Геоэкология углеводородов


В.В. ТЕТЕЛЬМИН
В.А. ЯЗЕВ




                ГЕОЭКОЛОГИЯ
                УГЛЕВОДОРОДОВ





                  СЕРИЯ «Нефтегазовая инженерия»





Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

Доёгопруд^ш
2009

УДК 547.665.9
Т 37
БК 35.514

Рецензенты: заведующий кафедрой «Горной экологии и безопасности жизнедеятельности» Московского государственного открытого университета профессор, д.т.н. Ю.В. Михайлов;
заведующий кафедрой «Экологической безопасности и управления» Международного независимого эколого-политологического университета профессор С.А. Фомин



    Тетельмин В.В., Язев В.А.

Т 37 Геоэкология углеводородов. Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. — 304 с.: ил. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).

    ISBN 978-5-91559-075-4
       Книга даёт цельное представление о глобальном цикле углерода, начиная от процессов нуклеосинтеза в недрах звёзд и Солнца. Приводится описание геосфер Земли и их взаимодействия с биосферой планеты.
       Даны сведения о свойствах углеводородов и вмещающих их осадочных пород, а также описание звеньев в составе основных циклов углерода на Земле. Изложена история эволюции органического вещества в осадочных породах и формирования месторождений углеводородов.
       Раскрыты особенности технологий добычи и обращения с углеводородами, описано влияние этих процессов на геосферы Земли.
       Книга предназначена для студентов специализированных учебных заведений и работников нефтегазовой отрасли.


БК 35.514
УДК 547.665.9






ISBN 978-5-91559-075-4

© 2009, Тетельмин В.В., Язев В.А.
                                      © 2009, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

                150-летию мировой нефтедобычи посвящается


ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.............................................7

Глава 1. БАЗОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИИ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ....................................11
       1.1. Основные определения и понятия экологии.11
      1.2. Концептуальные положения геоэкологии недропользования..............................16
       1.3. Эволюция природопользования.............20

Глава 2. СОТВОРЕНИЕ МИРА, ВОДОРОДА И УГЛЕРОДА.......25
       2.1. Большой взрыв и образование водорода....25
       2.2. Образование звезд, Солнца и галактик....31
      2.3. Образование углерода и других химических элементов.....................................35

Глава 3. ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ.............................39
       3.1. Планета Земля...........................39
       3.2. Атмосфера Земли ........................43
       3.3. Гидросфера Земли........................44
       3.4. Земная кора — литосфера.................45
       3.5. Биосфера как планетарная организация жизни.50
       3.6. Геохронологическая шкала — геологическое время......................................52

Глава 4. СВОЙСТВА ОСАДОЧНЫХ ПОРОД, ВМЕЩАЮЩИХ УГЛЕВОДОРОДЫ........................................54
       4.1. Плотность, прочность и упругость........54
       4.2. Пористость и проницаемость.................58

Оглавление

       4.3. Аномальное давление в осадочной толще бассейна......................................64
       4.4. Упругий запас флюидов в продуктивном пласте.67
       4.5. Тепловой режим осадочных пород...........71

Глава 5. ГЕОДИНАМИКА ЗЕМНОЙ КОРЫ.....................74
       5.1. Тектоника литосферных плит...............74
       5.2. Лунно-солнечные приливы..................81
       5.3. Геодинамика земной коры и добыча углеводородов................................85
       5.4. Тектоника земной коры и нефтегазоносность пород.........................................94

Глава в. СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДОВ................97
       6.1. Состав нефти.............................97
       6.2. Свойства нефти..........................100
       6.3. Состав и свойства углеводородных газов..104
       6.4. Газовые гидраты в осадочных бассейнах...108
       6.5. Параметры процесса горения углеводородов....111

Глава 7. ОСНОВНЫЕ ЦИКЛЫ УГЛЕРОДА НА ЗЕМЛЕ...............115
       7.1. Углерод и формы его нахождения на Земле.....115
       7.2. Общий глобальный цикл углерода..............119
       7.3. Круговорот вещества, энергии и углерода в биосфере.......................................122
       7.4. Фотосинтез как основной процесс образования органического вещества ......................125
       7.5. Органическое вещество в осадочных породах как источник углеводородов...................132
       7.6. Концепция образования углеводородов.....136

Глава 8. ЭВОЛЮЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ................................ 139
       8.1. Исходный материал органического вещества осадочных пород..................................139
       8.2. Накопление органического вещества и его преобразование в диагенезе.......................143

Оглавление

5

       8.3. Трансформация органического вещества в катагенезе...............................146
       8.4. Миграция нефти и газа.................... 148
       8.5. Формирование месторождений углеводородов.151

Глава 9. ГЕОГРАФИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ......................155
       9.1. Распределение углеводородов в земной коре.155
       9.2. Россия и первые нефтяники.................160
       9.3. США и первый баррель нефти................165
       9.4. Аравийские монархии.......................167
       9.5. Венесуэла.................................170
       9.6. Нефть Казахстана..........................171

Глава 10. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ И ОБРАЩЕНИЯ С УГЛЕВОДОРОДАМИ......................... 176
       10.1. Технологическая схема бурения нефтегазодобывающих скважин................176
       10.2. Добыча углеводородов.................... 181
       10.3. Особенности добычи на шельфе ............191
       10.4. Переработка нефти и газа.................201
       10.5. Транспортировка углеводородов............208
       10.6. Хранение и распределение углеводородов...213

Глава 11. МИРОВАЯ ДОБЫЧА УГЛЕВОДОРОДОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ...........................219
       11.1. Потребление углеводородных ресурсов и геоэкологических услуг....................219
       11.2. Моторное топливо и другие нефтепродукты.225
       11.3. Биотопливо и некоторые новые технологии .229
       11.4. Возможности водородной энергетики.......234
       11.5. Энергетика будущего.....................238

Глава 12. ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ДОБЫЧИ
И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ.................................................244
       12.1. Экологические риски и безопасность нефтегазовых объектов......................244

Оглавление

        12.2. Воздействие на водную среду.............248
        12.3. Воздействие на атмосферу................255
        12.4. Воздействие на почву....................259
        12.5. Воздействие на недра....................264
        12.6. Проблема глобального потепления.........268
        12.7. Случаи крупных аварий при обращении с углеводородами..............................273
       12.8. Геоэкологическая экспертиза объектов недропользования...............................279

ГЛОССАРИЙ.............................................283

ЛИТЕРАТУРА............................................299

                              «Кто продолжит мое дело?»— спросило заходящее Солнце. «Я сделаю все, повелитель!»— ответила глиняная лампада.
Из индийской поэзии

                              Не выбрасывай Природу из своей жизни!
Диоген

Введение
Современная наука рассматривает историю Вселенной от Большого взрыва до возникновения человечества как единый процесс. В этом процессе все разновидности эволюции от космической до биологической преемственно связаны между собой. Вся живая природа представляет собой единую цепь вещественных, энергетических и информационных взаимодействий. Природа миллионы лет шла к своему оптимальному устройству. Пришел человек и пытается перекроить природу в уг. своим потребностям, не считаясь с ее возможностями. Возникла техносфера как порождение человеческой цивилизации. Техносфера нарушила замкнутость природных круговоротов вещества и энергии. И как следствие превышен предел выносливости биосферы, природа испытывает стресс от передозировки техногенных воздействий.
   Термин «геоэкю логидаимеет различные толкования, если не привязывать его к определенному объекту. В настоящей книге этот термин привязан к такому классу полезных ископаемых как углеводороды. В данном контексте геоэкология рассматривается как синтез наук о взаимодействии (интеграции) геосфер Земли, включая биосферу применительно к процессам, определяющим глобальный цикл углерода

Введение

   Нефть — это естественное звено в глобальном углеродном цикле. История рождения и жизни нефти неразрывно связана с историей Земли и представляет собой грандиозную картину того, как развивался органический мир в целом. Нефть постоянно рождается и исчезает, мигрирует и рассеивается. Только часть нефти, попавшая в естественные ловушки, образует залежи, которые разрабатываются человеком. Со второй половины XX века к нефти, как энергоносителю, добавился природный газ, но из всех видов горючих полезных ископаемых нефть продолжает доминировать.
   В настоящей книге нефть представлена как субстанция, имеющая необыкновенную родословную. Углеводороды и сейчас образуются в земных недрах и в донных отложениях Мирового океана. Процесс этот непрерывный, но очень медленный. Человек извлекает нефть из недр в миллион раз интенсивнее темпов ее образования. Нефть не бессмертна. У нее тоже есть свой век, хотя он длинен и измеряется миллионами лет. Часть нефти выходит на дневную поверхность и теряется, часть поедается бактериями, часть переходит в битум и асфальт, часть сгорает при соприкосновении с горячей магмой и извержениях вулканов.
   Нефть — это объект непрекращающегося поиска, разведки и промысла. Присутствие на Земле недропользователей не лучшим образом сказывается на биосфере. Исхлестанная кислотными дождями биосфера входит в состояние экологического кризиса: сводятся леса; истощаются почвы; загрязняются вода и воздух; изменяется климат. Человек в своем стремлении удовлетворить не всегда разумные потребности рискует исчезнуть как вид. Биосфера не сталахуже оттого, что вымерли динозавры, объективно она не станет хуже, если исчезнет человек. Однако такого развития событий допустить нельзя.
   Именно нефть, стирая границы, положила начало процессу глобализации: вначале нефть объединила людей всего мира в их стремлении жить без лучины при ярком свете керосиновой лампы, а потом она стала незаменимой в качестве моторного топлива и при синтезе тысяч продуктов и материалов. К сожалению, география сегодняшней добычиуглеводородов не опре

Введение

9

деляет географию стран с высоким уровнем жизни. В списке стран «золотого миллиарда» нет стран-экспортеров нефти.
   Загрязнение природной среды происходит на всех этапах освоения месторождения нефти и газа—начиная от бурения скважин и далее на протяжении всего периода его разработки. Экологические проблемы продолжаются на всех последующих этапах обращения с углеводородами. Для нефтедобывающих компаний является крайне актуальным снижение экологических рисков.
   Нестандартное и неожиданное возникновение аварийных ситуаций на промыслах зачастую связано с недооценкой пространственно-временных изменений состояния земных недр. К настоящему времени накоплена уникальная информация о современных вертикальных и горизонтальных тектонических движениях земной коры. Стало очевидным и инструментально доказанным, что аномальные изменения флюидного и температурного режимов осадочного чехла, массовые локализованные сейсмопроявления и массовые аварии на нефтегазопромысловых объектах прямо или косвенно связаны с изменениями напряженно-деформированного состояния земной коры.
   Серьезные компании не хотят ставить на карту собственный престиж, поэтому начинают обращать внимание на гео-динамические исследования, чтобы не допускать возникновения экстремальных ситуаций на разрабатываемых месторождениях. Эволюция современной геодинамики земных недр позволяет по-новому смотреть на многие природные явления, а также находить нетрадиционные пути решения многих прикладных задач, в частности, инженерной и нефтепромысловой геологии.
   Авторы книги ставили перед собой задачу дать картину явлений и процессов, отражающих движение углерода и трансформацию его состояний по следующей замкнутой цепочке: СО₂ — фотосинтез—углеводы и органическое вещество (ОВ) в биосфере — ОВ в осадочных породах — микронефть — залежь углеводородов (УВ) — добыча и переработка (УВ) — сжигание УВ->С()₂.

Введение

   Для человека-потребителя главными в этом цикле являются последние четыре звена. Авторы сделали попытку дать цельное представление о явлениях и процессах различной природы, сопутствующих рождению углеводородов, их добыче и использованию. Поставленную задачу можно было решить только широким охватом материала.
   Эта книга о протекающих в геосферах естественных и техногенных процессах в составе глобального цикла углерода с участием человеческой деятельности. Именно такое понимание вкладывают авторы в термин «геоэкология углеводородов», поставленный в заглавие книги.

Глава 1

БАЗОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИИ
НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ


1.1. Основные определения и понятия экологии

Экология— это синтетическая наука, которая делится на множество разделов, из которых можно выделить три основные:
   •   общая экология или биоэкология, которая изучает взаимоотношения живых систем с окружающей средой и между собой;
   •   геоэкология, которая изучает динамику геосфер, включая биосферу, их взаимодействие и геофизические условия жизни;
   •   прикладная экология, изучающая аспекты инженерной и социальной охраны среды обитания человека.
   Термин «экология» был предложен Э. Геккелем в 1886 г. и первоначально обозначал одну из ветвей биологии, изучающую взаимосвязь видов живых существ и среды их обитания. В настоящее время понятие «экология» существенно расширилось. Часто высоким словом экология пользуются не по делу. Например, экология не нужна для уборки улиц, для установки фильтров на дымовой трубе. Экология нужна раньше — при обосновании новых технологий, материалов и новой техники.
   Задачи экологии как науки является исследование действия окружающей среды на жизнедеятельность организмов, деятельности человека на окружающую среду, а также восстановление нарушенных человеком естественных природных условий. Экология также служит научной основой рационального использования природных ресурсов, включая полезные ископаемые.
   Природная среда есть совокупность всей живой и неживой природы. Природа в современном естествознании представляется динамичной, развивающейся через кризисные состояния, катастрофы иразветвления(точкибифуркации). Совре

Глава 1. Базовые положения геоэкологии недропользования

менная картина жизни определяет кризисные состояния как необходимую составляющую развития материи. Система «общество—природа», достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Бифуркация—это толчок к развитию биосферы по какому-то новому пути.
   Компоненты природной среды, влияющие на организмы, называют экологическими факторами. К ним относят:
   абиотические— компоненты неживой природы (литосфера, гидросфера, атмосфера, почва, климат);
   биотические — особи и популяции в природных сообществах;
   антропогенные — деятельность человека, приводящая к изменению среды обитания организмов. Антропогенный фактор вызван популяционным взрывом и разрушает биосферу.
   Недостаток или избыток того или иного экологического фактора (экологического воздействия) ведет к невозможности существования живых организмов. В таких случаях говорят о лимитирующих экологических факторах.
   Экосистемы— это динамические системы в определенном пространстве, которые образуют живые организмы и среда их обитания. Все части экосистемы взаимодействуют друг с другом, используя потоки энергии и создавая круговорот вещества. Размер экосистем может быть различным—они рассматриваются на различных иерархических уровнях: от глобального до отдельных географических объектов.
   Биосфера— это единая глобальная экосистема, включающая в себя совокупность всех живых организмов на Земле — биоценоз, а также гидросферу, часть атмосферы и литосферы. Перечисленные земные оболочки наряду с другими (астеносферой, верхней и нижней мантией, ядром нашей планеты) образуют геосферы
   Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и приповерхностном слое океана. В количественном отношении преобладают формы живых организмов, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития: вклад растений в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% ви

1.1. Основные определения и понятия экологии

13

дов — позвоночные, из которых лишь десятая часть — млекопитающие.
   Главная функция биосферы — обеспечение круговорота химических элементов и вещества между гидросферой, атмосферой, литосферой и живыми организмами. Основным источником энергии ддя обеспечения подобного движения вещества является Солнце. В результате биологического круговорота происходит созидание органического вещества и его последующее разрушение. Определяющим звеном этого процесса являются растения; с ними связано образование свободного кислорода при фотосинтезе. В круговороте участвует множество химических элементов и соединений, из которых наиболее важные вода, углерод, сера, азот и фосфор.
   Биота биосферы обуславливает преобладающую часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В. Вернадского об огромной преобразующей геологической ролткн-вого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через себя всю атмосферу, весь объем мирового океана, массу почвы и минеральных веществ.
   Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и живые организмы выполняют мощную средообразующую функцию. Эта функция регулирует и обеспечивает необходимые для жизни состав атмосферы, радиационный и тепловой режим на планете, водный баланс и климатические особенности больших пространств, самоочищение воздуха и рек, поддержание плодородия почв.
   Именно поэтому следует различать:
   ресурсы биосферы, возобновляемые ресурсы веществ и энергии, находящиеся под контролем живых организмов;
   ресурсы техносферы, захваченные человеком и вырванные им из биотического круговорота, находящиеся вне контроля биоты биосферы.
   Атмосфера— внешняя газовая оболочка Земли, на 99% состоящая из азота и кислорода. Современные процессы образования газов на Земле подразделяются на три группы: био

Глава 1. Базовые положения геоэкологии недропользования

генные (О₂, СО₂, N₂, H₂S, СН₄и др.); физико-химические (Аг, ¹⁴С, ³Н, СО₂ и др.); техногенные (СО₂, СО, NO, SO₂ и др.). Районы месторождений нефти и газа являются поставщиками многих газов в атмосферу: СО₂, H₂S, СН₄, SO₂ и др. Споры бактерий и грибов встречаются на высоте до 20 км от поверхности Земли. Важнейшую роль в развитии живых организмов играетозоно-выйслойатмосферы, который поглощает губительное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца.
   Гидросфера— это водная оболочка Земли, куда входят воды океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов. Развитие органического мира тесно связано с гидросферой: мировой океан — это место скопления огромного количества биологических, минеральных и энергетических ресурсов. В зависимости от температуры, солености, давления и глубины изменяются виды подводных растений и организмов. Океанский фитопланктон поставляет почти половину кислорода атмосферы.
   Литосфера включает земную кору и верхний слой мантии— астеносферу. Основная масса организмов сосредоточена в почвенном слое литосферы, однако жизнь в ней опускается на глубину проникновения воды — до 7 км.
   Геологическая среда рассматривается как природная среда недропользования, связанная с геологическими объектами и процессами. К геологическим объектам относят осадочный и гранитно-метаморфический слои литосферы, а также гидросферу. К геологическим процессам относят геодинамичес-кие, эндогенные и экзогенные процессы, которые сформировали внутренние и внешние геосферы, природные ландшафты, биосферу и месторождения полезных ископаемых.
   Действие геодинамических и эндогенных процессов (землетрясения, извержения вулканов и подводные излияния лав) разрушительно проявляются на тектонически активных континентальных окраинах, зонахспредингаисубдукции, трансформных разломах, в коллизионных складчатых поясах.
   Экзогенные процессы (оползни, лавины, эрозия, карстыидр.) проявляются на поверхности Земли повсеместно в результате длительных процессов выветривания.