Как широко известно, нефть — это очень полезное ископаемое. В мире ежегодно нефти добывается более четырёх миллиардов тонн, или около пяти кубических километров — это объём крупного водохранилища или озера. Однако под землёй нефть содержится совсем не в озёрах. Пещеры под землёй, конечно же, есть, но нефти в них нет. Чтобы рассказать, что представляют собой нефтяные месторождения, придётся зайти издалека.
Геология нефти
Материал, из которого состоит находящаяся у нас под ногами земная кора, геологи называют горной породой (даже если никаких гор рядом нет). Существует много различных видов горных пород, например, гранит, базальт, мрамор, известняк, песчаник. По происхождению их разделяют на три большие категории: магматические, метаморфические и осадочные. Первые две категории увидеть на поверхности можно в основном в горах, и то не везде. Осадочные же горные породы покрывают большую часть площади суши.
Осадочные горные породы предсказуемо состоят из осадков — частичек другой, разрушенной горной породы. Осадками могут быть также и обломки раковин и скелетов живых организмов — они слагают такие горные породы, как мел, ракушечник и вообще большая часть видов известняка. Осадки переносятся водой или ветром в низинные области — например, на морское дно — и там накапливаются слоями. Все увеличивающиеся верхние слои давят своим весом на нижние слои и со временем уплотняют их до состояния камня или, точнее, осадочной горной породы. В разные периоды времени состав осадков бывает разным, из-за этого формируются пласты различных горных пород, расположенные друг над другом, как в слоёном торте.
Многие виды осадочной горной породы, например песчаник, содержат микроскопические поры. Дело в том, что зерна песка не упаковываются идеально, и между ними неизбежно остаётся пустое пространство, которого в породе может быть и до 40% по объёму. Характерный поперечный размер этих пор — десятки микрометров; в образце породы невооружённым глазом разглядеть их трудно. Если поры соединены между собой, то у горной породы появляется проницаемость — способность пропускать через себя жидкость или газ. Из проницаемых горных пород на поверхности земли местами бьют родники; проницаемость породы позволяет воде приходить в вырытый на даче колодец или скважину. Проницаемость горной породы бывает ещё связана не с порами, а с трещинами.
Нефть под землёй находится в микроскопических порах и трещинах проницаемых горных пород. Такие породы называются коллекторами. Именно проницаемость коллектора позволяет нам добывать из него нефть, не извлекая при этом саму горную породу — нефть может перемещаться, течь по коллектору по направлению к скважине.
Так как коллектор — это, как правило, осадочная горная порода, то имеет он обычно форму пласта, толщиной несколько метров или десятков метров. Площадь же нефтенасыщенного коллектора сравнительно велика и может достигать нескольких тысяч квадратных километров — как площадь большого города (Москвы) или маленькой страны (Люксембурга). Поэтому месторождения нефти называют иногда полями.
Происхождение нефти
Хорошо информированный зануда мог бы сейчас сказать, что в отношении залежей нефти применять слово «месторождение» неверно, потому что пласт, в котором нефть находится сегодня — это вовсе не место её рождения. Действительно, цикл существования нефти гораздо сложнее. Вместе с осадками (в данном случае илом) на дне морей и озёр часто оказываются и останки различных умерших организмов. При правильном стечении обстоятельств донная живность не успевает подъесть эти останки до того, как они окажутся погребены под накопившимся илом. Останки с илом уходят все глубже и со временем попадают в условия, в которых они превращаются в нефтематеринскую породу; часто она называется ещё нефтяными или горючими сланцами.
Органический материал, содержащийся в этих сланцах, называется кероген. При определённой температуре и давлении кероген преобразуется в нефть. Соответственно, когда и если нефтематеринская порода попадает в такие условия, в ней происходит генерация нефти. Кстати, этот процесс при желании можно имитировать путём пиролиза — нагрева без доступа кислорода. С помощью пиролиза получают, например, синтетическую нефть из добытых шахтным или карьерным способом горючих сланцев.
При образовании нефти и газа давление внутри нефтематеринской породы сильно растёт; в результате нефть прорывается наружу и насыщает близко расположенные проницаемые пласты. Так происходит первичная миграция нефти. Если проницаемый пласт, в котором оказалась нефть, связан с другими проницаемыми пластами, то становится возможна её вторичная миграция. Проницаемые пласты изначально насыщены водой; плотность нефти существенно ниже плотности воды; в силу этого преобладающее направление вторичной миграции нефти — вверх, к дневной поверхности. Однако и по горизонтали нефть может мигрировать от настоящего места своего рождения очень далеко, иногда на сотни километров.
Нефть обычно просачивается на дневную поверхность отдельными молекулами, после чего частью улетучивается, частью утилизируется микроорганизмами. Большая часть нефти, образовавшейся за все время существования Земли, именно так и окончила свой путь.
Но иногда в ходе своих блужданий по проницаемым пластам нефть попадает в ловушки. Самый простой вид ловушки — антиклиналь — представляет собой направленную вверх складку пласта. Если пласт имеет такую складку, и при этом сверху его накрывает непроницаемый пласт, то нефть, оказавшись в складке, не может пройти дальше, не наполнив её до краёв. Существует много других видов ловушек. Наполненные нефтью ловушки и называются залежами, скоплениями или аккумуляциями. Месторождение нефти может состоять из одного или нескольких взаимосвязанных скоплений.
Весь процесс образования, миграции и скопления нефти схематически показан на рисунке ниже. Следует сказать, что образование и миграция природного газа идёт точно так же, как образование и миграция нефти. Более того, нефть и газ часто образуются в одном и том же месте, а затем мигрируют и скапливаются вместе в одной и той же ловушке. Газ легче нефти, поэтому в ловушке он располагается выше, что и отражено на рисунке.
Биогенная теория и абиогенные гипотезы
Как легко догадаться, здесь вкратце изложена биогенная («органическая») теория происхождения нефти и газа. Существует ещё и несколько различных абиогенных («неорганических») гипотез. В целом они проверки практикой не выдерживают. Нефть ищут и, что характерно, находят, вооружившись именно биогенной теорией: определяют, какие пласты в данном осадочном бассейне годятся на роль нефтематеринских; проверяют, подвергались ли эти пласты воздействию нужного давления и температуры; ищут подходящие коллектора, ловушки и возможные пути миграции к ним. Биогенная теория происхождения нефти позволяет открывать новые месторождения, то есть делать подтверждающиеся прогнозы. А ведь именно это и является основным требованием к любой теории.
Правда, сторонники абиогенных гипотез обычно не отвергают возможности органического происхождения нефти и газа, а говорят лишь, что это не единственный способ. И надо сказать, что в общем возможность неорганического образования метана, которого в природном газе содержится 70% и более, не вызывает сомнений. Однако метан — это простая молекула из пяти атомов с молекулярной массой 16, а нефть — сложная смесь из сотен различных углеводородов с молекулярной массой до 400 и более, содержащая биомаркеры и оптически активная.
Биомаркеры нефти — это содержащиеся в ней тяжёлые углеводородные молекулы, которые по структуре сходны с известными сложными молекулами живого вещества и, по-видимому, из них и образовались, т.е. представляют собой их «останки». Анализ состава нефти по биомаркерам позволяет классифицировать нефти различных месторождений и пластов по их происхождению.
Оптическая активность — это способность вещества вращать плоскость поляризации проходящего через неё света. Это свойство связано с асимметричным строением молекул вещества. Проще всего здесь провести аналогию с правой и левой рукой — они вроде бы одинаковые, но разные. Таким же образом среди молекул с асимметричным строением могут быть «правые» и «левые» — как показано для примера на рисунке ниже. Обычное вещество содержит одинаковое количество «правых» и «левых» молекул; однако живая природа, по не вполне ясным причинам, строит белки и другие соединения только из одного типа молекул. Вследствие этого вещества биологического происхождения оптически активны. Нефть также является оптически активным веществом, по причине того, что молекулы некоторых сложных углеводородов в её составе встречаются только в одной из конфигураций («правой» или «левой»). Это сильнейший довод в пользу происхождения нефти из живой материи.
Доказательства абиогенных гипотез происхождения нефти преимущественно косвенные, эпизодичные, противоречивые и допускают двойственное толкование. Привлекают людей в них в основном две вещи. Во-первых, абиогенные гипотезы, как правило, предполагают существование по всему миру большого объёма ещё не обнаруженных запасов нефти — на большой глубине, в кристаллическом фундаменте и т. д. Во-вторых, многие из этих гипотез допускают быстрое (то есть в пределах человеческой жизни) восстановление уже выработанных месторождений нефти за счёт её образования и поступления из глубинных резервуаров, мантии или других источников. Из приведённых нами обоснований биогенной теории ясно, что не стоит всерьёз рассчитывать на такую перспективу, несмотря на всю её привлекательность.
Читать продолжение: Технология добычи нефти.
