Нефть

Итак, нефть. То, чем дышит цивилизация, и одновременно её порочное яблоко раздора. Что это? Откуда оно? Как динозавры стали жидкими? Давайте разбираться!

Глава 0. В целом

Нефть, по своей сути, - это суп из молекул углеводородов разной молекулярной массы, растворённых газов типа метана СН4, этана С2Н6 до тяжёлых парафинов (до С35Н72). Там есть и гетероатомные соединения, содержащие серу, азот и даже металлы. Что это нам даёт? Самое простое - топливо, которое можно сжигать и получать энергию. Принято считать, что килограмм нефтяного эквивалента даёт 11,63 киловатт-часов энергии. Для сравнения, лучшие литий-полимерные аккумуляторы на тот же килограмм дают до 0,430 кВт*ч, что есть несколько процентов от того, что мы можем извлечь из нефти. Именно поэтому мы все до сих пор ездим не на Теслах.

Но что ещё? Посмотрим вокруг: сейчас мы скорей всего сидим за комплюктером (или лежим с телефоном), корпус которого сделан из пластика, который запитан электроэнергией из мазута или газа. Возможно, кушаем печеньки с ванилином из полиэтиленовой упаковки, которые приехали к нам на фурах, работающих на солярке, на судах, использующих мазут. Чем пахнет? Духами из индола? Сидим в носочках из полиэстера на диване, набитом полеуретаном? На лакированном полу? Спим на подушке из холлофайбера. Мы моем посуду и тело средствами с ПАВ, кто-то даже красит губы парафиновой помадой. Ездим на работу по асфальтовым дорогам. Лечимся аспирином из фенола, мажемся салициловой кислотой на лицо от прыщей. Да из нефти можно даже еду делать.

Ну и как от неё избавится? Да никак. Пока что максимум, что нас ждёт - постепенный уход от использования её в качестве топлива и источника электроэнергии.

Откуда вообще всё это взялось?

Глава 1. Динозавры

Принято считать (теория органического происхождения), что нефть когда-то образовалась из остатков растений и животных. Откуда мы это знаем? В нефти находят некие биомаркеры, которые, по всеобщему консенсусу, не могут быть откуда-то ещё, кроме органических существ. Жили-были, значится, всякие бактерии, планктоны, водоросли и букашки (помним, что основная жизнь давным-давно была в основном в океане). Вся эта живность активно размножалась и на исходе жизни накапливалась на дне рек, озёр и окиянов. Затем всё это, не сгнив без кислорода, благополучно начинает постепенно уходить под землю. Происходит осадконакопление. Далее вступают в дело давление и температура, которая на глубине нескольких километров бывает и до нескольких сот градусов. Что имеем? Если условия благоприятные, органического материала много, всё это вместе образует кероген. Разные типы керогенов при различных условиях (которые называются нефтяным и газовым окнами) превращаются, собственно, в нефть и газ. Вот и всё!

По поводу динозавров, кстати. Говорят, что нефть нифига не из динозавров. Но лично я не вижу причин, по которой подбухнувший тиранозавр не мог попытаться переплыть речку, выпендриваясь перед симпатишной стегозаврихой, превратившись впоследствии в стотысячную долю процента в дизеле из бака Вастриковского бусика. Who knows.

Возникает вопрос: "А почему тогда нефть не повсюду? Если реки и озёра были везде, то и на каждой улице сейчас должна стоять нефтяная вышка-качалка?" Не совсем. Нужна ещё ВЕЗУЧЕСТЬ. Нефть и газ - они лёгкие и пытаются выйти наверх (миграция). В основном им это удаётся, кроме случаев, когда что-то мешает. Проблемой для них могут являться непроницаемые породы: глины, соли. Вообще, внутри земли что-то типа пирога со слоями. Эти слои называются пластами. Они представляют некий твёрдый "кирпич" из разных материалов. Видели кирпич? А пузырьки там замечали? Маленькие-маленькие? Кирпич-то пористый! Так вот, каждый пласт имеет свои свойства, главные из которых - та самая пористость (объём пузырьков в "каменной" породе) и проницаемость (насколько легко жидкости перебраться из одного пузырька в другой). Глины, например, вполне себе "пористые", т.е. могут набирать воду, но вот через себя эту воду пропускают очень и очень слабо (низкая проницаемость).

Если на пути нефти и газа встают такие непроницаемые породы, особой формы (самая "популярная" - антиклиналь) образуется залежь. Вот в этой залежи они и лежат, пока их не потревожат.

Глава 2. Дырки в земле

Что из себя представляет залежь? Озеро с нефтью? Если бы! Этот тот самый "кирпич", пропитанный нефтью, газом и водой. При чём тут вода? Вода, конечно же, есть везде. Все поры в породе должны быть чем-то заполнены, иначе бы они сломались под давлением. Это "что-то" - либо нефть, либо вода, либо газ. Нам интересны первый и последний, но от воды, к сожалению, никуда не деться. Проблема в том, что нефть в основном более вязкая, чем вода, т.е. тяжелее просачивается через поры (вот, например, есть такое месторождение - Ярегское - там нефть вообще по констистенции как пластилин, добывают её шахтным методом: натурально, в стене торчит крантик, открыл - потекло). Поэтому вода из скважины добывается более охотно, что увеличивает затраты на последующее её отделение.

Скважина - дырка в земле сложнейшее геотехническое сооружение, длина которой много больше её диаметра. Давайте поподробнее. Насколько больше? Есть такая скважина, пробуренная на Кольском полуострове в исследовательских целях. Так вот, её глубина 12262 метра. До сих пор самая глубокая. Но не самая длинная! Есть аж 15-километровая на Сахалине. Представьте себе обычную швейную иголку длиной 30 метров. Вот такие там пропорции! Как это делать-то вообще? Сложно, очень сложно. И не менее дорого. Вертикальная скважина глубиной 2км будет стоить около $1М, горизонтальная раз в 5 дороже. И это на суше. На море тоже бурят, там стоимость ещё умножай на три.

Стоп, а что за горизонтальные скважины? Дело в том, что в текущих реалиях, в большинстве своём, просто пробурить вертикально недостаточно. Нужно изъёбываться изгибать эту скважину, чтобы она "покрыла" наиболее лакомые кусочки залежи. Для этого применяют специальные механизмы, позволяющие в определённый момент "выйти на горизонт" и начать бурить уже в сторону, а не вниз.

Как это происходит? Как вообще понять, что где-то там внизу есть нефть? Для начала геолог путём чуйки и своего профессионализма с помощью спутниковых снимков и аэросъёмки определяет наиболее вероятное место залегания. Потом делают сейсморазведку. Ставят специальные датчики, взрывают закопанную взрывчатку. Акустические волны от взрыва уходят вглубь и отражаются от разных пластов по разному. Набор этих волн улавливается, в течение нескольких месяцев алгоритмами и этими вашими нейросетками обрабатываются терабайты полученных данных. В результате имеем приблизительную картинку, что там оно как вообще внизу, где нефть, где газ, где какие породы.

Затем на место ставят её величество буровую платформу. Там сидит буровик, который бурит. Сейчас всё автоматизированно: на долоте, вгрызающемся в землю, есть датчики, показывающие давление, уровень насыщения пласта водой-нефтью-газом, координаты долота. Пробурив скважину (или несколько, так тоже можно) буровая разбирается или встаёт на ножки и уходит бурить на другое место. Первая скважина на месторождении называется поисковая, разведывательная или, на американский манер, дикая кошечка (wildcat).

Потом в скважину в большинстве случаев спускают электроцентробежный насос и осваивают - ставят арматуру, убирают все каки, которые наследил в пласте буровик и пытаются получить то, зачем пришли - углеводороды. В результате большинство скважин выглядят следующим образом, а не как на картинках с вышками-качалками (на современные скважины их обычно уже не ставят):

Внизу начинает качать насос, понижая давление. Вода, нефть и газ начинают просачиваться через поры в скважину и потихоньку-понемножку выходить на поверхность. Чтоб внизу всё не провалилось (бывают даже мини-землетрясения из-за этого) и нефть бежала поскорее, в соседних скважинах, наоборот, закачивают воду или что-нибудь ещё. Потом всё это разделяют и отправляют на переработку. Начинается следующий этап!

Глава 3. Самогонный аппарат

Окей, нефть-газ добыли, от воды отделили, каждого по своей трубе отправили. Отправляют либо заграницу, либо на завод. На заводе в любом случае интереснее, давайте одним глазком посмотрим.
Для начала скучной теории.

Чтобы было немного веселее, упростим задачу и будем гнать самогон. Бражка, которую мы сделали, состоит в основном из воды и спирта, последний нам нетривиально интересен, значит, необходимо как-то его отделить. Температура кипения спирта - 78°С, воды - 100°С. Значит, при нагреве первым будет испаряться спирт, а потом вода. На практике же всё испаряется вместе (как-то же бельё сохнет при комнатной температуре), но с разной скоростью.

Соберём небольшой перегонный аппарат - кастрюля, змеевик с охлаждением. Что там происходит? Один раз испарили, один раз сконденсировали. Итого, из 10% концентрации спирта в браге мы получим около 40% раствор спирта в воде (кстати, не думали, почему большинство напитков крепкого алкоголя именно сорокаградусные?) . Бóльшую концентрацию сделать не получится (в теорию дальше углубляться не будем, просто не выйдет так). Качество разделения смеси, которое даёт одна перегонка, называют смешным словом теоретическая тарелка. Чтобы получить более концентрированный раствор, нужно залить 40% снова в кастрюлю и прогнать по второму разу. Тогда будет 60%. Качество разделения - две теоретических тарелки. Чтобы сделать концентрированный спирт, нужно около 10 таких тарелок. Заёбисто. Чтобы так долго всё не делать, придумали ректификационные колонны, где происходит сразу несколько перегонок одновременно. Там есть те самые тарелки, только уже не теоретические, а вполне себе материальные.

Эти тарелки располагаются друг над другом. На тарелках есть пимпочки-клапаны. В кастрюлю куб колонны подаётся перегретый спирто-водяной пар, который снизу вверх проходит через эти пимпочки и пробулькивает через жидкость спирт-вода, которая на тарелке лежит. Происходит тепломассообмен. Жидкость обогащается высококипящей фракцией (водой), пар же становится более спиртовым и идёт на следующую тарелку повыше, где пробулькивает ещё раз, и так далее. В результате с самой верхней тарелки мы можем сливать спирт, а с самой нижней - воду. Охуенно.

Нефть же сложнее браги. Там есть растворённые газы, есть бензиновая фракция, дизельная и прочие. У каждой - своя температура кипения. Каждую мы отбираем отдельно со своих тарелок, и пускаем их на дальнейшую переработку.

Такие колонны на больших НПЗ бывают до 10-20 метров в диаметре и до 100 метров в высоту! В их работе куча тонкостей. Из интересного - у каждой нефти свой состав, завод заточен только на свою, поэтому если туда начали поставлять другую нефть, то технологический режим каждой установки на заводе нужно менять.

Это - всего лишь первая и основная часть превращения нефти во всякие полезные ништяки. Вся нефтегазопереработка - огромная сфера для отдельного поста. После отделения каждая фракция проходит свои процессы. Прямогонный (напрямую с колонн АВТ) бензин, например, имеет октановое число 40-60, что не комильфо для бэх. Чтобы его повысить, туда добавляют всякие риформаты, изомеризаты и прочие алкилаты. Подробнее про это призываю написать @KonstantinVaraksin :)

Глава 4. Доколе

Ну так что, когда же нефть наконец закончится? Короткий ответ - никогда. Как я говорил, нефть образуется из остатков растений и животных под землёй. Растения и животные жили почти всегда, значит и нефть будет образовываться постоянно. Прямо сейчас в Западной Сибири под землёй сидит кероген (напомню - "незрелая" нефть) Баженовской свиты, способный превратиться в ~2 триллиона баррелей нефти, при этом доступные нефтяные запасы во всём мире оцениваются в 1.5 трлн. на 2021 год. Можем подождать пару миллионов лет, пока дозреет. Ещё есть всякие методы, чтобы этот процесс ускорить, внутрипластовое горение, например. Пока что не особо работает, конечно, но кто знает. А сколько таких месторождений ещё не найдено?

Давайте навалим графичков. На первом посмотрим, сколько лет пророчили нефти журналисты по годам, утверждая, что прям точно! Собрано с помощью гугла, используя материалы в поиске за определённую дату:

Интересно, прикольно. Теперь возьмём данные от ОПЕК. Поделим количество доказанных запасов нефти на годовое потребление в мире за каждый год, тем самым получим количество оставшихся лет использования нефти при текущем на тот момент потреблении:

Прикольно, интересно. Наблюдается некая закономерность вокруг магического числа 40 (или 42😱). Это либо заговор геологов, или действительно так получается, что пока что успевают находить примерно столько же, на сколько мы больше каждый год тратим. Надо ещё добавить, что на последнем графике в числителе доказанные запасы - это те, которые можно добыть экономически выгодно. В среднем, мы извлекаем около 30% от того, что находится в пласте-коллекторе (КИН - коэффициент извлечения нефти). Да! Выкачали, что выгодно, а две трети оставили, скважину закрыли на консервацию. Если поднатужиться, то можно вернуться и до 75% дойти, и эти 40 лет превратятся во все 100. А если очень-очень сильно припрёт?

Резюме

• Нефть? Замечательно
• Сможем перестать использовать? Пока нет. Даже если перестанем её сжигать
• Закончится? Вряд ли. На наш век точно хватит