История нефти. «Чёрное золото» – универсальный продукт

Нефть – это полезное ископаемое в виде маслянистой жидкости, включающей в себя смесь углеводородных компонентов с различной молекулярной массой и другими химическими соединениями. Запах её зависит от количества серных соединений и ароматических углеводородов. Цвет нефти чёрный, коричневый, вишнёвый, зелёный, жёлтый. Бывает она даже бесцветной (прозрачной). Тёмный цвет чаще всего встречается в промышленности и художественных фильмах, что выступило основанием для фразеологизма «чёрное золото».

Что касается состава, то нефть содержит в себе более 1000 различных веществ, преимущественно (90 %) углеводородов. В связи с этим какой-либо единой формулы нефти не существует.

Углеводороды нефти относятся к следующим группам: парафиновые, нафтеновые, ароматические.

Сырая нефть – жидкая природная ископаемая смесь углеводородов широкого физико-химического состава, которая содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьём для производства жидких энергоносителей (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), смазочных масел, битумов и кокса.

Товарная нефть – нефть, подготовленная к поставке потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных и технических документов, принятых в установленном порядке.

Природный асфальт не является продуктом нефтепереработки, он образуется из нефти естественным путём.

Битум – продукт выветривания нефти. Он представляет собой полутвердую или жидкую форму нефти, которая является липкой, чёрной и высоковязкой по своей природе. Битум, содержащийся в природных отложениях, используется в качестве клея, который связывает частицы заполнителя вместе, чтобы создать прочную основу.

Природные битумы не являются сами по себе товарным продуктом, как нефть или газ. Для получения из них товарного продукта нужны дополнительные технологические процессы.

Происхождение нефти

Этот вопрос давно интересовал учёных, но до сих пор так и не решен. На сегодняшний день есть биогенная теория, абиогенная и даже теория космического происхождения.

Ещё со времен античности учёные пытались найти объяснение происхождению нефти. Например, древнегреческий учёный Страбон писал: «В области аполлонийцев есть место под названием Нимфей, это – скала, извергающая огонь, а под ней текут источники тёплой воды и асфальта, вероятно, от сгорания асфальтовых глыб под землей. Поблизости на холме находится асфальтовый рудник, который после истощения с течением времени снова восполняется, так как земля, засыпанная в ямы, по словам Посидония, превращается в асфальт. Посидоний упоминает также о содержащей асфальт земле, добываемой на виноградниках в Селевкии Пиерийской, как лечебном средстве против паразитов виноградной лозы. Если намазать лозу смесью асфальтовой земли и оливкового масла, то она убивает насекомых прежде, чем они успеют подняться к росткам от корней. Землю с такими же свойствами, продолжает Посидоний, находили и на Родосе (когда он занимал там должность притана), но эта земля требовала, впрочем, больше оливкового масла». Считается, что асфальтом он называл нефть.

Биогенную теорию впервые в России сформулировал М. В. Ломоносов. Известные учёные того времени были практически единодушны в природе образования нефти, различались только мнения насчет исходного материала. Некоторые считали его доисторическими растениями, другие – животными.

Уже в Новое время немецкие учёные Г. Гефер и К. Энглер проводили опыты, пытаясь получить нефть из биологических материалов. Им удалось получить вещество, состав которого отдаленно напоминал нефть.

Нимфей, это – скала, извергающая огонь, а под ней текут источники тёплой воды и асфальта

Ту же цель имели изыскания академика Н. Д. Зелинского с органическим илом. Он взял за исходный материал растительный ил озера Балхаш. Ему удалось получить бензин, керосин, метан и тяжёлые металлы.

С 1930-х годов сторонником биогенного нефтеобразования (органического происхождения нефти) был И. М. Губкин, имя которого теперь носит Российский государственный университет нефти и газа.

По биогенной теории в тёплых древних морях происходит захоронение остатков зоопланктона и водорослей, при этом остатков получается гораздо больше, чем может разложиться. При погружении осадков на глубину 3–6 км с повышением температуры свыше +50 °C органическое вещество подвергается определенному распаду всех компонентов, и при этом образуются жидкие углеводороды. Они имеют повышенную подвижность, и микронефть может перемещаться из первоначальных пород, собираясь в ловушках.

Эту теорию подтверждает то, что при изучении молекулярного состава углеводородов были обнаружены хемофоссилии – молекулярные структуры биогенной природы.

Считается, что процесс нефтеобразования занимает от 50 до 350 миллионов лет и проходит несколько стадий.

Осадконакопление – остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов.

Биохимическая фаза нефтеобразования (диагенез) – процессы уплотнения, обезвоживания и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода.

Протокатагенез – опускание пласта органических остатков на глубины до 1,5–2 км при медленном подъёме температуры и давления.

Мезокатагенез (главная фаза нефтеобразования) – опускание пласта органических остатков на глубину до 3–4 км при подъёме температуры до +150 °C.

Апокатагенез керогена (главная фаза газообразования) – опускание пласта органических остатков на глубину более 4,5 км при подъёме температуры до +180–250° C.

Абиогенная теория говорит о неорганическом происхождении нефти. Её выдвинули Д. И. Менделеев и П. Бертло, потом поддержали многие другие учёные. По мнению М. Бертло нефть образуется из минеральных веществ. Менделеев же представил на заседании химического сообщества в 1876 году гипотезу образования нефти с участием воды. Стекая по трещинам и разломам, образующимся в результате горообразовательных процессов, она под давлением и воздействием высоких температур взаимодействует с карбидами железа. Образующиеся оксиды и углеводороды по тем же разломам поднимаются к верхним слоям земли и насыщают её пористые породы, образуя скопления нефти и газовые месторождения.

Сейчас гипотеза неорганического происхождения базируется на том, что углеводороды образуются в мантии Земли из-за неорганического синтеза на сверхбольших глубинах в условиях колоссальных давлений и высоких температур из неорганического углерода и водорода. Для синтеза углеводородных систем необходимы температура и давление, какие имеются в верхней мантии Земли на глубинах 50–240 км. Через глубинные разломы образовавшиеся в мантии углеводороды проникают в земную кору, где и образуют нефтегазовые месторождения.

Наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озёра, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?

Гипотеза неорганического происхождения базируется на том, что углеводороды образуются в мантии Земли

Есть и космическая гипотеза происхождения нефти. По мнению геолога В. Д. Соколова в далекие времена Земля была окутана газом, состав которого включал углеводороды. Постепенно охлаждаясь, газ переходил в жидкое состояние, а углеводороды растворялись в густой магме. Далее по законам физики магма твердела и выделенные из неё углеводороды поднимались по трещинам вверх, образуя залежи газа и нефти. Естествоиспытатель В. Сальников выдвинул свой вариант этой гипотезы, предположив, что некая планета упала на Землю, спровоцировав вулканическую и горообразующую активность. Содержащиеся в её составе углеводороды были залиты мощными потоками вулканического пепла и грязи и ушли глубоко под землю, где в результате давления и действия высоких температур они превратились в скопления нефти и газа.

Помимо трёх основных теорий происхождения нефти существует ещё несколько альтернативных версий.

Животная гипотеза описывает происхождение нефти как процесс скопления жира морских животных.

«Органическая в неорганической». Эта теория носит смешанный характер и основывается на особенностях тектоники плит земли. Подразумевается втягивание органического вещества в глубокие неорганические зоны.

Магматическая теория происхождения нефти. По ней нефть образуется в магме в небольших количествах, а после поднимается по разломам и трещинам, заполняя пористые песчаники.

Климатическая. Это одна из современных теорий происхождения нефти, разработанная российскими учёными из Института проблем нефти и газа РАН. Они считают, что дождевая вода содержит углерод в виде гидрокарбоната. Он попадает в землю, там преобразуется и попадает в природные резервуары, называемые осадочными бассейнами. Согласно этой гипотезе, таким образом формируется 90 % нефти, и только 10 % её было получено в результате разложения органических останков животных и растений. И тогда скорость восстановления нефтяных запасов происходит не тысячелетиями, а всего лишь десятками лет. Эти учёные считают, что чем интенсивнее человек будет перерабатывать углеводороды, тем быстрее они будут попадать обратно в землю и образовывать новые нефтяные массы.

Из метана. Гипотеза Томаса Голда говорит о происхождении нефти из глубинного метана, исходящего из мантии Земли. Голд допускал, что этот метан может частично перерабатываться при участии микроорганизмов (глубокая горячая биосфера), что, по его мнению, должно объяснять наличие биомаркеров в нефти.

В последнее время был открыт ряд нефтяных месторождений ниже так называемого «нефтяного окна», что заставило некоторых учёных сомневаться в теории осадочного происхождения нефти. Нефтяное окно соответствует температурам в земной коре +50–150 °C и глубинам от 2,3 до 4,6 км; ниже него находится газовое окно. Обнаружено множество сверхглубоких месторождений в Мексиканском заливе (от 7,8 до 10,7 км), месторождение Кариока Шугар Лоуф на бразильском шельфе Атлантики при глубине залегания продуктивных горизонтов свыше 5,5 км.

Эксперименты российских, американских, западноевропейских и китайских учёных показали: из неорганических компонентов при высоких давлениях и температурах, сходных с условиями верхней мантии Земли, синтезируется смесь тяжёлых углеводородов, сходная по своему составу с природной нефтью, количество которой возрастает с ростом давления. А присутствие биомаркеров в природной нефти может быть связано не с их органическим происхождением, а с накоплением в ходе фильтрации через осадочные слои, содержащие органические вещества.

Обнаружено множество сверхглубоких месторождений в Мексиканском заливе

Характеристики нефти могут значительно различаться для разных месторождений.

Она состоит из углерода – 83–87 %, водорода – 12–14 % и серы – до 7 %. Также в нефти присутствует до 1,7 % азота и до 3,5 % кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах бывают редкие металлы (медь, хром, молибден, железо, никель).

В зависимости от того, каким образом в составе нефти сочетаются разные углеводороды, она бывает прозрачной и текучей либо вязкой.

Чистые углеводороды бесцветны. Цвет нефти придают разнообразные примеси, в основном смолы.

Основные ресурсы нефти сосредоточены в мезозойских и кайнозойских отложениях, сформировавшихся от нескольких десятков млн до 250 млн лет назад. Однако добыча нефти ведётся и из палеозойских отложений (до 500 млн лет назад), а в Восточной Сибири – даже из отложений верхнего протерозоя, которым более полумиллиарда лет.

Многочисленные нефтяные месторождения встречаются в отложениях девона (420–360 млн лет назад).

Некоторые гигантские и крупные месторождения (Иран, Ирак) нефти находят в отложениях палеогена (66–23 млн лет назад). Известны месторождения нефти в четвертичных породах возрастом менее 2 млн лет (Азербайджан).

Крупнейшие (гигантские) нефтяные месторождения – это нефтяные месторождения с запасами более 1 млрд тонн или 6,3 млрд баррелей нефти (Кувейт, Саудовская Аравия, Бразилия).

Уникальные (супергигантские) нефтяные месторождения – это нефтяные месторождения с запасами более 5 млрд тонн или 32 млрд баррелей нефти (Мексика, Саудовская Аравия, Венесуэла, Россия).

Добыча нефти

Нефть в виде выходов маслянистой горючей жидкости, битумных сланцев, песков известна людям с незапамятных времен. Она упоминается в вавилонских рукописях (1-е тысячелетие до н. э.) и санскритских письменах (начало нашей эры), отчетах китайских чиновников начиная с I тысячелетия до н. э.

Естественные выходы нефти на поверхность обычно представляют собой озерца густой мальты и полужидкого асфальта, либо же она пропитывает песок, образуя так называемые битуминозные пески.

Первые свидетельства о выходе нефти и нефтепродуктов на поверхность земли относятся к Месопотамии, к самым древним временам. Наиболее известен там был источник битума, располагавшийся в районе поселения под названием Хит, недалеко от Вавилона, на месте современного Багдада. В I веке до нашей эры греческий историк Диодор описал это явление: «Множество невероятных чудес можно увидеть в Вавилонии, однако ни одно из них несравнимо с обнаруженным здесь источником огромного количества битума».

Природный битум часто использовался как связующее вещество при создании мозаик из полудрагоценных камней и раковин.

В Библии говорится о смоляных ключах в окрестностях Мертвого моря.

Такую нефть, выходящую на поверхность, собирали вручную с поверхности земли, различных водоемов, в местах выходов нефтегазоносного слоя наружу. Обнаруживались такие места по маслянистой, цветной плёнке на воде, характерному запаху.

Другой вариант: нагрев с последующим отжимом пропитанных природными нефтепродуктами песка, известняка, сланца.

Могли добывать из колодцев, специально вырытых уступами, облегчающими подъем с глубины накапливающейся там нефти, как правило, смешанной с водой.

Древнейшая из известных добыча нефти из колодцев производилась в Киссии, древней области между Ассирией и Мидией, в V веке до нашей эры при помощи коромысла, к которому привязывалось кожаное ведро. Подробное описание колодезной добычи нефти в Баку дал много веков спустя немецкий натуралист Э. Кемпфер, побывавший там в 1683 году. Глубина колодцев достигала 27 м, их стенки обкладывались камнем или укреплялись деревом. Колодцы не могли быть очень глубокими, так как при подходе к нефтяному пласту выделялся горючий газ. При этом происходили взрывы и пожары. Люди, спускавшиеся в колодцы, нередко гибли, задыхались, потому что газ вытеснял из колодца весь воздух.

Во избежание обвалов, взрывов и отравлений колодцы рыли ступенями. Такая проходка требовала очень большой затраты труда. Максимальная глубина некоторых колодцев на Апшеронском полуострове достигала 60 метров.

Колодцы рыли специальные мастера. Мастер, спускаясь в колодец, обвязывался верёвкой. Работая, он пел песни, а его помощники, стоя наверху, держали конец верёвки и прислушивались. Как только прекращалась песня, они тащили мастера наверх. Свежий воздух приводил отравленного человека в чувство, но частые отравления разрушали организм, поэтому нередки были случаи, когда поднятый на поверхность мастер умирал, не приходя в сознание.

Во второй половине IV века до н. э., когда Александр Македонский проходил со своими войсками по южному побережью Каспийского моря, в его палатку принесли светильники, наполненные маслянистой жидкостью; это была нефть, добывавшаяся на Апшеронском полуострове.

При раскопках, производившихся советскими археологами в 1937–1939 годах на Керченском полуострове, была найдена амфора V–VI веков н. э. с несколькими килограммами нефти, судя по составу, из близлежащего Чонгельского месторождения. Горлышко амфоры было заткнуто пробкой из соломы. Нефть пропитала пробку и, окислившись, превратилась в асфальт. При вскрытии амфоры в ней оказалось 2,5 кг жидкой нефти и около 0,5 кг твердого смолоподобного осадка. Нефть, пролежавшая в земле 1560 лет, стала древнейшим вещественным свидетельством добычи и использования нефти скифо-сарматами на территории Причерноморья.

Предполагается, что здесь использовался ямный способ добычи – в вырытую неглубокую яму, быстро наполнявшуюся нефтью, опускали куски шерсти или войлока, а затем отжимали в сосуды.

О нефтяных источниках Таманского полуострова писал византийский император Константин Багрянородный (945–959): «Должно знать, что за городом Таматархою имеется много источников, извергающих нефть… масло этих девяти источников не одноцветно, но одни из них красные, другие желтые, третьи черноватые».

В 965–966 годах, после походов русских дружин во главе с великим киевским князем Святославом (942–971) и разгрома Хазарского каганата, эта территория получила название «Тмутараканское княжество». Столица княжества, город Тмутаракань с удобной гаванью на побережье Азовского моря, стала одним из крупнейших южных военно-торговых форпостов Древней Руси. Таманскую нефть морским путём поставляли в разные страны, в том числе и в Византию.

Выходы нефти на поверхность наблюдали многие путешественники на Северном Кавказе. Местные жители собирали нефть с помощью вёдер, вычерпывая её из скважин глубиной до полутора метров.

Баку несколько веков входил в состав Аббасидского халифата. Арабский географ ал-Истахри писал в 930 году о Баку и Каспийском море: «Эти страны омывают море Табаристанское, на этом море лежат города Баб-ал-абваб и на нем [море] источники белой и тёмно-серой нефти в Баку и в городе Мукан…».

О бакинской нефти писали и арабский географ Масуди (X век н. э.), и Марко Поло (1272 год). По их словам, там были два источника: из одного добывали чёрную и синюю нефть, из другого – белую и желтую. Марко Поло описывал, как люди в Баку использовали нефть в медицинских целях и для проведения богослужений. Он сам видел караваны верблюдов, гружённых бурдюками с нефтью из Баку. Эту нефть везли в разные страны Среднего Востока.

Географ Мухаммади ибн Хаджиб Бакрана (XII–XIII века) особо отмечал белую нефть, которую «вытаскивают из нефтяных колодцев» в Баку и Мукане. Зелёную нефть добывали близ Дербента, чёрную – на границе Балаханы. Он также говорит о перегонке чёрной нефти в белую, называя её дистилляцией.

По словам азербайджанского географа конца XIV – начала XV века Абд-ар-Рашида Бакуви, на Апшероне ежедневная добыча нефти составляла свыше двухсот верблюжьих вьюков. Если считать верблюжий вьюк равным 300 кг, то это составит 60 тонн в сутки.

В начале XVIII века по приказу Петра I на берегах Каспия работала экспедиция русских морских офицеров. Участник экспедиции капитан Соймонов писал: «Перед Баку увидели мы много судов торговых, как там нефть брали для развезения по другим персидским гаваням, в чём состоял торг не малый». Нефть из колодцев вычерпывали кожаными вёдрами и сливали в ямы, потом разливали по бурдюкам и развозили на продажу. К 1730 году в Баку были уже сооружены нефтяные промыслы, которые давали по тем временам много нефти. В 1735 году петербургский академик И. Лерхе в своём отчете о поездке на Апшеронский полуостров писал: «…в Балаханы было 52 нефтяных кладезя глубиной в 20 саженей, из коих некоторые сильно бьют и ежегодно доставляют 500 батманов нефти…» (1 батман = 8,5 кг).

В 1803 году бакинский купец Касымбек соорудил два нефтяных колодца в море на расстоянии 18 и 30 м от берега Биби-Эйбата. Колодцы были защищены от воды срубом из плотно сколоченных досок. Нефть добывали из них много лет. В 1825 году во время шторма колодцы были разбиты и затоплены.

К моменту присоединения Бакинского ханства к России в 1806 году в районе Баку насчитывалось около 120 колодцев, из которых ежегодно добывали около 200 тысяч пудов нефти.

В 1834 году майор Корпуса горных инженеров Николай Воскобойников, занимавший в то время должность директора бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов, начал опыты по перегонке «лёгкой» сураханской и «тяжёлой» балаханской нефти. Балаханский завод действовал с ноября 1837 по август 1838 года и за это время произвел свыше 900 пудов «осветительного масла». Но поскольку продукт перегонки нефти не подвергался кислотно-щелочной очистке, то со временем нефтяные кислоты вызывали коррозию стенок железных бочек, что, в свою очередь, изменяло цвет продукта и ухудшало его горючие свойства.

В 1847–1848 годах в Биби-Эйбате на берегу Каспийского моря была пробурена первая в мире нефтяная скважина ударным способом с применением деревянных штанг. На это дело министерство финансов выделило 1000 рублей.