CC BY
41
УДК 622.323
ОБРАЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ НЕФТИ В ЛИТОСФЕРНЫХ РЕАКТОРАХ КАК ФАКТОР УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ
А.Е. Воробьев, А.Д. Гладуш
Кафедра горного и нефтяного дела Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, д. 3, 117419, Москва, Россия
Представлена разработанная авторами базовая технология техногенного возобновления минерального сырья (синтетической нефти и нефтеподобных соединений) в литосфере. Показаны результаты экспериментальных и теоретических исследований по выявлению влияния физико-химических параметров горного массива на эффективность процесса синтеза техногенной нефти и нефтеподобных веществ. Впервые осуществлено обоснование техногенного воспроизводства синтетической нефти в глубинах литосферы за счет применения новых конструктивных разработок и выбора оптимальной схемы использования энергии недр. Исследованы характеристики условий поведения органического вещества и нефти в процессе естественного и искусственного нефтеобразования.
С ростом численности населения нашей планеты (табл. 1) неуклонно возрастает и степень негативного воздействия на биосферу. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, все больше добывается полезных ископаемых, заготавливается растительной и животной продукции, используется природных вод для производственных, жилищно-бытовых и сельскохозяйственных целей (табл. 2), вовлекается в сельскохозяйственный оборот мелиорированных земель, строится городов и населенных пунктов, производственных помещений и т.д., с другой стороны, хозяйственная деятельность человечества неуклонно сопровождается ростом объемов накопления различного рода отходов производства и городского коммунального хозяйства, которые существенно загрязняют природную среду. Например, такие компоненты как мусор, отходы и отбросы в мировом масштабе накапливаются в количестве более 2010 т в год.
Таблица 1
Динамика численности населения земного шара і млн.чел.)
№ п/п Период Численность населения № п/п Период Численность населения
1 8000 лет до н.э. около 6 7 1950 год 3833
2 1 в н.э. около 255 8 1990 год 5515
3 1000 год около 254 9 2000 год 6061
4 1500 год 460 10 2025 год 8504
5 1800 год 954 11 2050 год 10019
6 1900 год 1633
Таблица 2
Динамика сброса сточных вод в поверхностные водоемы РФ__
Показатели Годы
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Сброс сточных вод в целом
Абсолютный, м! 73,2 70,6 68,2 60,2 59,9 59,3 55,7
на единицу ВВП, м3/100$ 4,6 5,22 5,47 5,56 5,78 1 5,93 6,03
Сброс всех видов загрязненных сточных вод
Абсолютный, м3 28 27,1 27,2 24,6 24,5 23 22
на единицу ВВП, м3/100$ 1,76 2 2,19 2,36 2,27 2,3 2,51
Сброс сточных вод без очистки
Абсолютный, м3 8,4 8,2 8,5 6,9 6,6 6,8 6,2
на единицу ВВП, м3/100$ 0,53 0,61 0,68 0,64 0,64 0,68 0,67
Сброс недостаточно очищенных сточных вод
Абсолютный, м3 19,6 19 18,7 17,7 16,5 16,2 15,8
на единицу ВВП, м3/100$ 1,23 1,4 1,5 1,63 1,67 1,62 1,75
Завершившийся XX в. отличался высочайшими темпами роста энергопотребления (табл. 3).
Однако обеспеченность мирового сообщества запасами нефти на 01.01.2000 г. составляла всего лишь 43 года. Поэтому уже сегодня целесообразен поиск и разработка принципиально новых стратегий освоения углеводородного сырья.
Таблица 3
Распределение потребляемой в ми ре энергии по видам топлива, %
Наименование 1995 г. 2000 г. 2010 г. (прогноз) 2020 г. (прогноз)
Нефть 38,3 38,2 37,0 35,7
Газ 29,1 29,2 29,6 28,7
Уголь 22,1 22,4 24,0 26,4
Другие виды 10,5 10,2 9,4 9,2
Всего 100,0 100,0 100,0 100,0
К настоящему времени проф. А.Е. Воробьёвым под руководством академика К.Н. Трубецкого разработана научная концепция техногенного воспроизводства твёрдых рудных минеральных ресурсов (как на поверхности, так и в глубинах литосферы). Дальнейшее её развитие предполагает изучение возможности, механизма и процессов контролируемого воспроизводства не только рудного сырья, но и нефти, которые отличаются от искусственного рудообразования (происходящего, главным образом, за счет перераспределения в массиве горных пород химических элементов - металлов) необходимостью первичного синтеза полезного компонента, а лишь затем, - его миграции и концентрации [1-3].
В качестве основного источника для синтеза искусственной нефти предполагается использование отходов жизнедеятельности человеческой цивилизации, т.е. их полезная утилизация.
Нами были исследованы и систематизированы основные факторы, определяющие синтез нефтеподобных соединений из органического вещества (ОВ) в специально сформированных для этого в литосфере реакторах (табл. 4).
Таблица 4
Основные факторы, определяющие процессы синтеза нефтеподобных _____соединений в специально созданных в литосфере реакторах_
Генетическая область факторов
Основные факторы
Аналитические и экспериментальные зависимости
Динамика изменения величины городских стоков
3500
Кол-во стоков, млн т
Техногенная
составляющая
-□42%
Соотношение загрязнений в городских стоках
□ 58%-
□ Неорганические вещества □Органические вещества
Нефтеобразующий потенциал различных ОВ
о
Вид органического вещества
Гумусовое ОВ ■Сапропелевое ОВ
Время, сут
600
Различия в выходе нефтеподобных соединений в зависимости от температуры воздействия
■■"■""■■"Сапропоп»«» ОВ “ Гумусовое Ов
40 60 80
Синтез нефти. %
Литосферная
составляющая
Динамика выхода синтезируемой неф-
ти
Объем синтезируемой нефти,
%
Продолжение табл. 4
Г енетическая область факторов
Основные факторы
Аналитические и экспериментальные зависимости
Литосферная
составляющая
Изменение содержания различных компонентов нефтей
*1 і
| о і§ 1 = 8. 2 Р-8
Т
\ ь \| 0 I
і і * тт
1 1— * ■ і — І ——і
Содержаниед нефгях
мг/т
'сера “
“аефальтены ■
смола 1 парафины
Выход легких фракций
нефти в зависимости от температуры
10 20 30 40
Облегченная фракция нефти, %
Динамика изменения ароматических составляющих нефтей
250 300
Величина тепловой обработки Об, оС
350
Влияние катализаторов на скорость нефтеобразования
1 ^ і 1 0,5
II
Молибденовые Глины Баз
соединения катализатора
Типы катализаторов
Влияние на выход нефти карбонатсодержащих пород
2
а
0 20 40 60 80
Содержание карбонатов, %
Нефтегенерационный потенциал в значительной мере контролируется первоначальным составом ОВ, который в свою очередь определяется природой исходного живого вещества и особенностями его последующих превращений. Например, было установлено, что ОВ, обогащенное водородом, требует гораздо больших температур для своего преобразования.
Термодеструкционное разложение ОВ сапропелевой и гумусовой природы также принципиально различается по своей сущности.
В частности, в сапропелевом ОВ (главным образом аморфной структуры) происходит быстрое термохимическое разложение всего объема в целом, и его фрагменты (асфальтены и смолы) захватываются в подвижную битумоидную фракцию, а в гумусовом и лейптинито-гумусовом ОВ (представляющем структурированные биополимеры) отщепляются лишь отдельные периферийные фрагменты алкановой природы с последующей дегидратацией и уплотнением остаточного ОВ, и в биту-моид поступает незначительное количество смол и асфальтенов (главным образом за счет сапропелевой примеси и отдельных лейптинитовых микрокомпонентов типа резинита).
В последние годы появилось значительное число экспериментальных работ, в которых подтверждается высокий (в целом сопоставимый с сапропелевым ОВ) битумогенерационный потенциал гумусового ОВ [3]. Для последнего подтверждена тесная зависимость выхода нефти от мацерального состава, и прямая - от содержания лейптинитовых микрокомпонентов, в том числе - резинита, при термолизе которого выделяются легкие жидкие углеводороды (до с,5).
По уменьшению битумогенерационной способности гумусовые мацералы выстраиваются в следующий ряд: воски+пыльцевые компоненты резинит -> спо-ринит+кутинит+суберинит витринит фюзинит.
Причем, в начале термобарное воздействие на ОВ ведет к увеличению доли би-тумоидов, а также алифатизации и уменьшению роли цикланов и аренов (особенно конденсированных) и монотонному приближению искусственных битумоидов по углеводородному составу к нефти. Последнее особенно четко выражается в постепенном выравнивании концентрации н-алканов с нечетным и четным числом атомов углерода в цепи, а также в новообразовании углеводородных бензиновых и керосиновых фракций.
К конечной стадии термобарного воздействия в синтезируемых битуминозных компонентах преобладают насыщенные углеводороды (УВ). В последних, среди н-алканов доминируют соединения с нечетным числом атомов углерода в цепи, изо-алканов мало, а среди цикланов преобладают конденсированные структуры.
Одним из значительных техногенных источников углеродсодержащих соединений, поступающих в окружающую среду (к тому же предполагающих обязательную утилизацию и обезвреживание), являются городские и промышленные стоки. Так, стоки г. Москва состоят из 66 м3/с сточных вод городской канализации, сбрасываемых в р. Москву, и 5 м3/с - сточных вод промышленных предприятий, поступающих в реку помимо общегородских сетей канализации.
Поверхностный сток с городских территорий, как правило, формируется за счет талых снеговых и дождевых вод, а также поливомоечных вод. По районам г. Москвы величина модуля поверхностного стока изменяется в пределах от 5,64 (Железнодорожный район) до 15 л/с км2 (Свердловский район). В общем случае наблюдается увеличение модуля стока от окраин города к центру. Средний для г. Москвы модуль поверхностного стока составляет 9 л/с км2.
Поверхностный сток с территории города, как правило, не очищается от загрязнений и прямо попадает в природные водные объекты, неся с собой большое количество органических и взвешенных веществ, а также нефтепродуктов.
В целом по г. Москве в течение года с поверхностным стоком поступает 3840 т нефтепродуктов, 452080 т взвешенных веществ, 173280 т хлоридов и 18460 т органических веществ (по БПК).
В среднем, миллионный город ежегодно в канализационную сеть и помимо нее сбрасывает до 350 млн. т загрязненных сточных вод (включая ливневые и талые воды с промышленных площадок, городских свалок и стоянок автотранспорта).
В этих стоках содержится около 36 тыс. т взвешенных веществ (в том числе, фосфатов - 24 тыс. т, азота - 5 тыс. т, нефтепродуктов - до 5 тыс. т.) В частности, только общее количество осадка сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений России составляет свыше 10 млн. т в год по сухому веществу.
Однако вследствие относительного однообразия хозяйственной деятельности человека состав бытовых сточных вод довольно-таки однотипен и устойчив (табл. 5).
Таблица 5
Количество загрязнений на одного жителя города______
Показатели г/сут
БПКцолн неосветленной жидкости 73
Взвешенные вещества 65
БПКпшш осветленной жидкости 40
Хлориды 9
Аммонистые соли 8
Фосфаты (в расчёте на Р2О5): 3,3
в том числе от моющих веществ 1,6
Поверхностно-ативные вещкества 2,5
Органические вещества в городских стоках находятся в виде белков, углеводов, жиров и других продуктов физиологической переработки.
Сравнительно с извержениями травоядных отбросы человеческого организма богаче (в пересчете на сухое вещество) азотом и фосфорной кислотой.
Во-первых, это обусловлено тем, что пища человека значительно богаче белками, чем корм травоядных. Если, например, в пище животных (сене) содержится 1,5% азота, то в пище человека его бывает от 2-3 % (зерна хлебов) до 15 % (мясо).
Во-вторых, пища людей лучше переваривается, а это значит, что ее большая часть окисляется, превращается в воду и углекислый газ, следовательно, оставшаяся доля еще больше обогащается исходными элементами, чем в организме травоядных.
Поэтому в отходах жизнедеятельности людей содержится (соответственно в твердом и жидком): азота 2 и 14 г, золы 4,5 и 14 г, фосфорной кислоты 1,35 и 1,78 г, оксида калия 0,64 и 2,29 г.
Превращение органического вещества в специально сформированных в литосфере реакторах в нефтеподобное соединение является сложным технологическим процессом, требующим насыщения исходного вещества водородом до 8—12 % (в зависимости от качества нефти).
Наиболее универсальным методом получения нефтеподобных продуктов из ОВ является гидрогенизация, т.е. воздействие молекулярным водородом под давлением при повышенной температуре с использованием определенных катализаторов [2].
При гидрогенизации происходят деструкция органических веществ и насыщение (гидрирование) их водородом с получением смеси жидких продуктов, фракционный и химический состав которых аналогичен природной нефти (за исключением повышенного содержания ароматических углеводородов и гетероатомных соединений). Поэтому для того, чтобы из органического вещества образовались нефть и нефтеподобные соединения необходимо подвести дополнительную энергию.
В литосфере имеются все возможности для обеспечения процесса битумообразо-вания - это повышенные температура и давление, которые обычно связаны между собой и с недрами (табл. 6).
Таблица 6
Связь температу ры недр с г.г гбинов
Глубина, м 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Температура, °С 45 75 105 135 165 195 225 255
Однако, в специально сформированном в литосфере реакторе синтеза нефтеподобных соединений даже при относительно низких температурах (300-450°К) возбуждение ОВ может осуществляться переходом молекул на близлежащие уровни энергии (вращательные, колебательные, уровни от внутренних вращений и межмо-лекулярньгх взаимодействий), в результате чего происходит частичное разрушение надмолекулярного строения ОВ, конформационные превращения, десорбция влаги и т.д.
Дальнейшее повышение температуры вызывает заселение вышележащих колебательных, а также электронных уровней ОВ, что приводит к многочисленным разрывам химических связей и интенсивному осуществлению термохимических реакций (структурные превращения, диспропорционирование водорода и т.д.).
При этом молекулярный водород ОВ, активированный радикалами и катализаторами, вступает в следующие реакции:
1) стабилизации радикалов — продуктов деструкции;
2) гидрирования ароматических колец;
3) удаления гетероатомов;
4) восстановления доноров водорода.
При генерации радикалов, бомбардирующих ОВ, происходит дополнительный разрыв связей в молекулах ОВ, отщепление и отъединение жидких и газообразных УВ, а молекулярная структура получает более упорядоченную структуру.
Следовательно, с накоплением ароматических структур резко увеличивается энергия межмолекулярных взаимодействий (соответственно и температура начала размягчения ОВ).
В ходе техногенного нефтеобразования общая направленность процесса энергетического воздействия на ОВ заключается в разделении углерода и водорода: в создании горючих веществ, максимально обогащённых водородом, с одной стороны, и веществ, максимально обогащённых углеродом, с другой. Так, состав получаемых жидких продуктов гидрогенизации ОВ аналогичен тяжелым видам нефти. Однако имеются и их отличительные особенности — повышенное содержание кислородных соединений (в частности) фенолов, а также наличие в составе нефтеподобных продуктов нестабильных непредельных углеводородов и сернистых соединений.
На низких ступенях термобарного преобразования для рассеянного ОВ характерен бесструктурный тип. Для сапропелевого и гумусово-сапропелевого вещества в этих термодинамических параметрах типичны пониженная ароматичность, значительное содержание кислорода в различных химических формах, обедненность ме-тильными группами и длинными парафиновыми цепями.
По мере углубления термобарного преобразования, за счет исходных жирных кислот, восков и других соединений, богатых водородом, образуются тяжелые жидкие углеводороды. При этом увеличивается степень ассоциированности вещества и снижается количество гетероэлементов (1Ч, О, Б), а также возрастает насыщенность циклических структур.
Для процесса целенаправленного преобразования геополимеров особенно важны средние уровни Р-Т воздействия. В этих параметрах происходит максимальная потеря нереактивного кислорода (связанного не с функциональными группами, а с внутренней структурой преобразуемого органического вещества).
Потеря нереактивного кислорода свидетельствует о том, что кроме продолжающегося (при углублении термобарного воздействия) отщепления функциональных групп обеспечивается разрыв внутренних кислородных связей между конденсированными группами в макромолекулах, а также поликонденсация отдельных структурных единиц преобразуемого органического вещества. При этом формируются вторичные макромолекулы, потерявшие при предшествующем разукрупнении часть углеводородов, но вновь обогащенные кислородсодержащими функциональными группами благодаря разрыву внутренних связей.
Таким образом, процесс термобарного преобразования весьма сложного органического вещества выражается в потере функциональных групп, а также уменьшении количества боковых углеводородных цепей и конденсации ароматических ядер с разрушением мостиковых связей.
Кроме этого установлено, чем выше уровень теплового воздействия, тем легче синтезируемая нефть и ее вязкость уменьшается, при уменьшении среднего содержания серы, смол и асфальтенов.
Техногенный процесс синтеза нефти в специально подготовленных литосфер-ных реакторах (как впрочем и природные процессы нефтеобразования) количественно определяется по параметру Т°тах- В частности, значениям 435-465°С отвечает максимум нефтеобразования.
Кроме температуры еще одним главным фактором преобразования ОВ в специально сформированных в литосфере реакторах является воздействие повышенного давления. Так, давление обычно линейно изменяется с глубиной, приблизительно на гидравлический градиент, составляющий от 9,7 до 12,4 ат на каждые 100 м глубины горного массива.
В результате этого в интервале глубин 1,3-3,5 км при ~1 кб и Т = 80-200°С
процесс нефтегенерации протекает наиболее интенсивно. Причем, по мере повышения геотемператур и давления происходит генерация все более легких продуктов термодеструкции ОВ.
Также весьма важным фактором, обеспечивающим превращение органики в синтетическую нефть, является воздействие микроорганизмов. Так, бактериальная флора на первоначальном этапе преобразования ОВ во многом определяет режимы соответствующих зон, существенно влияя на возникновение окислительных и вое-
становительных геохимических обстановок. В частности, в окислительной среде отмирающее белковое вещество под воздействием бактерий генерирует С02, N2, NO2, тогда как в восстановительной обстановке образуются СО, NH3, H2S, Н2 и СИ), а также тяжелые предельные и непредельные газообразные углеводороды. Причем анаэробное бактериальное окисление ОВ имеет большую интенсивность для сапропелевого вещества по сравнению с гумусовым, обогащенным детритовым материалом.
При низкотемпературном воздействии на ОВ определяющими являются следующие химические процессы превращения биомолекул: гидролиз, гидратация, диспропорционирование водорода, полимеризация и поликонденсация.
В этот период в фоссилизируемом ОВ происходит формирование не только газообразных, но и высокомолекулярных УВ (главным образом за счет переработки ОВ бактериями). Так, процессы декарбоксилирования жирных кислот ведут к новообразованию н-алканов, а диспропорционирование водорода непредельных соединений - к новообразованию нафтеновых структур, которые преобладают среди изоцикл оалифатических УВ.
Для развития последующих технологий техногенного воспроизводства нефти весьма важно и то, что воздействие микроорганизмов на стераны протекает селективно: в первую очередь окисляются стераны, имеющие 20R конфигурацию, т.е. биостераны.
Благодаря воздействию микроорганизмов зачастую происходит как разрушение, так и новообразование структур, отсутствующих в исходных нефтях. К числу таких углеводородов можно отнести: 25-норгопаны, Т-образные изопреноиды, изопре-ноиды типа «голова к голове» и прочие. Так, алканы могут быть преобразованы монотерминально до формы спирта, причем первая ступень осуществляется благодаря ферменту оксигеназе, в результате чего кислород непосредственно включается в структуру молекулы до формы спирта, либо до формы кетона.
Кроме того, алканы атакуются микроорганизмами детерминально. Например, Pseudomonas aeruginosa может воздействовать на 2-метилкапроновую кислоту с обоих концов углеродной цепи, образуя смесь 5-метилкапроновой и 2-метилкапроновой кислот. Алканы могут быть также десатурированы терминально или субтерминально с образованием алкенов.
Микробному воздействию подвергаются также длина цепи алифатических углеводородов и ее боковые цепи. Например, некоторые бактерии, воздействующие на алканы с длиной цепи С8 - С20, не способны к атаке на алканы с длиной цепи Ci -С6, тогда как другие не могут расти на алканах с длиной цепи более Сю- Известно, что грибы могут расти на алканах с длиной цепи до С34. Кроме этого, метальные и пропильные группы в определенных положениях алканового углерода уменьшают или предотвращают утилизацию веществ микроорганизмами.
Алкены далее могут быть превращены в эпоксиды, которые затем включаются в метаболизм с образованием диолов.
В процессах техногенного нефтеобразования [1-3] чрезвычайно важна роль вмещающих пород, которые могут являться как (в определенной степени) компонентами природного химического реактора, так служить коллектором или антифил ьтрационным экраном (рис. 1). В этой связи, одной из наиболее удачных геохимических характеристик вмещающего горного массива, как реактора нефтеобра-
зования, служит отношение концентраций изопреноидов С19 : С20 - пристана к фи-тану.
Рис. 1. Роль вмещающих пород в процессе нефтеобразованш
В результате, по величине этого отношения выделяются три основных типа обстановок преобразования ОВ в нефть - резко восстановительная (Ф<0,6), восстановительная (Ф=0,6-^5) и слабоокислительная (Ф=5^15).
Таким образом, содержание подвижной части синтезируемых углеводородов (битумоидов) зависит не только от типа исходного ОВ (гумусовый, сапропелевый и др.) и параметров Р-Т обработки, но и от состава минеральной составляющей горных пород реактора. В частности, чем меньше в них нерастворимого в соляной кислоте остатка (кварцево-кремниевого, полевошпатового и глинистого материала), тем выше содержание синтезируемых битумоидов.
Кроме этого, повышенная карбонатность способствует возрастанию доли синтезируемых битумоидов в ОВ. Более того, карбонатность повышает также и степень восстановленное™ синтезируемых битумов, т.е. содержание в них масляной углеводородной (УВ) части.
В целом, для ускорения процессов термодеструкции ОВ и синтеза из них техногенной нефти в качестве катализаторов могут быть применены (табл. 7): (¿-переходные металлы и их ионные формы;
оксиды, не имеющие в своем составе переходных элементов, но обладающие полупроводниковыми свойствами, управляемыми свободными электронами и дырками или одновременно теми и другими (концентрацию их изменяют путем внедрения в оксидную фазу легирующих примесей); вода;
металлорганические комплексы, играющие в технологических процессах роль промежуточных соединений.
Кроме каталитических характеристик, в процессе техногенного воспроизводства нефти в глубинах литосферы весьма важны коллекторские свойства вмещающего горного массива.
На величину проницаемости прежде всего влияют структура и текстура горной породы, морфология и структура пустотного пространства, вещественный (минеральный) состав и количество цемента, лиофильность или лиофобность (как горной породы в целом, так и цементирующего вещества). В частности, вследствие
уменьшения свободного сечения пор (при увеличении водонасыщения пород) исходная проницаемость горного массива заметно снижается. С увеличением медианного размера обломочного материала (за счет увеличения сечения каналов) проницаемость наоборот возрастает. Кроме этого, проницаемость характеризуется анизотропией, наиболее резко выраженной у терригенного коллектора и менее у карбонатного.
Таблица 7
Классы гетерогенных катализаторов_______________
Класс катализатора Примеры катализаторов Тип катализируемой реакции Примеры реакций
ё-переходные металлы Ре, N1, Рс1, Р1 Гидрирование, дегидрирование, окисление Каталитическое преобразование системы
Полупроводниковые оксиды У205, N¡0, СиО Окисление и восстановление Контактный процесс
Изоляторы (диэлектрики) А120з, 8Ю2 Гидрирование, дегидрирование Получение этилена путем дегидрирования этанола
Кислотные катализаторы Природные глины (алюмосиликаты), Н2804 Изомеризация, полимеризация, крекинг Крекинг углеводородов с длинной углеродной цепью
Емкостные свойства карбонатных пород определяются сложным сочетанием полостей различных типов (пор, каверн и трещин), отличающихся в основном геометрией и размерами.
Однако помимо коллекторских свойств горные породы (слагаемые из них горные массивы) обладают и антифильтрационньми свойствами.
Количественное определение величины проницаемости основано на законе линейной фильтрации Дарси:
к =2^, (О
” др-я
где: 0» - расход флюида в единицу времени; ц - вязкость флюида;
Ь - длина пористой среды;
АР - перепад давления;
Б - площадь фильтрации.
Например, эффективной покрышкой техногенных углеводородных залежей могут являться соли и ангидриты. Причем проницаемость последних (210'8 мдарси) на два порядка ниже, чем у аргиллитов. Также установлено, что соли при повышении давлений и температур резко снижают исходную проницаемость, а в диапазоне давлений 280-350 кГс/см и температур 28-32°С (характерных для глубин 1200-1500 м) фильтрация газа через них практически полностью прекращается.
Тщательный учет рассматриваемых факторов возможного превращения ОВ позволил разработать базовую модель литосферного реактора синтеза нефти из углеродсодержащих стоков (рис. 2).
Углеродсодержащие стоки Р > Рпнт.
Рис. 2. Базовая модель литосферного реактора синтеза нефти:
1 - ловушка УВ; 2 - газовая шапка; 3 - синтезированная нефть; 4 - фронт распространения синтезируемой нефти; 5 - движение флюидов; 6 -перфорированный трубопровод; 7 - вмещающие реактор горные породы; 8 - глины; 9 -наведенная трещиноватость; 10 - породы
Формирование техногенных скоплений нефти определяется совокупностью происходящих процессов синтеза нефти в специально сформированных в литосфере реакторах, ее массового перемещения и аккумуляции в целенаправленно созданных ловушках.
В результате, по мере повышения температуры и давления одновременно реализуются два процесса:
подключаются новые резервы углеродсодержащих стоков (новые массы ОВ), способные к дальнейшему преобразованию;
среди той части ОВ, которая уже перешла энергетический предел, нарастает доля молекулярных групп, реализовавших свой потенциал и отъединившихся от биополимера.
Количество нефтеобразующего вещества в искусственном реакторе, расположенном в литосфере в единицу времени, прямо пропорционально скорости подачи углеродсодержащих стоков (а) и обратно пропорционально скорости процесса (у) их переработки.
Выделив в процессе формирования техногенных нефтяных месторождений интервалы времени А/ с ускоренным развитием (а>0) для каждого из них (с учетом
мощности реактора равной А/у), количество углеродсодержащего вещества, необходимого для нефтеобразования продукта, определяется из уравнения:
х А/ а
——— = х А/,а,. (2)
Скорость процессов нефтеобразования при подаче в литосферный реактор углеродсодержащих стоков определяется по формуле:
^ =/(Г, С^, АТ,, ЛГОТ,7\л), (3)
аХ
где: V - объем углеродсодержащих стоков;
Сорг - содержание углерода в стоках;
К1 - тип ОВ;
Т - температура;
Кстр - структура горных пород (степень открытости пустотных пространств);
Ргс - давление геостатическое;
Рфл - давление флюидов.
Таким образом, для эффективного нефтеобразования необходимо наличие техногенных стоков с содержанием С0рг не менее 1 -0,5 %.
Температура на глубине /г-Ти равна.
Т„=Т0+Г И, (4)
где: Т0 - температура годовых амплитуд, °С;
Г - геотермический градиент, °С/м.
Давление вышезалегаюищх пород рассчитывается по формуле:
Ргс=Р'В'Ь, (5)
где: р, И- соответственно средняя плотность и мощность вышезалегающих пород;
g - ускорение свободного падения.
Необходимо учитывать, что с ростом суммарной миграции углеводородов из зоны реактора давление монотонно падает.
Кроме этого, интенсивность нефтеобразования зависит от степени дисперсности органического вещества, проницаемости пласта, количества щелочных ионов (оказывающих промотирующее влияние при катализе на алюмосиликатах) и степени гидрогенизации органического вещества глубинным водородом.
В итоге, удельные количества генерированных в специально созданный в литосфере реакторах нефти и углеводородного газа можно вычислить по следующей формуле:
Vген = Сорг ЬР 'К|,К2 Кз, Т, Кр Ргс, Рфл , (6)
где: С0рг - концентрация ОВ;
Ьр - мощность зоны реактора;
К2 - коэффициент, характеризующий (в долях единицы) морфологию ОВ;
К3 - коэффициент теплопроводности пород реактора;
КР - барический коэффициент.
Время вытеснения синтезируемой нефти из специально подготовленного в литосфере реактора будет равно:
I =-------— , (7)
РТ
где: Кп - пористость горного массива;
5' - площадь вытеснения;
ц - вязкость нефти;
Т - время полного прохождения порового объема углеводородов из реактора.
Таким образом, процессы техногенного нефтеобразования, являющиеся весьма сложными, зависят от множества факторов: количества, состава и формы распределения ОВ, структуры содержащих его горных пород, температур и давлений, строения горных массивов, степени их гидравлической изолированности и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев А.Е. Ресурсовоспроизводящие технологии горных отраслей. - М.: МГТУ.-2001.- 150 с.
2. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Гладуш А.Д. Техногенное воспроизводство углеводородного сырья в литосфере: факторы, механизмы и перспективы. - М.: Изд-во «Учеба» МИСиС. - 2003. - 417 с.
3. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Гладуш А.Д. Техногенное воспроизводство нефти и горючего газа в литосфере: концепция, принципы и механизмы. - М.: Изд-во «Учеба» МИСиС. - 2005. - 334 с.
4. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Гладуш А.Д. Основы техногенного воспроизводства нефти, горючего газа и угля в литосфере. - М.: Изд-во РУДН. - 2006. - 368 с.
FORMATION OF TECHNOGENIC OIL IN ARTIFICIAL REACTORS IN A LITHOSPHERE - AS THE IS FACTOR OF STABLE DEVELOPMENT
A.E. Vorobiev, A.D. Gladush
The department of Mining and oii business Peoples’ Friendship University of Russia Ordzhonikidze sir., 3, 117419, Moscow, Russia
The basic technology of technogenic resumption of mineral raw material developed by authors (synthetic petroleum and et.) in a lithosphere is introduced. Results of experimental and theoretical examinations on revealing influence of the physicochemical parameters of a hills on efficacyy of process of synthesis of technogenic petroleum and petrosimilar materials are shown. For the first time the substantiation of technogenic reproduction of synthetic petroleum in depths of a lithosphere is carried out at the expense of application of new design development and a choice of the optimal schema of use of energy of bowels. Performances of conditions of behaviour of organic matter and petroleum are explored during natural and synthetic petroformation.
Воробьев Александр Егорович, докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой горного и нефтяного дела Российского университета дружбы народов, полковник Госгортехнадзора, автор более 600 публикаций в области горного и нефтяного дела, геоэкологии и экономики.
Гладуш Александр Дмитриевич, канд. техн. наук, доцент, проректор Российского университета дружбы народов, автор свыше 90 публикаций, в том числе 3 монографий.
