газа?). Товарная нефть поступает на нефтеперерабатывающий завод. Но завод может быть далеко, и тогда в дело вступает компания "Транснефть" - магистральные трубопроводы для готовой нефти (в отличие от промысловых трубопроводов для сырой нефти с водой). По трубопроводу нефть качается такими же точно ЭЦН-ами, только положенными набок. В них точно так же вращаются рабочие колеса.
Отделенная от нефти вода закачивается обратно в пласт, газ сжигается на факеле или идет на газоперерабатывающий завод. А нефть либо продается (за границу трубопроводами или танкерами), либо идет на нефтеперерабатывающий завод, где перегоняется путем нагревания: легкие фракции (бензин, керосин, лигроин) идут на топливо, тяжелые парафинистые - на сырье для пластиков и т.п., а самые тяжелые мазутные с температурой кипения выше 300 градусов обычно служат топливом для котельных.
Как всё это регулируется?
Для добычи нефти есть два главных проектных документа: проект подсчета запасов (там обосновывается, что нефти в пласте именно столько, а не больше и не меньше) и проект разработки (там описывается история месторождения и доказывается, что надо разрабатывать его именно так, а не иначе).
Для подсчета запасов строятся геологические модели, а для проекта разработки - гидродинамические (там вычисляется, как месторождение будет работать в том или ином режиме).
Сколько всё это стоит?
Сразу скажу, все цены, как правило, конфиденциальны. Но могу примерно сказать: скважина в Самаре стоит 30-100 млн.руб. в зависимости от глубины. Тонна товарной (не переработанной) нефти стоит по-разному. Когда считала первый диплом, давали величину около 3000 р., когда второй - около 6000 р., разница во времени - год, но это могут быть и не реальные значения. Сейчас - не знаю. Налоги составляют как минимум 40% от прибыли, плюс налог на имущество (в зависимости от балансовой стоимости имущества), плюс налог на добычу полезных ископаемых. Добавьте деньги, требуемые на зарплату работникам, на электричество, на ремонт скважин и обустройство месторождения - строительство трубопроводов и оборудования для сбора и подготовки нефти. Очень часто экономика проектов разработки уходит в минус, поэтому надо ухищряться работать в плюс.
Добавлю такое явление, как дисконтирование - тонна нефти, добытая в следующем году, ценна меньше, чем тонна нефти, добытая в этом. Поэтому нужна интенсификация добычи нефти (которая тоже стоит денег).
Итак, я вкратце изложила то, чему училась 6 лет. Весь процесс, от появления нефти в пласте, разведки, бурения, добычи, переработки и транспортировки до продажи - вы видите, что для этого требуются специалисты совершенно различных профилей. Надеюсь, что хоть кто-то прочитал этот длиннющий пост - а я очистила совесть и развеяла хотя бы немногие мифы, окружающие нефть.
Американские исследователи открыли микроводоросль, давшую «начало» всем нынешним запасам нефти и угля. Специалисты из США убеждены, что именно обнаруженная ими микроводоросль и явилась причиной накопления этих ресурсов
Группа экспертов во главе с профессором Джо Чапелом из Университета штата Кентукки в США отыскала микроорганизм, ставший основой основ абсолютно всех запасов угля и нефти на Земле. Сейчас исследователи трудятся над генетической модификацией новообнаруженного микроорганизма, способного стать настоящим источником топлива и решить все будущие энергетические проблемы человечества.
Прежде ученые выяснили, что уголь и нефть образовались как результат жизнедеятельности микроорганизмов, живших на Земле свыше 500 млн лет тому назад. И совсем недавно команда американских исследователей установила, что всего один организм явился самой непосредственной причиной возникновения и накопления этих важных природных ресурсов. Специалисты выяснили, что это микроводоросль под названием Botryococcus braunii, имеющая химические «отпечатки» во всех видах нефти. Так как в ходе продолжительного времени нефть в итоге становится углем, водоросль B.braunii является также источником и этого твердого топлива.
«Но еще более интригующим фактом получается то, что эта удивительная водоросль существует по сей день и вполне может стать главной целью исследований для крупной химической и нефтехимической индустрий»,- отмечает Джо Чапел.
Несмотря на очевидный колоссальный «труд» по формированию нынешних нефте-угольных запасов, B.braunii, увы, растет довольно медленно, в связи с чем в своем естественном виде она не сильно пригодна в качестве прямого источника для создания запасов биотоплива. Но специалисты могут применить гены B.braunii при создании альтернативных микроорганизмов, которые могут оказаться способными к эффективному и быстрому биосинтезу углеводородов.
Сегодня уже имеются весьма удачные примеры выделения нужных генов, которые характеризуются высокой биохимической активностью, и принудительного внедрения их в геном дрожжей. В результате чего выходят в общем-то неприхотливые живые источники биотоплива, которые в будущем способны стать возобновляемой альтернативой классической методе добычи нефти.
По словам ученых, использование генов B.braunii несет в себе громадные преимущества, поскольку данный микроорганизм обладает уникальным молекулярным механизмом для производства углеводородного сырья. И надо сказать, что аналогичными качествами не наделена ни одна известная бактерия, что, в общем-то, и подтверждается колоссальными запасами угля и нефти, которые много миллионов лет тому назад начала создавать B.braunii. По заверениям экспертов, перенос уникальных генов водоросли Botryococcus braunii в быстрорастущий и не очень прихотливый организм даст возможность создавать недорогие и высокоэффективные биореакторы, которые производят топливо.
Прогнозы
Считается, что глобальный экономический рост, а также морозная зима в северном полушарии повысят спрос на нефть в текущем году, который превысит ожидания многих экспертов и представителей бизнеса. Об этом сообщает Международное энергетическое агентство (МЭА).
По прогнозам этого агентства, объем спроса на нефть должен достичь 89,1 миллиона баррелей в сутки в сравнении с 87,7 миллиона баррелей в сутки в прошлом году.
МЭА предупреждает, что завышенная на сегодняшний день цена на нефть способна спровоцировать замедление в восстановлении глобальной экономики. Помимо того, МЭА информирует о том, что производители нефти, инвесторы, а также потребители могут ощутимо пострадать в случае, если цена на нефть станет удерживаться на уровне примерно 100 долларов США за один баррель.
Нефть никогда не закончится?
Несколько десятилетий назад геологи полагали, что запасы газа и нефти должны были закончиться на Земле уже не один раз. Последние же данные заставляют ученых уточнить, что запасов углеводородов на нашей родной планете хватит, по всей вероятности, еще аж на полстолетия. Речь при этом, разумеется, идет об углеводородах органического происхождения.
Между тем недавние опыты в Института физики высоких давлений РАН в городе Троицке продемонстрировали, что наша Земля может давать нефть и газ беспрерывно. Углерода в верхней мантии очень много, говорят российские специалисты, часто он выходит на поверхность — скажем, в виде алмазов посредством кимберлитовых трубок.
Как объясняют отечественные ученые, в земных недрах идет постоянный перенос массы, перенос тепла. А это означает, что породы и различные вещества, которые присутствуют в мантии нашей планеты, способны к неисчерпаемому воспроизводству углеводородов, включая нефть.
