книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

Примерно 90 % домов в И сландии согреваю тся гео тер м ал ьн ы м т е п ­ лом: по скважинам глубиной до 1000 м поднимается горячий пар с тем ­ пературой до 240 "С. Глубинный пар не только обогревает дом а, но и при ­ водит в действие генераторы небольш их электростанций.

Дешевую и экологически чистую геотерм альную энергию мож но получать из глубоких скваж ин, пробуренных к очагу магмы. По этим скважинам м ож ет циркулировать смесь горячей воды и пара при ог­ ромном давлении и тем п ературе до 500 "С. Это практически неиссякае­ мый источник энергии.

Для производства энергии м ож ет быть использована воспроизводи­ мая растениями биомасса. В год планета производит более 200 м лрд т биомассы. В Б разилии в качестве моторного топлива ежегодно исполь­ зуется до 16 млн т биоэтанола, получаемого из стеблей сахарного трос­ тника. Биоэтанол — это спирт, которы й получаю т в пром ы ш ленны х масштабах такж е из свеклы, картоф еля, соломы, опилок и кукурузы . Биоэтанол производится укороченной дистилляцией — в двух ректи ­ фикационных колоннах вместо пяти д л я пищевого спирта. При цене на нефть выше 70 долл, за баррель производство этанола становится рен ­ табельным. За счет производства энергии из биомассы СШ А в 2012 г. планируют сократить импорт сырой неф ти на 250 млн т.

В Японии получаю т м етан из водорослей, заставл яя биомассу бро­ дить в баках с различны м и микроорганизмам и. П одобная м етановая электростанция обеспечивает до 10 кВ т мощности.

Уже длительное врем я учены е работаю т над преобразователям и энергии солнечного излучения в механическую или электрическую энергию. Всего за три дня С олнце посы лает на Зем лю столько энергии, сколь­ ко ее содерж ится во всех р азвед ан н ы х зап асах ископаемого топлива. В штате Н ью -Д ж ерси (СШ А) в 2001— 2006 гг. ввели в эксплуатацию 1800 солнечных установок разной мощности. Типовая 4 -киловаттная станция на кры ш е дома обходится американской семье в 38 тыс. долл.

В последние годы все больш ую популярность приобретает исполь­ зование в качестве источника энергии водорода. Водород можно полу­ чать из нефти, природного газа либо путем разлож ен ия воды. Сегодня в мире в год производится до 20 млн т водорода, который используется для производства амм иака, для удаления серы из топлива, для гидро­ генизации угля.

Некоторые спец и алисты считаю т, что именно водородное т о п л и ­ во является наиболее вероятн ой зам еной неф ти и газа. По теп л о тво р ­ ной способности водород в 3 р а за превосходит бензин. С егодня и с­ следователи интенсивно работаю т над созданием водородного эн ер -

гетического х о зяй ства и над технологией крупнотоннаж ного п р о и з­ водства водорода и з воды .

Во многих странах внедряю тся экономически приемлем ы е топлив­ ные элементы , технологии хранения водорода и небольш ие реф орм е- ры — устройства для получения водорода из углеводородов. Страны Евросою за такж е поставили цель к 2020 г. зам енить 20 % моторного топ­ лива водородным топливом. Сегодня стоимость автомобиля, оснащ ен­ ного топливными ячейкам и, приближ ается к 100 тыс. долл.

Н етрадиционны е возобновляемые источники энергии (НВИЭ) пока не занимаю т заметного места в структуре мирового энергобаланса. Глав­ ная причина — слож ность их использования в сравнении с привы чны ­ ми нефтью , газом и углем. Тем не менее, уж е сейчас сум м арная мощ ­ ность геотерм альны х электростанций составляет более 6 тыс. МВт, вет­ ровых электростанций — более 4 тыс. МВт, солнечных — более 500 МВт, приливны х — более 250 МВт.

Важно, чтобы продвиж ению энергетической револю ции не м еш али неф тяны е компании, которы е спонсирую т научны е исследования в об­ ласти альтернативной энергетики. Эти компании д ер ж ат руку на пуль­ се научной мысли и имею т возм ож ность воврем я купить прорывную технологию и полож ить ее под сукно.

Вы вести цивилизацию из очередного тяж елого кризиса можно толь­ ко за счет ум еньш ения нагрузки на планету. Этого можно достигнуть, например, за счет привлечения м атериальны х и энергетических ресур ­ сов Космоса. В поясе астероидов за орбитой М арса располож ены ты ся ­ чи м алы х планет, часть из которы х состоит из ж ел еза, кобальта и нике­ ля. К ом м ерческая цена астероида разм ером 1 км составляет триллио­ ны долларов. Если такой астероид доставить к Зем ле, то лю ди получат такое количество м еталла, которого хватит на сотни лет. М ировой р а ­ кетно -ядерны й потенциал позволяет доставить в сф еру притяж ения Зем ли ж елезн ы й астероид. Д алее прямо на орбите астероидное ж елезо м ож ет быть переработано в орбитальны е платф орм ы , которы е будут поставлять на Зем лю экологически чистую солнечную энергию.

Долгосрочная стратегия перехода к новым энергетическим техно­ логиям будет во многом определяться выбором, который сделает чело­ вечество в ближ айш ие 10— 30 лет. В известном документе «Повестка дня на X X I век» приоритет отдан охране мировой ф лоры и ф ауны , вос­ становлению лесов и плодородия почв, ресурсосбереж ению , изменению структуры потребления. Сильное влияние на будущ ее мировой энерге­ тики м ож ет оказать движ ение за здоровы й образ ж изни. Здоровы й об­ р аз ж изни не н уж дается в росте потребления энергоресурсов.

2.1.ГЕОСФ ЕРЫ ЗЕМ ЛИ

2.1.1.П ланета З е м л я

Вопрос о том, как образовалась наш а планета, издавна при ­ влекал внимание людей. П ервой была теория К анта о происхож дении Солнечной системы и з первичного вращ аю щ егося газопылевого обла­ ка. При сжатии этого облака под действием гравитации облако раскру ­ чивалось, в результате возникали силы, действую щ ие против гравита­ ции. В результате от сж им аю щ ейся туманности поочередно отделялись кольца, давшие начало образованию планет.

В середине XX в. была вы двинута другая теория: планеты образо­ вались в результате гравитационного захвата Солнцем плотного м еж ­ звездного газопылевого облака при его прохож дении мимо ранее обра­ зовавшегося Солнца. Входивш ие в состав облака частицы объединялись и укрупнялись и со врем енем становились потенциальными зароды ш а­ ми планет. К аж дая будущ ая планета имела свою устойчивую орбиту и свою «зону питания». На ф орм ирование ранней Зем ли уш ло примерно 500 млн лет. На 92 % З ем ля состоит из пяти элементов: кислорода, ж е ­ леза, кремния, магния и серы.

Земля — третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы вращается вокруг Солнца по близкой к круговой орбите на расстоянии около 150 млн км. Строение наш ей планеты сегодня известно по сейс­ мическим данным, а состав ее верхних оболочек — атм осф еры , гидро­ сферы и земной коры (литосферы ) по геологическим данным и прямым измерениям.

Планета Зем ля состоит из ядра и охватываю щ их его двух концент­ рических оболочек: мантии и земной коры (рис. 2.1 ). Залегаю щ ая под зем ­ ной корой м а н т и я имеет тем пературу до 3000 °С и состоит из расплав­ ленных горных пород (магмы), способных течь как густая вязкая ж и д ­ кость. М антия постоянно п од о гревается со стороны горячего яд р а,

состоянии, хотя вязкость такой жидкости является очень высокой.

Вся история геологического разви ти я Зем ли связана с вы делением или поглощ ением тепла. Зем ля — это огромная тепловая машина. Ч е ­ рез поверхность Зем ли теряется часть ее внутреннего тепла. С редне­ планетарное значение удельного потока тепла, поступаю щ его и з недр, равно 59 м В т /м Х а р а к т е р и с т и к а энергетических процессов, происхо­

дящ их в геосф ерах Зем ли, приводится в табл. 2.1.

Таблица 2.1, Энергетика сильных возмущений в геосферах

Существует гипотеза, что З ем л я на протяж ении своей истории на­ ращивала и продолж ает н аращ ивать свою массу за счет поступаю щ их из космического пространства м атериальны х частиц и энергии. П ада­ ющие на Землю первичны е косм ические лучи состоят из яд ер тех ж е химических элементов, которы е вход ят в состав Зем ли , главны м об­ разом из ядер водорода. В их составе 92% протонов (ядра водорода), 6,6 %альфа-частиц (ядра гелия), 0,8 % ядер углерода, азота, кислорода.

Полный поток первичны х косм ических частиц у границы земной атмосферы равен 1 с -1 • см 2. то есть каж дую секунду через единичную площадку проходит одна частица. У дельная мощ ность потока косми­ ческих лучей составляет 7 • 1(Г10 Д ж /с • см2.

Основная часть первичны х лучей со средней энергией 10 ГэВ при столкновении с ядрами расходует энергию на рож дение в атм осф ере элементарных частиц. К аж д ое столкновение образует множ ество за ­ ряженных частиц, что приводит к образованию в атм осф ере электрон ­ но-фотонного каскадного ливня. Р азви ти е такого ливня начинается на высоте около 25 км, общее число частиц в ливне достигает нескольких миллионов. Земля, как и все космические тела, поглощ ает приходящ ее извне вещество и за счет этого растет.

Ряд специалистов отстаивает сущ ествование в земны х недрах яд ер - ных превращений вещ ества. Н априм ер, протоны космических лучей с энергией более 100 ГэВ легко проходят сквозь атм осф еру и поглощ а­ ются земными недрами. Подобные ядерно -активны е частицы способны осуществлять ядерны е превращ ен и я хим ических элементов. По этой причине вещество Зем ли постоянно эволю ционизирует. Н апример, с участием нейтронов естественны х энергий происходят реакции с ис­ пусканием йг-частиц, что объясняет вы сокие концентрации гелия в зем ­ ной коре:

^ A l + n - * “ Na + $He.

Земля получает м атерии и з космического пространства больше, чем теряет, поэтому ее масса и разм еры постоянно увеличиваю тся. По р ас ­ четам рост радиуса Зем ли х а р ак тер и зу ется скоростью 2 см/год. Н а­ копление и преобразование вещ ества происходит преим ущ ественно в недрах, в резул ьтате зем н ая кора и сп ы ты вает растягиваю щ ие н а ­ пряжения и разры вается. И зверж ен и я вулканов, зем летрясения и рас­ хождение дна океанов отчасти могут быть следствием роста Зем ли за счет «космической подпитки».

Из земных недр ежегодно вы носится на поверхность около 9 • 109 т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю исто-

рию вулканических изверж ений, равномерно распределить по поверх­ ности Зем ли, то получится слой толщ иной в 34 км. Это означает, что зем н ая кора явл яется продуктом длительной переработки вещ ества верхней мантии посредством физического и химического вы ветрива­ ния, переосаж дения, а такж е преобразования растен иям и и ж ивы ми организмами.

По расчетам Зем л я заверш ит свое сущ ествование через б млрд лет, когда Солнце в ходе эволюции превратится в красного гиганта. У вели­ чиваясь в разм ерах, наш е светило дойдет до орбиты М еркурия и Вене­ ры и последовательно их поглотит. П ри этом на Зем ле экосистемы бу­ дут исчезать в порядке, обратном их возникновению . Д алее звезда ос­ тановит свой рост, но Зем ля будет полностью вы ж ж ена.

ность воздуха на уровне м оря 1,27 ■10“3 г/с м 3.

А зотно-кислородны й состав зем ной атм осф еры уникален д л я п л а ­ нет Солнечной системы . С ухой воздух содерж и т 75,51 % азота, 23,15% (1,2 • 1015 т) — кислорода, 1,28 — аргона, 0,046 — углекислого газа, 0,00125 — неона и около 0,0007 % остальны х газов. Углерод в атм осф ере присутствует такж е в ф орме м етана — 0,00012%.

В аж ной компонентой атм осф еры явл я ется водяной пар. С реднее содерж ание пара и воды в атм осф ере достигает 1,3 ■101Г) т, что в п ер е ­ воде на слой конденсированной воды составляет 25 мм. Водяной пар в атм осф ере обновляется прим ерно 30 р а з в году. В верхних слоях а т ­ м осф еры под влиянием ультраф иолетового и злучен ия возн и кает озон (3,1 • 109 т), состоящ ий из трехатом ны х м олекул кислорода. О бразова­ ние этого газа спасает ж изнь на поверхности Зем ли от пагубного воз­ действия ж есткого солнечного излучения.

С редняя призем ная тем п ература на планете примерно равна +15 ’С. В нижнем наиболее плотном слое атм осф еры — тропосф ере толщ иной 12 км перенос тепла происходит, в основном, благодаря конвективным движ ениям воздуш ны х масс. К онденсация влаги в тропосф ере порож ­ дает облачность, которая явл яется главным ф актором, определяю щ им отраж ательную способность Земли. Любое повы ш ение приземной тем ­ пературы усиливает испарение влаги и увеличивает облачность З ем ­ ли, а это, в свою очередь, повы ш ает альбедо планеты и отраж ательную способность земной атмосферы . В результате средняя тем пература зем ­ ной поверхности вновь сн иж ается до преж него уровня.

2.1.3.Ги д р о с ф е р а З е м л и

Зем ля — единственная планета Солнечной системы, на по­ верхности которой вода м ож ет находиться в ж идком состоянии. М асса воды в современной гидросфере достигает 1,51 • 1018 т. Больш ая часть воды сосредоточена в Мировом океане — 1,42 - 1018 т и в материковы х льдах — 0,023-1018 т. На пресные воды суш и приходится около 0,001 • 1018 т. Поми­ мо свободной воды часть ее в виде грунтовы х и поровых вод пропиты ­ вает континентальную и океаническую кору. С ум м арная масса таких вод достигает 0,066 • 10IS т. С редняя соленость океанических вод дости ­ гает 35 %с (промилле).

Кроме жидкой ф азы часть воды (0,713 • 1018 т) связана в гидросили­ катах земной коры. Всего ж е на Зем ле в ее верхних геосф ерах сосредо­ точено примерно 2,233 • 10,!! т воды. Воды океанов и морей покры ваю т около 2/3 поверхности Зем ли, средн яя глубина М ирового океана близ­ ка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все хим ические элементы, главными из которы х явл яю тся катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, Н С 0 3, СО.,, брома.

В верхних слоях океана в каж дом ли тр е воды растворено в среднем 50 мл углекислого газа, 13 — азота, до 8 мл — кислорода. Холодные оке­ анические воды высоких ш ирот насы щ ены газам и в больш ей степени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворено С 0 2 около 1,4- 10ы т, то есть почти в 60 р аз больш е, чем в атм осф ере (2,4 • 1012 т). Кислорода в океане растворено около 8 ■10'- т или в 150 р аз меньш е, чем его содержится в атм осфере.

Ежегодно реки сносят в океаны около 2,53 • 10ш т терригенного м ате­ риала с суши, из них примерно 2,23 • 1010 т/го д приходится на взвеси, а остальное — на растворенны е и органические вещ ества.

2.1.4.З е м н а я к о р а — л и т о с ф е р а

Зем ная кора представляет собой верхний слой ж есткой обо­ лочки Земли — ее литосф еры . Зем н ая кора состоит из легкого, менее плотного по сравнению с мантией вещ ества, которое недра «вы толкну­ ли» из себя. Доля коры в общ ем объем е Зем ли составляет 1,5%, доля мантии — 82,3 %, ядра — 16,2 %. Геологические процессы непреры вно изменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разруш ению одних горных пород и образованию других. П оверхность земной коры ф орм и ­ руется за счет разнонаправленны х тектонических движ ений, создаю ­ щих неровности р ел ьеф а путем р азр у ш ен и я, вы ветри ван и я горны х

пород и осадконакопления. В обобщ енном виде р ел ьеф земной коры описы вается гипсометрической кривой (рис. 2.2). По вертикали на ней отлож ена высота р ел ьеф а твердой поверхности Зем ли, а по горизонта­ ли сум м арная площ адь районов, превы ш аю щ их данный уровень.

Рис. 2.2. Гипсометрическая кривая поверхности земной коры

Граница м еж ду корой и м антией подвиж на: повыш ение тем п ерату ­ ры мантии приводит к расплавлению ниж ней части коры и смещ ает границу вверх, а пониж ение тем пературы — вниз. Границей раздела земной коры и верхней м антии принято считать «поверхность М», з а ­ легаю щ ую на глубинах 30— 60 км на континентах и 5— 10 км под дном океана. Эта поверхность о п р ед ел яется глубиной, на которой проис­ ходит р езкое увели чен и е скорости сейсм ических волн — в среднем до 8 км /с . Обычно с этой поверхностью отож дествляется ниж няя гра­ ница гидратации зем ны х недр. Особое значение «поверхности М» за к ­ лю чается в том, что на ее уровне примерно соблю дается архимедово рав ­ новесие земной коры, «плавающей» в вязком вещ естве мантии.

Н иж е этой поверхности залегает астен о сф ер а — слой с повы ш ен­ ной электропроводностью и пониженной вязкостью . Эти особенности объясняю тся плавлением вещ ества астеносф еры в пределах 1— 2% , которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакиваю щ ей кри стал ­ лы при тем пературе 1200 °С. А стеносф ерны й слой располож ен ближ е всего под океанами (от 10 до 200 км) и глубж е под континентами.

Н иж ним ярусом континентальной земной коры явл яется толсты й базальтовы й слой, на котором покоится гранитны й слой, покры тый чех-

лом осадочных пород. Океанское лож е состоит из базальтовой подстилки и тонкого слоя осадочных пород (рис. 2.3).

Континент

Отложения Рис. 2.3. Схематический разрез земной коры

О кеаническая кора ф орм и руется в риф товы х зонах срединно-океа­ нических хребтов за счет и зли ян и я базальтовы х расплавов из горячей магмы (из астеносф ерного слоя) на поверхность океанического дна. Ежегодно из астеносф еры и зливается и кристаллизуется не менее б км :! базальтовых расплавов. Эти тектоно-м агм атические процессы сопро­ вождаются повыш енной сейсмичностью .

Магма — это ф лю идо -силикатны й расплав, содерж ащ ий в своем составе соединения с крем незем ом и растворенны е летучие вещ ества, а такж е присутствую щ ие в виде пузы рьков газа. Л етучие компоненты в магме представлены СО,, Н 2, Н20 , H F и др. При затвердевании м агм а­ тический расплав тер яет летучие компоненты. К ристаллизация магмы происходит постепенно по м ере падения ее тем пературы . В начале вы ­ деляю тся вы сокотем пературны е м инералы с образованием таких гор­ ных пород, как базальты и габбро, затем — низкотем пературны е м ине­ ралы с образованием диоритов и андезитов, затем — гранитов и риоли ­ тов и т. д. Процессы превращ ения магмы в горные породы достаточно сложны, и на них кроме охлаж ден ия влияю т множество разны х ф ак то ­ ров. Н аличие в магме легкоотделяем ы х компонентов приводит к вулка­ ническим процессам, а наличие трудноотделяем ы х компонентов — к интрузивным процессам.

Средний химический состав земной коры: SiO, — 53,5 %; А120 3 — 15,9%; СаО — 9,4 %; FeO — 7,6 %: MgO — 5,4 %; N a,Ô — 2,7 %; С 0 2 — 1,0 %; Н ,0 — 0,78 %. Х имический состав земной коры впервы е установил ам е ­ риканский учены й Ф. К ларк. В его честь среднее содерж ание хим ичес­ ких элементов в земной коре называю т кларком. Зем ная кора почти на­ половину состоит из кислорода: кларк кислорода — 47 %. Далее по мере убывания идут кларки крем ния — 29,5; алю миния — 8,05; ж елеза — 4,65; кальция — 2,96; натрия и калия — по 2,50; магния — 1,87 и титана — 0,45 %. В сумме это составляет более 99 % массы земной коры. Суммарное содерж ание в земной коре остальны х 80 элементов не превы ш ает 1 %.

По происхож дению горные породы д елятся на три группы: магма­ тические; осадочные и м етаморф ические.

М агм атические породы имеют кристаллическое строение и обра­ зую тся из расплавленной магмы при засты вании ее на некоторой глу­ бине (интрузивные) или при вы ходе ее на поверхность (эф ф узивны е).

На долю м агм атических пород приходится примерно 95 % объема земной коры. Н аиболее важ ны м минералом в составе этих пород яв л я ­ ется окись крем ния (кремнезем) — 8Ю 2 и окись алю миния А120 .{. Со­ держ ан ие крем незем а определяет состав горных пород. П ри содерж а­ нии крем незем а 45— 52 % породы входят в группу основных пород, при содерж ании более 65 % — в группу кислы х пород.

Осадочные породы залегаю т слоями и образую тся в р езул ьтате переотлож ения продуктов разруш ен и я ранее сущ ествовавш их коренных горных пород, а такж е из продуктов ж изнедеятельности организмов. Так, песчаник образуется из песков, сланец — из ила, и звестняк — из морских раковин. О садочны е породы подстилаю тся древним и м агма­ тическими или м етам орф ическим и породами. З ал еж и неф ти и газа, как правило, приурочены к осадочным породам. Н епродуктивны е породы, которы е подстилаю т осадочные, назы ваю т коренны ми породами или породами фундамента.

М етам орф ически е породы образую тся из м агм атических или оса­ дочных пород на больш их глубинах в резул ьтате действия высоких тем ­ п ератур и давлений, а та к ж е в резу л ьтате привноса в исходную породу м агм атических газов и водных растворов. Н априм ер, м рамор (С аС 03) п редставляет собой м етаморф изованны й известняк (СаСОа). Эти поро­ ды отличаю тся от исходных пород текстурно -структурны м и и прочно­ стны ми свойствами, минералогическим составом, обладаю т слоистос­ тью и кристаллическим строением.

По степени связности горные породы подразделяю тся на скальные, связны е, ры хлы е и текучие. Они могут находиться в сезонно-м ерзлом

имноголетнемерзлом состояниях. В районах Крайнего С евера мощность

мерзлы х пород м ож ет достигать сотен метров, тем пература -1 2 'С. Об­ ломочные водонасыщ енные ры хлы е породы при зам ерзании цементи­

рую тся льдом и отличаю тся высокой прочностью. П ри оттаивании они п ереходят в текучее состояние.

Плотность горных пород укладывается в диапазоне от 2 до 3,2 г/см 3.

В некоторы х районах Зем ли осадочные породы отсутствую т, а ко­ ренные породы вы ходят на поверхность. Такие территории назы ваю т­ ся щ и т а м и , и там неф ти нет. О стальны е территории являю тся проги-