Экологические катастрофы на нефтяных и газовых предприятиях

В 60-е годы XX в. современным методом газовой хроматографии был изучен состав углеводородной фракции, полученной при действии соляной кислоты на карбид железа. Оказалось, что искусственные углеводороды не имели ничего общего с естественными.

Достижения химии существенно  подкрепили идею неорганического синтеза  нефти, привели к появлению более  совершенной и научно обоснованной концепции неорганического происхождения  нефти, известной под названием  карбидной гипотезы. Автором ее был выдающийся русский химик Д. И. Менделеев (см. рисунок 3).

Рисунок 2. Д.И. Менделеев

По представлению Д. И. Менделеева, «внутренность» нашей планеты должна состоять из расплавленных металлов, в основном железа, с добавлением углерода. По трещинам, которые возникают в литосфере при горообразовании, в глубь Земли проникают воды. Воздействуя на карбиды металлов, и прежде всего железа, вода образует окислы металлов и углеводороды. Процесс идет согласно реакции Энглера

2FeC + ЗН₂0 = Fe₂0₃ + C₆H₆

Газообразные углеводороды по трещинам же поднимались в верхние части коры, где и скапливались в пористых пластах.

Однако в конце прошлого века в Париже были опубликованы данные опытов X. Муассона, из которых следовало, что карбиды большинства металлов, реагируя с водой, дают ацителен либо смесь последнего с метаном.

Между тем профессор П. Вальден обнаружил, что все нефти, полученные неорганическим путем, оптически неактивны. Все же природные нефти оптически активны, т. е. они способны вращать плоскость поляризации светового луча. На основании этого факта была поставлена под сомнение не только карбидная гипотеза Д. И. Менделеева, но и все другие неорганические концепции.

Успехи химии XIX в. «работали» не только на пользу «неоргаников». Немецкие ученые Г. Гёфер и К. Энглер задались целью получить искусственную нефть из органических остатков. В 1888 г. они поставили опыты по перегонке сельдевого жира при темпе¬ратуре 400° С. Из 492 кг жира было получено масло, горючие газы, вода, жиры и разные кислоты. Больше всего было отогнано масла (299 кг, или 61%) плотностью 0,8105 г/см3, состоящего на 1/9 из углеводо¬родов коричневого цвета. Последующей разгонкой получили из масла предельные углеводороды (от пентана до нонана), парафин, смазочные масла, в состав которых входили олефины, нафтены и ароматические углеводороды.

Теории органического  происхождения нефти

 

В настоящее время большинством мирового научного сообщества принимается уже как парадигма — теория органического происхождения нефти и газа. С геологических позиций это подтверждается тем обстоятельством, что превалирующее количество залежей нефти и газа приурочено к осадочным толщам, содержащим рассеянное органическое вещество. По мнению А.А. Бакирова, существует целый ряд значительных трудностей, вследствие которых определенные положения этой теории остаются дискуссионными. Эти трудности связаны в основном со спецификой нефтей и газа.

Во-первых, нефть и газ  — это флюиды, способные мигрировать  в земной коре на всех стадиях нефтегазообразования, формирования и разрушения залежей. Термин «месторождение» в отношении нефтяных и газовых скоплений совершенно условен, поскольку все скопления этих полезных ископаемых являются результатом миграции, а о «месте рождения» нефти и газа можно судить только по косвенным признакам.

Во-вторых, как нефть, так  и исходные для ее образования  органические вещества представляют собой  сложные смеси весьма разнообразных соединений, многие из которых при современной экспериментальной технике не диагностируются.

В-третьих, состав нефти в условиях литосферы может существенно изменяться под влиянием многих факторов.

В-четвертых, месторождения нефти и газа в связи с характером их размещения и условиями разработки не могут изучаться путем непосредственного наблюдения, они всегда формируются на больших глубинах и прекращают свое существование как месторождения, если оказываются выведенными на поверхность.

В первой половине прошлого века в связи со значительным географическим расширением нефтегазоносных областей и увеличением добычи нефти значительно увеличился объем исследований, касающихся вопросов генезиса нефти и газа, их миграции и аккумуляции.

В Советском Союзе проблемой  органической теории происхождения нефти и газа занимались такие крупные ученые, как В.И. Вернадский, А.Д. Архангельский, Н.Д. Зелинский, И.М. Губкин, Н.Б. Вассоевич и целый ряд других.

В.И. Вернадский разработал основы биогеохимии нефти. Он считал, что в процессе разложения ископаемых растительных и животных организмов часть органических соединений выделяется в атмосферу и гидросферу, а  часть, состоящая из наиболее устойчивых органических соединений, переходит в осадочные породы и в зависимости от биохимических условий среды становится исходным материалом для формирования каустобиолитов. А.Д. Архангельский (1982) ввел в нефтяную геологию понятие «нефтепроизводящие свиты» — породы, способные генерировать нефть.

Н.Д. Зелинский (1932) провел ряд  экспериментов по органическому синтезу нефтяных углеводородов, в результате которых были получены продукты по внешнему виду, физическим и химическим свойствам, напоминавшие нефть, но отличавшиеся от нее групповым компонентным составом углеводородов. Он писал, что «химику удается, таким образом, природный органический материал превратить в нефтяные горючие масла, причем можно констатировать, что в зависимости от состава и строения природных веществ разложением их образуется определенная смесь нефтяных углеводородов, в которой имеются все типичные представители углеводородов нефтей, но в различном соотношении».

Особое значение для развития науки о геологии нефти и газа имели труды академика И.М. Губкина. В своей работе «Учение о нефти» (1932) он высказал основные положения  об условиях образования и закономерностях формирования нефти. Именно труды И.М. Губкина превратили гипотезу образования нефти в стройную, хорошо аргументированную концепцию. Он предложил теорию смешанного растительно-животного происхождения нефтей и показал, что процесс нефтегазообразования происходит в осадочных бассейнах в течение всего периода эволюции земной коры от кембрия до настоящего времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основоположник  учения о нефти

 

Иван Михайлович Губкин (см. рисунок 4) был учёным мирового масштаба, талантливым педагогом и общественным деятелем. Его заслуга в том, что он впервые в отечественной и мировой практике подвёл научный итог более чем полувековой истории нефтяного и газового дела.

Рисунок 4. И.В. Губкин

 

В качестве исходного вещества для образования нефти и газа И. М. Губкин рассматривал сапропель  – битуминозный ил смешанного растительно-животного  происхождения, накапливающийся на дне мелководных морей. В прибрежной полосе моря происходит быстрая смена осадков и сравнительно быстрое их накапливание. Слой органического ила прекрывается более молодыми отложениями, что предохраняет органику от окисления. Дальнейшее её преобразование идёт в восстановительной геохимической обстановке без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий. По мере погружения пласта породы, обогащённого органикой, возрастают давление и температура, что оказывает важное влияние на захороненный органический материал. Эти процессы, которые позднее получили название катагенезиса, приводят к преобразованию рассеянной органики в диффузно рассеянную нефть. И. М. Губкин допускал также возможность возникновения капельно жидкой нефти уже в донных илах. Под действием возрастающего давления нефть вытесняется в рыхлые породы, где она совместно с водой образует неразделимую смесь. Затем вследствие разницы плотностей начинается дифференциация воды и нефти.

Породы, которые первоночально были обогащены органикой, а в дальнейшем были послужили источником нефти и газа. Стали называть нефтематеринскими плитами. По мнению И. М. Губкина, нефтематеринскими плитами могут быть преимущественно глинистые, реже известняковые толщи.

Таким образом, И. М. Губкин уже  полвека назад считал процесс  нефтегазообразования длительным, непрерывным и стадийным со следующими этапами: процесс накопления органического материала в осадках (биохимический и геохимический), приведший к образованию диффузно рассеянной нефти; выжимание рассеянной нефти из нефтематеринских свит и накопление её в месторождениях; последующее разрушение месторождений в результате различных геологических явлений. В сумме все эти этапы образуют цикл нефтенакопления.

Некоторые положение И. М. Губкина дополнены, уточнены, значительно  развиты, но основа сохранилась. Изменились, например, представления о нефтематеринских свитах. Во-первых, доказано, что таковыми могут быть разнообразные осадочные породы и даже вулканогенно-осадочные породы, содержание органического вещества вовсе не обязательно в аномально больших дозах.

Долгое время обязательным условием нефтематеринских свит было накопление из в водной среде. Вначале считали, что это обязательно должны быть морские бассейны, затем стали допускать возсожность накопления свит в мелководных опреснённых водоёмах.  Но в последствие выяснилось, что нефтематеринские свиты могут формироваться и в континентальной обстановке.

Таким образом, пределы, в  которые должны «укладываться» нефтематеринские свиты, со времён И. М. Губкина до наших дней существенно расширились.

Во-первых, не все материнские  свиты в дальнейшем реализуют  свои потенциальные возможности, а  только те, которые попадают в благоприятные  термобарические условия. Поэтому  в настоящее время употребляют  термин «нефтегазопроизводящие свиты», понимая пож этим словом такие толщи пород, которые реализовали свои генерирующие возможности и «произвели» нефть или газ.

 

 

 

 

 

 

Флюидно-диффузионная теория

 

       В последнее  время к вопросу о механизме  нефтеобразования стало возможно подойти с позиций общих законов трансформации горных пород при их нагреве, происходящем в процессе погружения.

 Сущность подхода заключается  в трёх положениях:

1) в законе вертикальной  тектонико-петрологической расслоённости литосферы и верхней мантии, выражающейся в чередовании зон уплотнения и разуплотнения;

2) разуплотнённые зоны представляют собой вместилища природных породных растворов и расплавов;

3) флюиды, насыщающие зоны разуплотнения, при нагреве могут расширяться.

Происходит потеря летучих  компонентов, которые включают, прежде всего, воду, а также углекислоту, жидкие углеводороды, различные газы. Происходит так называемая дегидратация или дефлюидизация пород, за счёт которой создаются зоны разуплотнения, насыщения растворами.

Из этого следует:

1) нефть и газ, объединяемые понятием углеводородного раствора (УВР), есть не что иное, как тривиальный вариант сравнительно низкотемпературной дефлюидизации осадочных пород, обогащённых органическими веществами (ОВ);

2) саморазвитие осадочного  бассейна, испытывающего интенсивное  погружение, приводит к  интенсификации  системы восходящих тепловых  потоков, активизирующих процессы  нефтегазообразования  во всём бассейне. Чем интенсивнее прогибание, тем выше уровень реализации нефтематеринского  потенциала, накопленного данным бассейном.

 Повсеместное распространение  УВ в стратисфере дало основание для выделения углеводородной сферы Земли (увосфера). Увосфера не имеет чётких ограничений, а располагается в виде углеводородных растворов в трещинно-поровом пространстве верхней части литосферы. Она представляет собой прерывисто-непрерывную среду преимущественно в осадочной части земной коры с переменчивой мощностью от нескольких сотен метров до 15 км и более, характеризующуюся неодинаковой  концентрацией УВ-растворов в различных её частях. Характерная черта увосферы – постоянное её обновление. На смену разрушающейся соединениями и скоплениями в процессе эволюции земной коры приходят всё новые и новые порции УВ, вновь образующие скопления.

   Увосфера возникла на ранних стадиях существования Земли одновременно с появлением биосферы, примерно 3,5 млрд лет назад и является результатом взаимодействия биосферы, гидросферы, литосферы и верхних слоёв мантии. Приуроченность нефти и газа к осадочным образованиям стратисферы является первым доказательством нефтеобразования за  счёт погребённой биосферы. Второе доказательство преемственности вещества нефти от былых биосфер связанно с достоверными геохимическими свидетельствами биогенной природы нефти. Биогеохимия нефти свидетельствует о том, что структурные  и концентрационные характеристики, присущие хемофоссилиям нефти,  не случайны, а отражают типы биогенных предшественников и процессы их трансформации в соединения нефти. Достоверная генетическая информация, сохранённая молекулами-биомаркерами в составе нефти, о липидах и липоидах организмов палеобиоценозов как источниках вещества нефти создала основу биогеохимических реконструкций нефтеобразования.

  Нефтегазообразование следует рассматривать как саморазвивающийся процесс, сопровождающий осадочное породообразование и находящийся в тесной связи с развитием биосферы. Эта связь проявляется на протяжении всего круговорота органического углерода в цепи биосфера-увосфера-биосфера.  Происходит чередование процессов деструкции и синтеза, протекающих под действием запасенной органическими соединениями при их биосинтезе «биологической» энергии и внешней тепловой энергии, соотношение которых определяет типы химических преобразований  органических веществ.

На первом этапе в условиях седиментогенеза и диагенеза  имеют место биодеструкция основных групп биополимеров (жиров, белков, углеводов, лигнина) и геосинтез из продуктов их деструкции разного типа геополимеров, накапливающихся в осадке и формирующих кероген осадочных пород. Генерирующиеся на этом этапе углеводородные газы главным образом уходят в гидросферу или атмосферу.