Недопротухшая селёдка

Рассказ о столь популярных во всех современных дискуссиях сланцевом газе, сланцевой нефти, нефтеносных песках и горючем сланце (и это, заметьте, всё совершенно разные субстанции!) стоит начать опять-таки с азов. С классики. А именно - с ответа на простой вопрос - откуда всё-таки взялась на нашу голову эта вонючая, липкая красавица? Откуда появилась на нашей планете нефть?

При этом, как ни странно, единого и точного ответа на данный вопрос у науки нет и до сих пор. Половина нефти уже добыта, а откуда она появилась - тайна великая сиё есть. Однако, в рамках статистики, можно сказать, что большинство нефтяных месторождений на нашей планете образовались достаточно сходным образом и их образование укладывается в самую проработанную научную гипотезу образования нефти. Эта гипотеза, к сожалению, не может объяснить образование всех месторождений нефти, но спокойно и с высокой степенью доказательности и предсказательной силы объясняет возникновение их подавляющего числа. Если быть точно, то процентов эдак 95%. Это - биогенная теория образования нефти.

В чём суть биогенной теории? В начале было тёплое море. Ну - или большое озеро. Особой роли для дальнейшего процесса это не играет, важно, чтобы у живой материи, которая плавала в этом водоёме, был свободный доступ к воде - жизнь должна была рождаться, жить и умирать, плавая в самом универсальном растворителе на планете Земля.

На роль таких резервуаров идеально подходили и подходят тёплые мелководные моря. Сейчас таким резервуаром является тёплый Мексиканский залив. Именно там сейчас закладываются новые баррели современной нефти.

В прошлом самым крупным таким резервуаром был мезозойский океан Тетис. Вот он в меловом периоде:



А это он же - в палеогене:



Располагался океан Тетис между Евразией и Африкой, протянувшись на тысячи километров между Африкой и ещё не собравшейся в единое целое будущей Евразией. Персидский Залив, Каспийское и Чёрное, Аральское и Средиземное моря - это всё остатки былого великолепия Тетиса, его быстро погибающие, последние ошмётки.

Почему океан должен был быть тёплым и мелководным, для того, чтобы потом на его месте могла образоваться нефть? Ответ прост - в тёплой воде плохо растворяются все газы - в том числе и очень важный для окисления мёртвой органики кислород. То есть, органика в тёплой воде не может полностью разложится и окислиться кислородом, и захоранивается на дне водоёма в практически неизменённом виде.

В результате этого эпического, миллионолетнего процесса массовых погребений мельчайших одноклеточных существ - в основном одноклеточных водорослей и зоопланктона на дне водоёма образуется так называемый горючий сланец. Вот он сланец-красавец:



Согласитесь, что если это и похоже на нефть, то только цветом. По факту - это просто спрессованная глина.

В хороших сланцах органическая (то есть - горючая) часть породы составляет 50-70%, а в средних по качеству - так и вообще не более 30%. Большая часть органического вещества в сланце представляет из себя кероген - природный высокомолекулярный полимер. Молекулярная масса керогена обычно больше 1000 дальтон (а.е.м.), то есть он гораздо более массивен, чем молекулы битумов (300-500), соляра (150-200) или бензина (80-120). Это даже не битум или тяжёлая фракция нефти из предыдущей части рассказа, это практически твёрдоё вещество, при этом ещё и совершенно неравтворимое ни в воде, ни в органических растворителях, ни в большинстве из кислот или щелочей. При этом, кероген, как и нефть, по факту - это смесь веществ, поэтому правильнее говорить, что сланец содержит керогены и тяжёлые битума.

В лабораторных условиях, при нагревании керогена до 500-600 С, без присутствия кислорода, в результате термолиза он распадается на вещества, очень похожие на кокс (угольный остаток), битум, нефть и природный газ. Проблема в том, что для того, чтобы проделать такой фокус с керогеном, приходится его предварительно очистить от минеральных примесей, размолоть в пыль, добавить органический растворитель (бензол), катализатор, а потом ещё и греть такую смесь на протяжении нескольких часов. Удовольствие почуствовать себя Господом Богом, создающим запасы нефти из глины, конечно, тешит самолюбие, но одновременно облегчает кошелёк.

Природа же все эти операции делает для нас совершенно бесплатно - на глубинах в несколько километров горючий сланец, в процессе своего постепенного движения вниз, нагревается до температур около 150 С, при которых процессы, похожие на термолиз керогена в пробирке лаборатории, начинаются уже в самой сланцевой породе. В этом случае, такая порода из сланцевого конгломерата превращается в нефтематеринскую породу, то есть из неё начинает год с годом, столетие за столетием, миллион за миллионом лет потихоньку выдавливать наверх нефть, газоконденсат и природный газ. В результате этого процесса, конечно, отнюдь не весь кероген породы превращается в нефть - а лишь только малая его часть. Но природе наплевать на всякие там КПД процессов и "выход годного" - она просто делает своё дело.

Из описанного выше процесса, собственно говоря, и следует весь ажиотаж по-поводу того, что "сланец спасёт мир". Поскольку, как я сказал, практически все известные месторождения нефти и газа "в детстве" были горючими сланцами, практически под любым из крупных резервуаров нефти или газа можно найти мощный слой нефтематеринской породы, откуда, собственно говоря, данный нефтяной или газовый резервуар "напузырило". И, поскольку, по факту лишь небольшая часть керогена превращается в полноценные нефть или газ - в абсолютных цифрах запасы сланцевой нефти и сланцевого газа просто поражают воображение.

Кроме того, со многими сланцами природа ещё не успела как следует потрудиться - или нефть и газ по дороге наверх не встретили на своём пути ловушку песчаника или известняка. Такие сланцы тоже могут быть насыщены формирующимися нефтью и газом, но эти вещества тоже находятся там в "незрелом" и весьма рассеяном по сравнению с традиционными залежами - состоянии.

Что я подразумеваю, когда говорю о "незрелом" состоянии?

При термолизе органического вещества сланцев, кроме полезных для экономики вещей выделяется ещё много чего и откровенно бесполезного или вредного - H₂O (вода), H₂S (сероводород), CO₂ (углекислый газ). Воды и углекислого газа при процессах распада обычно выделяется гораздо больше, чем углеводородов и сероводорода.

Что происходит в стандартных месторождениях нефти и газа, расположенных в песчаниках и известняках? Такие месторождения - это ловушки на пути газа и нефти наверх. В таких полостях газ и нефть собираются из лежащих ниже сланцев, и происходит естественная дифференциация компонентов "первичного" бульона, образовавшегося в результатае термолиза керогена. Самая тяжёлая фракция - вода занимает нижнюю часть породы, нефть и газоконденсат плавают на водяном слое чуть выше, а лёгкий метан, этан и пропан собираются непосредственно под куполом нефтеносной породы. При этом вода попутно ещё и растворяет совершенно бесполезные для нас углекислый газ и сероводород.

Выглядит это обычно вот так (картинка модельная, для того, чтобы показать все типы месторождений):


1 - газ, 2 - нефть, 3 - песчаники, насыщенные водой, 4 - песчаники, 5 - известняки, 6-9 - глины различного состава

Сверху чисто нефтяное месторождение, посередине - нефтегазовое, внизу - чисто газовое.

Тип традиционного месторождения (нефтяное, газовое, нефтегазовое) обычно определяется совершенно не тем, какая нефтематеринская порода его породила. Гораздо большее значение имеет "крышка" месторождения - вышележащие слои, которые, собственно говоря и остановили неумолимое движение нефти или газа наверх. Иногда эти породы плохо пропускают нефть, но хорошо пропускают газ - тогда месторождение будет преимущественно нефтяным. Иногда нефть задерживается прямо над нефтематеринской породой - и тогда до верхнего коллектора сможет дойти только газ. Часто и нефть и газ образуют слоёный пирог во вмещающей породе.

Соответственно если мы говорим о добыче нефти и газа из первичных сланцев, то мы должны понимать, что газ или нефть, добываемые гидроразрывом сланцев - это, на самом деле - обсуждённые выше "незрелый газ" и "незрелая нефть". В них много водяных паров, углекислого газа, сероводорода. Метана в сланцевом газе будет относительно мало - обычно от 30 до 60%. Использовать такой газ можно только для отопления жилищ или электрогенерации на ДВС прямо на скважине. Сжижать или сжимать такой газ, особенно до магистральных давлений, будет себе дороже. Сланцевый газ месторождений Польши, к примеру, содержит всего 50% метана - остальное - негорючие и вредные фракции. Та же неприятная особенность присутствует и у сланцевой нефти - в её составе много природных битумов, большое количество серы и прочих неприятных примесей, унаследованных напрямую из нефтематеринской породы.

То есть - сланцевый газ и сланцевая нефть - это уже даже не "осетрина второй свежести". Это, скорее, "протухшая селёдка".

Точнее, если учитывать особенности образования нефти и газа - это селёдка "недопротухшая". То, на что природе требуется миллионы лет, человек пытается совершить за годы, а то и за месяцы.

Обсудить на странице автора