CC BY
14
А.Е.ВОРОБЬЕВ, А.Д.ГЛАДУШ, Т.В.ЧЕКУШИНА
Российский университет дружбы народов
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ В ИСКУССТВЕННУЮ НЕФТЬ В ЛИТОСФЕРНЫХ РЕАКТОРАХ КАК ФАКТОР ПРЕОДОЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО И МИНЕРАЛЬНОГО КРИЗИСА
С ростом численности населения нашей планеты неуклонно возрастает и степень негативного воздействия на биосферу. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, все больше добывается полезных ископаемых, заготавливается растительной и животной продукции, используется природных вод для производственных, жилищно-бытовых и сельскохозяйственных целей (табл.1), вовлекается в сельскохозяйственный оборот мелиорированных земель, строится городов и населенных пунктов,
Период
Численность населения, млн чел.
Период
Численность населения, млн чел.
8000 лет до н.э.
Около 6 1950 год
3833
производственных помещений и т.д., с другой стороны, хозяйственная деятельность человечества неуклонно сопровождается ростом объемов различного рода отходов производства и городского коммунального хозяйства, которые существенно загрязняют природную среду. Например, такие компоненты как мусор, отходы и отбросы в мировом масштабе накапливаются в количестве более 2010 т в год.
Динамика численности населения земного шара:
I в н.э. 1000 год 1500 год
Около 255 Около 254 460
1990 год 2000 год 2025 год
5515
6061
8504
1800 год
954 2050 год
10019
1900 год 1633
Таблица 1
Динамика сброса сточных вод в поверхностные водоемы РФ
Показатели Годы
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Сброс сточных вод в целом
Абсолютный, м3 73,2 70,6 68,2 60,2 59,9 59,3 55,7
На единицу ВВП, м3/100$ 4,6 5,22 5,47 5,56 5,78 5,93 6,03
Сброс всех видов загрязненных сточных вод
Абсолютный, м3 28 27,1 27,2 24,6 24,5 23 22
На единицу ВВП, м3/$ 1,76 2 2,19 2,27 2,36 2,3 2,51
Сброс сточных вод без очистки
Абсолютный, м3 8,4 8,2 8,5 6,9 6,6 6,8 6,2
На единицу ВВП, м3/$ 0,53 0,61 0,68 0,64 0,64 0,68 0,67
Сброс недостаточно очищенных сточных вод
Абсолютный, м3 19,6 19 18,7 17,7 17,9 16,2 15,8
На единицу ВВП, м3/$ 1,23 1,4 1,5 1,63 1,73 1,62 1,75
Санкт-Петербург. 2007
Распределение потребляемой в мире энергии по видам топлива, %
Топливо 1995 г. 2000 г. 2010 г. (прогноз) 2020 г. (прогноз)
Нефть 38,3 38,2 37,0 35,7
Газ 29,1 29,2 29,6 28,7
Уголь 22,1 22,4 24,0 26,4
Другие виды 10,5 10,2 9,4 9,2
Всего 100,0 100,0 100,0 100,0
Завершившийся XX век отличался высочайшими темпами роста энергопотребления (табл.2). Однако обеспеченность мирового сообщества запасами нефти на 01.01.2000 г. составляла всего лишь 43 года. Поэтому уже сегодня целесообразны поиск и разработка принципиально новых стратегий освоения углеводородного сырья.
К настоящему времени А.Е.Воробьевым разработана научная концепция техногенного воспроизводства твердых рудных минеральных ресурсов (как на поверхности, так и в глубинах литосферы). Дальнейшее ее развитие предполагает изучение возможности, механизма и процессов контролируемого воспроизводства не только рудного сырья, но и нефти, которые отличаются от искусственного рудообразования (происходящего главным образом за счет перераспределения в массиве горных пород химических элементов - металлов) необходимостью первичного синтеза полезного компонента, а лишь затем - его миграции и концентрации.
В качестве основного источника для синтеза искусственной нефти предполагается использование отходов жизнедеятельности человеческой цивилизации, т.е. их полезная утилизация.
Авторами были исследованы и систематизированы основные факторы, определяющие синтез нефтеподобных соединений из органических веществ (ОВ) в специально сформированных для этого в литосфере реакторах (табл.3).
Нефтегенерационный потенциал в значительной мере контролируется первоначальным составом ОВ, который в свою оче-
редь определяется природой исходного живого вещества и особенностями его последующих превращений. Например, было установлено, что ОВ, обогащенное водородом, требует гораздо больших температур для своего преобразования.
Термодеструкционное разложение ОВ сапропелевой и гумусовой природы также принципиально различается по своей сущности. В сапропелевом ОВ (главным образом аморфной структуры) происходит быстрое термохимическое разложение всего объема в целом и его фрагменты (асфаль-тены и смолы) захватываются в подвижную битумоидную фракцию, а в гумусовом и лейптинито-гумусовом ОВ (представляющем структурированные биополимеры) отщепляются лишь отдельные периферийные фрагменты алкановой природы с последующей дегидратацией и уплотнением остаточного ОВ. В битумоид поступает незначительное количество смол и асфальтенов (главным образом, за счет сапропелевой примеси и отдельных лейптинитовых микрокомпонентов типа резинита).
В последние годы появилось значительное число экспериментальных работ, которые подтверждают высокий (в целом сопоставимый с сапропелевым ОВ) биту-могенерационный потенциал гумусового ОВ. Для последнего подтверждена тесная зависимость выхода нефти от мацерального состава и прямая - от содержания лейпти-нитовых микрокомпонентов, в том числе резинита, при термолизе которого выделяются легкие жидкие УВ (до Сх5).
Основные факторы, определяющие процессы синтеза нефтеподобных соединений в специально созданных в литосфере реакторах
Генетическая область факторов Основные факторы Аналитические и экспериментальные зависимости
Техногенная составляющая Динамика изменения величины городских стоков S ^ 10000 а 1000 s- 100 S 10 н к N jiiiii-1-1-( 0 35 350 3500 Стоки, млн т
Соотношение загрязнений в городских стоках ^—ит^ 42 0/0 Органические 58 % _ ^— вещества Неорганические вещества
Вид органического вещества Нефтеобразующий потенциал различных ОВ 1 80 "t 40 к S3 0 Й К и 1 - гуму 1 0 15 30 45 Время, сут совое ОВ; 2 - сапропелевое ОВ
Различия в выходе нефтеподобных соединений в зависимости от температуры воздействия о 600 ■ я- 400 -& ií 200 -& с 0 4 S £ 0 1 - гум 2 -1-1-1-1 20 40 60 80 Синтез нефти, % усовое ОВ; 2 - сапропелевое ОВ
Литосферная составляющая Динамика выхода синтезируемой нефти Температура, 0С 2 4 6 ООО о о о о о и-■-■-1 20 40 60 80 Объем синтезируемой нефти, %
Изменение содержания различных компонентов нефтей Величина тепловой обработки ОВ, С Содержание в нефтях, мг/т 1 - сера; 2 - асфальтены; 3 - смола; 4 - парафины
Выход легких фракций нефти в зависимости от температуры Температура, 0С 2 4 6 ООО о о о о 0 10 20 30 40 Облегченная фракция нефти, %
Окончание табл.3
Генетическая область факторов
Основные факторы
Аналитические и экспериментальные зависимости
Динамика изменения ароматических составляющих нефтей
tu 3
f э
я 2
н « !
£ g
< о
0 200 250 300 350 Тепловая обработка ОВ, °С
Влияние катализаторов на скорость нефтеобразования
Литосферная составляющая
1
0,5 0
Молибденовые Глины Без
соединения катализатора
Типы катализаторов
Влияние на выход нефти карбонатсодержащих пород
20 40 60 80 Содержание карбонатов, %
По уменьшению битумогенерационной способности гумусовые мацералы выстраиваются в следующий ряд: воски + пыльцевые компоненты ^ резинит ^ споринит + ку-тинит + суберинит ^ витринит ^ фюзинит.
Термобарное воздействие на ОВ ведет к увеличению доли битумоидов, а также алифатизации и уменьшению роли цикла-нов и аренов (особенно конденсированных) и монотонному приближению искусственных битумоидов по углеводородному составу к нефти. Последнее особенно четко выражается в постепенном выравнивании концентрации н-алканов с нечетным и четным числом атомов углерода в цепи, а также в новообразовании УВ бензиновых и керосиновых фракций.
К конечной стадии термобарного воздействия в синтезируемых битуминозных компонентах преобладают насыщенные УВ, в которых среди н-алканов доминируют соединения с нечетным числом атомов углерода в цепи, изоалканов мало, а среди цикланов преобладают конденсированные структуры.
Одним из значительных техногенных источников углеродсодержащих соединений, поступающих в окружающую среду (к тому же предполагающих обязательную утилизацию и обезвреживание), являются городские и промышленные стоки. Так, стоки в Москве состоят из 66 м3/с сточных вод городской канализации, сбрасываемых в р. Москву, и 5 м3/с сточных вод промышленных предприятий, поступающих в реку помимо общегородских сетей канализации.
Поверхностный сток с городских территорий, как правило, формируется за счет талых снеговых и дождевых вод, а также поливомоечных вод. По районам Москвы величина модуля поверхностного стока изменяется в пределах от 5,64 (Железнодорожный район) до 15 л/скм2 (Свердловский район). Наблюдается увеличение модуля стока от окраин города к центру. Средний для Москвы модуль поверхностного стока составляет 9 л/с-км2. Поверхностный сток с территории города не очищается от загрязнений и прямо попадает в природные водные объекты, неся с собой большое количе-
ство органических и взвешенных веществ, а также нефтепродуктов.
В целом по Москве в течение года с поверхностным стоком поступает 3840 т нефтепродуктов, 452080 т взвешенных веществ, 173280 т хлоридов и 18460 т органических веществ (по БПК).
В среднем миллионный город ежегодно в канализационную сеть и помимо нее сбрасывает до 350 млн т загрязненных сточных вод (включая ливневые и талые воды с промышленных площадок, городских свалок и стоянок автотранспорта). В этих стоках содержится около 36 тыс.т взвешенных веществ (в том числе фосфатов - 24 тыс.т, азота - 5 тыс.т, нефтепродуктов - до 5 тыс.т.). В частности, только общее количество осадка сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений России составляет свыше 10 млн т в год по сухому веществу. Из-за относительного однообразия хозяйственной деятельности человека состав бытовых сточных вод довольно-таки однотипен и устойчив (г/сутки):
БПКполн неосветленной жидкости 73
Взвешенные вещества 65
БПКполн осветленной жидкости 40 Хлориды 9 Аммонистые соли 8
Фосфаты (в расчете на Р2О5) 3,3
в том числе от моющих веществ 1,6
Поверхностно-активные вещества 2,5
Органические вещества в городских стоках находятся в виде белков, углеводов, жиров и других продуктов физиологической переработки.
Сравнительно с извержениями травоядных отбросы человеческого организма богаче (в пересчете на сухое вещество) азотом и фосфорной кислотой. Во-первых, это обусловлено тем, что пища человека значительно богаче белками, чем корм травоядных. Если, например, в пище животных (сене) содержится 1,5 % азота, то в пище человека его бывает от 2-3 % (зерна хлебов) до 15 % (мясо).
Во-вторых, пища людей лучше переваривается, а это значит, что большая ее часть
окисляется, превращается в воду и углекислый газ, следовательно, оставшаяся доля больше обогащается исходными элементами, чем в организме травоядных. В отходах жизнедеятельности людей содержится (соответственно в твердом и жидком соотояни-ях): азота 2 и 14 г, золы 4,5 и 14 г, фосфорной кислоты 1,35 и 1,78 г, оксида калия 0,64 и 2,29 г.
Превращение органического вещества в специально сформированных в литосфере реакторах в нефтеподобное соединение является сложным технологическим процессом, требующим насыщения исходного вещества водородом до 8-12 % (в зависимости от качества нефти).
Наиболее универсальным методом получения нефтеподобных продуктов из ОВ является гидрогенизация, т.е. воздействие молекулярным водородом под давлением при повышенной температуре с использованием определенных катализаторов.
При гидрогенизации происходят деструкция органических веществ и насыщение (гидрирование) их водородом с получением смеси жидких продуктов, фракционный и химический состав которых аналогичен природной нефти (за исключением повышенного содержания ароматических углеводородов и гетероатомных соединений). Для того, чтобы из органического вещества образовались нефть и нефтеподобные соединения, необходимо подвести дополнительную энергию.
В литосфере имеются все возможности для обеспечения процесса битумообразова-ния - это повышенные температура и давление, которые обычно связаны между собой и с недрами:
Глубина, м 1000 2000 3000 4000
Температура, °С 45 75 105 135
Глубина, м 5000 6000 7000 8000
Температура, °С 165 195 225 255
В специально сформированном в литосфере реакторе синтеза нефтеподобных соединений даже при относительно низких температурах (300-450 К) возбуждение ОВ может осуществляться переходом молекул
на близлежащие уровни энергии (вращательные, колебательные, уровни от внутренних вращений и межмолекулярных взаимодействий), в результате чего происходит частичное разрушение надмолекулярного строения ОВ, конформационные превращения, десорбция влаги и т.д.
Дальнейшее повышение температуры вызывает заселение вышележащих колебательных, а также электронных уровней ОВ, что приводит к многочисленным разрывам химических связей и интенсивному осуществлению термохимических реакций (структурные превращения, диспропорционирова-ние водорода и т.д.). При этом молекулярный водород ОВ, активированный радикалами и катализаторами, вступает в следующие реакции: стабилизации радикалов -продуктов деструкции; гидрирования ароматических колец; удаления гетероатомов; восстановления доноров водорода.
При генерации радикалов, бомбардирующих ОВ, происходит дополнительный разрыв связей в молекулах ОВ, отщепление и отъединение жидких и газообразных УВ, а молекулярная структура получает более упорядоченную структуру.
Следовательно, с накоплением ароматических структур резко увеличивается энергия межмолекулярных взаимодействий (соответственно и температура начала размягчения ОВ).
В ходе техногенного нефтеобразования общая направленность процесса энергетического воздействия на ОВ заключается в разделении углерода и водорода: в создании горючих веществ, максимально обогащенных водородом, с одной стороны, и веществ, максимально обогащенных углеродом, с другой.
Состав получаемых жидких продуктов гидрогенизации ОВ аналогичен тяжелым видам нефти. Однако имеются и их отличительные особенности - повышенное содержание кислородных соединений (в частности, фенолов), а также наличие в составе нефтеподобных продуктов нестабильных непредельных углеводородов и сернистых соединений.
На низких ступенях термобарного преобразования для рассеянного ОВ характерен бесструктурный тип. Для сапропелевого и гумусово-сапропелевого вещества в этих термодинамических параметрах типичны пониженная ароматичность, значительное содержание кислорода в различных химических формах, обедненность метиль-ными группами и длинными парафиновыми цепями.
По мере углубления термобарного преобразования, за счет исходных жирных кислот, восков и других соединений, богатых водородом, образуются тяжелые жидкие углеводороды. При этом увеличивается степень ассоциированности вещества и снижается количество гетероэлементов О, S), а также возрастает насыщенность циклических структур.
Для процесса целенаправленного преобразования геополимеров особенно важны средние уровни Р-Т-воздействия. В этих параметрах происходит максимальная потеря нереактивного кислорода (связанного не с функциональными группами, а с внутренней структурой преобразуемого органического вещества).
Потеря нереактивного кислорода свидетельствует о том, что кроме продолжающегося (при углублении термобарного воздействия) отщепления функциональных групп, обеспечивается разрыв внутренних кислородных связей между конденсированными группами в макромолекулах, а также поликонденсация отдельных структурных единиц преобразуемого органического вещества. При этом формируются вторичные макромолекулы, потерявшие при предшествующем разукрупнении часть углеводородов, но вновь обогащенные кислородсодержащими функциональными группами благодаря разрыву внутренних связей.
Таким образом, процесс термобарного преобразования весьма сложного органического вещества выражается в потере функциональных групп, а также уменьшении количества боковых углеводородных цепей и конденсации ароматических ядер с разрушением мостиковых связей.
Установлено, что чем выше уровень теплового воздействия, тем легче синтезируемая нефть и ее вязкость уменьшается при уменьшении среднего содержания серы, смол и асфальтенов.
Техногенный процесс синтеза нефти в специально подготовленных литосферных реакторах (как и природные процессы нефтеобразования) количественно определяется по параметру Г^. В частности,
значениям 435-465 ОС отвечает максимум нефтеобразования.
Еще одним главным фактором преобразования ОВ в специально сформированных в литосфере реакторах является воздействие повышенного давления. Давление обычно линейно изменяется с глубиной, приблизительно на гидравлический градиент, составляющий от 9,7 до 12,4 ат на каждые 100 м глубины горного массива. В результате этого в интервале глубин 1,3-3,5 км при Рлит ~ 1 кб и Г = 80-200 ОС процесс нефтегенерации протекает наиболее интенсивно.
По мере повышения геотемператур и давления происходит генерация все более легких продуктов термодеструкции ОВ.
Весьма важным фактором, обеспечивающим превращение органики в синтетическую нефть, является воздействие микроорганизмов.
Бактериальная флора на первоначальном этапе преобразования ОВ во многом определяет режимы соответствующих зон, существенно влияя на возникновение окислительных и восстановительных геохимических обстановок. В частности, в окислительной среде отмирающее белковое вещество под воздействием бактерий генерирует СО2, N2, NО2, тогда как в восстановительной обстановке образуются СО, КН3, Н^, Н2 и СН4, а также тяжелые предельные и непредельные газообразные углеводороды. Анаэробное бактериальное окисление ОВ имеет большую интенсивность для сапропелевого вещества по сравнению с гумусовым, обогащенным детритовым материалом.
При низкотемпературном воздействии на ОВ определяющими являются следующие химические процессы превращения биомолекул: гидролиз, гидратация, диспропорционирование водорода, полимеризация и поликонденсация. В этот период в фоссилизируемом ОВ происходит формирование не только газообразных, но и высокомолекулярных УВ (главным образом за счет переработки ОВ бактериями). Процессы декарбоксилирования жирных кислот ведут к новообразованию н-алканов, а диспропорционирование водорода непредельных соединений - к новообразованию нафтеновых структур, которые преобладают среди изоциклоали-фатических УВ.
Для развития последующих технологий техногенного воспроизводства нефти весьма важно и то, что воздействие микроорганизмов на стераны протекает селективно: в первую очередь окисляются сте-раны, имеющие 20R конфигурацию, т.е. биостераны.
Благодаря воздействию микроорганизмов зачастую происходит как разрушение, так и новообразование структур, отсутствующих в исходных нефтях. К числу таких углеводородов можно отнести: 25-норгопаны, Т-образные изопре-ноиды, изопреноиды типа «голова к голове» и прочие.
Алканы могут быть преобразованы монотерминально до формы спирта, причем первая ступень осуществляется благодаря ферменту оксигеназе, в результате чего кислород непосредственно включается в структуру молекулы до формы спирта, либо до формы кетона.
Кроме того, алканы атакуются микроорганизмами детерминально. Например, Pseudomonas aeruginosa может воздействовать на 2-метилкапроновую кислоту с обоих концов углеродной цепи, образуя смесь 5-метилкапроновой и 2-метилкапроновой кислот. Алканы могут быть также десатуриро-ваны терминально или субтерминально с образованием алкенов.
Компоненты систшыперфаспределашянефш
Рис.1. Роль вмещающих пород в процессе нефтеобразования
Микробному воздействию подвергаются также длина цепи алифатических углеводородов и ее боковые цепи. Например, некоторые бактерии, которые воздействуют на алканы с длиной цепи С8 - С20, не способны к атаке на алканы с длиной цепи С1 - С6, тогда как другие не могут расти на алканах с длиной цепи более С10. Известно, что грибы могут расти на алканах с длиной цепи до С34. Кроме этого, метальные и пропиль-ные группы в определенных положениях алканового углерода уменьшают или предотвращают утилизацию веществ микроорганизмами.
Алкены далее могут быть превращены в эпоксиды, которые затем включаются в метаболизм с образованием диолов.
В процессах техногенного нефтеобра-зования чрезвычайно важна роль вмещающих пород, которые могут являться как компонентами природного химического реактора, так и служить коллектором или антифильтрационным экраном (рис.1).
Одной из наиболее удачных геохимических характеристик вмещающего горного массива, как реактора нефтеобразования, служит отношение концентраций изопре-ноидов С19 : С20 - пристана к фитану. По величине этого отношения выделяются три основных типа обстановок преобразования ОВ в нефть - резко восстановительная (Ф < 0,6), восстановительная (Ф = 0,6-5) и слабоокислительная (Ф = 5-15).
Таким образом, содержание подвижной части синтезируемых углеводородов (битумоидов) зависит не только от типа исходного ОВ (гумусовый, сапропелевый и др.) и параметров Р-Т-обработки, но и от состава минеральной составляющей горных пород реактора. В частности, чем меньше в них нерастворимого в соляной кислоте остатка (кварцево-кремниевого, полевошпатового и глинистого материала), тем выше содержание синтезируемых битумоидов.
Повышенная карбонатность способствует возрастанию доли синтезируемых би-тумоидов в ОВ. Более того, карбонатность повышает также и степень восстановленно-сти синтезируемых битумов, т.е. содержание в них масляной углеводородной части.
Для ускорения процессов термодеструкции ОВ и синтеза из них техногенной нефти в качестве катализаторов могут быть применены (табл.4):
• d-переходные металлы и их ионные формы;
• оксиды, не имеющие в своем составе переходных элементов, но обладающие полупроводниковыми свойствами, управляемыми свободными электронами и дырками или одновременно теми и другими (концентрацию их изменяют путем внедрения в оксидную фазу легирующих примесей);
• вода;
• металлорганические комплексы, играющие в технологических процессах роль промежуточных соединений.
Классы гетерогенных катализаторов
Класс катализатора Примеры катализаторов Тип катализируемой реакции Примеры реакций
d-переходные ме- Fe, №, Р4 Pt Гидрирование, дегидрирование, Каталитическое преобразование
таллы окисление системы
Полупроводниковые оксиды V2O5, №О, СиО Окисление и восстановление Контактный процесс
Изоляторы (диэлектрики) А12О3, SiO2 Гидрирование, дегидрирование Получение этилена путем дегидрирования этанола
Кислотные катализаторы Природные глины (алюмосиликаты), Н^О4 Изомеризация, полимеризация, крекинг Крекинг углеводородов с длинной углеродной цепью
Кроме каталитических характеристик, в процессе техногенного воспроизводства нефти в глубинах литосферы весьма важны коллекторские свойства вмещающего горного массива.
На величину проницаемости прежде всего влияют структура и текстура горной породы, морфология и структура пустотного пространства, вещественный (минеральный) состав и количество цемента, лио-фильность или лиофобность (как горной породы в целом, так и цементирующего вещества).
Вследствие уменьшения свободного сечения пор (при увеличении водонасыщения пород) исходная проницаемость горного массива заметно снижается, а с увеличением медианного размера обломочного материала (за счет увеличения сечения каналов) проницаемость возрастает. Кроме этого, проницаемость характеризуется анизотропией, наиболее резко выраженной у терригенного коллектора и менее у карбонатного.
Емкостные свойства карбонатных пород определяются сложным сочетанием полостей различных типов (пор, каверн и трещин), отличающихся в основном геометрией и размерами.
Горные породы (слагаемые из них горные массивы) обладают и антифильтрационными свойствами.
Количественное определение величины проницаемости основано на законе линейной фильтрации Дарси:
к = 45 APS
где Q - расход флюида в единицу времени; р - вязкость флюида; Ь - длина пористой среды; АР - перепад давления; S - площадь фильтрации.
Например, эффективной покрышкой техногенных углеводородных залежей могут являться соли и ангидриты. Причем проницаемость последних (2 • 10-8 Мдарси) на два порядка ниже, чем у аргиллитов. Также установлено, что соли при повышении давлений и температур резко снижают исходную проницаемость, а в диапазоне давлений 280-350 кг/см2 и температур 28-32 ос (характерных для глубин 1200-1500 м) фильтрация газа через них практически полностью прекращается.
Тщательный учет рассматриваемых факторов возможного превращения ОВ позволил разработать базовую модель лито-сферного реактора синтеза нефти из угле-родсодержащих стоков (рис.2).
Формирование техногенных скоплений нефти определяется совокупностью происходящих процессов синтеза нефти в специально сформированных в литосфере реакторах, ее массового перемещения и аккумуляции в целенаправленно созданных ловушках.
По мере повышения температуры и давления одновременно реализуются два процесса:
• подключаются новые резервы угле-родсодержащих стоков (новые массы ОВ), способные к дальнейшему преобразованию;
• среди той части ОВ, которая уже перешла энергетический предел, нарастает до-
Углеродсодержащие стоки
Рис.2. Базовая модель литосферного реактора синтеза нефти
1 - ловушка УВ; 2 - газовая шапка; 3 - синтезированная нефть; 4 - фронт распространения синтезируемой нефти; 5 - движение флюидов; 6 - перфорированный трубопровод; 7 - вмещающие реактор горные породы; 8 - глины;
9 - наведенная трещиноватость; 10 - породы
ля молекулярных групп, реализовавших свой потенциал и отъединившихся от биополимера.
Количество нефтеобразующего вещества в искусственном реакторе, расположенном в литосфере, в единицу времени прямо пропорционально скорости подачи углерод-содержащих стоков (а) и обратно пропорционально скорости процесса (V) их переработки. Выделив в процессе формирования техногенных нефтяных месторождений интервалы времени Д£ с ускоренным развитием (а > 0) для каждого из них (с учетом мощности реактора, равной Д^) количество углеродсодержащего вещества, необходимого для нефтеобразования продукта, определим из уравнения
Хг ^гаг
——— = х &гаг.
Vг
Скорость процессов нефтеобразования при подаче в литосферный реактор углерод-содержащих стоков определяется по формуле
dv dt
— = f (V, С K„ K,
стр
T, Ргс, Рфл),
где V - объем углеродсодержащих стоков; Сорг - содержание углерода в стоках; К1 -тип ОВ; Т - температура; Кстр - структура
104 _
горных пород (степень открытости пустотных пространств); Ргс - давление геостатическое; Рфл - давление флюидов.
Таким образом, для эффективного нефтеобразования необходимо наличие техногенных стоков с содержанием Сорг не менее 1-0,5 %.
Температура на глубине h
Тк = То + Г^
где То - температура годовых амплитуд, °С; Г - геотермический градиент, °С/м.
Давление вышезалегающих пород рассчитывается по формуле
Ргс = Pgh,
где р, h - соответственно средняя плотность и мощность вышезалегающих пород; g -ускорение свободного падения.
Необходимо учитывать, что с ростом суммарной миграции углеводородов из зоны реактора давление монотонно падает.
Интенсивность нефтеобразования зависит от степени дисперсности органического вещества, проницаемости пласта, количества щелочных ионов (оказывающих промотирующее влияние при катализе на алюмосиликатах) и степени гидрогенизации органического вещества глубинным водородом.
В итоге удельные количества генерированных в специально созданный в литосфере реактор нефти и углеводородного газа можно вычислить по следующей формуле:
Рген = Сорг^р^х, К2К3, Т, КрРгс, Рфл,
где Сорг - концентрация ОВ; hp - мощность зоны реактора; К2 - коэффициент, характеризующий (в долях единицы) морфологию ОВ; К3 - коэффициент теплопроводности пород реактора; Кр - барический коэффициент.
Время вытеснения синтезируемой нефти из специально подготовленного в литосфере реактора
г =
SKíi
РТ
где Кп - пористость горного массива; S -площадь вытеснения; q - вязкость нефти; г -время полного прохождения порового объема углеводородов из реактора.
Таким образом, процессы техногенного нефтеобразования, являющиеся весьма сложными, зависят от множества факторов: количества, состава и формы распределения ОВ, структуры содержащих его горных пород, температур и давлений, строения горных массивов, степени их гидравлической изолированности и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев А.Е. Техногенное воспроизводство углеводородного сырья в литосфере: факторы, механизмы и перспективы / А.Е.Воробьев, Г.А.Балыхин, А.Д.Гладуш. М.: Изд-во «Учеба» МИСиС, 2003. 417 с.
2. Воробьев А.Е. Техногенное воспроизводство нефти и горючего газа в литосфере: концепция, принципы и механизмы / А.Е.Воробьев, Г.А.Балыхин, А.Д.Гладуш. М.: Изд-во «Учеба» МИСиС, 2005. 334 с.
3. Воробьев А.Е. Основы техногенного воспроизводства нефти, горючего газа и угля в литосфере / А.Е.Воробьев, Г.А.Балыхин, А.Д.Гладуш; РУДН. М., 2006. 334 с.
