Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

Глава 1. Нефть

Нефть – черное золото. И совершенно не случайно. В XX веке она приобрела решающее значение для экономического развития государств и индустриального процветания и заняла ключевую позицию в сфере добычи полезных ископаемых. XX век – это век «углеводородного человека».

Нефть – важнейший энергоноситель в современном мире. Это сырье для производства многих продуктов и материалов, без которых уже нельзя представить цивилизованный мир: топливо, составляющие для лекарственных препаратов, хладагент для холодильников, полимерных материалов, электродов для атомной промышленности и т. д.

Что же представляет собой это черное золото?

Нефть – это смесь углеводородов различной структуры и состава, от легких парафинов до сложных гетероатомных соединений. Также в состав углеводородов включены и другие атомы: кислород, сера, азот и некоторые металлы. Компонентный состав нефти представлен на рисунке 1. Однако это лишь приблизительные значения, поскольку нефть может отличаться по своему составу и свойствам на разных месторождениях.

Стоит отметить, что простые углеводороды – это линейные алканы (например, бутан, пропан, октан), а вот гетероатомные соединения – это углеводородные соединения, структура которых включает в себя и другие атомы (серу, азот, кислород). Пример гетероатомных веществ, знакомых каждому: спирт, меркаптаны (то, что придает запах бытовому газу), ацетон и т. д.

Такой сложный состав делает прямое применение нефти невозможным, поэтому для раскрытия потенциала нефти появилась большая отрасль промышленности – нефтепереработка.

Рисунок 1. Элементный состав нефти

В целом нефть представляет собой вязкую жидкость от светло-желтого прозрачного до почти черного цвета. Такой большой градиент связан с компонентным составом: чем более светлая и менее вязкая структура нефти, тем больше в ней легких углеводородов, незначительное содержание сложных циклических соединений, а более вязкая и темная нефть, наоборот, будет содержать в себе сложные гетероатомные соединения. В среднем она представляет собой следующий состав по классу соединений: алканы – около 50 %, непредельные углеводороды – 15 %, циклические соединения – 20 %, гетероатомные соединения – 10 %, прочие примеси – 5 %.

Нефть является органическим веществом, растворимым только в органике, но может образовывать нежелательную в нефтепереработке эмульсию при сочетании с водой. Эту проблему рассмотрим в дальнейшем. Нефть, в зависимости от состава, может также иметь разную плотность, но всегда будет легче воды. Температура застывания нефти около –60 °C, а температура кипения колеблется в районе 60 °C.

Подводя короткий итог, можно сказать, что нефть – вязкая, маслянистая жидкость с резким запахом бензина или гудрона, по цвету чаще всего буро-коричневая и непрозрачная, плотностью около 0,830 кг/м3, растворимая в органических растворителях, имеющая сложный элементный и классовый состав, является главным полезным ископаемым.

Давайте рассмотрим теории происхождения нефти.

Существуют две основные теории происхождения нефти – органическая и неорганическая. Обе имеют место, но однозначного ответа нет до настоящего времени.

Первая теория – органическая, ее сформулировал Михаил Ломоносов, а большой вклад в ее развитие внесли Иван Губкин, Владимир Вернадский и Николай Зелинский. Суть этой теории проста: нефть является результатом преобразования органических соединений под воздействием на них в толще земли высоких температур и давлений. В результате деструктивных процессов органических соединений и образуется нефть. Также большой вклад в доказательство этой теории был внесен английским химиком Ч. Гатчеттом. Он выявил присутствие кислорода, азота, серы в составе битумов, объяснив, что эти элементы также входят в состав растительных масел и животных жиров.

Вторая теория – неорганическая. В 1876 году Дмитрий Менделеев выдвинул гипотезу о неорганической природе нефти. Основой теории послужила реакция карбида кальция с водой, в результате которой получился ацетилен и оксид кальция. Также реакция оксида углерода с водой дает на выходе углеводородное соединение. В качестве противопоставления органической теории были выдвинуты следующие тезисы:

– выходы нефти на поверхность свидетельствуют о стремлении ее к восходящим движениям, т. е. «место образования нефти должно быть ниже тех мест, где она содержится»;

– если бы нефть происходила из организмов, то в местах ее скопления должны были быть «угольные остатки»;

– при горообразовании возникают разломы, через которые вода, проникая вглубь, вступает в реакцию с «углеродистым металлом», в результате чего образуются оксиды и предельные углеводороды (УВ).

Стоит отметить, что были и попытки объединения этих теорий. Например, А. В. Кудельский и К. И. Лукашев, признавая основным источником первичной нефти органоминеральный комплекс пород, допускают возможность участия в образовании нефти глубинных эксгаляций, содержащих углерод, водород и другие элементы и соединения, присущие нефти. А Ш. Ф. Мехтиев утверждал, что процессы нефтеобразования осуществляются в очагах глубокого заложения, исходным веществом одновременно служат и мантийное вещество (газопаровая смесь), и рассеянное ОВ пород. Первое ассимилирует второе, что приводит к образованию значительного количества «первичной нефти». Нефтегазоносные растворы образуются в зонах глубинных разломов, являющихся также путями проникновения «первичной нефти» к местам концентрации ее в осадочных породах.

Но как люди пришли к тому, что нефть надо перерабатывать? Чем объясняется ее важность для современного человека?

Еще до нашей эры люди открыли такое свойство нефти, как горючесть. Раньше нефть находилась достаточно близко к поверхности земли, поэтому сложности с ее добычей не возникало. Этот период длился достаточно долго. Представления современного человека о том, что нефть била фонтаном из-под земли, во многом сформировано массовой культурой и кинематографом. Люди действительно с восторгом кричали: «Нефть! Нефть!», – а залежи находились близко к поверхности земли, но фонтана никакого не было.

Но свойство горючести было открыто давно. Раньше нефть использовали для изготовления факелов, ламп и даже оружия. Один из ярких примеров – греческий огонь. Горючесть – это главное свойство, которое помогло нефти стать топливом в том виде, в котором мы его сейчас представляем.

Но ее использовали не только как топливо для освещения, но и в качестве строительного материала: вязким гидрофобным веществом покрывали крыши и стены домов для защиты от ветра и дождя.

Нефть даже нашла применение в древней медицине: считалось, что она помогает от простудных заболеваний, а отец медицины Гиппократ описал множество лекарств на основе нефти. В Древнем Египте ее широко применяли в бальзамировании тел, а шумеры использовали в качестве мази для суставов.

Применение нефти также нашли в Индии и Китае. Один из бассейнов, построенных в Индии, имел асфальтеновое покрытие, которое не давало воде уйти в землю. Именно в Китае был построен первый аналог нефтепроводов и нефтедобывающих скважин на основе бамбука, а нефть использовали в качестве топлива для выпаривания соли.

Так с давних времен нефть нашла основные способы