Глава 1. История развития нефтедобычи
* * *
Человечество издревле интересовали вопросы, касающиеся углеводородов. Проблему происхождения углеводородов (нефти и газа) изучали древнегреческий географ Страбон, древнегреческий писатель и историк Плутарх, средневековый ученый Г. Агрикола.
Большой вклад в изучение происхождения нефти внесли российские ученые М. И. Ломоносов и Д. И. Менделеев, основоположник геохимии академик В. И. Вернадский и академик И. М. Губкин.
Сегодня во всем мире этой проблемой занимаются десятки и сотни специализированных научных лабораторий, технических институтов, университетов, национальных и международных академий.
Столь большой интерес к проблеме происхождения нефти связан в основном с тремя проблемами касающихся, во-первых, определением запасов нефти и газа, содержащихся в недрах Земли, и обеспечением ими растущей экономики мира; во-вторых, с осложнением условий добычи нефти и газа (в Арктике, под дном морей, на глубине более 5000 м) с повышением надежности прогнозов нефтегазоносности; в-третьих, с разработкой новых современных энергоэффективных технологий добычи нефти и газа, с увеличением коэффициента извлечения нефти (КИН) из недр (сегодня КИН достигает максимум 35%), что на базе твердых знаний условий образования углеводородов нефти и газа.
Рис. 1.1. Современные скважины после кустового метода бурения и эксплуатируемые УЭЦН
1.1. В глубь истории
Рождение новой отрасли промышленности – нефтедобывающей – имеет для Человечества огромное значение.
3 февраля 1866 года в долине речушки Кудако на Кубани из бурящейся скважины из глубины 70 м ударил фонтан нефти, средний дебит которого составил 17,8 м3/сут.
28 августа 1859 года, когда полковником Дрейком была пробурена скважина глубиной всего 21,03 м, давшая с помощью насоса до 4,8 т/сут нефти, считается официальной датой рождения нефтяной промышленности в Соединенных Штатах Америки.
Однако первые скважины на нефть бурили несколько раньше, а нефть добывали за много лет до этой даты. В России первая нефтяная скважина была пробурена еще в 1848 г. недалеко от Баку, а в 1855 г. – в районе Ухты.
В США первая нефть была получена из скважин, которые бурили для добычи рассола около Баркевилля (Кентукки) в 1829 г.
В Китае за 200 лет до н. э. с помощью бамбуковых труб и бронзовой "бабы" проходили скважины глубиной до 1067 м. В Сычуане в 221–263 гг. н. э. из соляных скважин глубиной около 240 м добывали газ.
Сведения о выходах нефти и твердых битумов и их добыче на Ближнем Востоке, в северо-восточной части Африки на территории Египта и Эфиопии, а также в Албании, на Балканском полуострове, в Италии, в частности в Сицилии, имеются в трудах древнегреческих историков, философов и медиков: Геродота (490–425 гг. до н. э.), Аристотеля (384–322 гг. до н. э.), Диодора (90–21 гг. до н. э.), Страбона (64–24 гг. до н. э.), в трудах римского архитектора Витрувия (вторая половина 1 века до н. э.), Плиния Старшего (23–79 гг. н. э.), греческого врача Диокорида (около 50 годы н. э.), Тацита (58-117 гг. н. э.).
Страбон и Плутарх писали, что в 329 году до н. э. во время похода Александра Македонского (356–323 гг. до н. э.) через Среднюю Азию на реке Амударья (Окс) были обнаружены выходы нефти.
Итак, историю открытия нефти можно разделить на несколько этапов.
Первый этап – с древнейших времен по 1760 г. Представления о происхождении нефти связаны с представлениями о "флогистоне", механизмах извержений вулканов. Первые представления о происхождении нефти появились в трудах древнеримского архитектора Витрувия (1 век до н. э.). Он описывает применение битумов в строительстве в Италии и на Ближнем Востоке. Древнегреческий географ и историк Страбон (64–63 гг. до н. э.) высказывался о происхождении нефти, о выходах нефти и других битумов во многих местах юга Европы и Ближнего Востока (Албания, Мертвое море и т. д.). Первая теория о происхождении нефти была сформулирована еще в 950 году арабским ученым Ихван-эс-Сафа. "Вода и воздух – писал он, – созревают действием огня и образуют огненную серу (в то время все естественные горячие вещества называли серой) и водяную ртуть. Эти два вторичных элемента смешиваются с разным количеством земли и в зависимости от температуры образуют минералы, находящиеся в земле, включая битуминозную субстанцию, такие как нефть и кир. Поэтому они имеют "высокий" воздух и нефть, сжижаются и огнеопасны".
В 1275 г. арабский исследователь Эль-Казвини пытался объяснить, как из нефти путем коагуляции образуется кир.
На Керченском полуострове в местах расположения городов древнего Боспорского царства Мирмекия и Тиритаки при археологических раскопках в 19371939 гг. была обнаружена амфора, заполненная нефтью, которую здесь добывали в конце 4 века н. э.
Еще до VII века н. э. апшеронская нефть составляла одно из основных богатств Азербайджана, в летописи "Албания VII века" Моисея Каганкатваци отмечается, что в бассейне Куры добывали нефть и соль. В XIII веке в районе Баку побывали венецианский купец Марко Поло (в 1271–1273 гг.) и арабские путешественники Мухаммед Булдан Якут (1179–1229 гг.) и Мухаммед Наджи Бекран (в 1230 г.). Они описали добычу нефти с помощью колодцев и отметили наличие "белой" нефти, а также храма огнепоклонников.
Афанасий Никитин, проезжавший через Баку в 1467 г., отметил, что "огонь горит неугасимый".
В 1692 г. стало известно о выходе нефти на реке Ухта, в 1703 г. – на реке Сок, в 1718 г. – на реке Терек, в 1760 г. – в Оренбургской области и в районе Эмбы. В 1769 г. на реке Белой предпринимались попытки добычи нефти. В Средней Азии, в Туркмении, на Челекене и в Фергане в середине XIX века нефть собирали с поверхности водоемов.
В XIV–XVIII веках окисленную нефть добывали в Северной и Центральной Италии. Французский исследователь П. Белон начиная с 1542 г. посетил все известные места добычи нефти и других битумов в Европе и на Ближнем Востоке, он сообщил, что в Северной Италии уже тогда бурили скважины глубиной до 219 м, а в Германии – до 366 м, до соленой воды. В 1608 г. были открыты выходы нефти вблизи деревни Габиеп на юго-востоке Франции, в 1500 г. – у Ганновера (Германия), в 1626 г. – на территории Швейцарии, в 1749 г. – в Швеции.
В Юго-Восточной Азии выходы нефти были известны еще до прихода европейцев на острова Ява, Суматра и Борнео. Индейцы Северной Америки и Мексики издавна с помощью одеял собирали нефть на выходах. В 1526 г. испанцам стало известно о выходах нефти на о. Куба, в 1544–1551 гг. – на территориях Перу и Боливии, в том числе и в районе озера Титикака, в 1855 г. – в Эквадоре и Тринидаде (смоляное озеро).
В конце XVIII в. в районе Баку впервые в мире стали добывать нефть со дна моря. Это событие, важность которого была оценена лишь более чем через 150 лет, когда высокоразвитые страны начали добывать нефть с нефтяных платформ на глубине до 1500 м.
Второй этап. С 1860 г. начался переход от колодезной добычи к добыче с помощью буровых скважин.
К 1906 г. добычу нефти производили на всех континентах и на крупных островах, таких как Ява, Суматра, Новая Зеландия, особенно широко – в пределах США. Из числа важнейших открытий следует отметить месторождения, обнаруженные в Венесуэле (в районе лагуны Маракайбо и бассейне р. Ориноко) и на берегах Суэцкого залива (АРЕ). Интересно, что все новые месторождения в течение данного этапа открыты в районах, характеризующихся нефтепроявлениями на поверхности.
После 1906 г. в России стали добывать нефть на Новогрозненском месторождении (1913 г.), в Урал-Эмбенском районе (1911 г.), на Северном Сахалине (Охинское месторождение, 1921 г.).
Третий этап открытия новых месторождений нефти начался с 1932 г. и продолжался до 1950 г. В этот период открыты:
– месторождения нефти – в Волго-Уральской, Тимано-Печорской провинциях в Восточной Сибири:
– первые мелкие месторождения газа – в Западной Сибири;
– нефтяные месторождения – в Саудовской Аравии, Кувейте и других странах. Все новые месторождения на этом этапе выявлены в основном в регионах, характеризующихся либо нефтепроявлениями на поверхности, либо уже открытыми нефтяными месторождениями.
Четвертый этап (1951–1964 гг.) приобретает принципиально новый характер открытий, на основании новых теоретических представлений поисковые работы проводили во многих регионах, характеризующихся отсутствием признаков нефти на дневной поверхности, или ранее известных месторождениях. Открыты месторождения газа и нефти в Днепровско-Донецком регионе, Ставрополье, на севере Краснодарского края, в Средней Азии; мелкие газовые и нефтяные месторождения – в Западной Сибири, а за рубежом – в Сахаро-Ливийском регионе, на побережье Гвинейского залива, на берегах и в акватории залива Кука на Аляске, на западе Индии (Камбейский регион), во многих регионах Китая (Сунляо, Цайдамском, Таримском, Турфанском и др.) и др.
На пятом этапе, начавшемся в 1964 г. и продолжающемся до настоящего времени, открыты новые нефтегазоносные территории и акватории и установлены истинные масштабы нефтегазоносности областей: в Белоруссии, в Восточной Сибири и Прибалтике, стали выясняться истинные масштабы нефтегазоносности Западной Сибири, Днепровско-Донецкого региона, Восточного Предкавказья, Средней Азии и Казахстана. Открыты месторождения газа в Черном и Азовском морях, нефти – в Охотском море; за рубежом открыты месторождения газа и нефти в Северном и Средиземном морях, в прибрежных частях океанов – Атлантического (у берегов Африки, Южной, Центральной и Северной Америки), Индийского (в Персидском и Суэцком заливах, у берегов Индии и Австралии), Тихого (в Яванском, Южно-Китайском и др.) и Северного Ледовитого – вблизи берегов и островов Канады. Обнаружены гигантские месторождения нефти на севере Аляски, на Юго-Востоке Мексики, гигантские месторождения газа – в Иране, Персидском заливе и других регионах мира.
Шестой этап развития нефтегазодобывающей отрасли – добыча сланцевых углеводородов и добыча метана из угольных пластов, что характерно особенно для США.
Расширение поисков углеводородов, охватившее не только все континенты и острова, но и океаны и моря, обусловлено ростом потребности в углеводородах. Не надо доказывать, что существует прямая и обратная связь между научно-технической революцией (НТР) и использованием углеводородов, чем полнее реализуются все потенциальные возможности углеводородов, тем интенсивнее происходит развитие НТР, а, с другой стороны, развитие НТР позволяет существенно увеличить количество добываемых углеводородов.
Если Россия не смогла бы решить эту проблему, то превратилась бы в сырьевой придаток развитых стран. Но кризис 2015 г. явился отправной точкой для развития техники и технологии в России. Доказательством данного утверждения является тот факт, что в России довольно успешно началось освоение технологии добычи нефти из Боженской свиты.
1.2. Тайны состава нефти и углеводородов
Вот уже 200 лет прошло с момента промышленного применения нефти и углеводородов, но до сих пор окончательно не изучен состав нефти, история раскрытия этой тайны тесно связана с историей развития химии, в частности органической химии. Родоначальник современной химии А. Л. Лавуазье (1743–1794 гг.) выяснил, что нефть состоит из углерода и водорода и имеет более сложное строение, чем неорганические соединения. В 1817 г. французский химик X. Соссюра установил, что итальянская нефть содержит углеводороды, ав 1833 г. химики пришли к выводу о том, что атомарное отношение углерода и водорода в нефтях подчиняется формуле СпН2п+2.
Не изучив свойств, не раскрыв всех тайн, не понимая все парадоксы свойств нефти и углеводородов в различных условиях, невозможно определить происхождение нефти; соответственно, не зная происхождения нефти, нельзя увеличить ее извлечение из пластов.
В нефти содержится примерно 500 углеводородных соединений, основная часть (80–90%) – смесь углеводородов. Значительно меньшая составляющая нефти – гетероатомные соединения (массовая доля 4–5%). В нефти примерно 250 сернистых, 85 кислородных и 30 азотистых гетероатомных веществ, примеси серы, меди, цинка, ванадия и др., также неметаллы и вода.
Примерный элементный состав нефти: С – 85,1, Н – 13,0, S – 0,36, N – 0,6, О – 0,8, зола – 0,05%. Таким образом, как отмечено ранее, нефть на 95% состоит из углерода и водорода. Для сравнения отметим, что среднее содержание углерода в бактериях не превышает 20, а в водорослях – 8,5%, причем углеводород в живом организме присутствует в виде сложных гетероциклических соединений. Важно иметь в виду, что углеводороды в чистом виде как газы или как жидкости не встречаются ни в одном живом организме и не синтезируются непосредственно ни одним из них.
В мощной толще горных пород, пропитанных водой, появляется вещество, по всем своим физическим свойствам противоположное воде, гидрофобное, плотность которого всегда меньше плотности воды и в отличие от воды не повышается с глубиной, а, как правило, понижается. Если вода стремится занять в породах, в первую очередь, самые мелкие поры и трещины, то нефть, наоборот, – самые крупные. Нефть представляет собой жидкость, чаще всего коричневую, с зеленоватым или другими оттенками, иногда почти черную и редко бесцветную. Плотность изменяется в широких пределах – от 0,76 до 0,99 г/см3, чаще всего составляет 0,80-0,87 г/см3. Очень редко встречается нефть плотностью от 1,0–1,04 г/см3 (месторождение Окснард в Калифорнии). В соответствии с плотностью меняется вязкость нефти от 1,41 до 660 мПа · с. Плотность и вязкость нефти зависят от многих факторов, в том числе от температуры и количества растворенных в нефти газов. Поверхностное натяжение нефти (19–33 мН/м) почти в 3 раза меньше, чем у воды (73 мН/м), вследствие чего вода всегда вытесняет нефть из мелких пор в крупные. Температура кипения нефти колеблется в широких пределах – от 78 до 250°C. Одним из примечательных свойств нефти является ее способность растворять огромное количество углеводородных газов – до 400 (1000) м3 в 1 м3 нефти и самой растворяться в них до 400 г нефти в 1 м3 газа. При этом чем больше в нефти растворенного газа, тем меньше ее плотность и вязкость. Энергетическая теплотворная способность нефти составляет 42000 кДж/кг; для сравнения: торфа – 10500-14700; каменного угля – 21000-30240; антрацита – 27300-31500.
Нефть обладает рядом интересных оптических свойств: светится под ультрафиолетовыми лучами – люминесцирует, может вращать плоскость поляризации светового луча. Молекулярный вес нефти колеблется в пределах 240290, иногда превышая эту величину. Главным элементом является углерод, составляющий от 83–87% нефти, содержание водорода – колеблется в пределах 12–14%. Кислород, азот и сера содержатся в пределах 5–8%. В нефти в весьма небольших количествах встречаются фосфор, ванадий, никель, железо, алюминий, кальций, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор и т. д.
Теперь о газах. Горючие углеводородные газы бесцветные, почти 2 раза легче воздуха. Они, как правило, не имеют запаха. При наличии примеси сероводорода приобретают неприятный запах и становятся очень токсичными. Теплотворная способность газов составляет 27300-37800 кДж/м3, а попутных нефтяных газов (ПНГ) – 42000-71400 кДж/м3. Довольно часто в состав природных горючих газов в разных количествах входит сероводород. Например, в газах Оренбургского месторождения его содержание – 4,5%, а в газах Астраханского месторождения – 26%. В природе встречаются газы, содержащие более 50% сероводорода. Сероводород токсичен и агрессивен по отношению к металлам, вследствие чего все оборудование должно быть изготовлено из специальных сталей.
Нефть и углеводороды находятся не только в сообщающихся пустотных пространствах горных пород (в случае образования залежей), но и в закрытых породах, а также в сорбированных минеральной частью угольных или сланцевых породах или растворены в подземных водах.
Интересно распределение температуры в недрах. На суше сезонные колебания температуры отражаются до глубин 15–25 м, где они обычно равны среднегодовой температуре воздуха. Исключение составляют вулканические области и зоны поступления глубинных вод. Ниже глубины 20–25 м температура начинает возрастать в среднем на 1°C через каждые 30 м, но в отдельных районах (в Ставрополье, частично в Западной Сибири, Средней Азии и др.) температура увеличивается быстрее – на 1°C через 15–25 м, а в других районах (на Кольском полуострове, в районе Курской магнитной аномалии и др.) температура повышается на 1°C лишь через 60-100 м. Давление воды, нефти и газа в недрах возрастает с глубиной примерно на 1 кг/см2 через каждые 10 м глубины.
Согласно физическим законам, благодаря действию сил молекулярного притяжения в капиллярных каналах с поперечным сечением менее 0,001 мм вода не перемещается под влиянием силы тяжести и требуется приложение значительных градиентов давления, чтобы сдвинуть такую пленочную жидкость. Поры всех осадочных пород на дне водных бассейнов и на суше, как только порода оказывается ниже уровня грунтовых вод, заполняются водой. Таким образом, когда в породу поступают нефть или газ, то для заполнения ее пор им надо вытеснить воду. Из пор крупнее 0,001 мм вода может уйти, а из более мелких пор при давлениях, обычно существующих на глубинах до 10 км, она не может быть вытеснена. По этой причине вода, нефть и газ в недрах могут двигаться по пластам песков, песчаников, пористых известняков, доломитов, различных трещиноватых пород, но для них непроницаемы пласты влажных глин, каменной соли, плотных известняков, ангидритов и других непористых и нетрещиноватых пород.
Следует иметь в виду, что нефть и газ из пластов никогда не удается извлечь полностью. Например, нефть задерживается в уголках пор, тупиковых каналах, просто на поверхности зерен породы, в более мелких порах и т. д. Количество извлеченной нефти по отношению к общему ее количеству в нефтесодержащих породах месторождения может колебаться в пределах от 5 до 95% и зависит от множества как природных, так и технических факторов: вязкости нефти, типа породы, в которой она находится, температуры и давления, содержания растворенных газов, частоты расположения эксплуатационных скважин, темпа отбора (т. е. от количества ежегодно добываемой нефти по отношению к тому количеству нефти, которое первоначально содержалось в залеже нефти), темпа заводнения и т. д. В настоящее время в мире в среднем значение КИН составляет примерно 35%. В связи с энергетическими кризисами в последнем десятилетии встал вопрос об общей оценке запасов нефти и газа, содержащихся в земной коре и предельных глубинах их распространения. Очевидно, что такой прогноз можно сделать лишь на основании определенных теоретических представлений о происхождении нефти и газа.
1.3. Различные представления и гипотезы о происхождении нефти и газа
На протяжении всех времен человека интересовало происхождение нефти и газа. Существует много различных гипотез по этому поводу. Одним из первых ученых к этому вопросу обратился средневековый ученый Г. Агрикола (15461550 гг.). Он в своих работах высказал мнение, опровергающее утверждение о растительном происхождении битумов и янтаря и считал, что битумы занимают первое место среди всех материй, которыми питается подземный огонь. Представления исследователя Г. Агриколы о вулканических процессах как о процессе горения горючих ископаемых разделяли многие исследователи вплоть до XIX столетия: он предполагал, что "гореть" должно другое вещество – нефть или битум.
Позже появлялись и другие представления об этой проблеме. Развитие вопроса о происхождении нефти и газа можно разделить на несколько этапов:
1 этап – 1694–1760 гг. В конце XVII века французский ученый П. Поме (1694 г.) и итальянский ученый П. С. Бокконе, английский ученый В. Чарлитон (1697 г.) считали, что янтарь и битумы имеют одинаковое происхождение и нефть образуется "вулканическими силами из земли и серного начала".
В начале XVIII в. (1725 г.) немецкий ученый И. Ф. Генкель высказал предположение, что нефть ("горные масла", или "горные смолы") образуется из остатков животных и растительности.
К 1739 г. все представления о происхождении нефти обобщены русским академиком И. Вейбрехтом, который, разделяя мнение о нефти как о смеси "огненной (серой)", водной и земляной субстанций, в то же время считал, что нефть либо образовалась под влиянием тепла Земли, либо находилась в ее недрах изначально.
В 1748 г. французский ученый Б. де Малье высказал мысль, что все горячие ископаемые образовались из захороненных в морских осадках животных и растительных организмов и что вулканические процессы обусловлены горением этих веществ, в том числе и каменного угля.
В 1750 г. немецкий ученый Д. Р. Шпильман писал, что нефть образуется из растений, преимущественно из ели.
Член Французской академии наук, химик по специальности, П. Ж. Макер в 1758 г. высказал мнение о том, что битумы образуются в результате взаимодействия "растительных масел" и "кислот".
Таким образом, до 1760 г. существовали два различных мнения об образовании нефти: растительного (органического) и нерастительного (неорганического) происхождения нефти.
2 этап – 1761–1859 гг. Этот этап продолжался в течение почти 100 лет, а начался с работы М. В. Ломоносова, который впервые связал происхождение нефти с геологическим строением Земли, считая, что внутри нее имеется "огненное ядро", под действием которого и происходят извержения вулканов, а также "выгорание" целых участков "земли" и последующее их опускание. В 1768–1774 гг., по инициативе М. В. Ломоносова, Академией наук России были организованы экспедиции, участники которых наблюдали выходы нефти у оз. Байкал (П. С. Паллас), на Апшеронском полуострове (С. Г. Гмелин), в Кахетии (А. И. Гильденштедт), на Волге, вблизи Симбирска, на р. Белой (И. И. Лепихин).
Почти каждый из участников этих экспедиций высказывал основанные на собственных наблюдениях соображения о происхождении нефти, но единого мнения не было.
В энциклопедии, под редакцией Д. Дидро и Ж. Д. Аламбера, изданной в 1765 г., дано толкование терминов "асфальт", "битум" и "петройль" (нефть), описаны их свойства и распространение, но ничего нет о генезисе. Однако в XI томе, изданном в 1774 г., отмечается, что нефть "своим происхождением обязана погребенным смолистым деревьям, так же как и другие битуминозные субстанции, минеральные угли и янтарь".
Вероятно, первой работой, которую можно назвать в современном плане геохимической, является исследование английского химика и минеролога Ч. Гатчетта (1798 г.), установившего, что битумы состоят из трех элементов, как и растительные масла, смолы и животные жиры, и образуются в результате сгущения нефти, а нефть образуется из захороненного вещества растительного и животного происхождения. Он считал, что существует единый ряд: нефть-мальта-минеральные смолы-асфальт-гагат-ископаемый уголь, каждый последующий член которого отличается от предыдущего потерей водорода и повышением количества свободного углерода.
Немецкий химик К. Райхенбах в 1834 г. провел перегонку каменного угля с водой и получил 0,0003% масла, очень похожего на скипидар и на нефть Италии. На основании этого он предположил, что нефть "представляет собой скипидар доисторических пиний (итальянских сосен), находилась в углях в готовом виде и выделялась из них под действием тепла Земли".
Другой французский исследователь П. Т. Вирле в 1834 г. на основании результатов экспериментов К. Райхенбаха пытался доказать вулканическое происхождение нефти. Рассчитав количество угля (17,4 млн т), которое, исходя из данных К. Рейхенбаха, необходимо для образования нефти, поступающей в источник на острове Занте со времен Геродота (2300 лет), П. Т. Вирле заключил, что такого количества угля не содержат все залежи Англии. (В настоящее время наличие 17,4 млн т угля представляется нереальным). Он указал также, что в других географических пунктах, таких как Баку, на поверхность поступает намного больше нефти, и "для ее образования не хватило бы ископаемых углей всего земного шара".
Вторая группа аргументов сводилась к перечислению нефтепроявлений в районах современных вулканов (Везувий, Этна, Оверни и др.) и выходов магматических пород.
Наконец, третья группа аргументов основана на связи между нефтепроявлениями и грязевыми вулканами, которые П. Т. Вирле считал обычными вулканами.
А. Л. Ловецкий (1830 г.) не разделял взгляды М. В. Ломоносова, который считал, что нефть происходит из остатков растений или ископаемых углей, сомневался в возможности образования его из растительного вещества и под влиянием только "подземного огня".
Известный французский физик Ж. Б. Био, установивший в 1815 г. Закон вращения плоскости поляризации света, в 1835 г. определил, что таким свойством обладают нефть и нефтепродукты. К сожалению, это открытие было забыто, и только спустя более чем 70 лет русский химик П. И. Вальден использовал это открытие как доказательство органического происхождения нефти.
Русский геолог Р. А. Пахт (1856 г.) считал, что асфальт, содержащийся в виде включений в известняках пермского возраста, не мог образоваться из органического вещества животного происхождения, так как содержащееся в нем количество азота незначительно. Этот аргумент и позже являлся основным доводом противников образования нефти из органического вещества животного происхождения. Пожалуй, самым интересным явилось предположение, высказанное в 1859 г. американским ученым Д. С. Ньюберри. Изучая нефтеносные отложения на северо-востоке США, он пришел к выводу о том, что нефть образуется из битуминозных пород, в свою очередь сформировавшихся из осадков, обогащенных органическим веществом. При этом процесс нефтеобразования развивается при сравнительно низких температурах.
Обобщая существовавшие в течение рассматриваемого этапа представления о происхождении нефти, следует отметить, что среди них преобладало представление об образовании нефти из растительных остатков.
3 этап – 1860–1905 гг. После гениальных работ А. Л. Лавуазье стали понятны основные реакции, происходившие в "неорганическом мире". В отношении же химических реакций в живой природе существовало представление, что они не подчиняются выявленным законам и развиваются под влиянием особой "жизненной силы". Однако после того, как немецкий химик В. Велер синтезировал мочевину, а русский химик А. М. Бутлеров в 1861 г. осуществил синтез сахаристых веществ, резко изменились представления о химических реакциях, приводящих к образованию органических веществ.
Когда в 1860 г. Марселей Бертло (крупнейший французский химик-органик) сначала теоретически, а затем и экспериментально доказал возможность образования ацетилена (С2Н2) при взаимодействии щелочных металлов, углекислоты и паров воды, среди химиков стали распространяться представления о неорганическом происхождении нефти, а геологи-нефтяники придерживались в основном взглядов об органическом происхождении нефти. М. Бертло отмечал, что он не оспаривает мнение геологов о происхождении нефти, но обращает внимание на возможность образования углеводородов из неорганических веществ, считая возможным доказательством этого наличие углеводородов в метеоритах.
В 1861 г. Г. В. Абих (выдающийся геолог XIX века) утверждал, что нефть и газ образуются на глубине и нефть движется вверх благодаря газу. Он указал, что "углеводородные соединения… следует рассматривать как выделения из битуминозных сланцев и мергелей, имеющих место под влиянием высокой температуры и действия водяных паров, что битуминозные сланцы образуются из органического вещества растительного происхождения".
Французский геолог X. Кокан в 1867 г. пришел к выводу, что нефть образовалась на больших глубинах в результате синтеза, доказательством чего является наличие асфальтеновых покровов в Сицилии и Баку.
Г. Д. Романовский, проводивший в 1864 г. в районе Самарской Луки геологические изыскания с целью поисков каменного угля, пришел к выводу, что включения и примазки асфальта в отложениях каменноугольного и пермского возраста связаны с вулканической деятельностью, в процессе которой "выделялись пары минерального масла или прямо источники нефти…". В 1868 г. Г. Д. Романовский писал: "Я вполне уверен, что в Самарской губернии под пермскими песчаниками непременно заключаются бассейны жидкой нефти или горного масла и углеводородистые газы".
В 1871 г. французский химик Г. Бюассон, действуя на железо до белого каления водяными парами, углекислотой и сероводородом, получил нефтеподобное вещество. В 1876 г. немецкий химик С. Клоэц получил такие же продукты при действии серной кислоты на зеркальный чугун, содержащий примесь марганца.
Д. И. Менделеев 13 января 1877 г. на заседании Русского химического общества первым в истории наиболее полно изложил и обосновал неорганическое происхождение нефти следующими аргументами:
1) выходы нефти на поверхность свидетельствуют о ее стремлении к восходящим движениям, что связано с ее меньшей по отношению к воде плотностью. Следовательно, "место образования нефти должно лежать ниже тех мест, где она содержится";
2) если бы нефть происходила из организмов, то в местах ее скопления должны были быть "угольные остатки";
3) нефть в Пенсильвании встречается в породах девона и даже силура, в которые она должна была подняться из более древних отложений. Если учесть, что, по представлениям того времени, в силурийский период организмов было немного, то в более древние эпохи они совсем должны были бы отсутствовать;
4) при горообразовании появляются разломы, по которым вода проникает вглубь и, вступая во взаимодействие с "углеродистым металлом", дает окислы и предельные углеводороды, которые "в парах восходят до таких слоев, где сгущаются и пропитывают рыхлые пески, способные удержать много маслообразных веществ";
5) подтверждением правильности данной точки зрения является "распределение нефти по прямым линиям или дугам больших кругов, связь ее с вулканизмом" и др.
В 1889 г. русский геолог В. Д. Соколов на заседании Московского общества испытателей природы выступил с докладом, в котором доказывал космическое происхождение нефти и других битумов. Сущность этой гипотезы:
"1) запасы углерода и водорода в небесных телах громадны;
2) образующиеся из них углеводороды, возникая при одинаковых космических условиях, появляются в составе небесных тел в очень ранних стадиях их индивидуального развития;
3) на Земле они возникли тем же путем, как и на других небесных телах, образовав собой определенной запас, впоследствии в значительной степени поглощенный магмой;
4) при дальнейшем охлаждении и уплотнении магмы заключенные в ней углеводороды выделялись и продолжают выделяться по трещинам, возникающим в литосфере путем дислокаций;
5) подвергаясь конденсации в поверхностных частях нашей планеты, они дают основной материал для образования битумов".
В. Д. Соколов критиковал "минеральную" гипотезу Д. И. Менделеева, аргументируя ее несостоятельность отсутствием неокисленных металлов в центре планеты и отсутствием возможности проникновения к ним поверхностных и, особенно, соленых вод.
Следует особо подчеркнуть прозорливость Р. И. Мурчисона, который заметил, что если нефть имеет органическое происхождение, то ее следы должны быть в каждой породе морского генезиса. Этот вывод подтвердился через 80 лет.
Неоднозначность взглядов на происхождение нефти отражалась в учебниках и различных сводках по геологии.
4 этап – 1906–1931 гг. В течение этого этапа резко преобладали представления об органическом происхождении нефти. Были открыты нефтяные месторождения в новых регионах: в Волго-Уральской области, в Украине, на Северном Сахалине, в странах Ближнего и Среднего Востока (в Иране, Ираке, Бахрейне и др.), на юге Азии, в Америке (Венесуэле, Бразилии, Тринидаде, Боливии, Канаде и США), в Северной Африке (Алжире, Марокко и Египте), в Европе (Албании, Австрии, Чехословакии, Югославии и др.). Общее количество добываемой в мире нефти к 1929 г. возросло до 207 млн т. Геологический материал по открываемым новым нефтеносным регионам подтверждал представление об образовании нефти в отложениях, содержащих остатки огромных масс организмов животного происхождения. Существенное влияние на формирование таких представлений оказала вышедшая в 1909 г. монография химика К. Энглера и геолога-нефтяника Г. Гефера, в которой авторы обосновали происхождение нефти из остатков животных организмов.
Советский академик А. Д. Архангельский в результате изучения органического вещества, содержащегося в нефтеносных отложениях Северного Кавказа и в современных осадках Черного моря (в 1925–1927 гг.), пришел к выводу о том, что нефть образуется из органических веществ, заключенных в глинистых породах, которые в значительном количестве накапливались в морских бассейнах в условиях сероводородного заряжения.
Американский геолог К. Уошбэри считал (1914 г.), что солевой состав нефтяных месторождений указывает на их образование за счет "эманаций" из магматических очагов, а У. Рамсей (1923 г.) полагал, что никель, медь и другие металлы являлись катализаторами при синтезе углеводородов.
Академик В. И. Вернадский рассматривал решение проблемы происхождения нефти в аспекте влияния биосферы на процессы, развивающиеся в земной коре. В 1927 г. он писал: "Мы должны считать нефти фреатическими минералами, образующимися, по-видимому, вне биосферы, но связанными с живым веществом".
В 1925 г. советский химик Г. Л. Стадников пытался создать "гибридную" гипотезу происхождения нефти, согласно которой, нефть образуется из захороненного растительного детрита благодаря привносу глубинного водорода. На этом этапе преимущественно американскими исследователями проведены разнообразные исследования, в том числе экспериментальные.
В 1921 г. Д. Уайт считал основным фактором, вызывающим преобразование органического вещества в нефть, динамическое давление, действующее во время складкообразования.
В 1925 г. Ф. М. Ван Тайл и К. Д. Блэкборн в результате экспериментов с горючими сланцами пришли к выводу об отсутствии возможности "выжать" из них нефть, что в 1926 г. подтвердил и Д. И. Хэйлей.
Не прошло и 100 лет, в США с использованием наукоемкой технологии успешно разработали и организовали добычу нефти и газа из сланцевых пластов.
В 1925 г. В. А. Соколов экспериментально установил, что под действием альфа-лучей происходит распад содержащегося в осадках органического вещества с образованием водорода, СО2, СО и метана. Метан под действием этих же лучей полемиризуется в более тяжелые газообразные и жидкие углеводороды. В 1926 г. к этим выводам пришли американские исследователи С. К. Линд и Д. К. Бэрдуэлл.
Подводя итоги развития представлений о происхождении нефти в течение 1906–1931 гг., можно отметить следующее. Большинство геологов-практиков и научных работников считали, что нефть образуется из органических остатков в земной коре. Однако по вопросу исходных веществ для ее образования мнения расходились.
5 этап – 1932–1950 гг. Академик И. М. Губкин, выпустив в 1932 г. книгу "Учение о нефти", положил конец колебаниям в рассуждениях о происхождении нефти: до 1950 г. стала господствовать гипотеза об образовании нефти из рассеянного органического вещества.
В 1948 г. было открыто уникальное нефтяное месторождение Гхавар. Началась разработка месторождений в акваториях Каспийского моря, Мексиканского залива. В результате развернувшихся в течение рассматриваемого этапа исследований не только подтверждены господствующие представления об образовании нефти из органического вещества, захороненного в осадках различных водоемов, но они также позволили уточнить детали данного процесса. Открытие в 1934 г. А. Трайбсом в нефти порфиринов, являющихся производными хлорофилла, не только подтвердило органическое происхождение нефти, но и свидетельствовало о том, что процесс ее образования не является высокотемпературным, так как при температуре выше 250°C порфирины разрушаются.
Однако при всей определенности решения проблемы происхождения нефти в общем все же остался ряд крупных невыясненных вопросов:
– во-первых, каким был механизм преобразования органического вещества в нефть;
– во-вторых, какие факторы вызывали развитие этих процессов;
– в-третьих, почему при изучении современных ископаемых осадков не удается обнаружить начало образования углеводородов.
Ввиду неразрешенности этих вопросов нельзя было установить диагностические признаки толщ, которые генерировали нефть и, следовательно, нельзя было использовать указанные теоретические разработки для прогнозирования перспектив нефтегазоносности регионов.
В целом же на этапе господствовали представления об органическом происхождении нефти, и лишь отдельные авторы пытались отстаивать предположения о ее неорганическом происхождении. В США в 1940 г. Е. Мак-Дермот опубликовал статью об образовании залежей нефти из углеводородных газов, поднимающихся с больших глубин. В 1948 г. американский геолог К. ван Остранд пытался возродить предположение В. Д. Соколова, но также не был поддержан ни одним из геологов-нефтяников.
Несмотря на единомыслие, установившееся в отношении источников образования нефти к концу рассматриваемого периода, к 1951 г. в теории нефтегазовой геологии назрел кризис, обусловленный двумя главным причинами:
– во-первых, критерии, которые установлены для нефтепроизводящих толщ в традиционно нефтеносных регионах (Кавказ и Пенсильвания), оказались непригодными для новых регионов (Волго-Уральский и в США);
– во-вторых, не удалось обнаружить углеводороды ни в современных, ни в более древних осадках, в связи с чем не было однозначных критериев нефтегазопроизводящих пород.
Кризис в теории нефтегазовой геологии в определенной степени отражался и на практике проведения нефтепоисковых работ. Так, первые отрицательные результаты поисков нефти в Западной Сибири, Прибалтике, Белоруссии вызвали сомнения у многих геологов в целесообразности продолжения поисковых работ в этих регионах.
6 этап – 1951–2000 гг. Это этап становления теории осадочно-миграционного происхождения нефти и углеводородных газов. В 1950 г. группа ученых под руководством В. В. Вебера обнаружила углеводороды в современных осадках озер, лиманов и лагун, распространенных на Таманском полуострове. Американские исследователи под руководством П. В. Смита открыли углеводороды в современных осадках Мексиканского залива, прикалифорнийской части Тихого океана, дельте реки Ориноко. Хотя дальнейшие исследования показали, что углеводороды, содержащиеся в современных осадках, существенно отличаются от нефти, значение указанных открытий трудно переоценить. Они показали, во-первых, что углеводороды образуются в осадках и рассеянном органическом веществе, состоящем из остатков растительных и животных организмов. Теоретические предпосылки позволили обосновать необходимость широкого разворота поисковых работ на новых территориях и в акваториях, что и подтверждено открытием в самых различных частях мира новых нефтегазоносных провинций: Западно-Сибирской, Припятской, Прибалтийской, Североафриканской, Гвинейской, Восточно-Австралийской и др. Тем самым положен конец продолжавшейся в течение более двух столетий дискуссии о том, какое органическое вещество может быть исходным для образования нефти.
Однако некоторые советские исследователи усомнились в органическом происхождении нефти. Профессор ВНИГРИ Н. А. Кудрявцев, установив, что в разрезе Волго-Уральской области отсутствуют породы, характеризующиеся такими же параметрами, как нефтепроизводящие породы Кавказа, пришел к выводу о том, что нефть на месторождениях этой области имеет глубинное происхождение. Необходимо отметить, что такой же подход к данным по Западной Сибири еще в 1948 г. привел Н. А. Кудрявцева к заключению об отсутствии перспектив открытия залежей нефти и газа в этом регионе. В 1964 г. на 147-м Национальном съезде Американского химического общества, происходившем в Филадельфии, американский химик П. К. Маркс выступил с новой, так называемой "батарейной" теорией происхождения нефти, согласно которой, она образуется на больших глубинах (более 11–14 км) в результате возникновения электрического поля между двумя электродами – сульфидами железа и графита.
Несмотря на многочисленные противоречия в теории образования нефти и углеводородов, начиная с 1963 г. на международных нефтяных конгрессах не обсуждались вопросы о неорганическом происхождении нефти. Но новые исследования позволили получить качественно новую информацию и выявить многие детали процессов нефтегазообразования.
1.4. Современная осадочно-миграционная теория образования нефти и природных горючих газов
Обобщивший обширную информацию и научные разработки многих поколений советских ученых, особенно академиков В. И. Вернадского, И. М. Губкина, а также зарубежных исследователей, член-корреспондент Академии наук СССР, профессор МГУ Н. Б. Вассоевич назвал теорию происхождения нефти теорией осадочно-миграционного происхождения нефти и углеводородных газов. Интервал глубин, в котором из органического вещества образуется максимальное количество жидких углеводородов, Н. Б. Вассоевич предложил называть главной зоной нефтеобразования. Эта зона располагается на глубине порядка 1500–4000 м (в разных регионах по-разному). Образование газов из остатков наземной растительности в процессе формирования ископаемых углей изучено достаточно хорошо, как на природном материале, так и экспериментально. Уже на первой стадии при образовании торфа в болотах выделяется значительное количество метана. В дальнейшем при переходе торфа в бурый уголь, который при повышении температуры превращается, в свою очередь, в каменный уголь, а последний – в полуантрацит и антрацит, продолжается выделение метана и других газообразных, жидких и твердых углеводородов и т. д. Так описан процесс превращения органического вещества: из твердого вещества образуется полужидкое и газообразное. Это сразу нарушает создавшееся в природе равновесие и вызывает увеличение давления флюидов в порах, до этого заполненных водой и, возможно, некоторым количеством газа, выделяющегося на микробиальной стадии. На жидкие и газообразные вещества начинают действовать иные силы – поверхностного или молекулярного притяжения, гравитационные и др. В результате этого начинается миграция – перемещение жидких битумов и образовавшегося газа из глинистых или других тонкозернистых пород (где содержание органического вещества выше и образовалось больше этих веществ) в песчаные или другие крупнопористые породы, где меньше органического вещества и давление флюидов (воды и газа), как правило, ниже. Однако не все так однозначно, поэтому появляются вопросы:
– во-первых, это давление когда-то должно выровняться, т. е. движение прекратится;
– во-вторых, каким образом эти органические вещества попали на глубину до 4000 м и более, или каким образом эти органические вещества (или углеводороды) мигрируют в глубь Земли, где давление всегда больше, чем в вышележащих пластах???
Движение жидких битумов под влиянием сил молекулярного притяжения очень хорошо видно под люминесцентным микроскопом: более легкий битум, как правило, продвигается дальше от источника, из которого он образовался. По мере того, как в битуме увеличивается количество жидких компонентов, он становится все более подвижным и переходит в нефть. Как отмечено ранее, поверхностное натяжение нефти в 3 раза меньше, чем воды. В связи с эти вода вытесняет нефть из более мелких пор в крупные, что подтверждается большим количеством экспериментов и практикой добычи нефти из трещиновато-пористых пород. Попав в проницаемую породу, по которой возможно более или менее свободное передвижение (например, в хорошо выдержанный пласт песка), нефть и газ под влиянием гравитационных сил весьма медленно продвигаются вверх до упора, которым может оказаться глинистая либо соляная, либо гипсовая или другая плохо проницаемая порода, и таким образом заполняют повышенную часть пласта. Этому процессу может способствовать движение подземных вод, благодаря которому накопление жидких и газообразных углеводородов в повышенных участках пластов развивается быстрее, подобно тому, как образуются "газовые пузыри" в повышенных частях водопроводов, водоводов и т. д. Вот таким путем и образуются залежи нефти и газа в ловушках различных типов в осадочных породах. Процесс формирования газовых залежей сопровождается значительным повышением давления газа в пластах, если оно превышает давление вышележащих пород, происходит разрыв последних и образуются грязевые вулканы.
Таким образом, опять нет ответа, если углеводороды мигрировали вертикально в непроницаемые породы-ловушки, тогда откуда накапливается такой объем углеводородов и откуда такое давление. По мере выравнивания давления накопление прекратилось бы или миграция углеводородов происходила бы по горизонтали и (или) вышла за пределы ловушки, снижая давление за счет горизонтальной миграции. Если предположить, что углеводороды мигрировали по горизонтали в сторону ловушки, то тогда возникает следующий вопрос, при каком давлении (какой силе) можно преодолеть силу сопротивления проницаемости пласта на десятки сотни километров? Сегодня нет такой силы, ни поверхностного, ни молекулярного притяжения, чтобы нефть могла преодолеть такие расстояния по горизонтали и накапливаться в ловушках.
В то же время в магматических породах залежи нефти и газа встречаются реже. Число месторождений, в которых залежи нефти и газа приурочены к магматическим породам, на три порядка меньше числа месторождений, связанных с осадочными породами: число первых не превышает 100, а число вторых составляет 35000-40000.
Создание моделей образования залежей нефти и конденсата может оказать существенную помощь и при решении важнейшей научно-технической проблемы – повышения коэффициента нефтеотдачи пластов. Дело в том, что существующими методами добычи из недр извлекается обычно не более 30% содержащейся в них нефти, а нередко и меньше, в очень редких случаях – более 50%. Остальная нефть остается в пластах не извлеченной. Повышение коэффициента нефтеотдачи равносильно открытию новых месторождений. При этом "открытие" таких месторождений в технико-экономическом плане несоизмеримо более выгодно, чем открытие новых месторождений: ведь отпадает необходимость в проведении дорогостоящих геологоразведочных работ, в бурении эксплуатационных скважин, обустройстве промыслов и т. д. Результаты исследований по образованию месторождений нефти в природных условиях могут оказывать существенную помощь при разработке методов повышения нефтеотдачи пластов, соответственно при разработке принципиально нового типа оборудования, работающего в условиях крайне осложненных скважин.
Исследования, связанные с выявлением условий образования нефти и углеводородных газов, необходимо проводить еще в одном направлении – изучать распределение углеводородных газов, растворенных в подземных водах. По подсчетам специалистов, в подземных водах растворено на два порядка больше углеводородных газов, чем их содержится в залежах.
1.5. Современное представление об образовании нефти
Список ученых, начиная с М. В. Ломоносова и включая современных ведущих ученых Российской академии наук, поддерживающих мнение о происхождении нефти из органических остатков биосферной природы, обширен, авторитет их безупречен.
Если эта теория верна, то можно говорить, что запасы нефти исчерпаемы и ее промышленная добыча может уже в этом столетии стать нерентабельной.
Грубый подсчет баланса между известными разведанными запасами нефти, ее объемами, уже извлеченными из недр, и количеством углеводорода, который в небольших концентрациях содержится в "нефтематеринских" толщах, показывает, что совокупное количество промышленных запасов нефти в залежах и углеводородов на порядок превосходит наличие в биосфере тех компонентов, из которых может образоваться нефть.
Установлено наличие промышленной нефти и углеводородов вне пределов осадочных бассейнов и осадочных пород, что разрушает мнение о генетической связи нефти с накоплением остатков органического вещества биосферы.
Впервые в основу модели генезиса нефти положено доказываемое исследователями явление, называемое "декомпрессия сверхсжатого протовещества мантии" и связанное с этим процессом появление атомов углерода и водорода с нормальной ядерно-орбитальной конфигурацией. Оно и лежит в основе образования всех углеводородов.
Нефть – это одна из двух основных жидкостей на поверхности земного шара и в земной коре, которая залегает практически всегда с водой, несмотря на то что по своим физическим, химическим и иным свойствам они антиподы.
Вода – сильный окислитель и существует в твердом, жидком и газообразном состоянии, но всегда имеет строение: 2 атома водорода на 1 атом кислорода в молекуле, которая имеет четкую структуру. Поверхность Земли на 72% покрыта водой, которая присутствует во всех горных породах и обычно сопутствует нефти.
Состав нефти нельзя выразить брутто-формулой. Нефть – это жидкость сложного непостоянного, преимущественно углеводородного состава, внутренней структуре нефти свойственна пространственная неопределенность.
Агрегатное состояние углеводородных последовательностей зависит от количества атомов углерода в молекуле. Если атомов углерода в молекуле не более 4 – это газы, соответственно они имеют высокую миграционную способность. Снижение давления и температуры по мере вертикальной миграции определяет переход газа в жидкость, что сопровождается выделением энергии. Твердые углеводородные виды битума битуминозных пород – это практически уже не нефть, поскольку значительная часть жидких и легких видов окислена или рассеяна в атмосфере.
Жидкая нефть в земной коре аккумулируется в природном резервуаре – коллекторе. Самое крупное нефтегеологическое районирование обычно называют нефтеносным бассейном, провинцией или нефтеносной территорией. Доказано, что для каждого крупнейшего месторождения-гиганта нефтесборная территория, которая могла продуцировать нефть, намного превышает биологическую продуктивность биосферы в целом. Сегодня уже известно распространение нефтеносности на шельфе, нередко примыкающем к коре океанского типа. Скопление нефти или ее проявления в породах любого возраста установлены на дне океанов, в жерлах вулканов, например на дне озера Байкал, в гранитах Скандинавии и во многих других местах, которые даже косвенно нельзя связать с осадочными бассейнами. Максимальные скопления жидкой нефти концентрируются на докембрийских и палеозойских платформах в среднем интервале глубин 1500–3500 м. Верхняя граница совпадает с началом зоны активного взаимодействия углеводородов, с кислородом воздуха и подземных вод. Нижняя граница распространения жидкой нефти на молодых платформах может опускаться на глубину 6 км, где преобладают светлый газовый конденсат и углеводородный газ.
Нефть по отношению к коллектору, ее содержащему, всегда вторична, то есть нефть в залежи – пришлая, миграционная.
До настоящего времени способы миграции нефти остаются спорными. Актуальность этой проблемы определяется тем, что нефть в залежи вторична, она может попасть туда только в результате миграции из областей генерации: горизонтальной, вертикальной или их комбинации. Миграция зависит от многих факторов, в том числе от состава, агрегатного состояния, вязкости, температуры среды, разности давления, величины, формы и адсорбционной способности зерен породы, по которой осуществляются перемещения, и от расстояния от нефтесборной площади как источника миграции до зон аккумуляции нефти.