Текст книги "Организация эксплуатации и ремонта установок электроцентробежных насосов в нефтедобывающей отрасли. Том 1. Эксплуатация"
Автор книги: Фердинанд Забиров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)
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
Неорганическая модель образования 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.
Физические свойства нефти
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.
Геологическое распространение нефти
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.
Миграция нефти в комплексах горных пород
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.
