Тайны образования нефти и горючих газов - Михаил Калинко

Боковые цепи

Ароматические углеводороды, имеющие общую формулу СnН2n-6, обычно содержатся в нефти в меньших количествах, чем углеводороды двух описанных выше групп. Они также имеют преимущественно циклическое строение, но между отдельными атомами углерода в них в отличие от нафтенов наряду с одинарными связями имеются и двойные.

Бензол

Тетралин

Тетрагидрофенантрен

Кроме того, в отдельных группах водород замещается метильной группой СН3. Ароматические углеводороды нефти могут содержать один, два и более циклов и соответственно называются моно-, би-, три- и тетра-циклическими.

Наконец, еще в нефти содержатся нафтеново-ароматические углеводороды.

Нафтеново-ароматические углеводороды

Всего в нефти к настоящему времени определено 425 индивидуальных углеводородов, в действительность же их значительно больше.

Гетероэлементы (сера, азот и кислород) обычно содержатся в нефти в виде сложных соединений, ядрами которых являются углеводороды, и значительно реже - в чистом виде. Общее число определенных гетеросоединений превышает 380, из них сернистых 250. Кроме того, в строении сложных органических соединений участвуют фосфор, уран, ванадий, никель, кобальт, иод, бор и другие элементы. Существенную часть в нефти составляют смолы и асфальтены, химическая природа которых достаточно точно не определена. При этом чем тяжелее нефть, тем выше ее плотность и тем больше она содержит смол асфальтенов.

В нефти содержатся еще и металлоорганические комплексы, представляющие собой по строению сложные полициклические углеводороды, в молекуле которых отдельные атомы водорода или метальные группы замещены атомами металлов. Среди них особое значение, как отмечалось, имеют порфирины, являющиеся производными хлорофилла и гемоглобина.

Всего в нефти индентифицировано более 900 индивидуальных химических соединений, причем ни в одном из ее образцов не определены полностью все имеющиеся в нем индивидуальные соединения.

К настоящему времени удалось изучить распределение в нефти изотопов некоторых элементов - углерода, серы и водорода (табл. 1). Как известно, изотопами называются атомы, имеющие одинаковые количества протонов, но разное количество нейтронов (N) и, как следствие этого, обладающие разным массовым числом (А) или атомной массой.

< border="0"> Таблица 1. Некоторые сведения об изотопах водорода, углерода и серы Z Элемент N A Относительная распространенность ат. % 1 Водород Н 0 1 99,9844 1 Дейтерий Д 1 2 0,0156 1 Тритий Т 2 3 - 6 Углерод С 6 12 98,892 6 Углерод С 7 13 1,108 6 Углерод С 8 14 - 16 Сера S 16 32 95,1 16 Сера S 17 33 0,74 16 Сера S 18 34 4,2 16 Сера S 20 36 0,016

Изотопы делятся на стабильные и радиоактивные. Последние самопроизвольно распадаются. Так, изотоп углерода 14С является радиоактивным и период его полураспада составляет 5568 лет. Благодаря этим свойствам оказалось возможным определять по содержанию 14С возраст многих археологических объектов и геологических образований не древнее 30 000 лет. Содержание стабильных изотопов углерода, серы и водорода в нефти разных регионов мира и в разных породах изучено не одинаково.

Теперь о газах. Горючие углеводородные газы, бесцветные, почти в 2 раза легче воздуха. Они, как правило, не имеют запаха, однако при наличии примеси сероводорода, приобретают неприятный запах и становятся очень токсичными. Теплотворная способность газов составляет 27 300-37 800 кДж/м3, а попутных газов из нефтяных месторождений достигает 42 000-71 400 кДж/м3.

Основным компонентом природных горючих газов является метан, количество которого может достигать 99,5%, но обычно колеблется в пределах 85-95%. В газах довольно часто содержатся и гомологи метана - этан, пропан и бутан, а также их изомеры - изопропан и изобутан. Как правило, газы в нефтяных залежах обогащены гомологами метана, содержание которых обычно составляет 10-15%, но иногда достигаем и 50-60% (месторождения Ромашкино, Мухановс и др.).

Эти примеси в газе представляют самостоятельный интерес как сырье для производства многих материалов (полиэтилена и др.), тем самым позволяя экономить нефть.

Среди неуглеводородных компонентов в составе природных газов наиболее часто встречается азот, содержание которого может достигать 90-95%, вплоть для перехода газа в чисто азотный. В весьма широких пределах колеблется в природных газах содержание двуокиси углерода - от долей процента до 95% (как, например, в месторождениях Калифорнии, Мексики и др.)

Довольно часто в состав природных горючих газов 1зных количествах входит сероводород: например, в газax Оренбургского месторождения его содержание достигает 15%, а в газах Астраханского - 23%. Встречаются газы, содержащие более 50% сероводорода. Сероводород в природном газе одновременно и "добро" и зло". При очистке такого газа получают большие количества серы, столь необходимой промышленности и сельскому хозяйству (например, на Оренбургском газоконденсатном месторождении). В ближайшем будущем предусмотрено и освоение Астраханского газоконденсатного месторождения. В то же время сероводород токсичен и агрессивен по отношению к металлам, вследствие чего все оборудование, начиная от труб в скважинах, должно быть изготовлено из специальных сталей.

В природных горючих газах обычно содержатся гелий и в значительно меньших количествах аргон, неон, ксенон и другие инертные газы.

В последние десятилетия обнаружены газоконденсаты, которые находятся в газовых залежах в газообразном состоянии (от 1 до 1000 г в 1 м3), а на поверхности при снижении температуры и давления переходят в жидкость. Газоконденсаты представляют собой бесцветные или светло-коричневые жидкости, плотностью от 0,66 до 0,84 г/см3 (чаще 0,72-0,80 г/см3), характеризующиеся низкими температурами кипения (30- 70 °С) и почти полностью выкипающие при температуре до 300-350 °С.

Газоконденсаты состоят преимущественно из углеводородов, среди которых чаще преобладают метановые, но иногда и нафтеновые и ароматические разности. В конденсатах нередко содержится сера, реже - смола. Углеводороды содержатся в составе органического вещества горных пород, подземных водах, а также в современных осадках и водах земной поверхности, и многих веществ растительного и животного происхождения. Углеводородные газы находятся не только в сообщающихся пустотных пространствах горных пород (в случае образования залежей), но и в закрытых порах, также в сорбированном минеральной частью виде, часто вблизи мест своего "рождения" и растворены в подземных водах.

Глава III. Планета земля и ее история за четыре миллиарда лет

История планеты

Как известно, Земля является планетой солнечной системы, орбита которой расположена на расстоянии 147,0-149,5 млн. км от Солнца. Земля - самая крупная планета в земной группе, но значительно меньше гигантских планет (рис. 7).

Рис. 7. Относительные размеры планет Солнечной системы

Благодаря научно-техническому прогрессу, в частности созданию искусственных спутников Земли и различных новых приборов, удалось получить новую информацию, позволяющую уточнить наши представления о Земле и ее глубинном строении. Земля состоит из концентрических оболочек - ядра, нижней и верхней мантии и земной коры (рис. 8), отличающихся составом, физическими свойствами и состоянием слагающих и веществ, во многом обусловливаемом различными температурами и давлениями. Не останавливаясь на составе ядра и нижней мантии, поскольку о них пока нет однозначных данных, отметим, что верхняя мантия по физическому состоянию подразделяется на две оболочки. Нижняя оболочка, сложенная веществом, находящемся в пластичном состоянии, близком к жидкому, выделяемая в так называемую астеносферу, находится под океанами на глубинах от 50 до 250 км и под континентами на глубинах от 100 до 400 км. В астеносфере находятся источники магмы, изливающиеся при извержении вулканов. Верхняя мантия состоит преимущественно из горных пород так называемого основного и ультраосновного состава, содержащих минимальное количество кремнезема.

Рис. 8. Строение Земли а - концентрические оболочки Земли; б - земная кора, континентальная и океаническая, и литосфера

Земная кора изучена лучше остальных оболочек. Ее толщина под дном океанов достигает 5-7 км, на континентах - 50-70 км. Земная кора сложена горными породами, которые в зависимости от их происхождения делятся на три большие и разнообразные группы. К первой группе относятся магматические горные породы, образовавшиеся в результате остывания магмы (рис. 9): под землей - интрузивные, на поверхности земли или под водой - излившиеся; и, наконец, туфогенные, когда магма остывала в воздухе и при извержениях в виде пепла и вулканических бомб падала на землю или в воду, где и откладывалась. К группе магматических горных пород принадлежат граниты, базальты, габбро, диориты, туфы, туффиты и т. д.