Как сделать нефть
Обновлено: 07.07.2024
Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает
Две гипотезы
У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.
60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков
Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.
Состав и свойства нефти
ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — водород — и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др.).
От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.
Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?
С точки зрения современных сторонников неорганической, или минеральной, гипотезы, углеводороды образуются из содержащихся в мантии Земли воды и углекислого газа в присутствии закисных соединений металлов на глубинах Высокое давление в недрах земли препятствует термической деструкции сложных молекул углеводородов. В свою очередь сторонники органики не отрицают, что простые углеводороды, например метан, могут иметь и неорганическое происхождение. Опыты, направленные на подтверждение абиогенной теории, показали, что получаемые углеводороды могут содержать не более пяти атомов углерода, а нефть представляет собой смесь более тяжелых соединений. Этому противоречию объяснений пока нет.
Этапы образования нефти
СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ
В ловушке
Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.
В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.
Типы коллекторов
БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ
Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.
Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.
Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др.) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.
Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.
Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.
Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.
Воспроизвести природные процессы образования нефти в домашних условиях невозможно, да и единой теории ее образования до сих пор нет. Можно пойти обратным путем: из продуктов нефтепереработки смешать некое подобие нефти. Смешайте мазут, дизельное топливо, керосин и бензин в примерном соотношении 50:20:10:20 частей соответственно (это примерный фракционный состав атмосферной перегонки нефти) и получится что-то похожее на нефть, правда без примесей и газа. Насчет покупки нефти - тут все зависит от количества. Если в больших количествах, то в компаниях, торгующих нефтью:))). Если нужно немного, то стоит поискать в магазинах, которые продают наглядные пособия по геологии и географии. Помню, что в школьном наборе по природоведению была ампула с нефтью. Еще можно купить стандартные образцы нефти (обычно 100 мл). Они продаются в фирмах, торгующих химическими реактивами и посудой, но цена у таких образцов обычно высокая. Так что все зависит от желания и финансовых возможностей:)
А зачем получать нефть, когда это, в общем-то, промежуточное сырьё, и нужно нам не саму нефть, а бензин?
И технологии такие уже есть, причём они вовсе не новые. На синтетическом бензине ездила едва ли не половина автомобилей Третьего рейха (своих источников достаточного количества нефти у Германии не было - только чуток румынской. ) . Так что весь вопрос - вспомнить хорошо забытое старое и сделать его экономически выгодным - пока что традиционный бензин, из нефти, банально дешевле, чем синтетическое горючее.
Второй путь - подземная газификация угля. Газ - тоже прекрасное автомобильное топливо. И даже авиационное (помните экспериментальный Ту-155 на сжиженном газе?) . К тому ж подземная газификация не связана с шахтным способом добычи угля - а значит, куда безопаснее чисто в плане "1 человеческая жизнь на каждый миллион тонн". Но и тут, увы, всё упирается в экономику: газификация пока что дороже традиционных способов добычи энергии.
Так что ответ простой: а) получать нефть не нужно, потому что человечество нуждается не в самой нефти, а в продуктах, из неё получаеимых, и б) технологии такие существуют уже давно, всё дело в их экономической эффективности.
Так уже получают. Но эта технология требует больших затрат. Во всяком случае когда нефть кончится, нам она уже не будет нужна. Энергия будущего - электричество. И к этому моменту его научатся получать не используя топливо.
Но зачем именно нефть? Чтобы потом ещё дальше перерабатывать в бензин и прочие виды топлива? Гораздо проще делать уже готовое топливо, которое будет дешевле и экологически чище. К примеру самый обычный спирт.
Топливо для автомобилей (синтетический бензин) в промышленном масштабе из угля получали еще в Гитлеровской Германии во время Второй Мировой Войны. Именно за счет этого бензина Германия еще могла сопротивляться в конце 1944 - начале 1945 года.
Нефть это уже не актуально. В будующем энергия будет преимущественно электрической. Её очень просто получить и ещё проще использовать. А нефть и её производные - кто о них потом вспомнит?
В Тихоокеанской национальной северо-западной лаборатории Министерства энергетики США создан непрерывный и весьма быстрый процесс преобразования водорослей в нефть в химическом реакторе: то, что в природе занимает миллионы лет, в лаборатории заканчивается за десятки минут.
Нефть, вода, обогащенная азотом и фосфором, и вода с растворенным горючим газом - вот и все, что выходит из реактора по переработке водорослей. По сути, это одноступенчатое получение нефти из биомассы, и если вот так удастся делать топливо по доллару за литр, мировую ОПЕК ждут потрясения.
То же самое в цифрах: мир потребляет 4800000000000 л жидкого топлива в год, а нынешние жалкие десятки миллиардов литров биотоплива выходят из высших растений, которые выращивают на десятках миллионов гектаров. Причем один гектар в среднем дает не менее кубометра биотоплива - то есть буквально столько же, сколько нефть стоимостью около тысячи долларов. Не надо быть гением, чтобы заметить: пищевые сельхозкультуры выращивать экономически рационально, и недоедания в третьем мире, где значительная часть этого биотоплива производится, все же будет немного меньше.
Есть вариант: заменить высшие растения микроводорослями, которые можно быстро выращивать на пресных сточных водах крупных городов (и тогда не надо вносить удобрения и поглядывать в небо, опасаясь непогоды) или на морской воде, и тогда производство можно вынести в жаркие пустыни, где с солнечным светом полный порядок. Но какой бы путь вы ни выбрали, получить удается только исходное сырье для топлива - до состояния биодизеля водоросли надо доводить с помощью переэтерификации. Да, вы правильно думаете: перед этим водоросли надо извлечь из их естественной водной среды и долго сушить, что не удешевляет конечный продукт.
Однако дизелем человеческие потребности не исчерпываются: мы жить не можем без керосина и бензина, которые почти что пьем. Но приличных технологий их получения из водорослей пока нет, да и переэтерификация на дизтопливо требует метанола, а его делают из природного газа. Наконец, в странах вроде нашей, биодизель зимой просто замерзнет, то есть в него придется что-то добавлять - скажем, известную толику обычного дизеля.
Группа г Элиота считает, что нашла решение. В ее химреакторы водоросли отправляются не на дизельную тропу, а по старому естественным путем - из биомассы в нефть. Только путь этот занимает гораздо меньше времени: в реактор впрыскивают горячую воду под давлением 20,7 МПа и температуре 350 ° С. Все это резко ускоряет процесс, поэтому менее чем за час водоросли из него получаются в виде нефти, и в небольшой степени - биогаза, из которого можно получать метан (или попросту сжигать, имея тепло для подогрева самой установки).
Причем, что важно, маленьких зеленых нефтяников не приходится предварительно сушить: в исходном сырье может быть 80-90% воды относительно массы!
Пока авторы технологии работают только с небольшим экспериментальным реактором емкостью в 1,5 л водорослевой суспензии, но, по их словам, его можно легко масштабировать, и при этом благодаря большому объему у него будут намного меньше тепловые потери через стенки, даст значительную экономию при масштабе. Внедрение разработки уже началось: частная компания Genifuel Corp. лицензирует сейчас технологию для получения нефти из водорослей.
Читайте также: