Файл: Кожевников А.В. Химия нефти учеб. пособие.pdf

известно наличие естественных выходов нефти между Волгой и Ура­ лом. Однако первое бурение под руководством проф. И. М. Губкина было неудачным, и промышленная нефть не была обнаружена. Потре­ бовалась не только настойчивость Губкина, но время и техника, по­ зволившие вскрыть девонские нефтеносные слои. Так было открыто Второе Баку. В последние годы открыто много нефтяных месторожде­ ний в местах,- где по прежним представлениям не должно было быть нефти. Давно известно, что в общем нефтяные месторождения приуро­ чены к горным хребтам, точнее, расположены параллельно горным образованиям в так называемых геосинклинальных областях. Нахож­ дение нефти на так называемых' платформах в кристаллических из­ верженных породах исключалось. Дно океанов считалось особенной областью — стабильной и не содержащей структур для нефтяных кол­ лекторов, а следовательно, не содержащей нефти.

Достижения науки за последние десятилетия в значительной мере изменили представление о местах залегания нефти и помогли сделать многочисленные находки нефти в кристаллических изверженных по­ родах. Эти факты противоречат представлениям о захоронении орга­ нических останков в осадочных породах и их эволюции в углеводо­ роды нефти. Оказалось, что дно морей довольно часто представляет собой нефтеносную площадь. Наша отечественная нефтедобывающая промышленность стала пионером бурения и добычи нефти из под мор­ ского дна (нефтяные камни в Каспийском море). Теперь уже 25 госу­ дарств осуществляют бурение морского дна на нефть. Геологи считают, что наиболее перспективными.для разработки нефти являются районы Азовского и Черного морей, береговая, полоса Прибалтики, дно Ти-

18

хого океана и Охотского моря у Сахалина и Камчатки, а также донные площади северных морей. Наиболее богатыми нефтяными провин­ циями в нашей стране являются: Прибакинский район Азербайджана, предгорья Северного Кавказа (Грозный, Майкоп), Керченский район Крыма, Прикарпатский район Западной Украины (Борислав), огром­ ная провинция между Волгой и Уралом (Куйбышевская область, Баш­ кирия и Татария), новые огромные нефтяные месторождения Тюмен­ ской области, месторождения о. Сахалина и некоторые другие (Турк­ мения и т. д.).

Исходя из самых общих представлений о географии нефти, можно проследить. главный нефтяной «пояс» Земли: Средиземноморское кольцо, Балканы, Крым, Прикавказье, Каспийская впадина, широ­ кая полоса южных республик Советского Союза и государств Ближ­ него Востока и, наконец, большое кольцо Тихоокеанской прибрежной и океанической зоны, идущее как на север к Сахалину и Камчатке, так и на юг через индонезийские острова, а по противоположному бе­ регу океана — по всему побережью от Аляски на юг, через Среднюю Америку и побережье Южной Америки до Огненной земли.

Касаясь проблемы генезиса нефти, следует заметить, что этот ин­ тересный й в некоторой мере практически важный вопрос не получил научного разрешения. Все существующие гипотезы можно в общих чертах свести к двум направлениям: минеральному и органическому происхождению нефти. В арсеналах каждого из этих двух направле­ ний содержатся многочисленные гипотезы, имеющие как , довольно убедительные, так и слабые стороны.

Из гипотез органического происхождения нефти наиболее разра­ ботанной и аргументированной, по-видимому, следует считать сапро­ пелевую. В ней признается планктонный материал водоемов за мате­ ринское вещество сапропелей, т. е. сложную смесь веществ, оседающих

вводоемах при отмирании планктонных организмов и ■образующих вместе с минеральными осадками отложения сапропеля.

Превращения останков органического материала в нефть одними авторами представляется как термокаталитический процесс воздейст­ вия относительно небольших температур и алюмосиликатных состав­ ляющих минеральных компонентов осадка на органическую его часть,

врезультате которого минерализуются гетероатомы составляющих

организмы соединений до простых веществ, например СО.,, Н 20, H 2S и NH3. Основная же часть исходных веществ превращается в углево­ дороды.

Другие авторы представляют процесс образования нефти как кон­ солидацию готовых углеводородных составляющих, рассеянных в ми­ неральных останках органических веществ. В этом случае находя­ щиеся в реальных нефтях гетероатомные соединения: азотистые, сер­ нистые и кислородные, считаются вторичными, т. е. получающимися в результате метаморфизма углеводородов в процессе контакта их.с воздухом и вмещающими нефть земными породами (Потонье, Доб­ рянский, Успенский, Радченко и др.).

Нефть, полученная первым и вторым путями, должна претерпеть труднопредставляемый и малореальный путь миграции и превращения

в те мощные залежи жидкой нефти и газа, которые известны на прак­ тике.

С другой стороны, пользуются широкой известностью гипотезы ■минерального происхождения нефти. Таковы карбидная гипотеза Д. И. Менделеева, космическая гипотеза В. Д. Соколова и магматиче­ ская, или вулканическая, гипотеза Н. А. Кудрявцева.

По Менделееву проникновение воды по тектоническим трещинам земной коры в ее глубинные области приводило к контакту этой воды с возможными скоплениями карбидных масс. В результате реакции карбидов железа с водой образовались углеводороды.

По Соколову углеводороды нефти представляют собой готовые со­ единения, рассеянные в космическом пространстве и консолидирую­ щиеся вместе с иными веществами Земли при образовании планеты.

По Кудрявцеву углеводороды нефти представляют собой часть химических продуктов вулканизма Земли; там, где возможны интру­ зии магмы, там возможны и скопления нефти, а в случаях экструзив­ ных выбросов вулканической лавы на поверхность нефтяная ее состав­ ляющая сгорает в воздухе, оставляя лишь следы углеводородов, ко­ торые действительно находятся как в магме, так и в вулканических газах.

Конечно, трудно поверить, чтобы подземные моря нефти были продуктами естественного метаморфизма каких-либо органических останков. Эти моря нефти вероятнее всего непрерывно образуются в недрах Земли и лишь постепенно открываются человечеством. Нефть представляет собой жидкий минерал, происходящий из простейших неорганических соединений углерода и водорода земных недр.

Нам представляется наиболее вероятной гипотеза минерального образования углеводородбв нефти в природе по аналогии с современ­ ным промышленным синтезом углеводородов из простейших газов: окиси углерода и водорода. Для такого естественного синтеза угле­ водородов надлежит иметь сумму необходимых условий.

Запасы углерода и водорода в земных недрах могут быть прибли­ зительно следующими. Из осторожности примем самую низкую цифру {по кларку* А. П. Виноградова) — 3,7- 101Q т водорода. Если счи­ тать, что в эту цифру входит водород живых организмову находящихся на поверхности планеты и уже существующих в ее недрах (по прогно­ зам) каустобиолитов, то эта составляющая займет лишь около 2% на­ званной выше цифры общего содержания водорода в недрах Земли. Как видно, величина запасов водорода огромна и достаточна для об­ разования 2,5-ІО17 т нефти, т. е. эта величина в десятки миллионов раз больше максимальных цифр предполагаемых запасов нефти (4-10и пг). Эти величины относятся только к земной коре шестнад­ цатикилометровой глубины и не касаются более глубоких недр Земли. Сравнивая количество водорода, равное 3,7 ■101(і т, и количество угле­ рода для массивных пород земной коры, равное 1,5-1018 т, приходим ■к выводу, что получаются величины одного порядка — весовое коли­

* В честь ученого Кларка весовые проценты элементов земной коры при­ нято называть кларками.

20

чество водорода лишь в два с небольшим раза больше количества угле­ рода, но последнего в сотни тысяч раз больше предполагаемых запасов нефти. Можно приближенно подсчитать количество углеро­ да не только в земной коре, но и в Земле в целом.

Если исходить из известного кларка 0,1% для земной мантии и кларка углерода для металлических метеоритов (полагая их анало­ гами глубинных частей Земли), равного 0,07%, то можно принять среднее содержание углерода Земли не менее 0,05%. Тогда общее со­ держание углерода, исходя из массы Земли, равной 5,97-ІО21 т, со­ ставит 3 • 1018 т. Такие количества углерода, конечно, следует считать практически неисчерпаемыми. Весовые кларки изверженных пород (Вашингтон) составляют для углерода 0,032%, а для водорода —

0,13%.

В метеоритах находятся такие минералы, как когеиит (Fe3C) и муассонит (SiC); они наиболее присущи железным метеоритам. В ка­ менных метеоритах часто встречается аморфный углерод, встречаются также жидкие углеводороды. Газы, которые были поглощены (оклюдированы) метеоритами, также содержатся в различных количествах. Углекислота характерна для каменных, а водород и в меньшей сте­ пени окись углерода — для железных метеоритов.

Упоминание об изверженных породах и метеоритах здесь приво­ дится потому, что эти вещества для нашего случая могут представлять собою аналог глубинных пород Земли, содержащих нужные вещества для естественного синтеза нефти.

Глубинные массивные кристаллические перидотитовые породы, как и метеориты, содержат элементарный углерод и карбиды тяжелых металлов. Эти же породы содержат воду, водород, окись углерода и углекислоту. Таковы возможности земного вещества по содержанию исходных простейших соединений, необходимых для естественного синтеза нефти.

Химизм получения углеводородов из окиси углерода и водорода известен благодаря исследованиям ученых: Е. И. Орлова, Н. Д. Зе­ линского, Б. Н. Долгова, В. Э. Каржавина, Ф. Фишера и других.

Процесс первого синтеза углеводородов из СО и Н 2 был осущест­ влен русским химиком Е. И. Орловым в Харькове (1908 г.), получив­ шим из смеси СО и Н 2 простейший олефиновый углеводород — этилен, очевидно, по схеме

2СО + 4Н2 - С2Н4 + 2Н,0.

Эта реакция была проведена при температуре 100° С и при кон­ такте с катализатором, состоящим из Ni + Pel, осажденных на коксе. Позднее реакция в этих условиях повторялась и было установлено, что в результате получается не только этилен, но и ряд других более сложных алкенов.

Тяжелые металлы подгруппы железа, особенно в присутствииокиси алюминия и магния, как под давлением, так и без давления способствуют образованию углеводородов сложного состава и разных рядов. В прямой связи с характером катализаторов находится и со­ отношение необходимых исходных веществ СО и Н 2. Если в качестве

21