Google+
Вселенная Горца Вспомнить всё - две недели Вампиры нового Мира Тьмы Фрэнк Миллер
Версия для печатиИстория: История. Нефть
Кратко о статье: Чёрное золото... Ещё полтора века назад человечество не представляло себе, насколько ценным ресурсом является нефть. Но промышленная революция всё изменила: сегодня без всякого преувеличения можно сказать, что именно нефть заставляет этот мир вращаться.

Черное золото

В ПОИСКАХ НЕФТИ: ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ

Насколько я понял, все говорили о науке. Кого-то намеревались оживлять. Где-то собирались провертеть дыру сквозь землю. Проект обсуждался прямо на улице при большом скоплении народа, чертежи рисовали мелком на стенах и тротуаре.

Аркадий и Борис Стругацкие «Понедельник начинается в субботу»

Техника «проверчивания» дыр в земле известна с древнеримских времён, если не дольше. Исторический метод заключался в том, что тяжелое железное долото, закреплённое на длинном древке (верёвка не позволяла наносить единообразные точные удары), поднималось на бурильной вышке и раз за разом сбрасывалось вниз. Для того чтобы пробитое отверстие имело округлую форму, перед каждым новым ударом долото немного поворачивали.

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Орудуя долотом на длинной «ручке», бурильщики проходили от 3 до 18 метров в день в зависимости от свойств грунта; скважины чаще всего использовались для строительных нужд, а не для добычи чего бы то ни было. Более глубокие отверстия пробивать было очень сложно, если не сказать — невозможно. В частности, измельчённый камень требовалось извлекать. Для этой цели в скважину заливалась вода, которая затем вычерпывалась желонкой — узким ведром с клапаном на дне. Метод был крайне неэффективен, к тому же бур каждый раз приходилось поднимать и разбирать.

Буровая вышка Дрейка, забранная в деревянный «колпак», снимок 1859 года

Бурение начало приобретать широкое распространение лишь в XVIII веке — в этот период в скважину для предотвращения осыпания стала вставляться железная обсадная труба. Первоначально техника бурения применялась для добычи артезианских вод и строительства узких колодцев, необходимых для вентиляции угольных шахт. Твёрдые ископаемые невозможно извлечь через крошечное отверстие, для их добычи раскапывались карьеры. Нефть же до середины XIX века вообще не рассматривалась как полезный ресурс и использовалась редко, разве что для ограниченных военных нужд.

Как ни странно, ещё охотниками мезолита ценился асфальт (точнее, битум), пригодный для вклеивания каменных лезвий в деревянную или костяную основу. Позже асфальтом смолили корабли (в частности, он использовался при строительстве Ковчега в древнейшем, шумерском варианте легенды о Всемирном потопе). В Вавилоне асфальтом покрывали улицы. Нефть же, которая скапливалась в колодцах, выкопанных по берегам битумных озёр, применялась лишь в качестве компонента зажигательных смесей. По легенде входила она и в состав «греческого огня». В период Крестовых походов арабы считали нефть наряду со стрелами важнейшим боеприпасом, наличие которого определяло обороноспособность города.

В эпоху пушек спрос на зажигательные снаряды на основе нефти закономерно упал. О нефти в Европе и Америке вспомнили лишь в 1855 году, когда путём её перегонки был получен пригодный для осветительных ламп керосин. В России последнее произошло несколько раньше, так как продукты переработки «каменного масла» вместо дефицитного импортного «деревянного» (оливкового) масла систематически использовались в горящих под иконами лампадах ещё с 20-х годов XIX века.

Надо отметить, что первая нефтедобывающая скважина глубиной 21 метр была пробурена в 1846 году инженером Василием Семёновым недалеко от Баку (месторождение Беби-Эйрат), где к тому времени уже давно копали колодцы для добычи «чёрного золота». После разведочной пробурили вторую, «рабочую», скважину, через которую с 1848 года выкачивали так много нефти, что в 1857 году близ Баку был заложен нефтеперегонный завод.

Тем не менее официальной «датой рождения» нефтяного бурения считается август 1859 года, когда полковник Эдвин Дрейк пробил скважину в Пенсильвании, поскольку именно с его лёгкой руки буровой метод получил широкую известность и начал стремительно распространяться. Вы можете сказать: как же так, ведь он начал бурить на целых десять лет позже! Приведём аналогичный пример: во всей Южной Америке первым человеком, поднявшимся в небо на самолёте, официально считается Альберто Сантос-Дюмонт, а вовсе не братья Райт, поскольку его самолёт взлетел сам и сам же приземлился (планер Райт не имел шасси и взлетал с рельсов). Так и здесь: Дрейк разработал методику, которая дала начало современной, поэтому его можно смело называть первопроходцем в деле нефтяного бурения.

БУРЕНИЕ КАК ТАКОВОЕ

Подобно Семёнову, Дрейк прошёл только 21 метр. Правда, он начал бурение со дна шахты, предварительно вырытой вручную. Как оказалось, напрасно: выше нефтяного залегал водоносный пласт, и шахта немедленно оказалась затопленной. Потеряв изрядное время на откачивание воды, далее Дрейк продвигался намного быстрее предшественников; в этом ему помог прогрессивный способ очистки скважины, изобретённый в 1846 году французским инженером Фовелем. Способ заключался в постоянной подаче воды под высоким давлением через полую буровую колонну (штанга заменялась трубами). Фонтанируя из скважины, вода выносила измельчённую породу. Необходимость в частом извлечении буровой колонны, таким образом, отпала, что позволило вдесятеро снизить затраты труда.

Несмотря на изобретение Фовеля, техника бурения ещё долгое время оставалась несовершенной и малопригодной для создания глубоких скважин. Заполняющая буровой канал вода препятствовала разрушению породы долотом, сама же колонна по мере удлинения становилась неподъёмной и недостаточно прочной. Такое примитивное бурение господствовало в мире до начала 1880-х. Связано это было с тем, что потребность в нефти была не столь велика и ускорения добычи просто не требовалось.

Настоящая революция в бурильном деле произошла спустя тридцать лет после Дрейка, в 1889 году, когда был изобретён роторный бур — резец, который опускался в скважину и вращался там сначала вместе с буровой колонной, а позже с помощью пропущенного через колонну вала. Скорость проходки возросла.

Полковник Эдвин Дрейк, считающийся основателем массовой нефтедобычи

Матвей Алкумович Капелюшников (1886–1959), легендарный советский учёный, изобретатель турбобура

Венгерская марка 1962 года — одна из многих, увековечивших в филателии нефтяные достижения стран соцлагеря

В России вращательное бурение впервые было применено только в 1902 году при разработке нефте носных полей под Грозным. Но отечественные инженеры быстро ликвидировали отставание, уже в 1922 году создав турбобур (его изобретение обычно связывают с именем известного советского учёного-нефтяника Матвея Капелюшникова). Ротор турбобура приходил во вращение под напором подаваемой в колонну бурильной жидкости. Перемещение двигателя в глубину скважины открыло возможности для действительно глубинного бурения, так как ранее с возрастанием длины вал, передающий движение на ротор, становился слишком массивным. В США, кстати, турбобур был запатентован на два года позже инженерным отделом компании Scharpenberg.

Техника турбинного бурения возобладала далеко не сразу, но начиная с 1960-х годов стала господствующей. За последние полвека она не претерпела значительных изменений. На предварительно установленной вышке из отдельных труб, соединённых замками, собирается постепенно удлиняющаяся бурильная колонна, которая своим весом вдавливает в грунт режущую коронку. Подаваемый в колонну раствор — уже не просто вода, а смесь на основе полимеров или солей (гидрогель), а иногда и сама нефть с добавлением глины, — одновременно вращает ротор, смазывает и охлаждает твёрдосплавный или алмазный бур, а также вымывает породу. Поступая между обсадной трубой и колонной на поверхность, раствор подаётся на вибрирующие решётки, которые очищают его от шлама (искрошенного буром камня), и отправляется в новое путешествие под землю. Бурение может продолжаться непрерывно ровно столько времени, сколько выдержит буровая коронка. Для её замены всю колонну всё-таки приходится извлекать, постепенно разбирая на части, а затем снова собирать по мере спуска.

Американцы, в отличие от нас, бережно относятся к истории. Точная копия вышки Дрейка в посвящённом ему музее в Пенсильвании

Описанный метод — основной, но не единственный. Горные породы разнообразны по свойствам, и оптимальные способы их бурения также различаются. Особо твёрдый камень приходится по старинке сокрушать ударами. Дробящий инструмент долговечнее, проще и надёжнее режущего. Иногда же преграду удаётся одолеть лишь трением. Тогда в скважину засыпается «дробь» — шарики, вымываемые по мере разрушения вместе с истёртой породой. Небольшое распространение имеют вибрационное (в том числе ультразвуковое) бурение, гидродинамическое сверление высоконапорной жидкостью, термическое бурение (для легкоплавких пород) и химическое — путём растворения реагентами.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ

Принципиальная схема турбобура: а) общий вид: 1 — вал, 2 — корпус; б) принцип действия турбины: 1 — внешний обод статора, 2 — лопатки статора, 3 — внутренний обод статора, 4 — внутренний обод ротора, 5 — лопатки ротора, 6 — внешний обод ротора

До самого конца XIX века нефть обнаруживалась только по каналам выхода на поверхность. Копать колодцы, а позже и бурить скважины для добычи «каменного масла» предпочитали там, где были залежи естественного асфальта или же из трещин сочился природный газ. На заре развития технологий нередко встречались ручьи и реки, воды которых покрывала радужная плёнка, приводящая современных экологов в состояние бешенства. В этом случае геологи шли вверх по течению до того места, где русло врезалось в содержащий нефть пласт, и принимали необходимые меры для защиты окружающей среды, то есть бурили скважины по берегам. В результате этого бочки наполнялись «чёрным золотом», уровень нефти в грунте закономерно понижался, а маслянистая плёнка на воде исчезала.

Иногда путь к солнцу для нефти случайно открывал сам человек. Фонтан бурой липкой жидкости внезапно ударял в результате бурения артезианских или соляных (в подземных водах часто растворены ценные минеральные вещества) скважин. Впрочем, в XIX веке такие сюрпризы бурильщиков не радовали, поскольку предложение превышало спрос и избыток нефти только мешал. Впоследствии цены выросли, и нефть принялись искать повсюду. Наука вплотную занялась исследованием того, как формируются нефтесодержащие пласты: благодаря понимаю этого механизма можно определить, какие особенности рельефа и минералы, присутствующие в пробах породы, указывают на близость нефти.

БУРОВАЯ ПЛАТФОРМА

Впервые нефть со дна моря начали добывать в 1803 году в Баку — ещё до изобретения буровых скважин. На мелких участках моря были сооружены срубы, вычерпана вода и на обнажившихся участках дна выкопаны колодцы. Бурение подводных скважин со свайных конструкций началось на Бакинских промыслах в конце XIX века, а в 1938 году первая плавучая платформа появилась у берегов Луизианы.

Современные буровые платформы представляют собой гигантские сооружения, по массе сравнимые с крупнейшими авианосцами. По сути, это оборудованные для бурения и хранения нефти баржи, передвигающиеся с помощью буксиров. На месте добычи платформа фиксируется, причём по-разному. Если глубина невелика, то платформа ложится на грунт, затапливая балластные цистерны. Когда место чуть глубже, на дно опускаются опоры. Ещё глубже – платформа закрепляется с помощью якорей. Если же до дна от 1500 до 3500 метров, платформа удерживается на месте посредством двигателей, которые компенсируют снос течением и ветром.

А в 1999 году конструкторское бюро «Лазурит» запатентовало подводный буровой комплекс на базе атомной субмарины. Буровая атомная подводная лодка водоизмещением 30 000 тонн способна погружаться на 400 метров и вести работы на дне в течение двух месяцев. Такой оригинальный способ бурения может быть полезен при разведке на шельфе Ледовитого океана. Разумеется, для добычи нефти всё-таки придётся построить надводную платформу, снабжённую ледоломами.

Морская буровая платформа P-51 компании Petrobras близ берегов Бразилии

Наиболее обоснованной можно назвать биогенную гипотезу происхождения нефти: предполагается, что горючая жидкость образуется из отмерших морских организмов. На дне, в практически бескислородной и нередко отравленной сероводородом среде, разложение затруднено, в результате чего может накапливаться большое количество органического материала (как это происходит в торфяниках на суше). Затем осадочный слой оказывается погребённым под массой песка (или соляным панцирем — если пересыхает море) и опускается в глубины земной коры. Составляющие нефть углеводороды образуются в условиях высокой температуры и огромного давления на глубине 3-4 километров — этот процесс называется мезокатагенезом. Суммарно путь от живого планктона до «чёрного золота» может занимать до 350 миллионов лет.

Гипотеза имеет много прямых и косвенных подтверждений. Из растительного сырья действительно не так уж сложно получить жидкость, похожую по свойствам на нефть. В самой нефти есть молекулы, принадлежавшие живым организмам. Наконец, месторождения располагаются именно там, где прежде были моря, и чаще всего накрыты соляными куполами. Нефтяными месторождениями на стадии формирования (ещё не опустившимися на необходимую для окончательного «созревания» продукта глубину) считаются залежи мальты — необычно густой и вязкой разновидности нефти, на треть состоящей из битума.

Слабость биогенной гипотезы только в одном: ничего подобного тем процессам, которые она описывает, в реальности наблюдать не удавалось. Например, при формировании угольных залежей мы наблюдаем все этапы превращения торфа в бурый, а затем в каменный уголь и антрацит. А вот мощных пластов органических отложений на дне океана не найдено, и нет оснований полагать, что условия для их появления могли существовать в прошлом. Впрочем, возможно, вся нефть уже образовалась и сейчас описанные процессы просто-напросто завершились.

По другим данным, мальта — результат распада нефти. В любом случае, мальты на Земле подозрительно мало для формирования должного количества нефти в будущем. Нестыковки биогенной версии позволяют некоторым исследователям отстаивать гипотезу неорганического происхождения «каменного масла». Согласно ей, нефть синтезируется на глубинах около 10 километров из мантийных вулканических газов: метана, водяного пара и углекислоты. Фрагменты же «живых» молекул в неё попадают позже. Это останки бактерий, живущих в земной коре (в том числе и в нефти) на глубине до 6-7 километров.

МЕСТОРОЖДЕНИЯ НЕФТИ

Нефтяной бассейн — это вовсе не колоссальная подземная полость (впрочем, это же касается и прочих «подземных морей»). Месторождение представляет собой пласт пористой, пропитанной нефтью породы. Это может быть песок, песчаник, доломит или известняк, накрытый непроницаемым слоем глины или гипса. Как правило, нефтяная залежь похожа на слоёный пирог: наверху скапливается газ, ниже — нефть, а под ней — вода.

Типовой малый станок-качалка для добычи нефти из скважины с помощью штангового насоса. Распространён в местах неглубокого залегания нефти

Барельеф, изображающий нефтяной фонтан, на одном из зданий Техасского университета A&M

Возраст различных нефтяных бассейнов, по оценкам учёных, составляет от 50 до 300 миллионов лет. В течение этого времени они не только перемещаются вместе с континентами, но и мигрируют в толще породы. Когда геологические процессы накреняют пласт, нефть поднимается выше и иногда прорывается на поверхность. В этом случае лёгкие фракции испаряются, оставляя после себя озокерит, природный асфальт или битумные пески.

В настоящий момент битумные пески, сосредоточенные в Канаде и Венесуэле, содержат вдвое больше углеводородного сырья, чем разведанные запасы нефти. Но для добычи песка приходится строить карьеры и шахты, что существенно сложнее бурения скважин. Помимо того, получение бензина из битумных смол обходится дорого как в экономическом, так и в экологическом отношении. В частности, для отделения углеводородов песок варят, а это связано с большим расходом пресной воды.

При разработке скважины с помощью бурового раствора под трубой, проникшей в нефтяной пласт, намеренно вымывается пусто та. В пусто ту постепенно просачивается нефть из окружающей породы. От того, насколько быстро это происходит, зависит производительность скважины. Повышают выход нефти путём закачивания под землю воды или с помощью взрывов. Более тяжёлая вода выдавливает нефть наверх, а сотрясения грунта образуют новые трещины, которые облегчают просачивание жидкости из удалённых частей бассейна.

В некоторых случаях под землю закачивается пар, подогревающий породу, в результате чего легкие фракции нефти испаряются и легко просачиваются в полость скважины в виде газа. Правда, наиболее действенный способ повышения добычи в пласте — бурение новых скважин. Чем чаще они расположены и чем равномернее распределены по площади бассейна, тем проще нефти просачиваться к ближайшему «выходу». Когда же и это средство исчерпывает себя, разработка нефтеносного поля прекращается. В зависимости от свойств породы и вязкости нефти извлечь удаётся от 9 до 75% запасов месторождения. На деле можно добывать и больше, но это уже не окупает себя с финансовой точки зрения.

Нефтяные поля в Саммерленде, штат Калифорния, 1915 год

КРОВЬ ЗЕМЛИ

«Нефть», пожалуй, самый известный фильм о «чёрном золоте». Кто хочет увидеть, как выглядит нефть, не проходите мимо

Нефть трудно описать чётко и однозначно. Как правило, она представляет собой жидкость (хотя существуют вязкие виды нефти и даже «твёрдая нефть» — озокерит). Чаще всего она легче воды, хотя бывает и плотнее неё. Цвет её обычно красно-коричневый, но может варьироваться от почти чёрного до зеленоватого или жёлтого. Иногда нефть бесцветна и прозрачна. Разница в свойствах обусловлена сложным составом, куда входит около тысячи различных веществ. Примерно половина из них по количеству (и 90% по объёму) — жидкие углеводороды. Остальное — сернистые, кислородные, азотные соединения, минеральные соли и вода. Сверх этого, в нефти растворено большое количество газов. Большей частью это основные компоненты «природного газа» — пропан, бутан. Но также присутствуют углекислота, водород и инертные газы: гелий и неон. Само собой, поступающая из скважины нефть всегда загрязнена частицами породы. Присутствуют в ней и более оригинальные примеси, например, живые бактерии.

Добыча нефти ведётся не только из нефтяных, но и из так называемых газоконденсатных месторождений. Это глубинные залежи нефти, расположенные в 4-6 километрах от поверхности. Температура на этом уровне так велика, что содержащиеся в нефти бензин и керосин, испаряясь, смешиваются с сопутствующим природным газом. На первый взгляд, пробурив скважину до «шапки» месторождения, не так уж трудно «снять сливки», поскольку лёгкие фракции — самая ценная составляющая нефти, и газ не требуется качать: он рвётся наружу сам. Но, как только пары бензина начинают выходить, давление вблизи скважины падает, нефть конденсируется и впитывается в поры породы. Поэтому добытый метан приходится, предварительно очистив от бензинокеросиновой составляющей, закачивать назад, чтобы всё-таки получить качественный продукт.

В 1980 году в результате пробного бурения на нефть посреди озера Пенёр (штат Луизиана) на глубине 400 метров бур пробил свод старой соляной шахты. Образованная уходящей в подземелья водой воронка засосала буровую платформу, одиннадцать барж, буксир и плавучий остров. Слева — общий вид озера Пенёр, справа — схема катастрофы

Газ, составляющий «шапку» нефтяного месторождения, часто сжигают на месте, так как его запасов недостаточно для строительства газопровода к скважине

КОЛЬСКАЯ СВЕРХГЛУБОКАЯ

История нашей страны богата великими свершениями по нефтяной части. Так, самая длинная нефтяная скважина (12 345 метров!) была пробурена в 2011 году на Сахалине, в месторождении Одопту-море. Но это — наклонная скважина. Самой же глубокой вертикальной скважиной была и остаётся 12 262-метровая СГ-3 на Кольском полуострове, заложенная для исследования литосферы.

Твердосплавный бур вонзился в мёрзлую землю Заполярья в 1970 году. Целью эксперимента было достижение поверхности Мохоровичича — отражающей сейсмические волны границы, которая пролегает в земной коре на глубине от 5 до 70 километров. Именно на Кольском полуострове эта поверхность, характеризующаяся резким скачком плотности вещества и странным поведением сейсмических волн, залегала совсем неглубоко. Но задуманный эксперимент провалился (не повезло и американцам, которые также пытались установить природу поверхности Мохоровичича). При прохождении границы свойства породы изменялись плавно, и объяснение странному поведению сейсмических волн учёные ищут до сих пор. Тем не менее собранные данные оказались неожиданными и сенсационными

Медленно и трудно бур вгрызался в древний, возрастом три миллиарда лет, гранит. Каждые четыре часа коронку приходилось менять, поднимая всю буровую колонну. По мере углубления эта операция требовала всё большего времени. Сопротивление породы ожидаемо возрастало, ведь колоссальное давление препятствовало образованию микротрещин. И вдруг на уровне 7 километров порода стала хрупкой и слоистой. Это оказалось настолько неожиданным, что скважина осыпалась, колонну заклинило, и бур был потерян — в первый раз.

Озокерит — минерал, похожий на воск и пахнущий керосином. Представляет собой смесь нефтяных смол (битумов), оставшуюся после испарения лёгких фракций

Кольская сверхглубокая скважина. Буровая первого этапа (7600 м), 1974 год

Руины комплекса Кольской сверхглубокой, сфотографированные в 2012 году. Ничего не осталось...

Впоследствии (работы на скважине велись до 1990 года) аварии происходили неоднократно. Изготовленная из лёгких сплавов буровая колонна массой 200 тонн то и дело рвалась. Канал цементировали, и бурение начиналось заново с полдороги. Между тем странности продолжались. Вопреки прогнозам, с глубиной порода становилась всё более и более рыхлой. Из бесчисленных трещин хлестала вода — перегретая до 200 градусов, иногда содержащая сложные углеводородные молекулы, но на такой глубине всё-таки лишённая признаков бактериальной жизни. Керны (пробы породы) стало почти невозможно извлечь. По пути на поверхность камень взрывался, обращаясь в песок. Подъём приходилось совершать очень медленно. Керны разрушал газ, заполняющий поры и микротрещины гранита под давлением 3000 атмосфер. Представления о тектоническом происхождении атмосферы и гидросферы, таким образом, получили экспериментальное подтверждение.

До границы Мохоровичича геологи так и не добрались: рухнул Союз, закончилось финансирование, и великий проект канул в Лету. Сегодня на его месте — огромный заваренный люк скважины и руины былых цехов. Печально, да.

Теоретически запасы нефти истощатся уже в текущем, XXI веке — при нынешних нормах её потребления. Причём последние капли нефти бурением уже не выдавишь, придётся применять другие методы. Удивительно, но современные буровые установки невероятно устарели относительно других технических достижений, они толком не изменялись уже почти целый век! И кто знает, может быть, если человек придумает какой-нибудь другой метод проникновения в недра своей планеты, он сможет найти там нечто более интересное, чем «чёрное золото». Главное, чтобы Земля в результате подобных исследований не превратилась в яблочный огрызок.

Что почитать?
  • Эдгар Берроуз «Полая Луна»

  • Жюль Верн «Путешествие к центру Земли»

  • Эптон Синклер «Нефть»

Что посмотреть?
  • «Армагеддон» (Armageddon, США, 1998)

  • «Земное ядро: Бросок в преисподнюю» (The Core, Великобритания-США, 2003)

  • «Пещера» (The Cave, США-Германия, 2005)

  • «Нефть» (There Will Be Blood, США, 2007)

Во что поиграть?
  • Rise of Nations (2003)

  • Empire Earth (2005)

  • Xenus: Точка кипения (2005)

  • Civilizations 4: Warlords (2006)

  • Age of Empires 3: The WarChiefs (2006)

Комментарии к статье
Для написания комментария к статье необходимо зарегистрироваться и авторизоваться на форуме, после чего - перейти на сайт
РАССЫЛКА
Новости МФ
Подписаться
Статьи МФ
Подписаться
Новый номер
В ПРОДАЖЕ С
24 ноября 2015
ноябрь октябрь
МФ Опрос
[последний опрос] Что вы делаете на этом старом сайте?
наши издания

Mobi.ru - экспертный сайт о цифровой технике
www.Mobi.ru

Сайт журнала «Мир фантастики» — крупнейшего периодического издания в России, посвященного фэнтези и фантастике во всех проявлениях.

© 1997-2013 ООО «Игромедиа».
Воспроизведение материалов с данного сайта возможно с разрешения редакции Сайт оптимизирован под разрешение 1024х768.
Поиск Войти Зарегистрироваться