Философската течност: или пътят на всяка капка петрол


08 May 2024

През последните 150 години човечеството преминава през две важни технологични революции, превърнали се в основата на неговата възможност за движение – в пряк и преносен смисъл. Първата е създаването на парната машина и възможността ѝ да бъде захранвана с въглища. Втората – изобретяването на двигателя с вътрешно горене и изграждането на нефтената индустрия. Днес развитието на електрическата мобилност върви с пълна сила, но именно транспортът базиран на двигатели с вътрешно горене ще помогне на тази индустрия да се движи напред. Обстоятелствата са такива че ще трябва да разчитаме на автомобилите с двигатели с вътрешно горене поне още известно време.

Това е една поредица за това какво представлява нефтът, как се образува, добива, преработва и какво се случва с получените продукти в цилиндрите на двигателите с вътрешно горене. Дори и напълно да беше изчезнал от картината двигателят с вътрешно горене, той и нефтът щяха да заслужават своя разказ заради приноса им в човешкото развитие. И, разбира се, няма да пропуснем да разкажем и за всички възможни алтернативни варианти на синтетични горива като е-Fuels, HVO, GTL, BTL, които ще играят все по-важна роля в нашето ежедневие.   

По пътя на петрола

През последния век и половина човешката история е свързана с нефта по удивителен начин, а неговият свят е по-изумителен и от най-големите ни фантазии. От първата примитивна дървена ударна сонда, използвана от ентусиаста Едуин Дрейк, до високотехнологичните гигантски плаващи петролни платформи. От първите скромни корабчета, натоварени с нефт бурета от уиски, порещи водите на буйната река Алегени в Пенсилвания – там, където започва модерният добив на нефт – до търбусите на огромните танкери с размери колкото десет кораба „Титаник“.  Думата с древен персийски произход „нефт“ крие известна мистика, част от която сякаш се губи в суетата на ежедневието и се свежда до тривиалното, опростено и първосигнално възприятие за цената на горивото, което ще налеем в резервоара на колата си. Нима това е всичко?

Джон Рокфелер го нарича „сълзите на дявола”, но нефтът е феномен с неоспорима значимост за човешката цивилизация. От век и половина човечеството не би могло да си представи своето развитие без него, но и до ден днешен не е разгадало със сигурност дори произхода на тази странна „философска течност”. Той все още е предмет на всевъзможни предположения, на множество странни догадки и недоказани научни хипотези. Едно е безспорно – практически всяка капка от енергийната субстанция се заплаща на твърде висока цена. ЗАЩОТО ВСЯКА ИЗВЛЕЧЕНА ОТ ЗЕМЯТА КАПКА НЕФТ Е БЕЗВЪЗВРАТНО ЗАГУБЕНА ЗА НЕЯ. И НИЩО НЕ Е В СЪСТОЯНИЕ ДА Я ВЪЗСТАНОВИ.

В същото време тандемът между нефта и двигателя с вътрешно горене се превръща в могъщ катапулт, благодарение на който през последните 140 години човечеството прави най-великия технологичен скок в своята дълга история. С близка до тази значимост могат да се похвалят само комбинацията между въглищата и парната машина през XIX в., „укротяването” на атомната енергия в средата на XX в. и компютърните технологии, бележещи бурно развитие от 70-те години на XX в. насам.

Именно благодарение на компютрите и прогреса на електрониката станаха възможни различните измервания, практически и теоретични изследвания и аналитични изчисления за определяне на запасите от конвенционален нефт, но въпреки помощта на тези свръхмодерни средства сведенията по този въпрос си остават крайно противоречиви. Както се оказва, днес никой не би се наел да прогнозира сериозно кога „ерата на въглеводородите” ще бъде заменена от „ерата на електричеството“ или „ерата на водорода”.

Произходът на органичната материя 

Когато в един слънчев августовски ден на 1859 година замъгленият поглед на някой си Бил Смит разпознава черната течност на дъното на първобитния кладенец някъде из дебрите на американския щат Пенсилвания, той едва ли осъзнава че в този момент ще възвести началото на една нова ера за човечество. „Чичо Били” не е нищо повече от един пияница черноработник, но това което открива запазва името му завинаги в аналите на историята. Черната течност, която открива, се нарича нефт или петрол (от гръцките думи πέτρα – камък, скала и έλαιον  – масло) в зависимост от произхода на думата – течност, за която само няколко месеца по-късно известният френски химик Желе с небивало въодушевление ще възкликне: „Ако този продукт може да се добива и преработва в достатъчни количества, той ще предизвика техническа революция в света”...

По същото време отвъд океана някогашният келнер от Люксембург Жан-Жозеф Етиен Льонар представя на обществеността действащ прототип на газов двигател с вътрешно горене и също оставя златна диря в историята. Между тези две събития няма никаква връзка и още дълго време двигателите с вътрешно горене и нефтът няма да предизвикват общи асоциации. Неслучайно германците наричат известния ни като „бензинов двигател” Оtto Motor, защото двигателите произвеждани от завода управляван от небезизвестният Николаус Аугуст Ото всъщност се захранват не с бензин, а със светилен газ получен при деструктивна дестилация от въглища. Всъщност именно по това време, в края на прогресивния XIX век, може да бъде открито и разковничето на изнамирането на първото гориво за автомобили – главният инженер на фабриката Готлиб Даймлер възнамерява да разработи бързооборотен двигател, който да монтира върху каляска и, естествено, да захранва с течно гориво.

В момента, в който след години на изобретателско търсене Даймлер, Карл Бенц и впоследствие Рудолф Дизел откриват, че в нефта се съдържат подходящи съставки и субстанции, които да служат като горива на техните машини, връзката между автомобилите и нефта се превръща в неразривна. До този момент черната течност е служела като източник на керосин за осветление, смазочни масла за парните машини, а в някои редки случаи и като гориво за парните котли на локомотивите. В продължение на почти 140 години обаче развитието на автомобила и нефта е един взаимно обвързан процес, който в наши дни прераства във една истинска високотехнологична симбиоза.

Източникът на черното злато

Сондажът на Едуин Дрейк дава началото на нова епоха в човешката история. Но още първите блуждаещи пришълци в Пенсилвания започват да си задават множество въпроси, свързани с това къде да сондират и каква е логиката на местоположението на нефтените находища. Много учени също впрягат мисълта си, търсейки обяснение на нефтените проявления и вероятните причини, които може да са ги предизвикали. Първоначално сондьорите смятат, че нефтът е скрит плитко в земята в близост до изворите на реките и появата му на повърхността е съвсем естествен процес. Но с течение на времето всички разбират, че хаотичното и хазартно копаене е скъпо и бавно. Първите нефтени фирми започват да плащат на учените, за да им помагат в търсенето. Използването на научни методи пък довежда и до поставянето на важния въпрос за произхода на нефта. Скоро всички са убедени, че познанието в тази област неимоверно би улеснило търсенето.

Още с първите сондажи край Тайтъсвил в щата Пенсилвания, където, както споменахме, започва промишления добив и преработка на нефт, някои от предприемачите откриват нефт не покрай изворите, а в куполообразни хълмове, в които има солни образувания. Дебатът за произхода на нефта е подет от геолози, геофизици, химици и прочее. От библиотеките са извадени стари и забравени книги.

Тогава някои учени откриват, че още през 1763 г. гениалният химик Ломоносов е изказал една на пръв поглед невероятна теза. Съгласно неговата хипотеза нефтът произхожда от заровена органична материя с растителен и животински произход. Именно на тази основа са създадени по-нататъшните „органични” теории или по-скоро хипотези за произхода на нефта, включително най-общоприетата днес, наречена „утаечно-миграционна”.

Теориите за възникването на Земята, тектоничните процеси, състава и възникването на биосферата се съгласуват най-добре именно с тази теория. Но... има и факти, обяснението на които противоречи на тези хипотези. Никой днес все още не може да твърди, че е открил неоспорими доказателства за една или друга хипотеза за произхода на нефта. Има множество въпроси, на които нито привържениците на органичните, нито защитниците на неорганичните теории могат да отговорят задоволително.

Първите например не могат да обяснят защо в нефта понякога се съдържа толкова много сяра – вещество, което е в много малки количества в живите организми. За първи път на това несъответствие обръща внимание Менделеев и изказва предположението, че част от нефта може и да няма органичен произход. И докато органиците утвърждават теорията, според която нефтът е натрупано в земните пластове и впоследствие мигрирало в подземни „капани” органично вещество, привържениците на абиогенната теория смятат, че той се генерира непрекъснато, дълбоко в мантията на Земята. Въпросът е в това, че средният диаметър на Земята е 12 700 километра, дебелината на външната обвивка или литосферата е 80 км (по-малка в дълбините на океаните), а най-дълбокият сондаж, осъществен до момента, е достигнал дълбочина от едва 15 км.

До никакви категорични изводи не може да се достигне и чрез наличната информация, осигурена от извиращата от вулканите лава. Трудно може да се моделират компютърно условията в малкото ядро на Земята – все пак температурата там достига 3000 градуса при смазващо налягане. Според някои учени напълно възможно е при движението на водорода през мантията да се формират въглеводороди, а полученият „неорганичен” нефт след това да мигрира. Някои странни земни явления потвърждават тезата, че произходът на нефта може и да не е органичен. Известен е например феноменът с находището на остров Юджън в Мексиканския залив датиращо от типичните за нефтообразуването периоди късна Юра и ранна Креда, което внезапно започва да се пълни с огромни количества нефт с биомаркери от много по-ранни епохи. Професор Томас Голд от Корнелския университет в Итака, щата Ню Йорк, който почина през 2004 година, защитаваше теория, че нефтът се генерира непрекъснато. Според Голд той представлява „първичен сироп”, който постоянно се произвежда в недрата на земята в условията на много висока температура и налягане. При движението си към повърхността тази субстанция се атакува от бактерии, което придава на получените вещества вид на вещества с органичен произход.

Привържениците на различните теории за неорганичния произход на нефта все още са много, а хипотезите им не са от вчера. Още през 1866 г. френският химик Бертло изказва предположение, че нефтът се образува в недрата на земята, а за негова основа са послужили минерални вещества. В потвърждение на своята гледна точка той привежда резултатите от няколко експеримента, в които синтезира въглеводороди от неорганична материя. Спектралните изследвания на астрофизиците показват, че в атмосферата на Юпитер и някои големи планети, а също в газовата обвивка на кометите могат да се открият съединения на въглерода с водорода. Логично следва изводът, че след като има такова разпространение на въглеводородите във вселената, то и в природата може да текат процеси на синтез на органични вещества от неорганични. Има още множество неорганични теории – дори за космическия произход на нефта.

Какъвто и да е той, едно е безспорно – проявлението може да се открие в множество форми. Нефтените находища могат да съдържат от няколкостотин барела до 100 милиарда барела в един-единствен резервоар, да имат дебелина от десетина сантиметра до 500 метра, като например кувейтското находище Бурган. Открити са находища на дълбочина от 7000 м, но съществуват и колосални повърхностни натрупвания, каквото е най-голямото известно асфалтено езеро в Тринидад, намиращо се на самата повърхност и съдържащо 200 милиона барела смола и асфалт. Колосалните нефтенопясъчни натрупвания в Канада съдържат нефтен еквивалент, многократно превишаващ запасите на Саудитска Арабия. Петролът може да бъде открит дори в странни скални формирования във вид на сандвичева конструкция с отделни отлагания, намиращи се на етажи едно над друго и изолирани помежду си от непроницаеми скали. Казано по-просто, това означава, че на практика съществуват няколко находища едно над друго. Във венецуелското находище Западна Гуара могат да бъдат открити 47 нефтоносни хоризонта един над друг. Често сондьорите са принудени да преминават през по-малко продуктивни пластове, за да достигнат до по-богатите находища надолу. Огромни залежи има и в нефтените шисти.  

Въпреки всичко гореописано, все пак по-голямата част от учените се обединяват около тезата за органичния произход на нефта. Те смятат, че тя е най-правдоподобна и затова ние ще се спрем по-подробно на нея.

През 1888 година германските химици Хефер и Енглер правят интересни опити с рибено масло. Те го поставят в условия на висока температура и налягане, респективно 400 градуса и 10 бара. В резултат от това им се удава да получат въглеводородна маса, в която има парафинови, нафтенови и ароматни въглеводороди – такива, каквито има и в нефта. Подобен опит прави през 1919 г. руският академик Зелински, който използва растителен материал от езерото Балхаш. При преработката му той получава бензин, керосин, масла и даже метан.

В основата на всичко е планктонът

Според органичната теория образуването на толкова големи количества нефт се дължи на огромни маси утаени организми. Такива са например водораслите и планктонът, живели в богатите на кислород води в близост до повърхността на океаните, и всички организми, които се хранят с тях – микроскопичен планктон, риби, птици и прочее.

За да започне нефтообразувателният процес, е необходимо големи количества от тази материя достатъчно бързо да бъде затрупана, преди бактериите да започват активно да им въздействат. Това обикновено се случва в делтите на реки, носещи големи количества размита скална маса. По този начин се образува и природният газ, но той би могъл да има и друг генезис и да се получи при разлагането на растителна материя в плитки блатисти води. Подобен е произходът на газа, съпътстващ находищата на въглища. Както се оказва, условията за активен растеж и изобилие от планктон и съчетание на обстоятелствата стават факт основно в геологичните епохи късна Юра и ранна Креда.  

  

Генерирането

 „Девствената” органична материя все още е различна химически от получения по-късно нефт. Първоначално в резултат от микробиологичната дейност се образува огромно количество бактериална биомаса. С течение на времето върху получената утайка се натрупват все нови и нови вещества. При достигане на дълбочина от 100–200 метра анаеробните бактериални процеси постепенно се прекратяват и започват физични и химични преобразувания на веществата, които зависят само от температурата и налягането на пласта. Колкото повече отлагания има, толкова повече се активизират процесите поради по-високото налягане, което горните пластове оказват върху долните. Преди да бъде извършен изследователски сондаж, геохимиците често изучават геологическата история на перспективните пластове и се опитват да предскажат степента на т. нар. „диагенеза”. Органичните материали, които не са дълбоко погребани или не са престояли достатъчно време за завършване на процесите на нефтообразуване, са достигнали в развитието си едва до степен на катраноподобно вещество или т. нар. „тежък нефт”. Такъв има например в пояса на Ориноко във Венецуела, а най-богата на вещества като нефтени пясъци и тежък нефт е Канада. Колкото по-дълбоко е заровена материята и колкото по-продължително е престояла притисната от пластовете, толкова „по-завършен” е процесът на генериране на нефта и той е по-лек и светъл на цвят. Това се дължи на факта, че топлината и налягането разкъсват (крекират) големите молекули до такива с по-малки размери. По тази причина на големи дълбочини – около 6 км под повърхността – вече се открива само природен газ.

И сега идва най-интересната част...

Много хора смятат, че нефтените находища представляват големи подземни реки или езера, изпълващи подземни кухини. Това е голяма заблуда. Ако беше вярно, откриването и производството на нефта би било далеч по-лесно и евтино начинание. На практика обаче нещата са съвсем различни. Структурите, в които има нефт, са порести и могат да се оприличат със сюнгер за забърсване на вода. Нефтът и газът заемат микропори и микрофрактури вътре в самата скална материя. За да може нефтът да достигне от резервоара до кладенеца, той трябва да премине през тези малки проходи и пролуки в скалата, които значително намаляват възможността за изсмукване на течността. Тъкмо поради тази причина понякога са необходими много години за изчерпването на едно находище, защото нефтът много трудно се извлича през въпросните пори. Същевременно техническите екипи процедират много внимателно, що се отнася до дебита на сондажа и всички инсталирани устройства за принудително „изсмукване”, защото в случай на добив в по-големи количества може да се разруши структурата на пластовете.

За да е продуктивен един нефтен резервоар, в скалата трябва да има достатъчно подобни порести пространства. Учените наричат това качество „порьозност” и то се определя като процент от целия обем в скалата. Най-високата порьозност на нефтосъдържащи скали на практика достига едва 25%.

При нефтодобива обаче порьозността сама по себе си не е достатъчен параметър. Важна е и т. нар. „проницаемост” на скалата – тоест възможността нефтът да се придвижва между частиците. Ако например частиците в един пясъчник осигуряват голяма порьозност, но се спояват на много места, нефтът не би могъл да бъде изсмукан с конвенционални методи. Такъв е случаят с геологически по-старите пясъчници, в които частиците вече са се слепили. Фактът, че описаните вещества са се утаили в океани, обяснява и защо находищата често са съпроводени от водни залежи. Когато мигрират в скалата колектор, нефтът и газът трябва да изместват водата. Нефтът обаче невинаги се отделя напълно и водата заема част от пространствата между частиците, а понякога черната течност се разполага във вид на глобули във водата, защото не се разтваря в нея. В подобни случаи от находищата се добива смес. По този начин може да бъде обяснено и защо един от първите индикатори за изчерпване на дадено находище е появата на вода.

Миграция на нефта

Изолираните капки органична материя, затрупани в утайките, са толкова разпилени, че сами по себе си нямат никакво промишлено значение за хората. В света има огромно количество отложена органична материя, но нищожно на този фон количество нефт, концентрирано в находища. За да съществува реално находище, трябва нефтът да се натрупа в определени места. Колкото повече пластове се отлагат върху този, в който се намира органичната материя, толкова по-вероятно е притиснатите капчиците вода и нефт да започнат да се изтласкват от натиска и да се издигат нагоре. Учените наричат този процес миграция. Увеличаването на натиска върху пластовете ги свива и уплътнява, като по този начин тинята например постепенно се превръща в глина, чиито пори са много малки. Междувременно превърналата се в нефт органична материя започва да се „изстисква” от нея – така, както се изстисква туба с паста за зъби. Течността се отправя към скали с по-големи пори и по-малко налягане като слабо споените пясъчници. Този процес е много бавен, но като се отчете факторът „геологично време”, т. е. милиони години, става ясно защо капките могат да изминат значителни разстояния. Когато достигат до пясъчник, те започват да изпълват порите му.

Ето, че стигнахме и до последния етап. Ако пясъчникът е „затворен” отгоре от някаква непроницаема скала, а тя например е наклонена, капките ще започват да се плъзгат по долната й част, докато достигнат най-високото място. Както казахме, глинестите пластове имат малка порьозност и са най-подходящи за капак на „капана”. Пясъчникът от своя страна играе ролята на резервоар, който трябва да бъде порьозен и проницаем и да съхранява нефта. Очевидно е, че газовете, които са по-малко вискозни, ще могат да мигрират по-дълго, като понякога се преместват с до няколкостотин километра. Поради по-голямата си плътност нефтът не може да преодолява такива разстояния. Смята се, че дължината на пътя, който той изминава, достига до около 80 км. Ако капанът улови газ, нефт и вода, газовата смес (сама по себе си съдържащ различни видове газ като метан, пропан, бутан и т.н.) се разполага най-отгоре, образувайки така наречената „газова шапка”, а част от него се абсорбира или разтваря в нефта. Водата, като най-тежка, се утаява най-отдолу. Условие нефтът да се задържи в находище е скалата, оформяща капана, да има форма на обърната купа, за да не се процеди отстрани и да се разсее. Именно по такива странични разсейки той понякога излиза на повърхността.

Капани

Подобна куполообразна геологически структура известна в нефтената история е находището Спиндълтоп в Тексас. За капани от своя страна могат да послужат различни подземни скални образувания. Геолозите твърдят, че има три вида капани – структурни, стратиграфски или комбинации от тях.

Структурните се дължат на деформации в скалите – като куполите, за които вече споменахме. Капани обаче могат да се оформят и от разломите, а т. нар. стратиграфски капани се образуват от разместени един спрямо друг пластове. На фона на всичко това е добре да се спомене и че извитите структури – куполи или антиклинали, могат да бъдат индикатор за наличие на нефт и да са капани.

Течностите в находищата често се намират под доста високо налягане. Има много начини за изчисляването му и за установяване на размера и продуктивността на резервоара. Когато се сондира такова находище, налягането в него води до изтласкване на течността или газа нагоре. По тази причина резервоарното налягане се използва като „първоначална помпа”. По спада на налягането на нефта или газа може да се установи с известна точност количеството нефт или газ в находищата. Сондирането и добивът обаче са друга тема и за нея ще стане дума по-късно.

От всичко казано може да се направи изводът, че образуването на нефтените находища е наистина рядко стечение на обстоятелствата, но размерите на Земята и геологическото време превръщат редките стечения в значителни натрупвания.

Защо има нефт и на сушата, и в морето?

Защо – можем да се запитаме – тогава нефт има не само в моретата, но и на сушата. Обяснението е просто – поради движението на тектонските плочи. В течение на геоложкото време много от тези движения са довеждали до затварянето на цели заливи и морета в новообразувани пластове. Учените смятат, че при навлизането на морските и океанските плочи под континенталните най-горните им слоеве се остъргват. В края на континенталните плочи се образуват огромни маси от утаени скали, които участват в изграждането на планинските хребети и вдлъбнатини. Затова пластовете в зоната на подпъхването (процесът се нарича „субдукция”) често са богати на органични вещества. Така може де се обясни и наличието на огромната нефтоносна пътека в Персийския залив. Така наречената „Месопотамска вдлъбнатина“ е била точно такава зона на субдукция с дължина от 2500 км. Две плочи са се сблъскали там, където сега се издигат планините Загрос и Тавър, а резултатът е най-богатият нефтоносен район в света.

Нефтени и газови шисти  

В контекста на всичко това е важно да споменем и за нефтените и газови шисти, които се проучват от петролните компании от много години, но едва през последните две десетилетия придобиха комерсиално значение. „Шистът“ е финозърнеста седиментна скала, която се образува при компресиране на тиня и глина. Тази структура се състои от малки зърна формиращи слоеве и включва различни минерали заедно с органични частици. Най-големите подобни образувание са геоложките образувания Barnett, Marcellus Shale, Haynesville Shale и Fayetteville Shale, които на практика са големи находища на шисти с природен газ. За разлика от гореспоменатите нефтени капани, те са от типа “source rock” или скала източник на органична материя, при което последната може да мигрира към гореспоменатите капани, но може и да се задържи в шистите.   

Органичната материя в тях е под формата на вече споменатия кероген (първична „недоразвита” органична субстанция, нещо като полуфабрикат на нефта). Нефтените скали никога не са били подлагани на естествени високи температури и налягания, които да превърнат керогена в нефт. Затова те могат да се разглеждат като нещо средно между въглища и нефт, но полученото от тях вещество има повече сходства с нефта. Процесът на извличане на нефт от тях изисква толкова споменаваният напоследък хидравличен фракинг с използване на нагрята пара и разтворители.

Следва: Какво съдържа нефтът и как работи една рафинерия?

Най-добрият в класа си?