CC BY
30
УДК 622.755.38
ГЕОЭКОЛОГИЯ И ВОСПРОИЗВОДСТВО МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ УГЛЕВОДОРОДОВ
А.Д. Гладуш
Российский университет дружбы народов Ул. Миклухо-Маклая, 6, 117198 Москва, Россия
Анализируются научно-методические основы геоэкологического преобразования органических компонентов техногенных городских стоков в литосферных реакторах с целью получения нефтеподобных продуктов.
Жизнь на Земле в значительной мере определяется превращениями углерода, несмотря на то, что его содержание в земной коре не превышает 0,4-0,8%, а в жиёом веществе его не более 10%. Особенностями геохимии углерода является кругооборот его в природе и устойчивость природных органических соединений в условиях земной коры. Кругооборот углерода осуществляется в основном благодаря поглощению углекислоты растениями и преобразованию ее в сложные органические вещества, которые потребляются различными организмами, сжигаются или разлагаются с различной скоростью в зависимости от условий. При этом образуется углекислота, которая возвращается в атмосферу.
Часть органических веществ, которая не разложилась до газообразных соединений, аккумулируется в земных недрах, и в зависимости от состава органического вещества, условий их накопления и преобразования образуются торф, сланцы, угли, нефти, природный газ.
1. НефтегенерирующиЗ потенциал органического вещества
Нефтегенерирующий потенциал — это то количество микронефти, нефти, которое может генерировать данная порода за всю геологическую историю [1].
Разные типы органического вещества (ОВ) обладают различным нефтегенерирующим потенциалом Пнг, зависящим не только от содержания ОВ, но и от его качества и фациально-генетического типа.
При сравнении элементного состава нефти и ОВ обнаруживается, что нефть отличается более высоким содержанием водорода, поэтому критерием способности ОВ генерировать углеводороды (УВ) служит обогащенность его водородом.
В зависимости от строения углеродного скелета органические соединения делят на ациклические — соединения с открытой (незамкнутой) цепью атомов углерода — и циклические — соединения с замкнутой цепью.
Простейшими представителями ациклических соединений являются алифатические углероды, которые содержат только атомы углерода и водорода и могут быть насыщенными (алканы — диметилбутан, н-пентан) и ненасыщенными (алкены — пропен, алкадиены — изопрен, алкины — ацетилен).
Циклические соединения разделяются на карбоциклические, которые содержат в цикле только атомы углерода и делятся на алифатические (алицикличе-ские — циклопропан, циклопентан, циклогексан), и ароматические (арены) соединения — бензол, нафталин, фенантрен.
Для углеводородов и их производных гомологической разностью является метиленовая группа СН2. Гомологический ряд — это группа родственных органических соединений с однотипной структурой, каждый последующий член которого отличается от предыдущего на гомологическую разность. Гомологи обладают близкими химическими свойствами и закономерно изменяющимися физическими свойствами. Например, гомологами являются этан С2Нб и пропан С3Н8, метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН, пропановая С2Н5СООН и бутановая С3Н7СООН кислоты (в каждой паре этих гомологов разность в составе равна одной группе СН2).
Углеводороды обладают наиболее простым составом среди органических соединений. Они содержат только атомы углерода и водорода. Реакционная способность углеводородов зависит от степени их насыщенности. Для углеводородов наиболее характерны следующие реакции:
- для насыщенных — реакции радикального замещения
- ненасыщенных — реакции электрофильного присоединения А£;
- ароматических — реакции электрофильного замещения
К насыщенным углеводородам относятся алканы (метан, этан, пропан, бутан, 2-метилпропан, пентан, гексан, гептан, октан и т.д.) и циклоалканы (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан, циклогептан). Для алканов возможными являются радикальные процессы, в которых участвуют обладающие высокой энергией весьма реакционноспособные радикальные частицы.
Общие пути генерирования радикальных частиц могут быть следующими;
- расщепление ковалентной связи за счет тепловой энергии (термолиз);
- расщепление связи за счет лучистой энергии (фотолиз);
- образование радикалов в окислительно-восстановительных процессах (химический путь).
Термолиз происходит при сильном нагревании (500 °С и выше), тепловой энергии достаточно для разрыва прочных связей С-С и С-Н. Большинство процессов при таких высоких температурах протекает по радикальному механизму, например процесс промышленной переработки нефти, осуществляемый путем термического расщепления насыщенных углеводородов нефти (крекинг) с получением смеси насыщенных и ненасыщенных углеводородов с меньшей длиной цепи:
С„Н2п + 2 - (450-600 °С) -> СтН2т+2 + СрН2р (п = т + р). (1)
Фотолиз происходит при облучении видимым или ультрафиолетовым светом и часто используется для селективного расщепления относительно слабых связей. Образующиеся при этом радикальные частицы выступают в качестве инициаторов последующих превращений.
Фотохимическая реакция — химическая реакция, инициируемая светом и не происходящая в его отсутствие.
В самом общем виде фотосинтез может быть представлен как процесс восстановления диоксида углерода с использованием солнечной энергии. Эта энергия высвобождается в организмах животных в результате метаболизма углеводов, заключающегося с химической точки зрения в их окислении.
Фотосинтез { хСОг + уНгО + Солнечная энергия —* С^НгО)^ + хОг\
углеводы
(2)
метаболизм { С^НгО), + х02 —* хС02 + >'Н20 + Энергия.
углеводы
Углеводы можно рассматривать как аккумулятор энергии. Часть выделяющейся при метаболизме углеводов энергии превращается в теплоту, а часть — в новую химическую форму, запасаемую в аденозин-5 '-трифосфат (АТФ) и затем расходуемую в процессах жизнедеятельности. Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фосфатных групп: трифосфатная группа содержит две ангидридные связи, называемые макроэргическими, так как они обладают большим запасом энергии.
Образование углеводородов происходит в условиях определенных температур и взаимосвязанной с ними скоростью реакции. Эта взаимосвязь определяется как энергия активации Еа Связь между температурой и скоростью реакции преобразования органического вещества в углеводороды устанавливается уравнением Аррениуса:
где: К — константа скорости реакции, связанная с изменениями концентрации исходного вещества во времени; А — частотный фактор — константа, характеризующая частоту соударения молекул в состоянии, возможном для реакции; Еа — энергия активации — количество энергии, которое должна поглотить молекула (комплекс молекул) для разрыва связей и образования новых соединений; Я — универсальная газовая постоянная; Т — температура, °К.
Как видно из формулы (3), скорость реакции находится в обратно пропорциональной зависимости от величины энергии активации.
Способность участка земных недр генерировать углеводороды связана с термическим состоянием материнских отложений.
Приобретение высокого уровня термодинамического потенциала нефти, по всей видимости, связано как с процессом аккумулирования внутренних энергетических ресурсов материнского вещества, так и энергетическим насыщением из внутриземных источников.
Генерация углеводородов в земных недрах по показателю наличия органического вещества является необходимым условием, самодостаточность процесса генерации определяется значительным числом мощных по воздействию и длительности факторов. Отсутствие тех или иных факторов в конкретных условиях не может являться основанием опровержения биогенной концепции происхождения нефти.
Академик В.И. Вернадский в начале XX в. писал: «Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей».
Бактериальная сфера во все времена геологической истории Земли играет особенную роль геологических процессов.
В процессе литогенеза — преобразования донных отложений в осадочные горные породы — происходили биохимические и химические превращения находящегося в них органического вещества в высококонденсированные макромолекулы — кероген.
Дальнейшее развитие керогена сопровождалось постепенным отделением от него углеводородных компонентов, так называемой микронефти, которая мигрировала из материнской горной породы в проницаемые пласты и в дальнейшем
К =Ае~(Еа/К7),
(3)
в природные резервуары — пласты-коллекторы, ограниченные слабо проницаемыми породами.
По мере погружения пласта, обогащенного органическими остатками, под воздействием возрастающего давления и температуры возникает процесс катагенеза, благодаря которому происходит преобразование органики в нефть.
Главный фактор нефтеобразования — тепловая деструкция созревшего керо-гена при достижении породами в процессе погружения температур 170 ± 45 °С на глубинах от 1,5 до 7,5 км.
Еще в 1888 г. был поставлен опыт по перегонке рыбьего жира при температуре 400 °С и давлением в 1 МПа, в результате которого были получены предельные углеводороды, парафин, смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.
Академик Н.Д. Зелинский провел опыт по перегонке органического ила растительного происхождения, в результате чего были получены бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан.
Д.И. Менделеев в это же время проводил опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода, что является аргументом в пользу гипотезы происхождения нефти в земных недрах из минеральных веществ.
По преобладающему мнению, нефть и углеводороды в земной коре образуются из органических веществ — керогена и битумоидов, — которые являются первоначальным источником процесса нефтеобразования под воздействием потоков протия и водорода.
Катализаторами процесса выступают вмещающие породы (в основном глины и некоторые металлы типа № и 14), т.е. нефть и углеводороды возникают в осадочной оболочке Земли в процессе геогидрокрекинга, а основная реакция образующего их процесса — протонирование; для геологических масштабов — это геопротонирование органического вещества и нефтематеринских пород.
Реакции происходят как в равновесных, так и неравновесных условиях в процессе самоорганизации вещества. Этот процесс протекает в нелинейных условиях на основе перехода беспорядок-порядок вследствие потери устойчивости, так как поток переносимой флюидами энергии, диффузные потоки массопереноса, пластовое давление, температура, объемы резервуаров имеют переменные значения.
Указанные параметры тесно связаны с региональной геотектоникой, скоростью осадконакопления, фракциями и геологическим временем.
2. Воспроизводство нефтяных запасов
Размеры потребления углеводородов современной цивилизацией огромны. Нефть, природный газ и уголь создали беспрецедентный мультипликативный эффект в науке и технике современной жизни.
Целые отрасли обеспечивают научно-технические и экономические условия разведки, добычи, переработки и использования углеводородного сырья, создана беспримерная по масштабам транспортная инфраструктура. Уровень капитализации отраслей, связанных с нефте-газово-угольной промышленностью сопоставим лишь с совокупным объемом капитализации всех остальных отраслей.
При существующих темпах добычи нефти потребности в запасах очень велики. В настоящее время более 80% нефти в мире добывается на месторождениях, разведанных до 1973 г. [2]. Для экспресс-оценки принято считать, что стоимость запасов нефти в недрах составляет примерно одну треть от справочной цены на
нефть с погрешностью ±25%. Это подтверждается статистическими данными за последние 20 лет по сделкам с углеводородами.
Минеральные ресурсы составляют ббльшую долю национального благосостояния России, и расточительное их расходование не может быть оправдано нынешним и особенно будущими поколениями.
Установлено, что для залежей тяжелой нефти (а это 90% мировой добычи) не существует очевидной корреляции между темпами извлечения и конечной нефтеотдачей, в ряде случаев эта корреляция положительна.
Факторы, которые влияют на это соотношение, следующие: механизм вытеснения углеводородов; петрофизические характеристики коллектора и свойства пластовых жидкостей. Для коллекторов с низкой проницаемостью и вязкой нефтью соотношение является положительным, однако нефть из таких залежей составляет небольшую часть мировой добычи.
В настоящее время эксплуатация нефтяных месторождений производится все более быстрыми темпами, а период от обнаружения запасов до ввода месторождения в эксплуатацию сократился в четыре раза.
Все больше аргументов в рамках биогенной концепции нефтеобразования приводится относительно возрастающей роли вещества и энергии глубоких зон, в том числе и гипотезы гидрогенизации биогенного вещества осадочных пород глубинным водородом.
В зонах глубинных разломов среди осадочных пород или ниже их в связи с подъемом из глубин высокотемпературного вещества образуются природные реакторы, в которых активизируются процессы нефтеобразования.
Придерживаясь точки зрения, согласно которой нефть в определенных условиях растворяется в воде, можно предположить, что нефть в виде рассеянного вещества мигрирует с водами и постепенно заполняет ловушки, а температурный режим потенциально газонефтеносных горизонтов соответствует 70-100 °С.
Скорость водной миграции составляет около 1 м/год, а величина эффективной пористости песчаных пород коллекторов — 0,25.
Характеристика рассеянного органического вещества (РОВ) в зоне генерации углеводородов по данным [3] приведена в таблице.
Таблица
Характеристика РОВ баженовской свиты на территории Томской области
№ п/п Параметр Значение
1 Концентрация органического углерода (С0„г) 5-12%
2 Состав керогена Планктонное и бактериогенное ОВ — морские сапропели, содержание водорода 7,0-8,5%
3 Фациальные условия осадко-накопления Морские, восстановительные условия
4 Региональная характеристика стадии катагенеза (МК^-МК,2)
5 Литологический состав вмещающих пород Чередование карбонатных, кремнистых и глинистых пород
6 Радиоактивность Высокое содержание урана
Решение задач определения очага генерации нефтей, как правило, выполняется на основе петрографических и геохимических параметров РОВ, экстрактов и нефтей. Для оценки времени генерации нефтей используются эмпирические зависимости плотности одновозрастных отложений от глубины:
c(Z) -В\-Вг- ехр (-В3 ■ Z) (4)
где: В\ — коэффициент минеральной плотности отложений; В2 — коэффициент пористости неуплотненных осадков; Вз — коэффициент интенсивности воздействия геологического времени.
Рассчитанная температурная градация зон катагенеза интенсивной генерации и эмиграции углеводородов (УВ) [3] позволяет: во-первых, прогнозировать присутствие нефти при 90-130 °С и, во-вторых, температуры более 190 °С — разрушительны для УВ.
Ежедневно планета Земля получает тысячи килокалорий солнечной энергии на квадратный метр. Часть этой энергии живые организмы усваивают, превращая ее в формы для поддержания жизни и в последующем аккумулируют и сохраняют в себе. Разлагаясь, живые организмы образуют запасы углерода, создавая основу для формирования месторождений углеводородного сырья.
Суточная производительность сооружений полной биологической очистки сточных вод Москвы составляет 6345 тыс. м3 при площади обслуживания 1200 км2, включающей всю территорию города и лесопарковую зону. Очистка сточных вод, поступающий, по более чем 7 тыс. км канализационных сетей города, осуществляется на четырех станциях аэрации: Курьяновской, Люберецкой, Зеленоградской и Южнобутовской. В процессе очистки образуется до 30 тыс. м3 осадка в сутки.
В Москве остро стоит проблема очистки улиц от снега и его утилизация. Сброс снега в реки негативно сказывается на экологическом состоянии водоемов и прибрежной зоны. Для улучшения экологической обстановки на территории города действует 29 снегосплавных пунктов общей производительностью более 95 тыс. м3 снега в сутки.
Реализация предусмотренной программы развития системы отвода стоков сопряжена со значительными материальными затратами. Только капитальный ремонт километра канализационной сети требует 45 млн руб. В настоящее время на реконструкцию систем водоснабжения и канализации ежегодно расходуется около 10 млрд руб., а к 2011 г. по программе развития этой сферы ежегодные расходы составят более 42 млрд руб.
Транспортировка, очистка и хранение значительных объемов городских техногенных стоков представляет все возрастающую проблему для крупных городов мира — мегаполисов.
Решением проблемы утилизации техногенных городских стоков может стать преобразование их органических компонентов в литосферных реакторах, специально подобранных в земных недрах вблизи крупных городов и обладающих необходимой трещиноватостью, каталитическими свойствами вмещающих пород, температурой и давлением [4].
В настоящее время основные каналы и коллекторы Москвы имеют южное и юго-восточное общее направление, где расположены крупнейшие очистные сооружения: Курьяновская и Люберецкая станции аэрации.
Реализация проблемы утилизации техногенных городских стоков одновре-
менно может обеспечить процесс техногенного воспроизводства синтетической нефти и нефтеподобных соединений на основе природного механизма генерирования углеводородного сырья [5].
Диверсификация источников энергетического обеспечения потребностей промышленности и городского хозяйства является доминирующей концепцией поиска и создания энергоресурсов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Геология и геохимия нефти и газа: Учебник / O.K. Баженова, Ю.К. Бурлин, Б.А. Соколов, В.Е. Хайн / Под ред. Б.А. Соколова. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Изд-во Московского университета — Издательский центр «Академия», 2004.
2. Peter Rose. Analysis is a Risky Proposition // AAPG Explorer, 1999, March.
3. Исаев В.И., Фомин A.H. Очаги генерации нефтей Баженовского и Тогурского типов в южной части Нюрольской мегавпадины // Геология и геофизика. — 2006. — Т. 47.
— №6, —С. 734-745.
4. Воробьёв А.Е., Балыхин Г.А., Гладуш А.Д. Основы техногенного воспроизводства нефти, горючего газа и угля в литосфере. — М.: Изд-во РУДН, 2006.
5. Воробьёв А.Е., Гладуш А.Д., Чекушина Т.В. Геолого-минералогическая модель реактора промышленного синтеза нефти в литосфере // Маркшейдерия и недропользование. — 2006. — № 5. — С. 14-19.
GEOECOLOGY AND REPRODUCTION OF HYDROCARBON MINERAL DEPOSITS
A.D. Gladush
Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia
The analysis is focused on the research anck methodical basis of geological reorming of components of the techogenous urban fluid discharges in lithosheric reactors to obtain oileous products.
Гладуш Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, проректор Российского университета дружбы народов, автор свыше 90 публикаций, в том числе трех монографий.
