Американские исследователи открыли микроводоросль, давшую «начало» всем нынешним запасам нефти и угля. Специалисты из США убеждены, что именно обнаруженная ими микроводоросль и явилась причиной накопления этих ресурсов
Группа экспертов во главе с профессором Джо Чапелом из Университета штата Кентукки в США отыскала микроорганизм, ставший основой основ абсолютно всех запасов угля и нефти на Земле. Сейчас исследователи трудятся над генетической модификацией новообнаруженного микроорганизма, способного стать настоящим источником топлива и решить все будущие энергетические проблемы человечества.
Прежде ученые выяснили, что уголь и нефть образовались как результат жизнедеятельности микроорганизмов, живших на Земле свыше 500 млн лет тому назад. И совсем недавно команда американских исследователей установила, что всего один организм явился самой непосредственной причиной возникновения и накопления этих важных природных ресурсов. Специалисты выяснили, что это микроводоросль под названием Botryococcus braunii, имеющая химические «отпечатки» во всех видах нефти. Так как в ходе продолжительного времени нефть в итоге становится углем, водоросль B.braunii является также источником и этого твердого топлива.
«Но еще более интригующим фактом получается то, что эта удивительная водоросль существует по сей день и вполне может стать главной целью исследований для крупной химической и нефтехимической индустрий»,- отмечает Джо Чапел.
Несмотря на очевидный колоссальный «труд» по формированию нынешних нефте-угольных запасов, B.braunii, увы, растет довольно медленно, в связи с чем в своем естественном виде она не сильно пригодна в качестве прямого источника для создания запасов биотоплива. Но специалисты могут применить гены B.braunii при создании альтернативных микроорганизмов, которые могут оказаться способными к эффективному и быстрому биосинтезу углеводородов.
Сегодня уже имеются весьма удачные примеры выделения нужных генов, которые характеризуются высокой биохимической активностью, и принудительного внедрения их в геном дрожжей. В результате чего выходят в общем-то неприхотливые живые источники биотоплива, которые в будущем способны стать возобновляемой альтернативой классической методе добычи нефти.
По словам ученых, использование генов B.braunii несет в себе громадные преимущества, поскольку данный микроорганизм обладает уникальным молекулярным механизмом для производства углеводородного сырья. И надо сказать, что аналогичными качествами не наделена ни одна известная бактерия, что, в общем-то, и подтверждается колоссальными запасами угля и нефти, которые много миллионов лет тому назад начала создавать B.braunii. По заверениям экспертов, перенос уникальных генов водоросли Botryococcus braunii в быстрорастущий и не очень прихотливый организм даст возможность создавать недорогие и высокоэффективные биореакторы, которые производят топливо.
Прогнозы
Считается, что глобальный экономический рост, а также морозная зима в северном полушарии повысят спрос на нефть в текущем году, который превысит ожидания многих экспертов и представителей бизнеса. Об этом сообщает Международное энергетическое агентство (МЭА).
По прогнозам этого агентства, объем спроса на нефть должен достичь 89,1 миллиона баррелей в сутки в сравнении с 87,7 миллиона баррелей в сутки в прошлом году.
МЭА предупреждает, что завышенная на сегодняшний день цена на нефть способна спровоцировать замедление в восстановлении глобальной экономики. Помимо того, МЭА информирует о том, что производители нефти, инвесторы, а также потребители могут ощутимо пострадать в случае, если цена на нефть станет удерживаться на уровне примерно 100 долларов США за один баррель.
Нефть никогда не закончится?
Несколько десятилетий назад геологи полагали, что запасы газа и нефти должны были закончиться на Земле уже не один раз. Последние же данные заставляют ученых уточнить, что запасов углеводородов на нашей родной планете хватит, по всей вероятности, еще аж на полстолетия. Речь при этом, разумеется, идет об углеводородах органического происхождения.
Между тем недавние опыты в Института физики высоких давлений РАН в городе Троицке продемонстрировали, что наша Земля может давать нефть и газ беспрерывно. Углерода в верхней мантии очень много, говорят российские специалисты, часто он выходит на поверхность — скажем, в виде алмазов посредством кимберлитовых трубок.
Как объясняют отечественные ученые, в земных недрах идет постоянный перенос массы, перенос тепла. А это означает, что породы и различные вещества, которые присутствуют в мантии нашей планеты, способны к неисчерпаемому воспроизводству углеводородов, включая нефть.
С теорией возникновения угля вы наверняка знакомы. Точка зрения на этот счет устоявшаяся: он образовался (и продолжает образовываться) из остатков буйной вечнозеленой растительности, покрывавшей некогда всю планету, включая даже нынешние районы вечной мерзлоты, и занесенной сверху обычными горными породами, под воздействием давления недр и при недостатке кислорода.
Логично предположить, что и нефть была изготовлена по аналогичному рецепту на той же кухне природы. К 19 веку споры, в основном, сводилось к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования нефти: остатки растений или животных?
Немецкие ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 С и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.
Позднее, в 1919 году, академик Н.Д.Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения – сапропель – из озера Балшах. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…
Так опытным путем была доказана теория органического происхождения нефти. Какие же тут могут быть еще сложности?...
Но с другой стороны, в 1866 году французский химик М.Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ.
Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества выступил с обстоятельным докладом Д.И.Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования нефти. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа, под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Так образуются газовые и нефтяные месторождения.
В своих рассуждениях Менделеев ссылается на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.
Правда, идеи «чистого химика» Менделеева поначалу не имели успеха у геологов, которые считали, что опыты, проведенные в лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе.
Однако неожиданно карбидная или, как ее еще называют, абиогенная теория о происхождении нефти получила новые доказательства – от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых оболочках комет встречаются соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики. Но ведь именно на этом и построена теория Менделеева.
Итак, на сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна – биогенная. Согласно ей, нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория – абиогенная. Подробно разработал ее Д.И.Менделеев, предположивший, что нефть в природе может синтезироваться из неорганических соединений.
И хотя большинство геологов придерживается все-таки биогенной теории, отзвуки этих споров не затихли и по сей день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа… Словом, все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться.
Давайте посмотрим, какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез.
Но прежде несколько слов о строении Земли. Это поможет нам быстрее разобраться в логических построениях ученых. Упрощенно говоря, Земля представляет собой три сферы, расположенные внутри друг друга. Верхняя оболочка – это твердая земная кора. Глубже расположена мантия. И наконец, в самом центре – ядро. Такое разделение вещества, начавшееся 4,5 миллиарда лет тому назад, продолжается и по сей день. Между корой, мантией ядром осуществляется интенсивный тепло- и массообмен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями – землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями материков...
ПАРАД НЕОРГАНИКОВ
Первые попытки объяснить происхождение нефти относится еще ко временам античности. Сохранилось, например, высказывание древнегреческого ученого Страбона, жившего около 2000 лет тому назад: «В области аполлонийцев есть место под названием Нимфей, - писал он, - это скала, извергающая огонь, а под ней текут источники теплой воды и асфальта, вероятно, от сгорания асфальтовых глыб под землей...».
Страбон объединил в целое два факта: извержение вулканов и образование асфальтов (так он называл нефть). И... ошибся! В упомянутых им местах нет действующих вулканов. Не было их и двадцать столетий назад. То, что Страбон принял за извержения, на самом деле – выбросы, прорывы подземных вод (так называемые грязевые вулканы), сопровождающие выходы нефти и газа на поверхность. И в наши дни подобные явления можно наблюдать на Апшероне и Таманском полуострове.
Впрочем, несмотря на ошибку, в рассуждениях Страбона было здравое зерно - его толкование происхождения нефти имело под собой материалистическую почву. Эта линия прервалась надолго. Лишь в 1805 году, основываясь на собственных наблюдениях, сделанных в Венесуэле, на описаниях извержения Везувия, известный немецкий естествоиспытатель А.Гумбольд снова возвращается к материалистической точке зрения. «...Мы не можем сомневаться в том, - пишет он, - что нефть представляет продукт перегонки на громадных глубинах и происходит из примитивных горных пород, под которыми покоится энергия всех вулканических явлений.»
Неорганическая теория происхождения нефти выкристаллизовывалась постепенно, и к тому моменту, когда Менделеев выдвинул свою теорию карбидного происхождения нефти, неорганики накопили достаточное количество фактов и рассуждений. И последующие годы добавляли в их копилку новые сведения.
В 1877-1878 годах французские ученые, воздействуя соляной кислотой на зеркальный чугун и водяными парами на железо при белом калении, получили водород и значительное количество углеводородов, которые даже по запаху напоминали нефть.
Кроме вулканической гипотезы у сторонников абиогенного происхождения нефти есть еще и космическая. Геолог В.Д.Соколов в 1889 году высказал предположение, что в тот далекий период, когда вся наша планета еще представляла собой газовый сгусток, в составе этого газа присутствовали и углеводороды. По мере охлаждения раскаленного газа и перехода его в жидкую фазу, углеводороды постепенно растворялись в жидкой магме. Когда же из жидкой магмы стала образовываться твердая земная кора, она, согласно законам физики, уже не могла удержать в себе углеводороды. Они стали выделяться по трещинам в земной коре, поднимались в верхние ее слои, сгущаясь и образуя здесь скопления нефти и газа.
Уже в наше время обе гипотезы – вулканическая и космическая – были объединены в единое целое новосибирским исследователем В.Сальниковым. Он использовал предположение, что планетка, имевшая в своем составе большое количество углеводородов, находясь на чересчур низкой орбите, постепенно тормозилась о верхние слои атмосферы и в конце концов упала на Землю, как это происходит с искусственными спутниками. Резкий толчок активизировал вулканическую и горообразовательную деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла, мощнейшие грязевые потоки завалили принесенные из космоса углеводороды, похоронили их в глубоких недрах, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.
В качестве обоснования своих выводов Сальников указывает на необычное расположение месторождений нефти и газа. Соединив между собой крупные зоны обнаруженных месторождений, он получил систему параллельных синусоидальных линий, которая, по его мнению, весьма напоминает проекции траекторий искусственных спутников Земли.
Рассказ о неорганических гипотезах нельзя будет считать полным, если не упомянуть известного геолога-нефтника Н.А.Кудрявцева. В 50-е годы он собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным и газовым месторождениям мира.
Прежде всего Кудрявцев обратил внимание на то, что многие месторождения нефти и газа обнаруживаются под зонами глубинных разломов земной коры. Сама по себе такая мысль не была новой: на это обстоятельство обратил еще Д.И.Менделеев. Но Кудрявцев намного расширил географию применения таких выводов, глубже обосновал их.
Например, на севере Сибири, в районе так называемого Мархининского вала, очень часто встречаются выходы нефти на поверхность. На глубину до двух километров все горные породы буквально пропитаны нефтью. В то же время, как показал анализ, количество углерода, образовавшегося одновременно с породой чрезвычайно невелико – 0,02-0,4%. Но по мере удаления от вала количество пород, богатых органическими соединениями, возрастает, а вот количество нефти резко уменьшается.
На основании этих и других данных Кудрявцев утверждает, что нефтегазоносность Мархининского вала скорее всего связан не с органическим веществом, а с глубинным разломом, который и поставляет нефть из недр планеты.
Подобные же образования имеются в других регионах мира. Скажем, в штате Вайоминг (США) жители издавна отапливают дома кусками асфальта, который они берут в трещинах горных город соседних Медных гор. Но сами по себе граниты, из которых состоят те горы, не могут накапливать нефть и газ. Эти полезные ископаемые могут поступить только из земных глубин по образовавшимся трещинам.
Более того, найдены следы нефти в кимберлитовых трубках – тех самых, в которых природа осуществила синтез алмазов. Такие каналы взрывного разлома земной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы, могут оказаться вполне подходящим местом и для образования нефти и газа.
Обобщив эти и множество других фактов, Кудрявцев создал свою магматическую гипотезу происхождения нефти. В мантии Земли под давлением и при высокой температуре из углерода и водорода сначала образуются сначала углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Они движутся в веществе мантии от области высокого к области низкого давления. А так как в зоне разломов перепад давлений особенно ощутим, углероды и направляются в первую очередь именно сюда. Поднимаясь в слои земной коры, углеводороды в менее нагретых зонах реагируют друг с другом и с водородом, образуя нефть. Затем образовавшаяся жидкость может перемещаться как вертикально, так и горизонтально по имеющимся в породе трещинам, скапливаясь в ловушках.
Исходя из теоретических представлений, Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается, и глубина бурения с каждым годов возрастает.
В середине 60-х годов удалось ответить на такой важный вопрос: «Почему столь «нежные» углеводородные соединения, из которых состоит нефть, не распадаются в недрах Земли на химические элементы при высокой температуре?» Действительно, такое разложение вполне можно наблюдать даже в школьной лаборатории. На подобных реакциях зиждется деструктивная переработка нефти. Оказалось, что в природе дело обстоит как раз наоборот – из простых соединений образуются сложные... Математическим моделированием химических реакций доказано, что подобный синтез вполне допустим, если к высоким температурам мы добавим еще и высокие давления. То и другое, как известно, в избытке имеется в земных недрах.
Происхождение нефти имеет несколько теорий, каждая из которых имеет право на существование. У каждой есть множество известных приверженцев и достаточное число научных трудов и обоснований. На этой странице мы расскажем о том, как образуется нефть в природе и опишем наиболее популярные теории происхождения этого ресурса.
Как образовалась нефть
Современная мировая экономика не может обойтись без нефти. Именно поэтому ее все чаще сравнивается с золотом. Спрос на этот энергоресурс возрастает с каждым днем, позволяя компаниям, занимающимся добычей углеводородов, получать солидные прибыли. Каково же происхождение нефти? Почему одни страны богаты этим ресурсом, а другие страдают от его недостатка?
Для того, чтобы понять, как образуется этот ресурс, важно разобрать его состав. Нефть состоит из:
- Метановых, парафиновых, нафтеновых и других углеводородов
- Смолистых веществ и асфальтенов
- Серосодержащих веществ
- Азотистых и кислородных соединений
- Меньше 1% составляют тяжелые металлы
Откуда взялась нефть на нашей планете? Проанализировав состав этого вещества ученые разработали несколько теорий происхождения нефти. Причем каждая из них имеет многочисленное число сторонников и ярых противников остальных теорий. Наиболее популярные гипотезы происхождения нефти:
- Биогенная
- Неорганическая
- Космическая
Современные теории происхождения нефти появились в начале XIX века и лишь в XX столетии приобрели более научный вид. Но, о том, как образуются углеводороды в недрах земли, спорят и по сей день. На данный момент ученые не пришли к единому мнению на этот счет. Поэтому точного ответа на вопрос, откуда берется это вещество под землей, вам никто не даст.
Биогенная или органическая теория
Биогенное происхождение нефти является одной из самых популярных гипотез образования «черного золота» в недрах нашей планеты. На сегодняшний день, эта гипотеза более популярна в кругу академических ученых. Согласно ей, эта жидкость возникла в результате разложения растений и животных на дне различных водоемов. Останки в результате различных химических процессов разлагались. Находящиеся на глубине более 3000 метров они высвобождали углеводороды. Органическая теория происхождения нефти может быть возможной только в условиях высоких температур (140 – 160 градусов).
Жидкие углеводороды, освободившись из органической массы, заполняют собой пустоты. Сегодня их называют месторождениями. Нефть, которая находится на большой глубине, содержится при температуре окружающей среды около 200 градусов. Высокая температура позволяет выделить из нее природный газ.
Биогенную теорию происхождения «черного золота» впервые в России сформулировал М. В. Ломоносов. Известные ученые того времени были практически единодушными в природе образования этого ресурса. Единственным камнем преткновения был исходный материал. Некоторые считали его доисторическими растениями, другие – животными.
Версии биологического происхождения нефти имеют свою доказательную базу. Немецкие специалисты Энглер и Гефер провели опыт по перегонки рыбьего жира под высоким давлением и температуры. Им удалось получить вещество, состав которого отдаленно напоминал нефть. Русский ученый Н. Д. Зелинский провел похожий опыт, но взял за исходный материал растительный ил озера Балхаш. Ему удалось получить бензин, керосин, метан и тяжелые металлы.
Абиогенная или неорганическая теория происхождения
Не прошел мимо этого вопроса и Д. И. Менделеев. Видный ученый считал, что нефть образовалась в результате реакции воды, попадающей в разломы горных пород и встречающейся с карбидами железа. В лабораторных условиях ученый смог подтвердить свою теорию, но многие геологи ее опровергли, посчитав невозможным «стерильный» результат в природных условиях.
Абиогенная теория происхождения нефти является второй по популярности. Кроме Д. И. Менделеева ее сторонниками являются такие видные ученые своего времени как А. Гумбольд, Н. А. Кудрявцев, Т. М. Голд и другие. Успех этой теории связан с удачными экспериментами по выявлению этого вещества из минерального сырья в лабораториях. Неорганическое происхождение нефти в конце XIX века стала одной из главных гипотез происхождения этого маслянистого вещества.
Д. И. Менделеев называл свою абиогенную теорию – карбидной. И хоть многие геологи не соглашались с его доводами, эксперимент по доказательству этой версии подтвердил ее право на существование. Известный химик считал, что земля состоит из расплавленного железа. Карбиды, которые являются спутниками этого металла, являются исходным материалом для образования самого значимого полезного ископаемого в истории человечества.
После реакции воды с карбидами, образуемые при такой реакции вещества, поднимались выше и окончательно формировались за счет более низких температур. Этот процесс, по мнению сторонников гипотезы, происходит постоянно. Поэтому, уменьшение запасов «черного золота» не грозит человечеству.
А вот основатель советской нефтяной геологии Иван Михайлович Губкин был главным противником теории Менделеева и всегда выступал с критикой в ее адрес. Он считал, что базальтовый пояс не даст воде проникнуть к ядру земли и встретится с карбидами железа.
Многое сделал для понимания образования углеводородов в недрах земли знаменитый американский геолог Арвилл Леворсен. Он придерживается осадочно-миграционной теории происхождения.
Теория космического происхождения нефти
Главной альтернативой вышеописанных гипотез является космическая теория происхождения нефти. Ее основоположник, В. Д. Соколов считал, что образование этого ресурса стало возможным благодаря попаданию на землю неорганических компонентов из космоса. Теория стала возможным, после подтверждения наличия углеводородных радикалов на звездах и метеоритах.
Нефтяная космическая теория находит новых последователей каждый день. Современные исследовательские орбитальные станции, телескопы для проведения спектрального анализа далеких объектов и другие технические возможности науки доказывают право этой гипотезы на существование.
Последние исследования показали наличие метана и аммиака в атмосферах близких планет: Юпитера, Нептуна, Урана и Сатурна. Это позволяет сделать вывод, что углеводород может содержаться на любом космическом теле.
По сути, образование жидких углеводородов по этой версии можно отнести как к органической, так и неорганической теории. Уже доказано, что метеориты могут принести на землю не только минералы, но и различные бактерии и микроорганизмы, которые могут стать сырьем для нефти.
Другие версии
Периодически появляются новые версии образования «черного золота». Она предлагает в качестве источника этой жидкости рассеяное органическое вещество, содержащееся в осадочных породах.
Сегодня популярна альтернативная теория происхождения нефти, разработанная российскими учеными из Института проблем нефти и газа РАН. Специалисты сформулировали свою теорию, основываясь на круговороте углерода и воды в природе. Дождевая вода содержит углерод в виде гидрокарбоната. Он попадает в землю и приобретает форму для дальнейшего формирования нефти, которая формируется и попадает в природные резервуары, называемыми осадочными бассейнами.
Согласно этой гипотезе, таким образом формируется 90% нефти и только 10% ее было получено в результате разложения органических останков животных и растений.
Как и в случае с абиогенной теорией, скорость восстановления нефтяных запасов происходит не тысячелетиями, а всего лишь, десятками лет. При этом, основоположники этой теории считают, что чем интенсивнее человек будет перерабатывать углеводороды, тем быстрее они будут попадать обратно в землю и образовывать новые нефтяные массы.
Нефть является важнейшим ресурсом в истории человечества. Именно ископаемые углеводороды стали причиной значительного технического прогресса. Последние данные показывают, что этого ресурса хватит еще на 70 – 80 лет. За это время необходимо перейти на альтернативные виды топлива. Иначе человечеству придется очень сложно. Именно это толкает ученых на изучение возможности переработки солнечной и ветряной энергии.
«Черное золото» сравнивают с кровью экономики и об образовании жидких углеводородов спорят не одно десятилетие. Ведь главным вопросом, который занимает большинство умов, является не природа образования нефти, а та скорость, с которой восстанавливаются запасы углеводородов. Ведь чем быстрее происходит образование этого ресурса, тем дольше человечество сможет прожить до перехода на новый.
На счет образования нефти и угля обычно мало кто сомневается - это органические останки древних растений и животных преобразовавшиеся под воздействием давления недр и при недостатке кислорода. Поэтому уголь и нефть справедливо относят к невозобновляемым ресурсам и регулярно пресса нас попугивает весьма коротким промежутком времени, оставшемся до их полного исчерпания. В угле этому находят неоспоримые подтверждения - следы древних животных организмов и растений. Но с нефтью, оказывается, все далеко не так однозначно. Существует еще, как минимум, две теории имеющие под собой достаточно серьезную научную основу.
Подтверждением классической теории образования нефти служит опыт немецких ученых Г.Гефера и К.Энглера поставленный ими в 1888 году. Они осуществили перегонку рыбьего жира при температуре 400 С и давлении около 1 МПа. При этом им удалось получить предельные углеводороды, парафин, смазочные масла, с высоким содержанием алкенов, нафтенов и аренов. Позже академик Н.Д. Зелинский проводил похожий опыт, но исходным материалом был выбран органический ил образованный из водорослей. Ему удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…
Казалось бы, все с этим процессом встало на свои места. Миллионы лет назад отложившиеся останки попавшие на большие глубины (как?) под действием давления и температур преобразовались в нефть-газ-уголь. Скоро (через 50 лет) мы их все извлечем, и придется подождать еще несколько миллионов лет до возобновления запасов. Не тут-то было. Факты свидетельствуют о том, что процессы образования нефти и газа продолжаются и гораздо более высокими темпами, чем это возможно по классической теории.
Об фактах продолжающегося образования нефти и газа свидетельствуют длительные сроки эксплуатации месторождений, достигающие ста и более лет, и суммарные объемы накопленной добычи, многократно превышающие первоначально планируемые. Уровень добычи на месторождениях на поздних ее этапах сначала снижается до 10-20% от максимального уровня добычи, а затем стабилизируется. Например, Шебелинское месторождение эксплуатируется уже более 50 лет, при этом его ресурсы не иссякают. Начальные запасы газа месторождения неоднократно уточнялись в сторону увеличения. В настоящее время они в 2 раза выше чем первоначально утвержденные. В Татарстане также установлено явное несоответствие нефтяных ресурсов и объемов добычи нефти. Сейчас уже извлечено более 3 млрд. т. нефти, в то время как оценка их нефтематеринского материала для всей осадочной толщи составляет всего 709 млн. т. И это не единичные случаи.
Теория первая. Карбидная или биогенная.
В 1866 году французский химик М.Бертло предположид, что нефть образовалась (и образуется) в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, и ему удалось искусственно синтезировать углеводороды из неорганических веществ.
Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества Д.И.Менделеев изложил свою гипотезу образования нефти. Великий химик считал, что во время процессов горообразования по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа и под воздействием высоких температур и давления вступает в химическую реакцию. В результате этой реакции образуются оксиды железа и углеводороды. Образующиеся вещества по разломам коры поднимаются в верхние ее слои и насыщают пористые породы. В результате образуются газовые и нефтяные месторождения.
Менделеев ссылается при этом на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.
В то время идеи «чистого химика» Менделеева не имели успеха у геологов, которые сочли опыты, проведенные в лаборатории отличными от процессов, происходящих в природе. Однако карбидная или, как ее еще называют, а биогенная теория о происхождении нефти получила доказательства из неожиданного источника – от астрофизиков. Изучение спектров небесных тел показало, что в атмосфере Юпитера и некоторых других планет, как и в газовых оболочках комет присутствуют углеводороды. Ну, а раз соединения углерода с водородом распространены в космосе, значит процессы синтеза органических веществ из неорганики в природе имеют место быть!
Теория вторая. Круговорот углерода в природе.
Группой ученых из Института проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН) под руководством доктора геолого-минералогических наук Азария Баренбаума была разработана еще одна теория происхождения нефти и газа. Согласно их концепции, залежи углеводородов могут возникать не за миллионы лет, а за десятилетия. При этом одновременно подвергается сомнению теория парникового эффекта, поскольку основным тезисом утверждается, что уровень двуокиси углерода в атмосфере может саморегулироваться, а значит неуправляемого накопления углекислоты в атмосфере не происходит.
Теория российских ученых предполагает, что нефтегазообразование – это процесс не столько геологический, сколько климатический. Он связан с круговоротом воды и углерода на Земле. Поступающий с дождевыми водами углерод, захваченный из атмосферы в форме гидрокарбоната в условиях земной коры восстанавливается до углеводородов, из которых уже в геологических структурах-ловушках формируются нефтегазовые скопления. По оценкам российских ученых до 90% нефтегазовых скоплений на глубинам от 1 до 10 километров появляются благодаря описанной им теории, и только 10% запасов формируются из органических остатков, как это предполагалось классической теорией.
И еще один важный вывод российских ученых-геологов заключается в том, что благодаря активному участию в образовании нефти и газа климатического круговорота, пополнение залежей ископаемых углеводородов происходит не за многие сотни тысяч и миллионы лет, а всего лишь за несколько десятилетий. А второй вывод заключается в том, что умеренное извлечение нефти и газа из залежей не должно сильно влиять на потенциальную нефтегазоносность региона. Но это верно при условии, что углеводороды будут потребляться в пределах того же региона, что и их добыча. То есть тепловые электростанции, работающие на углеводородах, компенсируют добычу нефти и газа ее образованием.
Распространенный прогноз о скором(через 30−50 лет) истощении запасов нефти специалисты воспринимают по‑разному. Большинство — с уважением(«так и есть»), другие скептически(«запасы нефти безграничны!»), а третьи с сожалением(«могло бы хватить и на столетия…»). «Популярная механика» решила разобраться в этом вопросе.
Образование нефти согласно биогенной теории
Объемы добычи нефти на месторождении «Белый тигр» на морском шельфе Вьетнама превзошли самые оптимистичные прогнозы геологов и внушили многим нефтяникам надежду, что на больших глубинах хранятся громадные запасы «черного золота»
1494−1555: Георгиус Агрикола, врач и металлург. До XVIII века существовало множество курьезных версий происхождения нефти (из «земного жира под воздействием вод Всемирного потопа», из янтаря, из мочи китов и др.). В 1546 году Георгий Агрикола писал, что нефть имеет неорганическое происхождение, а каменные угли образуются путем ее сгущения и затвердевания
1711−1765: Михайло Васильевич Ломоносов, ученый-энциклопедист — химик, физик, астроном и др. Одним из первых высказал научно обоснованную концепцию о происхождении нефти из растительных остатков, подвергшихся обугливанию и давлению в земных слоях («О слоях земных», 1763): «Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя…»
1834−1907: Дмитрий Иванович Менделеев, химик, физик, геолог, метеоролог и др. Вначале разделял представление об органическом происхождении нефти (в результате реакций, идущих на больших глубинах, при высоких температурах и давлениях, между углеродистым железом и водой, просачивающейся с поверхности земли). Позднее придерживался «неорганической» версии
1861−1953: Николай Дмитриевич Зелинский, химик-органик. Внес существенный вклад в решение проблемы происхождения нефти. Показал, что некоторые соединения углерода, входящие в состав животных и растений, при невысокой температуре и соответствующих условиях могут образовывать продукты, сходные с нефтью по химическому составу и физическим свойствам
1871−1939: Иван Михайлович Губкин, геолог-нефтяник. Основоположник советской нефтяной геологии, сторонник биогенной теории. Обобщил результаты исследований природы нефти и пришел к заключению: процесс ее образования непрерывен; наиболее благоприятны для образования нефти неустойчивые в прошлом участки земной коры на границах областей опускания и поднятия
Грубо говоря, на сколько лет хватит запасов нефти, не знает никто. Что удивительнее, до сих пор никто не может точно сказать, каким путем образуется нефть, хотя спор об этом ведется еще с XIX века. Ученые в зависимости от своих убеждений разделились на два лагеря.
Сейчас в мире среди специалистов преобладает биогенная теория. Она гласит, что нефть и природный газ образовались из остатков растительных и животных организмов в ходе многоступенчатого, длящегося миллионы лет процесса. Согласно этой теории, одним из основоположников которой был Михайло Ломоносов, запасы нефти невосполняемы и все ее месторождения когда-нибудь иссякнут. Невосполняемы, разумеется, с учетом быстротечности человеческих цивилизаций: первый алфавит и ядерную энергию разделяет не более четырех тысяч лет, тогда как для образования новой нефти из нынешних органических остатков потребуются миллионы. А значит, нашим не слишком далеким потомкам придется обходиться сперва без нефти, а затем и без газа…
Сторонники абиогенной теории смотрят в будущее с оптимизмом. Они полагают, что запасов нефти и газа нам хватит еще на долгие столетия. Дмитрий Иванович Менделеев, находясь в Баку, однажды узнал от геолога Германа Абиха, что месторождения нефти территориально очень часто приурочены к сбросам — особого типа трещинам земной коры. Тогда же знаменитый русский химик уверился в том, что углеводороды (нефть и газ) образуются из неорганических соединений глубоко под землей. Менделеев считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам, рассекающим земную кору, поверхностная вода просачивается в глубь Земли к металлическим массам и вступает в реакцию с карбидами железа, образуя оксиды металла и углеводороды. Затем углеводороды по трещинам поднимаются в верхние слои земной коры и формируют месторождения нефти и газа. Согласно абиогенной теории, образования новой нефти вовсе не придется ждать миллионы лет, она вполне восполняемый ресурс. Сторонники абиогенной теории уверены, что на больших глубинах ждут открытия новые месторождения, а разведанные на данный момент нефтяные запасы вполне могут оказаться ничтожными по сравнению с еще неизвестными.
В поисках доказательств
Геологи, однако, скорее пессимисты, чем оптимисты. По крайней мере, поводов доверять биогенной теории у них больше. Еще в 1888 году немецкие ученые Гефер и Энглер поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из продуктов животного происхождения. При перегонке рыбьего жира при температуре 4000С и давлении около 1 МПа они выделили из него предельные углеводороды, парафин и смазочные масла. Позже, в 1919 году, академик Зелинский из органического ила со дна озера Балхаш, преимущественно растительного происхождения, получил при перегонке сырую смолу, кокс и газы — метан, CO, водород и сероводород. Затем из смолы он извлек бензин, керосин и тяжелые масла, опытным путем доказав, что нефть может быть получена и из органики растительного происхождения.
Сторонникам неорганического происхождения нефти пришлось скорректировать свои взгляды: теперь они не отрицали происхождения углеводородов из органики, но считали, что их можно получить и альтернативным, неорганическим способом. Вскоре и у них появились свои доказательства. Спектроскопические исследования показали, что в атмосфере Юпитера и других планет-гигантов, а также их спутников и в газовых оболочках комет присутствуют простейшие углеводороды. Значит, если в природе идут процессы синтеза органических веществ из неорганики, ничто не мешает образованию углеводородов из карбидов на Земле. Вскоре были обнаружены и другие факты, не согласовывавшиеся с классической биогенной теорией. На ряде нефтяных скважин запасы нефти неожиданным образом стали восстанавливаться.
Нефтяное волшебство
Один из первых таких парадоксов был обнаружен в месторождении нефти в Терско-Сунженском районе, неподалеку от Грозного. Первые скважины здесь пробурили еще в 1893 году, в местах естественных нефтепроявлений.
В 1895 году одна из скважин с глубины 140 м дала грандиозный фонтан нефти. Через 12 дней фонтанирования рухнули стенки нефтяного амбара и поток нефти затопил вышки рядом расположенных скважин. Лишь спустя три года фонтан удалось укротить, затем он иссяк и от фонтанного способа добычи нефти перешли к насосному.
К началу Великой Отечественной войны все скважины сильно обводнились, и некоторые из них законсервировали. После наступления мира добычу восстановили, и, к всеобщему удивлению, почти все высокообводненные скважины начали давать безводную нефть! Непонятным образом скважины получили «второе дыхание». Спустя еще полвека ситуация повторилась. К началу чеченских войн скважины снова были сильно обводнены, существенно снизились их дебиты, и во время войн они не эксплуатировались. Когда же добыча была возобновлена, дебиты значительно возросли. Причем первые мелкие скважины стали через затрубное пространство снова высачивать нефть на земную поверхность. Сторонники биогенной теории находились в недоумении, тогда как «неорганики» легко объясняли этот парадокс тем, что в данном месте нефть имеет неорганическое происхождение.
Нечто похожее произошло и на одном из крупнейших в мире Ромашкинском нефтяном месторождении, которое разрабатывается уже более 60 лет. По оценкам татарских геологов, из скважин месторождения можно было извлечь 710 млн. т нефти. Однако на сегодняшний день здесь уже добыли почти 3 млрд. т нефти! Классические законы геологии нефти и газа не могут объяснить наблюдаемые факты. Некоторые скважины как будто пульсировали: падение дебитов вдруг сменялось их долговременным ростом. Пульсирующий ритм был отмечен и у многих других скважин на территории бывшего СССР.
Нельзя не упомянуть и о месторождении «Белый тигр» на морском шельфе Вьетнама. С самого начала нефтедобычи «черное золото» извлекали исключительно из осадочных толщ, здесь же осадочную толщу (около 3 км) пробурили насквозь, вошли в фундамент земной коры, и скважина зафонтанировала. Причем, согласно подсчету геологов, из скважины можно было извлечь около 120 млн. тонн, но и после того, как этот объем был добыт, нефть продолжала поступать из недр с хорошим напором. Месторождение поставило перед геологами новый вопрос: накапливается ли нефть только в осадочных породах или ее вместилищем могут быть породы фундамента? Если в фундаменте тоже есть нефть, то мировые запасы нефти и газа могут оказаться куда больше, чем мы предполагаем.
Быстро и неорганически
Чем же вызвано «второе дыхание» многих скважин, необъяснимое с точки зрения классической геологии нефти и газа? «В Терско-Сунженском месторождении и некоторых других нефть может образовываться из органического вещества, но не за миллионы лет, как предусматривает классическая геология, а за считанные годы, — считает заведующий кафедрой геологии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина Виктор Петрович Гаврилов. — Процесс ее образования можно сравнить с искусственной перегонкой органики, аналогичной опытам Гефера и Зелинского, но проводимой самой природой. Такая скорость образования нефти стала возможной благодаря геологическим особенностям местности, где вместе с нижней частью литосферы часть осадков затягивается в верхнюю мантию Земли. Там в условиях высоких температур и давлений происходят стремительные процессы деструкции органики и синтеза новых углеводородных молекул».
На Ромашкинском же месторождении, по мнению профессора Гаврилова, действует другой механизм. Здесь в толще кристаллических пород земной коры, в фундаменте, лежит мощный пласт высокоглиноземных гнейсов возрастом более 3 млрд. лет. В составе этих древних пород содержится много (до 15%) графита, из которого в условиях высоких температур в присутствии водорода и образуются углеводороды. По разломам и трещинам они поднимаются в пористый осадочный слой коры.
Существует еще один механизм быстрого пополнения запасов углеводородов, обнаруженный в Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции, где концентрируется половина всех углеводородных запасов России. Здесь, по мнению ученого, в погребенной рифтовой долине древнего океана происходили и происходят процессы образования метана из неорганики, как в «черных курильщиках» (см. врезку). Но местная рифтовая долина перекрыта осадками, что мешает рассеиванию метана и заставляет его концентрироваться в породных резервуарах. Этот газ подпитывал и продолжает подпитывать углеводородами всю Западно-Сибирскую равнину. Здесь же из органических соединений ускоренно образуется нефть. Так что же, углеводороды тут будут всегда?
«Если выстроить наш подход к разработке месторождений на новых принципах, — отвечает профессор, — согласовать скорость отбора со скоростью поступления углеводородов из очагов генерации в данных районах, скважины будут действовать сотни лет».
Но это слишком оптимистичный вариант развития событий. Реалии более жестоки: чтобы запасы успевали пополняться, человечеству придется отказаться от «насильственных» технологий добычи. Кроме того, потребуется вводить специальные реабилитационные периоды, на время отказываясь от эксплуатации месторождений. Сможем ли мы пойти на это в условиях растущего населения планеты и растущих потребностей? Вряд ли. Ведь, если не считать атомной энергетики, у нефти пока нет достойной альтернативы.
Дмитрий Иванович Менделеев в позапрошлом веке критично заявил, что сжигать нефть — это все равно что топить печь ассигнациями. Если бы великий химик жил сегодня, то, наверное, назвал бы нас самым безумным поколением в истории цивилизации. И возможно, был бы не прав — наши дети пока еще могут переплюнуть нас. А вот внукам такой шанс, скорее всего, уже не представится…
