z. Б. ПЫРКИН, С. Н ОЛЕГОВ
О нефти и газе без формул
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА ШКОЛЬНИКА
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА ШКОЛЬНИКА
Е. Б. ПЫРКИН, С. Н. ОЛЕГОВ
О нефти и газе без формул
Ленинград «ХИМИЯ» Ленинградское отделение 1989
ББК 6П7.43
Ц 975
УДК 665.6/.7(023)
Рецензент д-р эконом, наук проф. В. Л. Клименко
Цыркин Е. Б., Олегов С. Н.
Ц 975 О нефти и газе без формул.—Л.: Химия, 1989.— 160 с.: ил.— (Научно-популярная библиотека школьника).
ISBN 5—7245—0352—2
В популярной и увлекательной форме рассказывается о значении нефти и газа в современном мире. Описаны способы их поиска и добычи, транспортировки, методы и направления переработки. Показаны роль нефти и газа в мировом энергетическом балансе, использование альтернативного сырья и энергоносителей и, наконец, будущее нефти и газа.
Для широкого круга читателей.
Издается по предложению книготорговых организаций.
4802020000—116 ц-----------------116—89
050(01)—89
ББК 6П7.43
ISBN 5—7245—0352—2
© Издательство «Химия», 1989
2
ВСТУПЛЕНИЕ
Что такое нефть, знают все. Мы проверяли: один смышленый гражданин, вышедший из ворот детского сада, доверчиво и серьезно объяснил нам, что «это такая грязь, которая горит». Люди постарше, конечно, знают больше. Они могут сказать, что нефть — одно из самых ценных полезных ископаемых на Земле; добывают ее при помощи скважин, которые бурят на суше и в море... Известно вам, конечно, что из нефти делают бензин, керосин, другие виды топлива и смазочные масла. Кто-то наверняка вспомнит слова Д. И. Менделеева: «Сжигать нефть — все равно, что топить печь ассигнациями...» И действительно, гораздо полезнее использовать ее как ценнейшее химическое сырье, из которого можно изготовлять всевозможные пластики, одежду, даже продукты питания...
А коль дела обстоят так, зачем писать еще одну книжку на эту тему?
Позвольте на вопрос ответить вопросом. Скажите, пожалуйста, какого цвета нефть?
— Ну, это все знают,— наверное, ответите вы.— Конечно, черного...
Ответ неверен. В Институте химии Сибирского отделения Академии наук СССР, например, вам могут показать коллекцию, которая удивляет даже специалистов. Нефть в пробирках — от ярко-красной до черной с синеватым отливом. Густота ее тоже разная: есть жидкая как вода, есть и настолько густая, что ее невозможно выкачивать насосами. Такую нефть добывают, как уголь — шахтным способом.
Да, нефть известна издавна. Говорят, еще строители Вавилонской башни использовали для скрепления кирпичей между собой «земляную смолу.» А это, да будет вам известно, не что иное как асфальт — вязкое, смолистое вещество, остающееся при выветривании нефти.
Применялся асфальт и при возведении Великой китайской стены, и при сооружении висячих садов Семирамиды, и при строительстве древнейших дамб на реке Евфрат...
Но откуда взялся асфальт, а значит и нефть в недрах Земли?
Ага, вы задумались, не торопитесь с ответом, как в прошлый раз. И правильно делаете. Потому что до сих пор еще не утихли окончательно споры на эту тему. Представьте себе, кандидаты и доктора наук, профессора и даже академики не могут четко и однозначно ответить, откуда взялась нефть на Земле. А значит, нет и окончательной ясности, что же такое нефть — эта «горючая маслянистая жидкость», как написано в энциклопедии.
3
А потому, видимо, есть все-таки смысл поговорить и о самой нефти и ее непременном спутнике — горючем газе — еще раз. Пусть мы с вами и не поставим окончательных точек над всеми i, но по крайней мере вы будете знать, какое это замечательное вещество — нефть, насколько она важна для народного хозяйства. А если кому-то по прочтении этой книжки захочется и самому стать нефтяником — нефтеразвед чиком, нефтедобытчиком или специалистом по нефтепереработке — мы, авторы, будем совершенно счастливы: значит, наш труд не пропал даром.
И последнее. Авторы вынуждены просить прощения у читателей— слукавили с названием. Формулы все-таки будут, но очень простые и немногочисленные.
Глава I
ДРОВА, УГОЛЬ ИЛИ НЕФТЬ?
— Топить надо дровами,— сказал лесник.— Леса подрастают, так что запас хоть отчасти, да пополняется...
— Интересно, как это вы с вашими дровами создадите в печи температуру в сотни, а тем более в тысячи градусов? — возразил металлург.— А без такого жара металл не выплавишь. Значит необходим уголь — кокс. Да и не хватит лесов на все наши нужды.
— Хотел бы я видеть,— вступил в разговор транспортник,— как вы будете топить дровами или углем автомобиль, трактор, тепловоз, а тем более самолет!.. Нет, для наших двигателей — внутреннего сгорания, газовых турбин — необходимо жидкое топливо...
Сознаемся честно: этот разговор мы придумали. Но он довольно точно определяет, какое топливо становилось главным в мире по мере развития цивилизации.
ОТ ПЕРЕМЕНЫ МЕСТ СЛАГАЕМЫХ...
Еще наши далекие пещерные предки обогревались у костров. Пламя служило также для освещения и для приготовления пищи. Огонь поддерживали дровами, и именно они, эти куски дерева, долгое время были основным видом топлива для человечества.
Правда, если уж быть дотошными, в безлесных местах издавна топили кизяком, а при случае бросали в огонь «горючие камни» — уголь и сланец. Имеются исторические сведения и о том, что в древности были попытки использовать и нефть. Так, например, известно, что и мидийцы и гирканы еще в 330 году до нашей эры заливали в светильники не масло (как почти весь античный мир), а нефть. Но все это, как говорится, было каплей в море — основным топливом оставалось дерево.
При помощи дров жители Земли решали многие проблемы: обогревались, готовили пищу, даже начали плавить металлы... (Правда, для этого дрова сначала превращали в древесный уголь.) Дерево играло столь важную роль в жизни общества, что в истории остались упоминания о «блуждающих» городах. Например, столица Эфиопии — Аддис-Абеба — в прошлые времена постоянно кочевала с места на место по мере того, как жители вырубали окрестные леса.
Но проходили столетия, людей на планете становилось все больше, а лесов — все меньше. И в XIX веке Англию — самую передовую промышленную страну того времени — постиг топливный кризис. Дров на острове перестало хватать для нужд
5
населения и промышленности. Нужно было срочно искать им замену.
Поиски, впрочем, были недолгими. О том, что прекрасно могут гореть также уголь и нефть, люди знали издавна. Мы об этом уже говорили. Правда, одно дело знать, а другое — использовать эти знания на практике. Ведь уголь и нефть надо искать, добывать. Да и топить ими тоже надо уметь. Скажем, уголь просто от спички, как хворост, не загорится. А обычные печи для нефти так и вообще не годятся.
Но нужда всему научит. В той же Англии, а затем и в других странах мира со временем научились топить углем еще лучше, чем дровами. Конечно, это вовсе не значило, что о дровах тотчас забыли. Они ведь нужны даже для того, чтобы разжечь уголь. А в тех местах, где лесов было в достатке, дрова по-прежнему широко использовались. Так, в России начала нашего века дрова давали более половины всей энергии, одну четвертую часть — уголь, шестую — нефть...
«Один сумасшедший предлагает освещать Лондон — чем бы вы думали? Представьте себе — дымом!..» — так писал Вальтер Скотт в письме одному из своих друзей, не подозревая, очевидно, что освещение дымом, а точнее газом, вполне возможно, и вслед за Лондоном газовые рожки появятся вскоре в Париже, Нью-Йорке, Берлине, Петербурге и Москве...
В те времена светильный газ получали переработкой каменного угля. Но уже в начале нашего века поняли, что тот газ, который выходит из недр Земли, горит ничуть не хуже. Лишнее тому доказательство — газовые плиты, стоящие во многих домах и по сей день. Об этом подробнее можно прочесть несколькими страницами далее.
И остается лишь удивляться недогадливости наших предков. Ведь они додумались до газового освещения и отопления лишь в начале XIX века, в то время как ходивший за три моря Афанасий Никитин еще в 1472 году рассказывал: «А яз пошел к Дербенте, а из Дербента к Баке, где огонь горит неугасимы...»
В 1910 году, как свидетельствует статистика, большую часть топлива в мире составлял уже уголь — 65%. За ним шли дрова и на последнем месте стояла нефть. Ее доля в мировом топливном балансе составляла всего 3%, а природный газ вообще не использовался.
Еще через четверть века доля каменного угля снизилась до половины, в то время как доля нефти в топливном балансе возросла до 15%. Во многих странах мира начали использовать и природный газ.
Еще более разительные перемены произошли в России. Уже в годы первых пятилеток молодая советская страна начала стремительно наращивать темпы угледобычи. «Хлебом промышленности» назвал уголь В. И. Ленин, и страна не хотела держать на голодном пайке свою развивающуюся индустрию. Ежегодно угольная промышленность давала прирост больше 10%. С 1930 по 1940 год добыча угля возросла в три раза: с 70 до 220 миллионов тонн в год! Подобные темпы сохранились и в первые послевоен-
6
ные годы. За пятилетку с 1950 по 1955 годы был достигнут прирост в 170 миллионов тонн.
И все же, невзирая на столь бурный рост угольной промышленности, она постепенно теряла лидирующее положение.
В 70-е годы первое место в топливном балансе уверенно заняла нефть—около 35%. Доля каменного угля снизилась до 30%. На третьем месте оказался природный газ — около 20%. Затем шли дрова—10%. Прочие источники энергии, в том числе электростанции на воде и на атомной энергии, давали всего около 5% энергии.
Наконец, в наши дни первые места занимают нефть и газ — они обеспечивают две трети топливного баланса. На третьем месте — уголь, далее — дрова и прочие.
Почему так получилось? Ведь угля и сегодня предостаточно: его разведанные запасы составляют 1075 миллиардов тонн — 87,5% всех топливных запасов планеты. А все дело в том, что нефть и газ удобнее в эксплуатации. Вот только один пример: уголь в топку бросали лопатами чумазые кочегары; жидкое же и газообразное топлива легко подавать при помощи насосов по трубам^ а жечь — форсунками и горелками.
Эти удобства особенно видны на транспорте. На сегодняшний день практически вся потребность в топливе судов и тепловозов, самолетов и автомобилей, тракторов и мотоциклов обеспечивается за счет нефти и газа.
И такая тенденция, по всей вероятности, сохранится до конца столетия. Потому что нефть с газом и горят лучше любого другого топлива. Так, при сгорании 1 кг нефти выделяется 46 тыс. кДж, при сгорании 1 м3 газа — около 38 тыс. кДж, в то время как 1 кг угля дает в лучшем случае только 29 тыс. кДж. Говоря другими словами, теплота сгорания нефти примерно в 1,5 раза выше, чем у угля, и в два с лишним раза превышает теплоту сгорания дров. И с этим тоже приходится считаться.
7
...Так что, как видите, в отличие от арифметики, в топливном балансе от перемены мест слагаемых общая картина может измениться разительно.
СИЛА «ЧЕРНОГО ЗОЛОТА»
А теперь давайте посмотрим, как нарастала сила нефти по мере развития цивилизации. И начнем мы наш экскурс в историю с греческого огня — напалма древности.
Летописцы рассказывали: во время осады крепостей греческими (византийскими) армиями, специальные люди метательной машиной запускали сосуды с таинственной смесью. Когда снаряд достигал цели, он разлетался на мелкие кусочки, и пламя распространялось сразу во многих направлениях. Загасить этот огонь водой не удавалось, так как основу смеси составляли смола и нефть (с добавлением жженой извести, селитры и серы). Поэтому смесь можно было разлить по поверхности воды. Когда флот арабов в 670 году осадил столицу Византии — город Константинополь, защитники города вылили в море огромное количество зажигательной смеси. Пламя охватило арабские корабли, и через несколько часов от флота остались лишь воспоминания.
Подобным же образом погибли под стенами Царьграда (того же Константинополя) ладьи князя Олега в начале X века. Об этом упоминается в летописи Нестора.
Тот, кто обладал таким оружием, получал большие военные преимущества, поэтому состав хранили в величайшем секрете.
Греческий огонь в деле...
(миниатюра из византийской хроники XI века)
8
Средневековая карикатура,
изображающая лечение нефзью
Тем не менее впоследствии рецепт стал известен и другим народам. Возможно, даже известное всем поражение князя Игоря в битве с половцами (XII век) произошло по вине греческого огня. Во всяком случае известный русский историк В. Н. Татищев писал:
«Хан Кончак имел мужа, умеющего стрелять огнем и зажигать грады...»
С начала XIV века, то есть с появлением огнестрельного оружия, упоминаний о греческом огне не встречается. (Хотя, к слову сказать, во время недавних войн во Вьетнаме и на Ближнем Востоке агрессоры не стеснялись пользоваться современным вариантом греческого огня, сбрасывая бомбы и ракеты с напалмом на головы мирного населения.)
По свидетельству Марко Поло, в XIII веке жители Баку применяли нефть для освещения и в медицинских целях. Вообще, о целительных свойствах нефти в древности и в средние века говорилось много. И не только в древности: в середине XVII века француз-миссионер патер Жозеф де ла Рош д’Альен из «черных вод», которые он обнаружил, путешествуя по Западной Пенсильвании, изготовил чудодейственный бальзам, некоторое время пользовавшийся в Европе большой популярностью. Да и в наши дни, в нашей стране существует курорт Нафталан, где больных лечат нафталанской нефтью.
9
В XVI—XVII веках о нефти пишут многие авторы не только в Европе, но и на Среднем и Ближнем Востоке, в Средней Азии. Нефть стала предметом торговли. В Россию, например, в этот период нефть везли бочками из Баку. Ее применяли для медицинских целей в качестве как наружного, так и внутреннего средства (считалось, что нефть особенно помогает при воспалительных процессах). Богомазы добавляли ее в краски как растворитель. (Кстати, тот же Жозеф де ла Рош д’Альен свидетельствует, что пресловутые «черные воды» индейцы добавляли в составы для раскрашивания лиц.) Пиротехники использовали ее для изготовления фейерверков — «негасимых ветром свечей», «светлых ядер», «потешных стрельб».
В коммерческих словарях того времени упоминается, что нефть привозили, например, в Марсель из Лангедока на юге Франции, Смирны (Турция), Алеппо (Сирия), причем объемы торговли по тем временам были значительные — около 50 000 бочек (т. е. до 4500 т в год).
Не обошлось и без курьезов. В России исследованиями нефти занимались уже давно. В 1748 году в лаборатории Берг-Коллегии в Москве перегонялась нефть, найденная на реке Ухте. Тем не менее, когда в 1840 году русский губернатор Баку направил в Санкт-Петербургскую Академию Наук бочки с пробами бакинской нефти для выяснения ее промышленного использования, ответ был весьма оригинальный: «Это вонючее вещество пригодно только для смазки колес у телеги». Такой ответ звучал тем более странно, что уже в 1823 году в районе г. Моздока крепостные братья Дубинины построили первый в России нефтеперегонный
Чертеж нефтеперегонного завода братьев Дубининых
10
завод. В перегонном кубе периодического действия из 40 ведер заливаемой нефти они получали 16 ведер перегнанной (подробнее об этом процессе см. в гл. V). В 1837 году в Грозном на заводе откупщика Швецова началась перегонка грозненской нефти. Предприимчивый купец уже в первый год работы отправил в Москву первую тысячу пудов перегнанной нефти. В эти же годы началось строительство бакинских нефтеперегонных заводов. Позднее, уже в 1860 году, там впервые была применена кислотно-щелочная очистка фотогена — той жидкости, которую заливали в лампы и которую позднее назвали осветительным керосином.
С появлением и совершенствованием паровых машин, а особенно двигателей внутреннего сгорания, счет пошел уже не на пуды и бочки. Началась «нефтяная лихорадка», погоня за нефтью во всех уголках Земли. Больше ста лет рост добычи нефти шел по экспоненте, каждые 10—20 лет объем ее удваивался.
Сильнее всего «лихорадило», пожалуй, на Западе США середины прошлого века.
«Единственный судья в этих местах — мой шестизарядный кольт...» — эти слова принадлежат полковнику Эдвину Дрейку — однофамильцу, а судя по хватке, возможно, и потомку знаменитого пирата. Во всяком случае, методы борьбы с противником у них были схожи...
Дрейк захватывал прииски в Пенсильвании. В других штатах и в иных странах мира орудовали такие же дельцы.
На нефти вырастали сказочные состояния. Так, год 1865 застал Джона Рокфеллера владельцем маленького нефтеперегонного заводика и керосиновой лавки. Через пять лет он был уже миллионером, еще через десять лет его состояние составляло уже 100 миллионов долларов, а новый век Рокфеллер встретил миллиардером.
Первая мировая война еще более усилила роль жидкого топлива. «Кто владеет нефтью — владеет миром»,— этот афоризм не случаен. Войска становились все более механизированными; в военных действиях чаще всего побеждал тот, на чьей стороне был перевес в технике, а не в живой силе. Недаром именно в кайзеровской Германии, которая к 1914 году оказалась отрезанной от нефтяных промыслов, начались исследовательские работы по производству синтетического бензина из угля. Но первые количества этого не очень-то высококачественного топлива были получены лишь в 1922—23 годах.
Дефицит нефти послужил одной из причин поражения войск кайзера. Во всяком случае, так расценили это заправилы третьего рейха. Готовясь к развязыванию второй мировой войны, они прежде всего постарались обеспечить себя запасом жидкого топлива.
В самом начале войны против СССР Гитлер поставил перед своими войсками задачу как можно скорее захватить нефтепромыслы Кавказа. «Если я не получу нефть Майкопа и Грозного, я проиграю эту кампанию»,— сказал он и, как показала история, не ошибся. Гитлеровцам, правда, удалось блокировать кавказские нефтепромыслы, но использовать их в своих целях они не смогли.
11
Они получили в свое распоряжение разрушенные вышки и скважины, восстановить которые им так и не удалось. Ни одна капля нефти Кавказа не попала в баки гитлеровских танков и самолетов!
Мы же к тому времени получили в свое распоряжение «второе Баку» — огромные залежи нефти между Уралом и Волгой.
СКОЛЬКО НЕФТИ В МИРЕ?
В современном обществе роль нефти возросла еще больше. Не только военная техника, но и мирный транспорт, электростанции, оборудование на заводах и фабриках, системы отопления — все это приводится в действие за счет нефти или газа.
Волей-неволей возникает некоторое беспокойство: «А хватит ли нефти на все нужды?» Беспокойство это усиливают воспоминания о нефтяном кризисе 70-х годов, когда миру вдруг перестало хватать нефти и газа. Взвинтились цены на бензин, дизельные топлива и другие нефтепродукты. В Японии, во многих странах Западной Европы и даже в США были введены различные энергетические ограничения.
Некоторые эксперты объяснили создавшееся положение так. «Чего же вы хотите? — говорили они.— Стремительное увеличение потребностей в энергетическом сырье привело к столь же быстрому росту добычи нефти и газа. Если, например, в 1920 году на планете добывалось 95 миллионов тонн нефти, то к началу второй мировой войны — уже около 300 миллионов тонн, а в 1950 году — 523 миллиона тонн. И так возрастание темпов немалое, а с начала
Динамика мировой добычи нефти в XX веке
12
60-х годов так и вообще произошел «взрыв» нефтедобычи. В 1960 году во всем мире было добыто уже 1052 миллиона тонн нефти, а в 1970 году — 2336 миллионов тонн! Кладовые же Земли не беспредельны...»
Однако такое объяснение, в общем-то, далеко от правды. Нет, все цифры, которые приводили специалисты, были точны — действительно во второй половине XX века темпы нефтедобычи стали расти, как в сказке. Но дело было не только и не столько в них.
Запасы нефти, выявленные специалистами к настоящему времени, составляют порядка 200 миллиардов тонн. Так что хватит и на наш век и потомкам. Перестало хватать ее на Западе по другой причине.
По капризу природы наибольшее количество «черного золота» сконцентрировано в недрах Аравийского полуострова. Здесь обнаружено более 50 миллиардов тонн нефти, причем лежит она на небольшой глубине, отличного качества, и большинство пробуренных скважин сразу же начинают фонтанировать. Словом, рай для нефтедобытчиков, да и только.
Наиболее богата нефтью Саудовская Аравия, на ее долю приходится чуть меньше половины всех запасов Аравийского полуострова. За ней идут Кувейт, Иран, Ирак, Объединенные Арабские Эмираты. Все это сравнительно небольшие страны, которые долгое время находились под контролем англо-американского капитала. Если где-то и объявлялся вдруг непослушный эмир, то в стране тут же организовывали государственный переворот или со строптивцем вдруг происходил «несчастный случай».
Но вот в 1960 году правительства Ближнего и Среднего Востока сумели объединиться, образовав организацию стран-экспортеров нефти — ОПЕК. В нее впоследствии вошли также и некоторые другие нефтедобывающие страны (Нигерия, Венесуэла, Индонезия) — всего в ОПЕК входят 14 стран. До 70-х годов это объединение никто всерьез не воспринимал. Один из западных нефтяных магнатов даже счел возможным пошутить: «Эти парни годятся только для гонок на верблюдах...»
А в 1970 году вдруг выяснилось, что «парни» способны и на гораздо более серьезные дела. Ливия выступила с требованием резко увеличить отчисления в свою пользу. А когда западные компании, добывавшие нефть в стране, заупрямились, правительство Ливии заявило, что на 25% снизит добычу нефти и полностью прекратит отгрузку за рубеж сжиженного газа.
Требования ливийцев поддержали правительства других стран-членов ОПЕК.
Полгода длилась борьба американских нефтяных компаний с правительством Ливии, и в конце концов нефтепромышленники были вынуждены уступить.
Страны ОПЕК почувствовали свою силу, и в 1971 году в Тегеране состоялись переговоры между ОПЕК и «семью сестрами»— крупнейшими нефтекомпаниями, которые вели разработки недр Аравийского полуострова. ОПЕК потребовала увеличить
13
подоходный налог в пользу стран-экспортеров, предъявила еще некоторые экономические требования. А когда компании хотели было припугнуть ближневосточников военной силой, те, в свою очередь, приняли ответные меры. Американцам было заявлено, что в случае военного вторжения все нефтепромыслы будут взорваны.
Такая тактика оказалась вполне успешной. Через 33 дня после начала переговоров американские нефтяные магнаты все-таки сдались.
В 1972 году был сделан следующий шаг по освобождению стран ОПЕК из-под власти иностранного капитала. В Ираке начала работать национальная нефтедобывающая компания, а несколько месяцев спустя было объявлено о национализации британской, американской и голландских компаний, ведших разработки в стране. Вслед за Ираком подобные перемены были произведены в Алжире и некоторых других странах-производителях нефти.
В результате таких событий перед капиталистическими странами и встала проблема топливного дефицита. Цены на нефть резко подскочили. В Соединенных Штатах, например, они повысились в 6—7 раз! Из-за нехватки горючего, как в США, так и в Западной Европе пришлось снизить число авиарейсов, резко сократились заказы на строительство танкеров, уменьшилось число выпускаемых автомобилей... Тогда и возникли разговоры о «нефтяном голоде».
Но имели ли они под собой реальную почву? Как оказалось, нет. Прежде всего виновниками недостачи топлива в США оказались все те же «семь сестер» — ведущие нефтекомпании страны. Потеряв некоторую долю барышей при добыче нефти, они тут же постарались вернуть потерянное при продаже. Взвинчивая цены на топливо, искусственно придерживая танкеры в море, замораживая запасы в нефтехранилищах бизнесмены от нефти в конце концов добились своего: в период с 1972 по 1974 годы, то есть в самый разгар нефтяного кризиса, их доходы возросли втрое!
Сразу скажем, что это увеличение цен на нефть оказалось лишь началом последующих событий. Скачка продолжилась после некоторого затишья, и в 1978—1979 годах справочные цены на нефть достигли потолка. Если в «благополучном» предкризисном 1972 году нефть в районе Персидского залива предлагалась по 25—30 долларов за тонну, то в 1979 году страны ОПЕК подняли цены до 250—300 долларов. Индекс роста цен довольно долго оставался на уровне 10!
Эти события были порождены политическими и экономическими причинами, имеющими достаточно давние и глубокие корни. Совершенно очевидно, что в течение долгих лет хозяйничания нефтяных монополий на Ближнем Востоке и в других нефтедобывающих регионах имел место самый классический грабеж. В самом деле, 25 долларов за тонну, то есть 2,2 цента за литр — это раз в десять дешевле прохладительных напитков. Нелепость, очевидный нонсенс! Не может невозобновляемый ресурс быть
14
дешевле возобновляемых — воды, сахара и прочих ингредиентов, из которых состоит кока-кола.
Однако и безудержная гонка цен ничего хорошего не дала ни странам-потребителям, ни производителям нефти. Началась галопирующая инфляция, подскочили цены на всё. Началась настоящая война цен. Джеймс Картер, бывший в конце 1970-х годов президентом США, провозгласил воинственный лозунг: бушель зерна за баррель нефти!* В результате нефтедобывающие страны, традиционно ввозящие продукты питания, вынуждены были тратить больше на приобретение продовольствия.
Еще круче были взвинчены цены на нефтепромысловое оборудование, которое производится в основном в США и в нескольких развитых странах Западной Европы. Был во время этой войны цен период, когда доход США от поставок за рубеж нефтяного оборудования достигал половины затрат на импорт нефти! Были и другие приметы экономического хаоса — различного рода торговые эмбарго, квоты на добычу и поставку нефти странами-членами ОПЕК, согласование уровней цен, а потом односторонние нарушения всех договоренностей и запретов. Доходило дело и до угроз, политического шантажа. Конечно, так не могло продолжаться долго. Мир един, хозяйственные связи существуют объективно, их нарушение не проходит безнаказанным. И если человечество сегодня не в состоянии прожить без нефти, то следует искать и находить взаимовыгодные или по крайней мере взаимоприемлемые решения спорных вопросов.
После 1981 года началось практически регулярное снижение мировых цен на нефть. И здесь не обошлось без скачков, но в целом процесс протекал относительно спокойно, без кризисов. К 1988 году цены стабилизировались на уровне 100 долларов за тонну с колебаниями в обе стороны 10—15%. Трудно быть пророком, но похоже, что в обозримый период не будет резких скачков ни в объемах потребления, ни в ценах на нефть. Нефтяной кризис многому научил мировое сообщество.
К благоприятным последствиям нефтяного кризиса, конечно, нужно отнести резкое ускорение работ по поиску и добыче нефти в Северном море. Норвегия и особенно Великобритания очень быстро перешли из разряда импортеров нефти в экспортеры. Тем самым они существенно изменили ситуацию на мировом нефтяном рынке, лишив монополии страны ОПЕК. Но самым главным результатом следует считать прогресс в мировом энергетическом хозяйстве. Началось быстрое совершенствование всех потребителей топлива и энергии — от крупных электростанций до транспортных двигателей. Экономия энергии превратилась в новый и очень мощный источник энергии. За десять лет примерно на 30% снизилась энергоемкость самой нефтеперерабатывающей промышленности, хотя глубина переработки возросла. В целом энергоемкость единицы валового национального продукта в США снизилась за 1973—1983 годы на 24%. За это же время среднего
* Американцы не только жидкие, но и сыпучие вещества часто измеряют в объемных единицах. Бушель — это 25,34 л, а баррель—159 л.
15
довое потребление бензина в 21 стране, входящей в Международное агентство по энергетике и производящей почти все количество автомобилей в западном мире, увеличилось лишь на 5,9%, а численность автомобильного парка возросла на 34,7%. В чем же дело? И автомобилей стало больше, и ездят не меньше (те же 18 000 км годового пробега на легковой автомобиль в США), а потребность в топливе практически не увеличилась. А это результат реализации тех резервов экономии, которые раньше вследствие дешевизны нефти оставались невостребованными. Ну кому придет в голову удорожать двигатель, чтобы сэкономить дешевый бензин? Иные резоны выдвигает разумное удорожание топлива.
Короче говоря, польза нефтяного шока в том, что все осознали уникальность и экономическое значение нефти как невозобновимого природного ресурса, осознали необходимость ее всемерной экономии. Второй урок — в понимании необходимости решать все международные нефтяные проблемы спокойно и конструктивно, в режиме не конфронтации, а диалога. И третье — стало меньше спекуляций в части ресурсов, запасов нефти, их распределения по регионам. Установлено, что при разумном хозяйствовании и даже при существующих темпах прироста разведанных запасов нет оснований для паники.
Нефти и газа хватит не только нам, но и многим последующим поколениям жителей Земли. И даже если они вдруг начнут испытывать ее недостаток, уже в настоящее время есть немало рецептов получения синтетических топлив. Их, оказывается, можно делать не только из угля, которого, как мы говорили, на планете несметное количество, но даже из... воздуха! Подробнее вы можете прочитать об этом в главе IX. А пока дальнейший разговор — о нефти натуральной.
Глава II
РАССКАЗ О ВЕЛИКОЙ ТАЙНЕ
Итак, что такое нефть и газ — всем известно. И в то же время даже специалисты не могут договориться между собой о том, как образуются нефтяные залежи. Такая ситуация покажется не столь уж странной, когда мы начинаем подробно знакомиться с «биографией» этого полезного ископаемого.
ПОРОДЫ ТВЕРДЫЕ, ЖИДКИЕ И ГАЗООБРАЗНЫЕ
В лучшем сорте угля — антраците, например, на углерод приходится 94%. Остальное достается водороду, кислороду и некоторым другим элементам.
Специалист, правда, непременно добавит, что чистого угля в природе практически не бывает: его пласты всегда засорены пустой породой, различными вкраплениями и включениями... Но в данном случае мы ведь говорим не о пластах, месторождениях, а лишь об угле как таковом.
В нефти содержится почти столько же углерода, сколько и в каменном угле — около 86%, а вот водорода побольше — 13% против 5—6% в угле. Зато кислорода в нефти совсем мало — всего 0,5%. Кроме того, в ней есть также азот, сера и другие минеральные вещества.
Такая общность по элементному составу, конечно, не могла пройти незамеченной для ученых. И потому нефть вместе с газом относят к тому же классу горных пород, что и уголь (антрацит, каменный и бурый), торф и сланцы, а именно — к классу каустобиолитов.
Это замысловатое слово составлено из трех греческих слов: kaustikos — жгучий, bios — жизнь и lithos — камень. Можете теперь перевести сами.
— Название не совсем точное,— возможно, заметите вы.— Как это к классу камней, пусть органического происхождения, пусть даже и горючих, можно отнести жидкую нефть, а тем более природный газ?...
Замечание вполне резонное. Однако, наверное, вы удивитесь еще больше, когда узнаете, что нефть специалисты относят к минералам (хотя латинское слово minera означает «руда»). Вместе с газом она относится к числу горючих полезных ископаемых. Так уж сложилось исторически, и не нам с вами эту классификацию менять. Просто давайте иметь в виду, что минералы бывают не только твердыми.
17
В химическом отношении нефть — сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы — тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато, соответственно, большее количество водорода и кислорода.
Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов— алканы, нафтены и арены.
Алканы (в литературе вы можете также столкнуться с названиями предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) химически наиболее устойчивы. Их общая формула Си Н2П+2. Если число атомов углерода в молекуле не более четырех, то при атмосферном давлении алканы будут газообразными. При 5 —16 атомах углерода это жидкости, а свыше — уже твердые вещества, парафины.
К нафтенам относят алициклические углеводороды состава СиГЬи, СиНгп-2 и СпН2и-4. В нефтях содержатся преимущественно циклопентан С5Н10, циклогексан СбН12 и их гомологи. И наконец, арены (ароматические углеводороды). Они значительно беднее водородом, соотношение углерод/водород в аренах самое высокое, намного выше, чем в нефти в целом. Содержание водорода в нефтях колеблется в широких пределах, но в среднем может быть принято на уровне 10—12%, тогда как содержание водорода в бензоле 7,7%. А что говорить о сложных полициклических соединениях, в ароматических кольцах которых много ненасыщенных связей углерод — углерод! Они составляют основу смол, асфальтенов и других предшественников кокса, и будучи крайне нестабильными, осложняют жизнь нефтепереработчикам.
Посмотрите, как устроены молекулы пентана С5Н12, циклогексана С6Н12 и бензола СбН6 — типичных представителей каждого из этих классов:
Н	Н	Н	Н	Н
I	I	I	I	I
н-с-с-с— с-с—н
I	I	I	I	I
н	н	н	н	н
пентан
циклогексан
Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть.
Асфальто-смолистая часть — темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворившуюся, понятно, смолой.
Порфирины — особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных.
Серы в нефти бывает довольно много — до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.
18
И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ. Об их использовании поговорим подробно в главе IX.
К сказанному, пожалуй, можно добавить, что и геологический сосед нефти — природный газ — тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего — до 95% по объему — в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутаны и другие алканы — от С5 и выше. Более тщательный анализ, проведенный в последние годы, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.
Использование природного газа началось давно, но осуществлялось поначалу лишь в местах его естественных выходов на поверхность. В Дагестане, Азербайджане, Иране и других восточных районах с незапамятных времен горели ритуальные «вечные огни», рядом с ними процветали за счет паломников храмы.
Позже отмечены случаи применения природного газа, получаемого из пробуренных скважин или из колодцев и шурфов, сооружаемых для разных целей. Еще в первом тысячелетии нашей эры в китайской провинции Сычуань при бурении скважин на соль было открыто газовое месторождение Цзылюцзынь. Практичные люди из Сычуаня довольно скоро научились использовать этот газ для выпаривания соли из рассола. Вот вам пример типично энергетического применения.
В течение многих столетий человек использовал такие подарки природы, но промышленным освоением эти случаи не назовешь. Лишь в середине XIX столетия природный газ становится технологическим топливом, и одним из первых примеров можно привести стекольное производство, организованное на базе месторождения Дагестанские Огни. Кстати, в настоящее время более 60% стекольного производства базируется на использовании в качестве технологического топлива именно природного газа.
Вообще говоря, преимущества газового топлива стали очевидны довольно давно, пожалуй, с момента появления промышленных процессов термической (без доступа воздуха) деструкции твердых топлив. Развитие металлургии привело к замене примитивных смолокурен коксовыми печами. Коксовому газу быстро нашлось бытовое применение — появились газовые рожки для освещения улиц и помещений. В 1798 году в Англии было устроено газовое освещение главного корпуса мануфактуры Джеймса Уатта, а в 1804 году образовалось первое общество газового освещения. В 1818 году газовые фонари осветили Париж. И очень скоро коксование стали применять для получения не столько металлургического кокса, сколько сначала светильного, а потом и бытового газа. Газификация быта стала синонимом прогресса, процессы газификации топлива совершенствовались, а получаемый газ стали все чаще называть «городским газом».
Интересно отметить, что совершенствование пирогенетической технологии шло по пути более полного использования топливного потенциала. При сухой перегонке типа коксования в газ переходит не более 30—40% теплоты топлива. При окислительной газифика-
2’
19
ции с добавлением кислорода, воздуха, водяного пара можно добиться перевода в газ до 70—80% и более потенциальной теплоты. Практически при газификации твердого топлива в зольном остатке органических соединений не остается.
Однако у газа, получаемого при окислительной газификации, теплота сгорания ниже, чем у газа при коксовании. Поэтому при производстве городского газа комбинировали процессы коксования с газификационными. Впоследствии, уже в нашем веке, появилась возможность повысить калорийность бытового газа, включив в схему газификации операцию каталитического метани-рования — превращения части оксида углерода и водорода, содержащихся в газе окислительной газификации, в метан. Тем самым удалось достичь необходимой для нормальной работы горелок теплоты сгорания получаемого бытового газа не менее 16,8 Мдж/м3 (4000 ккал/м3).
Итак, газ заменил другие виды топлива сначала для освещения, затем для приготовления пищи, отопления жилищ. Но почти столетие для этих целей использовался практически только искусственный газ, полученный из твердых топлив. А что же природный газ? Самый дешевый, самый удобный, самый доступный... Стоп! Вот в этом-то и загвоздка.
Дело в том, что всерьез стали искать и разрабатывать месторождения природного газа в 20-х годах нашего века. И лишь в 30-х годах техника бурения на большие глубины (до 3000 м и более) позволила обеспечить надежную сырьевую базу газовой промышленности.
Развитию новой отрасли помешала вторая мировая война. Тем не менее уже в 1944 году начались изыскательские работы по прокладке первого промышленного газопровода Саратов — Москва. Это был первенец, за которым в 50-х годах последовали Дашава — Киев, Шебелинка — Москва. В следующие десятилетия весь Советский Союз пересекли мощные трассы, по которым в настоящее время передаются огромные количества природного газа. Именно поэтому газ становится постепенно энергоносителем номер один для коммунально-бытовых нужд и промышленных энергетических установок. Доля природного газа превысила 60-процентный рубеж в энергетике производства цемента, стекла, керамики, других строительных материалов, приближается к 50% в металлургии и машиностроении. Применение природного газа в стационарных энергетических установках позволяет с учетом снижения расхода на собственные нужды электростанций увеличить их КПД на 6—7%, повысить производительность на 30% и более. Особенно эффективно применение природного газа на энергоустановках малой производительности, в первую очередь на так называемых пиковых мощностях. Там относительный эффект замены жидких и твердых топлив выше.
По перечисленным причинам мы наблюдаем постоянное увеличение доли природного газа в топливно-энергетическом балансе многих стран. Но вот что удивительно. Газификация твердых и жидких топлив по-прежнему развивается если не количественно, то качественно. Даже в таких благополучных по ресурсам 20
природного газа СССР и США, не говоря уж о Западной Европе, бедной с этой точки зрения.
В Советском Союзе на одной из ТЭЦ в районе г. Горький пущен и успешно эксплуатируется агрегат газификации мазута. Полученный искусственный высококалорийный газ очищается от серы и подается на энергоустановки электростанции. По существу это прообраз экологически чистой энергетики на базе сернистого топлива.
В США намечена и осуществляется большая программа строительства заводов по газификации угля с получением коммунально-бытового газа, так как в ряде мест это оказывается дешевле, чем создавать магистральную газификационную систему на базе дальнепривозного природного газа. С этих же позиций надо рассматривать и существование газовых заводов в Европе. Все определяется балансовыми и затратными соображениями. А для наиболее эффективного решения экономических проблем всегда нужно располагать достаточно широким набором технологий.
Ныне, на наше с вами счастье, горючий газ используется не только для отопления. Метан — отличное сырье для химической промышленности, из него делают многие вещи повседневного обихода.
Справедливости ради надо отметить, что при всех его достоинствах у метана довольно-таки «вспыльчивый характер». Встречаясь, например, в пустотах угольных пластов, он смешивается с кислородом воздуха, образуя рудничный газ. И порою бывает достаточно малейшей искры, чтобы произошел взрыв!
Метан образуется также в тех случаях, когда под водой разлагаются остатки органического вещества. Так, скажем, в болотах идут химические преобразования остатков деревьев и других растений. Образующийся при этом болотный газ (тот же метан) поднимается вверх пузырями, которые, громко лопаясь, могут испугать непривычного человека.
ДВЕ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ
Про уголь, вы, верно, уже знаете. Точка зрения на этот счет довольно устоявшаяся: он образовался (и продолжает образовываться) из остатков буйной вечнозеленой растительности, покрывавшей некогда всю планету, включая даже нынешние районы вечной мерзлоты, и занесенной сверху обычными горными породами, под воздействием давления недр и при недостатке кислорода.
Логично предположить, что и нефть была изготовлена по аналогичному рецепту на той же кухне природы. К XIX веку споры, в основном, сводились к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования нефти: остатки растений или животных?
Немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 °C и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные
21
углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.
Позднее, в 1919 году, академик Н. Д. Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения — сапропель — из озера Балхаш. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан...
Так опытным путем была, казалось бы, доказана теория органического происхождения нефти. Какие же тут могут быть еще сложности?...
Но с другой стороны, в 1866 году французский химик М. Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей точки зрения он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ.
Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества выступил с обстоятельным докладом Д. И. Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования нефти. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа, под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Так образуются газовые и нефтяные месторождения.
В своих рассуждениях Менделеев ссылался на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.
Правда, идеи «чистого химика» Менделеева поначалу не имели успеха у геологов, которые считали, что опыты, проведенные в лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе.
Однако неожиданно карбидная или, как ее еще называют, абиогенная теория о происхождении нефти получила новые доказательства — от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых оболочках комет встречаются соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики. Но ведь именно на этом предположении и построена теория Менделеева.
Итак, на сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна — биогенная. Согласно ей, нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория — абиогенная. Подробно разработал ее Д. И. Менделеев, предположивший, что нефть в природе может синтезироваться из неорганических соединений.
22
И хотя большинство геологов придерживается все-таки биогенной теории, отзвуки этих споров не затихли и по сей день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа... Словом, все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться.
Давайте посмотрим, какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез.
Но прежде несколько слов о строении Земли. Это поможет нам быстрее разобраться в логических построениях ученых. Упрощенно говоря, Земля представляет собой три сферы, расположенные внутри друг друга. Верхняя оболочка — это твердая земная кора. Глубже расположена мантия. И наконец, в самом центре — ядро. Такое разделение вещества, начавшееся 4,5 миллиарда лет тому назад, продолжается и по сей день. Между корой, мантией и ядром осуществляется интенсивный тепло- и массооб-мен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями— землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями материков...
ПАРАД НЕОРГАНИКОВ
Первые попытки объяснить происхождение нефти относятся еще ко временам античности. Сохранилось, например, высказывание древнегреческого ученого Страбона, жившего около 2000 лет тому назад: «В области аполлонийцев есть место под названием Нимфей,— писал он,— это скала, извергающая огонь, а под ней текут источники теплой воды и асфальта, вероятно, от сгорания асфальтовых глыб под землей...»
Страбон объединил в целое два факта: извержение вулканов и образование асфальтов (так он называл нефть). И... ошибся! В упомянутых им местах нет действующих вулканов. Не было их и двадцать столетий назад. То, что Страбон принял за извержения, на самом деле — выбросы, прорывы подземных вод (так называемые грязевые вулканы), сопровождающие выходы нефти и газа на поверхность. И в наши дни подобные явления можно наблюдать на Апшероне и Таманском полуострове.
Впрочем, несмотря на ошибку, в рассуждениях Страбона было здравое зерно — его толкование происхождения нефти имело под собой материалистическую почву. Эта линия прервалась надолго. Лишь в 1805 году, основываясь на собственных наблюдениях, сделанных в Венесуэле, на описаниях извержения Везувия, известный немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт снова возвращается к материалистической точке зрения. «... Мы не можем сомневаться в том,— пишет он,— что нефть представляет продукт
23
перегонки на громадных глубинах и происходит из примитивных горных пород, под которыми покоится энергия всех вулканических явлений».
Неорганическая теория происхождения нефти выкристаллизовывалась постепенно (вспомним, в частности, опыты Бертло), и к тому моменту, когда Менделеев выдвинул свою теорию карбидного происхождения нефти, неорганики накопили достаточно экспериментальных фактов и рассуждений. И последующие годы добавляли в их копилку новые сведения.
В 1877—1878 годах французские ученые, воздействуя соляной кислотой на зеркальный чугун и водяными парами на железо при белом калении, получили водород и значительное количество углеводородов, которые даже по запаху напоминали нефть.
Кроме вулканической гипотезы у сторонников абиогенного происхождения нефти есть еще и космическая. Геолог В. Д. Соколов в 1889 году высказал предположение, что в тот далекий период, когда вся наша планета еще представляла собой газовый сгусток, в составе этого газа присутствовали и углеводороды. (Помните, что в атмосфере некоторых планет были обнаружены соединения углерода с водородом.) По мере охлаждения раскаленного газа и перехода его в жидкую фазу, углеводороды постепенно растворялись в жидкой магме. Когда же из жидкой магмы стала образовываться твердая земная кора, она, согласно законам физики, уже не могла удержать в себе углеводороды. Они стали выделяться по трещинам в земной коре, поднимались в верхние ее слои, сгущаясь и образуя здесь скопления нефти и газа.
Уже в наше время обе гипотезы — вулканическая и космическая— были объединены в единое целое новосибирским исследователем В. Сальниковым. Он использовал предположение, что некогда у Земли кроме Луны был еще один спутник. Эта планетка, имевшая в своем составе большое количество углеводородов, находясь на чересчур низкой орбите, постепенно тормозилась о верхние слои атмосферы и в конце концов упала на Землю, как это происходит с искусственными спутниками. Резкий толчок активизировал вулканическую и горообразовательную деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла, мощнейшие грязевые потоки завалили принесенные из космоса углеводороды, похоронили их в глубоких недрах, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.
В качестве обоснования для своих выводов Сальников указывает на необычное расположение месторождений нефти и газа. Соединив между собой крупные зоны обнаруженных месторождений, он получил систему параллельных синусоидальных линий, которая, по его мнению, весьма напоминает проекции траекторий искусственных спутников Земли.
...Но мы чуточку забежали вперед. Наш рассказ о неорганических гипотезах образования нефти ни в коем случае нельзя будет считать полным, если мы забудем упомянуть известного ленинградского геолога-нефтяника Н. А. Кудрявцева. В 50-е годы он собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным и газовым месторождениям мира.
24
Прежде всего Кудрявцев обратил внимание на то, что многие месторождения нефти и газа обнаруживаются под зонами глубинных разломов земной коры. Сама по себе такая мысль не была новой: на это обстоятельство обратил внимание еще Д. И. Менделеев. Но Кудрявцев намного расширил географию применения таких выводов, глубже обосновал их.
Например, на севере Сибири, в районе так называемого Мархининского вала, очень часто встречаются выходы нефти на поверхность. На глубину двух километров все горные породы буквально пропитаны нефтью. В то же время, как показал анализ, количество углерода, образовавшегося одновременно с породой, чрезвычайно невелико — всего 0,02—0,4%. Но по мере удаления от вала количество пород, богатых органическими соединениями, возрастает, а вот количество нефти резко уменьшается.
На основании этих и других данных Кудрявцев утверждает, что нефтегазоносность Мархининского вала скорее всего связана не с органическим веществом, а с глубинным разломом, который и поставляет нефть из недр планеты.
Подобные же образования имеются в других регионах мира. Скажем, в штате Вайоминг (США) жители издавна отапливают дома кусками асфальта, который они берут в трещинах горных пород соседних Медных гор. Но сами по себе граниты, из которых состоят эти горы, не могут накапливать нефть и газ. Эти полезные ископаемые могут поступить только из земных глубин по образовавшимся трещинам.
Более того, найдены следы нефти в кимберлитовых трубках — тем самых, в которых природа осуществила синтез алмазов. Такие каналы взрывного разлома земной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы, могут оказаться вполне подходящим местом и для образования нефти и газа.
Обобщив эти и множество других фактов, Кудрявцев создал свою магматическую гипотезу происхождения нефти. В мантии Земли под давлением и при высокой температуре из углерода и водорода сначала образуются углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Они движутся в веществе мантии от области высокого к области низкого давления. А так как в зоне разломов перепад давлений особенно ощутим, углеводороды и направляются в первую очередь именно сюда. Поднимаясь в слои земной коры, углеводороды в менее нагретых зонах реагируют друг с другом и с водородом, образуя нефть. Затем образовавшаяся жидкость может перемещаться как вертикально, так и горизонтально по имеющимся в породе трещинам, скапливаясь в ловушках.
Исходя из этих теоретических представлений, Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается, и глубина бурения с каждым годом возрастает.
Незадолго до своей кончины, в одной из последних статей, посвященных неорганическому синтезу углеводородов, Кудрявцев писал: «Сторонники этой гипотезы, которых становится все больше, уверены, что именно за ней будущее...» И действительно,
25
в Ленинграде, Киеве, Львове образовались целые научные коллективы, продолжающие развитие идей своего учителя.
В середине 60-х годов удалось ответить на такой важный вопрос: «Почему столь «нежные» углеводородные соединения, из которых состоит нефть, не распадаются в недрах Земли на химические элементы при высокой температуре?» Действительно, такое разложение вполне можно наблюдать даже в школьной лаборатории. На подобных реакциях зиждется деструктивная переработка нефти. Оказалось, что в природе дело обстоит как раз наоборот — из простых соединений образуются сложные... Математическим моделированием химических реакций доказано, что подобный синтез вполне допустим, если к высоким температурам мы добавим еще и высокие давления. То и другое, как известно, в избытке имеется в земных недрах.
Интересную гипотезу выдвинула группа московских ученых из Всесоюзного научно-исследовательского института ядерной геологии и геофизики. Они рассматривают горные породы как твердую смесь, состоящую из зерен и пластин минералов. При подвижках земной коры во время землетрясений и других сейсмических процессов составные части породы трутся друг о друга, накапливая статическое электричество. При содействии этого электричества и протекают электрохимические реакции образования нефти.
AUDIATUR ЕТ ALTERA PARS
Для тех, кто недостаточно знает латынь, переведем заголовок; это юридическая формула, означающая: «Пусть будет выслушана и другая сторона».
В ученом споре, за которым мы следим, другая сторона — это адепты биогенной теории.
Хронология и историческая справедливость требуют упомянуть о бытовавшем в средние века мнении, что нефть образовалась в раю и представляет собой остатки той благодатной почвы, на которой некогда произрастали райские кущи.
На этом начальном уровне приходится признать превосходство «неоргаников» — рассуждения Страбона выглядят весьма солидно по сравнению с этой анекдотической «теорией».
Но биогенной теории придерживались многие серьезные отечественные и зарубежные ученые. Академик В. И. Вернадский, основоположник современной геохимии нефти, еще в начале века писал: «Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей.»
Чтобы не заниматься длинным перечислением имен и фактов, давайте предоставим слово на нашей заочной научной конференции сразу академику И. М. Губкину. В своей книге «Учение о нефти», впервые увидевшей свет в 1932 году, он наиболее обстоятельно и полно подвел научный итог тогдашней истории нефтяного и газового дела.
В качестве исходного вещества для образования нефти Губкин рассматривал уже знакомый нам сапропель — битуминозный ил
26
растительно-животного происхождения. В прибрежной полосе моря, где жизнь особенно активна, происходит сравнительно быстрое накапливание этих органических остатков. Через какое-то время они перекрываются более молодыми отложениями, которые предохраняют ил от окисления. Дальнейшие процессы идут уже без доступа кислорода под воздействием анаэробных бактерий.
По мере погружения пласта, обогащенного органическими остатками, под воздействием последующего наноса и тектонических перемещений в глубину, в нем возрастают температуры и давления. Эти процессы, которые впоследствии получили название катагенеза, и приводят в конце концов к преобразованию органики в нефть.
Взгляды Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее органического происхождения. В наше время многие ее положения расширены и дополнены. Так, скажем, долгое время считалось, что первоначальное накопление органических веществ обязательно должно идти в океане. Но, видимо, нефть может формироваться и в континентальной обстановке, ведь в болотах, озерах, реках достаточно органического вещества.
Детально рассмотрен и сам процесс формирования нефтяных месторождений. Выделяют пять основных стадий осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.
Первая стадия: в осадок, образующийся в море или в пресном водоеме, вносятся органические вещества с небольшим количеством углеводородов нефтяного ряда, синтезированных живыми организмами.
Вторая стадия: накопленный на дне осадок преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается. При этом часть вещества разлагается с выделением диоксида углерода, сероводорода, аммиака и метана. Словом, получается картина, частенько наблюдаемая на болотах.
Третья стадия: биохимические процессы постепенно затихают. Сравнительно небольшая температура земных недр на данной глубине (порядка 50° С) определяет и низкую скорость реакций. Концентрация битумов и нефтяных углеводородов возрастает слабо, в составе газовых компонентов преобладает диоксид углерода.
Четвертая стадия: осадок погружается на глубину 3—4 километров, окружающие температуры возрастают до 150° С. Происходит отгонка нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества в пласт. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь, образует промышленные залежи.
И наконец, пятая стадия: на глубине 4,5 километра и более при температурах свыше 180° С органическое вещество прекращает выделение нефти и продолжает генерировать лишь газ.
Кроме температуры и давления в природных процессах принимает участие и электричество. Член-корреспондент АН СССР А. А. Воробьев выдвинул предположение, что в развитии нашей
27
планеты немалую роль играли именно электрические процессы. По его мнению, горные породы обладают гораздо большими диэлектрическими свойствами, чем атмосфера. А если так, то грозы могут бушевать не только над, но и под землею!
В результате сильных электрических разрядов возникают частицы плазмы, которые обладают высокой химической активностью. Это обстоятельство, в свою очередь, создает предпосылки для протекания таких реакций, которые невозможны при обычных условиях. По мнению Воробьева, метан, выделяющийся из органических соединений, при воздействии подземного электрического разряда может подвергнуться частичному дегидрированию, то есть потерять некоторую долю водорода. В результате образуются свободные углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Соединяясь между собой, они образуют ацетилен, этилен и другие углеводороды, входящие в состав нефти.
Одним из основных механизмов электризации горных пород, согласно рассуждениям Воробьева, является трение в месте контакта горных пород при взаимном перемещении в ходе тектонических процессов. Таким образом, процессы трещинообра-зования в земной коре могут способствовать превращению механической энергии в электрическую.
И представьте себе, эти весьма неожиданные рассуждения нашли подтверждение в геологической практике! Еще в 1933 году было отмечено, что формы облаков в зонах разломов земной коры резко отличаются от облаков в тех местах, где трещин нет. Современные геофизические приборы указывают, что в приземном слое воздуха над зонами разломов земной коры увеличена электропроводимость.
Расскажем еще об одной интересной гипотезе. В соответствии с ней, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил поддвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказываться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков в зону поддвига жестких плит аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися жесткими деталями в различных технических устройствах и машинах.
Ну а дальше образовавшаяся нефть может подвергаться различным воздействиям. Например, под тяжестью литосферного выступа, наползающей с материка плиты углеводороды могут быть «выжаты» из осадочных пород и активно мигрировать в сторону от наддвига. Этим эффектом «горячего утюга» может быть объяснено формирование больших залежей нефти на сравнительно небольшой площади, как в районе Персидского залива.
В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей переработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.
Такая теория, учитывающая глобальную тектонику плит земной коры, оказалась весьма продуктивной и с практической точки
28
зрения. В США, к примеру, в последние годы начали бурить в так называемых поднаддвиговых зонах Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам их здесь быть не должно.
В 1980 году в штате Вайоминг поисковая скважина на глубине 1888 метров вошла в докембрийский фундамент, сложенный из гранита. Затем в скальных породах геонефтеразведчики прошли еще 2700 метров и обнаружили осадочные отложения мелового периода. Необъяснимое, казалось бы, чередование пород разного геологического возраста объяснялось весьма просто: на осадочные породы в свое время была надвинута плита гранита.
Бурение было продолжено, и на глубинах 5,5 километров разведчики обнаружили промышленные залежи газа. К настоящему времени в Скалистых горах ведется уже промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива! Месторождение уникальное!
В Советском Союзе также имеются поднаддвиговые зоны — в Карпатах, на Урале, Кавказе, в Сибири. Не исключено, что эти зоны былых геологических катаклизмов тоже таят богатейшие запасы нефти и газа.
СТОИТ ЛИ СПОРИТЬ?
Итак, как видите, обе точки зрения достаточно продуктивны, обе опираются не только на логические заключения, но и на реальные факты. Что же, надо спорить дальше? Вряд ли... Интересную точку зрения на этот счет высказывает известный советский геолог В. П. Гаврилов.
«Спор можно разрешить,— пишет он,— если проследить круговорот углерода в природе. Одним из первых, кто предпринял успешную попытку представить глобальный процесс круговорота углерода в природе, был В. И. Вернадский. Он считал, что углерод и его соединения, которые участвуют в строении нефти, газа, каменного угля и других пород, являются частью глобальной геохимической системы круговорота в земной коре...»
Что же, давайте проследим путь, который проделывают углерод и его соединения в природе.
Наиболее распространенным из таких соединений является диоксид углерода. Масса этого вещества в атмосфере оценивается астрономической цифрой 4-1011 тонн! В процессе выветривания и фотосинтеза ежегодно из атмосферы поглощается более 8-108 тонн СОг. Если бы не было механизма кругооборота, то за несколько тысяч лет углерод полностью исчез бы из атмосферы, оказался «захороненным» в горных породах. По современным оценкам, масса диоксида углерода, «спрятанного» в горных породах, примерно в 500 раз превышает его запасы в атмосфере.
Еще одним переносчиком углерода является метан. Его в атмосфере тоже немало — около 5109 тонн. Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далее в космическое пространство. Кроме того, метан расходуется и в результате фотохимических реакций. Продолжительность существования молекулы метана в атмосфере в среднем составляет 5 лет.
29
Следовательно, чтобы пополнить его запасы, в атмосферу ежегодно должно поступать около 109 тонн метана из подземных запасов. И он, действительно, поступает в виде метанового испарения или, как говорил Вернадский, «газового дыхания Земли».
Если ограничиться традиционными рамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океана и биомассы исчерпался бы в довольно короткий срок — за 50—100 тысяч лет. Однако этого не происходит. Почему? Приходится допустить, что запасы углерода на поверхности планеты непрерывно пополняются. Основными источниками поступления углерода ученые считают космос и мантию Земли.
Космическое пространство поставляет нам углерод вместе с метеоритным веществом. Точнее будет сказать: поставляло. В настоящее время поступление космического углерода на планету незначительно — всего 10 10 от общего количества ежегодно «складируемого» в процессе осадконакопления. Но, как полагают многие специалисты, так было далеко не всегда: в прошлые геологические эпохи количество метеоритов и космической пыли было намного больше.
Второй и на сегодняшний день основной поставщик углерода — мантия планеты, причем не только во время извержений вулканов, как считалось ранее, но и при дегазации недр, за счет уже упоминавшегося газового дыхания планеты. Поскольку и здесь углеродные запасы не безграничны, то они, естественно, должны как-то пополняться. И такой механизм пополнения исправно действует и по сей день. Это затягивание осадков океанической коры в мантию при надвигании плит друг на друга.
Таков широкий взгляд на круговорот углерода в природе. Он должен примирить органиков и неоргаников. В самом деле: органики считают, что углерод при образовании нефти обязательно должен пройти через живой организм. И это, скорее всего, действительно так. Исследования, выполненные межпланетными автоматическими станциями, показывают, что на Венере и Марсе достаточное количество оксида и диоксида углерода, а вот углеводородных газов не обнаружено — по всей вероятности потому, что на этих планетах отсутствует биосфера и земной цикл превращения углерода в углеводороды там невозможен.
Правы и неорганики: ведь сами по себе все органические вещества, составляющие жизненные циклы, когда-то образовались из неорганических. Пока, правда, нет полной ясности, как именно это произошло, но в конце концов наука это узнает.
И стало быть, в практических поисках нефти и газа надо использовать весь арсенал теорий и гипотез, которыми располагает современная наука, не ограничивать свой взгляд какими-то искусственными шорами. И тогда успех придет. Придет обязательно! Как сказал, выступая на XXVII Международном геологическом конгрессе в Москве известный американский геолог М. Хэлбути: «Я твердо убежден, что в будущем мы откроем в глобальном масштабе столько же нефти и значительно больше газа, чем открыто сегодня. Я полагаю также, что нас ограничивает только недостаток воображения, решительности и технология.»
30
Глава III
КЛЮЧИ К ПОДЗЕМНЫМ КЛАДОВЫМ
В предыдущей главе мы уже начали разговор о том, где именно надо искать залежи нефти и газа. Теперь пришла пора рассказать об этом подробно.
На поиски полезных ископаемых в нашей стране расходуется ежегодно около 3 миллиардов рублей, причем примерно половина этой суммы приходится на разведку нефти и газа. Такие колоссальные затраты вызваны во многом тем обстоятельством, что месторождения нефти и газа большей частью никак не проявляют себя на поверхности Земли. И все-таки нефтеразведчики их находят. Каким образом?
«МЕТОД дикой кошки»
На заре развития нефтяной промышленности поиск месторождений нефти и газа велся по существу вслепую. В США, например, в те годы возник даже специальный термин — «метод дикой кошки»: искали по чутью, иногда шарахаясь в сторону, как это делает вспугнутая кошка.
Вот как английский геолог К. Крэг описывал закладку скважины:
«Для выбора места съехались заведующие бурением и управляющие промыслами и сообща определили ту площадь, в пределах которой должна быть заложена скважина. Однако с обычной в таких случаях осторожностью никто не решался указать ту точку, где следовало начинать бурение. Тогда один из присутствующих, отличавшийся большой смелостью, сказал, указывая на кружившую над ними ворону:
— Господа, если вам все равно, давайте начнем бурить там, где сядет эта ворона...
Предложение было принято. Скважина оказалась необыкновенно удачной. Но если бы ворона пролетела на сотню ярдов дальше к востоку, то встретить нефть не было бы никакой надежды...»
А в России в середине прошлого века продавался прибор — угадыватель нефти системы Менсфилда. Он состоял из стрелки и шкалы, которые устанавливались на деревянном колу, втыкаемом в землю. По мысли изобретателя, близкое залегание нефти должно было вызывать отклонение стрелки, которая будто бы реагировала на протекание электрического тока между землей и атмосферой. Идея сама по себе была здравой, но вот надежность
31
самого прибора... О ней достаточно красноречиво говорит тот факт, что проверка устройства до его покупки не разрешалась.
Впрочем, справедливости ради надо сказать, что большинство исследователей все-таки уповало не на слепую удачу или на чудо-приборы, а на элементарный здравый смысл. В 70-е годы прошлого столетия скважины чаще всего закладывались там, где нефть выступала на поверхность земли. «Раз уж она показывается на поверхности,— рассуждали поисковики,— то она наверняка есть и в глубине...»
Правда, и здравый смысл мог иногда подвести. В особенности, если лужа нефти оказывалась следствием ее небрежной транспортировки или если ее «создавали» нарочно.
В конце прошлого века был разработан еще один перспективный способ поиска. Скважины стали закладывать на «нефтяной линии», то есть на прямой, соединяющей две скважины, уже дающие нефть. Ход рассуждений при этом был прост. Если скважины А и Б дают нефть, то, вполне возможно, будет продуктивной и скважина В, расположенная между ними.
Наблюдательные люди стали присматриваться и к геологическим условиям района, в котором расположены наиболее удачные скважины. Скажем, для районов Северного Кавказа—Майкопа, Грозного, Баку — направление нефтяных линий принималось параллельным направлению Главного Кавказского хребта. А когда в США однажды пробурили очень удачную скважину в низине, возникло правило, распространившееся затем по всему миру: скважины надо закладывать в низинах. Дескать, нефть, как жидкость, стекает именно сюда.
Однако вслед за этим кто-то случайно обнаружил нефть, пробурив скважину на склоне холма, и правило тут же поменялось на противоположное — искать нефть надо на возвышенности...
Таким методом (теперь его называют методом проб и ошибок, а в просторечии — методом «тыка»), конечно, невозможно было руководствоваться долго: слишком дорого обходилась каждая ошибка. Ведь закладка скважины обходилась в десятки, а то и сотни тысяч рублей или долларов. Нефтепромышленники все чаще стали обращаться за помощью к геологам, умеющим по косвенным признакам, видимым на поверхности, угадывать, какое именно строение имеют в данном районе недра.
О ЛОВУШКАХ
Прежде всего нужно было выяснить, при каких именно геологических условиях может образоваться залежь — скопление нефти и газа в горных породах.
И опять-таки на помощь специалистам пришел здравый смысл. Это, оказывается, не такая уж плохая штука, если им умело распорядиться. А такое умение, говоря словами нобелевского лауреата А. Сент-Дьерди, заключается в том, чтобы «видеть то, что видели все, и думать так, как не думал никто.»
32
Геологи стали размышлять: сочетание каких природных условий способно привести к скоплению нефти? Прежде всего, в районе должны иметься так называемые коллекторы — горные породы, способные впитывать, а потом и отдавать жидкости и газы.
Среди каких пород искать коллекторы?
Надо сказать, что к тому времени все горные породы были уже поделены на три большие группы: осадочные, магматические и метаморфические.
Осадочные — как говорит уже само их название — образовались из осадка, опускавшегося когда-то на дно моря. Иногда, правда, подобные процессы могут наблюдаться и на суше: скажем, ветер может переносить мелкий песок и пыль на значительные расстояния и осаждать его за сотни, а то и тысячи километров от мест первоначального образования. К таким породам относятся пески и песчаники, глины, известняки, доломиты и некоторые другие.
Вторая группа — магматические породы. И тут название подсказывает, что к этой группе относятся породы, образовавшиеся из магмы. Остывая, выброшенная вулканами магма превращалась в граниты, базальты, порфириты...
Наконец, третья группа — породы, которые при своем рождении претерпели метаморфозы преобразования. Они могли образоваться как из осадочных, так и из магматических пород под воздействием подземных высоких температур и давлений. К метаморфическим породам относятся сланцы, мрамор, яшмы и ДР-
Как вы сами теперь понимаете, нефть имеет смысл искать прежде всего среди осадочных пород. Именно они обладают наилучшими коллекторскими свойствами.
Правда, коллектор коллектору тоже рознь. Со временем их стали различать по пористости, то есть суммарному объему всех пор в данной породе, и по проницаемости — способности пропускать сквозь себя жидкость или газ. В принципе пористость и проницаемость — взаимозависящие величины.
Но в природе бывают и трещиноватые коллекторы: порода сама по себе имеет мало пор — она достаточна плотна, зато покрыта сетью трещин, которые связаны в единую сеть и могут создавать каналы протяженностью в десятки километров. Скажем, какая-то порода обычно обладает плохими коллекторскими свойствами, но если она пронизана сетью макро- и микротрещин, то вполне может стать хранилищем нефти.
Впрочем, если бы вся толща осадочных пород состояла только из коллекторов, вряд ли в них могла образоваться сколько-нибудь крупная залежь. Ведь коллекторы не только накапливают, но с той же легкостью и отдают накопленное. Нефть и газ уходили бы наверх, к земной поверхности и испарялись, не успев сконцентрироваться в месторождение.
Следовательно, необходимо еще одно условие образования залежи — сверху она должна быть прикрыта каким-нибудь плотным экраном, то есть слоем пород, непроницаемых для нефти и
3 — Цыркин
33
«Слоеный пирог»—идеальное сочетание коллекторов (обозначены точками) и покрышек (заштрихованы)
Антиклинальный и и иб:
1 — коллекторы. 2— покрышки. ?— нефть
газа. Такими породами-покрышками обычно бывают глины, каменная соль или известняки, если они не пронизаны трещинами.
И наконец, для полноты счастья необходимо, чтобы в данном районе присутствовала антиклиналь. Так геологи называют изгиб пласта, направленного выпуклостью вверх. Под ним, словно в ловушке, скапливаются запасы нефти и газа.
Антиклинали очень часто образуются при пластическом течении каменной соли. В каком-то месте чересчур сдавили вышележащие горные породы. Снизу соляной пласт тоже подпирают твердые породы. И вот в поисках выхода из создавшихся тисков соляной пласт начинает смещаться в сторону. И в том месте, где сверху давление ослабевает, соль тут же устремляется вверх, образуя антиклинальную складку.
К антиклинальным ловушкам относится подавляющее большинство обнаруженных месторождений нефти и газа в мире — почти 90% в нашей стране и около 70% за рубежом. Размеры залежей могут быть весьма различны: от небольших — порядка 5 километров в длину и 2—Зв ширину, с высотой 50—70 метров, до гигантских — на сотни километров в длину, десятки в ширину и высотой в сотни метров. Скажем, одно из крупнейших в мире месторождение Гхавар в Саудовской Аравии имеет размеры 225x25x0,4 километра!
Встречаются и ловушки других типов. Например, тектонические экраны возникают при разрыве пластов во время тектонических подвижек. Вместе с антиклиналями их относят к ловушкам структурного типа (образовавшимся при изменении структуры земных недр).
Еще одна разновидность ловушки — солянокупольная (диапировая) складка:
I—соляной пласт. 2— нефть
34
Ловушка — тектонический экран Она образовалась в результате сдвига слоев земной коры
Погребенный риф
Кроме них изредка встречаются ловушки и неструктурного типа. Характерный пример такой ловушки — погребенные рифы. Когда-то, в иные геологические эпохи, это в самом деле были рифы на дне первобытного моря. Но со временем они были перекрыты более поздними непроницаемыми породами (на рисунке заштрихованы), оказались в глубинах Земли и стали ловушками для нефти и газа (зачернены), поскольку коралловый риф представляет собой цепь холмов или даже гор из пористого известняка (показан «кирпичиками»), в которых могут быть даже пещеры-каверн ы.
Размеры таких горных цепей могут быть достаточно внушительны. Правда, самые крупные месторождения, связанные с
Схема клина-ловушки:
I — коллекторные породы, 2— песчаник, 3 — непроницаемые породы, 4—каналы миграции 5—нефть
3*
35
подземными рифами, которые к сегодняшнему дню обнаружены в Мексике, имеют протяженность всего около 200 километров при ширине 2—3 километра, но кто знает, какие новости преподнесут нам геологи завтра? Ведь далеко еще не все тайны подземных кладовых раскрыты...
Ну и полноты ради надо, видимо, сказать несколько слов о ловушках неструктурного типа, которые образуются в результате литологического выклинивания. В толще Земли слои горных пород могут размещаться под разными углами. И вот когда два горных пласта встречаются, при стыковке может образоваться клин-ловушка, заполненный коллекторными породами.
Иногда такие залежи образуются по руслам погребенных рек. Подобные месторождения за их вид острые на язык американцы окрестили «шнурками для ботинок».
Надо добавить, что все сказанное о коллекторах, ловушках, погребенных рифах, антиклиналях относится не только к материковым месторождениям, но и к морскому дну, в первую очередь к шельфу Мирового океана. Именно здесь в последние годы сделаны сенсационные геологические открытия. Они-то и стали основой новой отрасли промышленности — морской добычи ^нефти и газа. Но об этом подробнее мы расскажем в своем месте.
РАЗВЕДЧИКИ ВЫХОДЯТ В ПОЛЕ
Конечно, мы с вами перебрали далеко не все известные науке типы ловушек, не все способы их образования. Но и этих сведений достаточно, чтобы понять простую мысль: на поиски подземных кладовых должен отправляться человек, вооруженный знаниями о строении Земли.
Уже в первом десятилетии нашего века никто не рисковал бурить разведочную скважину без предварительного геологического обоснования. Так наряду с нефтедобытчиками появилась новая профессия — нефтеразведчик.
Большинство крупных нефтедобывающих фирм и концернов обзавелись собственными геологическими службами или всякий раз обращались за помощью к геологам-консультантам. Широкое распространение получила геологическая съемка. Человек с молотком и рюкзаком проходил по местности, собирал образцы горных пород, описывал характерные выходы горных пластов на поверхность... А потом на основании полученных данных составлялась геологическая карта района, позволявшая судить не только о поверхностном рельефе местности, но и о характере залегания горных пластов под ней.
И результаты не замедлили сказаться. Если раньше нефть давала в лучшем случае одна скважина из 10 или даже из 20, то из скважин, пробуренных с учетом геологических предсказаний, в США, к примеру, оказались продуктивными 85%!
Авторитет геологов возрос настолько, что всякий уважающий себя американец обязательно консультировался со специалистом при покупке земельного участка. И это было далеко не лишним: землевладельцы частенько пускались на разного рода махинации,
36
чтобы повысить цену земли. Например, на глазах у покупателя из скважины начинали качать нефть, маслянистые пятна встречались по всей территории... И лишь опытный глаз специалиста мог определить, что эти пятна сделаны специально, а нефть в скважину налита накануне.
И в наши дни, несмотря на развитие новых методов геологической разведки, полевая работа геологов не потеряла своего практического значения. Из года в год каждую весну в разные концы планеты отправляются геологические экспедиции. В поисках полезных ископаемых они «прочесывают» пядь за пядью самые отдаленные уголки.
Впрочем, и здесь бывают исключения. Новые месторождения могут быть открыты и там, где, казалось, и искать нечего. Недавно было установлено, что большое нефтяное месторождение находится под (в буквальном смысле!) Парижем — столицей Франции! И сейчас ведется подготовка к добыче нефти на городских площадях и улицах.
Но такие случаи, конечно, редки. Чаще геологи отправляются все-таки, «в поле». Так по традиции называется выезд в необжитую местность, хотя «полем» может оказаться и тайга, и тундра, и пустыня...
День за днем выходят геологи на маршруты, тщательно изучают горные породы, выходящие на поверхность, окаменевшие остатки доисторических животных и растений, копают шурфы и расчищают поисковые канавы, чтобы виднее было строение пластов. Работа эта не только романтичная, но и очень трудная. Хлеб романтики часто оказывается черным: только со стороны кажется, что ночевать в палатках, обедать у костра — очень веселое занятие. Одно дело — выход на природу, на пикник, на день-два, от силы на неделю, и совсем другое — жить такой жизнью долгие месяцы. И не просто жить, а напряженно работать, переносить большие физические нагрузки.
Но такая работа очень нужна стране. Ведь на основании собранных данных, по результатам последующей камеральной обработки, геологи составляют геологическую карту, на которой отмечаются все возможные районы залегания полезных ископаемых. Затем, как это часто бывает, по следам геолога-первопроходца идут люди многих других специальностей — буровики и дорожники, монтажники и промысловики... В безлюдном месте вырастает лес вышек, поселок, а то и город.
«МНЕ СВЕРХУ ВИДНО ВСЕ...»
«Лицом к лицу лица не увидать — большое видится на расстоянии»,— сказал поэт и попал, что называется, в самую точку. Уже первые космические полеты показали: поднявшись ввысь на несколько сотен километров удается увидеть то, чего мы никогда не можем разглядеть у себя под ногами — строение земных недр, обычно скрытых под покровом почвы, под верхними рыхлыми слоями.
37
Какую пользу это может принести народному хозяйству, говорит хотя бы такой факт. Летчик-космонавт СССР Олег Макаров, выезжая на встречу с жителями Салехарда, прихватил с собой в качестве сувенира фотографию окрестностей этого города, снятую с борта космического корабля «Союз-22». Встреча прошла успешно, но когда Макаров преподнес хозяевам свой подарок, прозвучал неожиданный вопрос:
— Сколько стоит этот снимок?
Макаров удивился:
— Нисколько. Это подарок.
Однако спрашивающий (это был один из салехардских геологов) не унимался:
— А фотографию можно дешифровать?
— Да,— ответил Макаров.— Если хотите, можно точно установить, когда и при каких обстоятельствах она была сделана...
Тут геолог облегченно вздохнул и улыбнулся:
— Спасибо. Вы только что подарили нашему городу двадцать миллионов рублей!...
Именно в эту сумму обошлись бы аэрофотосъемка и последующая дешифровка фотографий данного района, которую геологи только собирались начать.
Сейчас ведется своеобразная «инвентаризация» природных ресурсов различных районов нашей страны, и космонавты принимают активное участие в этой большой работе. Для таких целей используется «этажерка» снимков, то есть кадры, сделанные на поверхности, с самолетов, с космических кораблей и станций. На искусственных спутниках, орбитальных станциях устанавливаются специализированные телефотокамеры. Скажем, космическая фотокамера МКФ-6М имеет шесть объективов, которые дают возможность одновременного получения шести снимков одного участка поверхности. Для чего это нужно? Каждый объектив прикрыт светофильтром определенного цвета. Таким образом, поверхность Земли оказывается сфотографированной сразу в нескольких диапазонах излучения. А это очень удобно, потому что различные почвы, виды растительности, здания и другие объекты обнаруживают весьма характерное поглощение, и по спектрам можно не только узнать, какие здесь почвы, оценить глубину и прозрачность водоемов, но и определить сейсмичность региона и особенности залегания глубинных слоев земных недр.
Совмещая негативы одного и того же района, сделанные в разных спектральных участках, в разных комбинациях, используя для печати разноцветные фильтры, удается получать фотоснимки, на которых отчетливо видно то, что никогда не заметишь невооруженным глазом.
ГЕОЛОГАМ ПОМОГАЕТ ФИЗИКА
Конечно, и полевая, и космическая съемка помогают специалистам узнать много нового о подземном строении горных пород. Но этих знаний зачастую все же оказывается недостаточно, чтобы с достаточной долей уверенности судить, есть здесь нефть
38
Схема сейсмической разведки:
/ — приемная система, 2 — передающая система (источник колебаний)
или нет? Чтобы «прощупать» недра получше, используют геофизические методы поиска полезных ископаемых.
Геофизики словно бы видят сквозь землю на глубину 5—6 километров. Как им это удается?.. В какой-то мере геофизические методы исследования недр можно сравнить с рентгеновским просвечиванием человеческого тела, а точнее — с недавно появившейся ультразвуковой диагностикой. В тело Земли запускают пучок колебаний и по отражению волн от слоев горной породы судят о геологическом строении данного района.
В настоящее время используются четыре основных геофизических метода: сейсмический, гравиметрический, магнитный и электрический. Рассмотрим их по порядку.
Сейсморазведка основана на изучении особенностей распространения упругих колебаний в земной коре. Упругие колебания (или, как их еще называют, сейсмические волны) чаще всего вызываются искусственным путем.
Сейсмические волны распространяются в горных породах со скоростью от 2 до 8 км/с — поистине космические скорости! — в зависимости от плотности породы: чем она выше, тем больше скорость распространения волны.
На границе раздела двух сред с различной плотностью часть упругих колебаний отражается и возвращается к поверхности Земли. Другая же часть преломляется, одолевает границу раздела
39
и уходит в недра глубже — до новой поверхности раздела. И так до тех пор, пока окончательно не затухнут.
Отраженные сейсмические волны, достигнув земной поверхности, улавливаются специальными приемниками и записываются на самописцы. Расшифровав графики, сейсморазведчики устанавливают потом границы залегания тех или иных пород. По этим данным строят карты подземного рельефа.
Такой метод отраженных волн был предложен советским геологом В. С. Воюцким в 1923 году и получил широкое распространение во всем мире. В настоящее время, наряду с этим методом, используют также и корреляционный метод преломленных волн. Он основан на регистрации преломленных волн, образующихся при падении упругой волны на границу раздела под некоторым, заранее рассчитанным критическим углом. Используются я практике сейсморазведочных работ и другие способы.
До последних лет в качестве источника упругих колебаний чаще всего использовали взрывы. Теперь их заменили вибраторы.
Вибратор можно установить на грузовик и за рабочий день обследовать достаточно большой район. Кроме того, вибратор позволяет работать в густонаселенных районах. Взрывы бы наверняка потревожили жителей близлежащих домов, а вибрации можно подобрать такой частоты, что они не воспринимаются человеческим ухом.
Единственный недостаток этого способа — малая глубина исследований, не более 2—3 километров. Поэтому для более глубинных исследований применяют преобразователь взрывной энергии. Источником волн здесь по существу остается тот же взрыв. Но происходит он уже не в почве, как раньше, а в специальной взрывной камере. Взрывной импульс передается на грунт через стальную плиту, а вместо взрывчатки часто используют смесь пропана с кислородом. Все это, конечно, позволяет намного ускорить процесс зондирования недр.
Еще один резерв ускорения — использование вычислительной техники. Дело в том, что для повышения надежности и точности прогнозирования имеет смысл проводить зондирование данного района неоднократно. Записи отраженных волн затем суммируют и усредняют. В последнее время такие записи все чаще делают на магнитной ленте, которую затем вводят в ЭВМ, и вычислительная машина проводит все вычисления, причем обработка может вестись даже в полевых условиях.
Гравиметрический метод основан на изучении изменения силы тяжести в том или ином районе. Оказывается, если под поверхностью почвы находится горная порода малой плотности, например каменная соль, то и земное тяготение здесь несколько уменьшается. А вот плотные горные породы, такие, как, например, базальт или гранит, напротив, увеличивают силу тяжести.
Эти изменения и улавливает специальный прибор — гравиметр. Один из его простейших вариантов — грузик, подвешенный на пружине. Тяготение увеличивается — пружина растягивается; это фиксируется указателем на шкале. Тяготение уменьшается, пружина соответственно сокращается.
40
Ну, а каким образом на земное тяготение влияют залежи нефти и газа? Нефть легче воды, и породы, насыщенные нефтью или ее непременным спутником — газом, имеют меньшую плотность, чем если бы в них помещалась вода. И это, естественно, отмечает гравиметр.
Правда, подобные гравитационные аномалии могут быть вызваны и другими причинами, например залеганием пластов каменной соли, как мы уже говорили. Поэтому гравиразведку обычно дополняют магниторазведкой.
Наша планета, как известно, представляет собой огромный магнит, вокруг которого расположено магнитное поле. И на это поле могут эффективно влиять среди всего прочего и горные породы, залегающие в данном районе. Быть может, вы слышали или читали, как месторождения железной руды бывали открыты вследствие того, что пилоты пролетавших здесь самолетов удивлялись странному поведению магнитной стрелки?.. Ныне этот принцип используется и для поисков других видов полезных ископаемых, в том числе нефти и газа.
Дело в том, что в нефти очень часто содержатся примеси металлов. И, конечно, присутствие металла ощущается, правда не «магнитной стрелкой», а современными высокочувствительными приборами — магнитометрами. Они позволяют прощупать земные недра на глубину до 7 километров.
Еще один геофизический метод поиска полезных ископаемых— электроразведка — разработан в 1923 году во Франции и находит применение по сей день. Собственно, это разновидность магнитной разведки с той лишь разницей, что фиксируются изменения не магнитного, а электрического поля.
Поскольку естественное электрическое поле на Земле практически отсутствует, то его создают искусственно, при помощи специальных генераторов и зондируют с их помощью нужный район. Обычно горные породы представляют собой диэлектрики, то есть их электрическое сопротивление мало. А вот нефть, как мы уже говорили, может содержать металлы, которые являются хорошими проводниками. Снижение электрического сопротивления недр и служит косвенным признаком присутствия нефти.
В последние годы все шире стал распространяться еще один прогрессивный способ — электромагнитная разведка при помощи магнитогидродинамических (МГД) генераторов. Электромагнитным волнам стали доступны глубины от нескольких километров, когда ведутся поиски полезных ископаемых, до сотен километров, если речь заходит об общих исследованиях земной коры.
Сердцем современного МГД-генератора является ракетный двигатель, работающий на порохе. Но порох этот не совсем обычный: электропроводимость создаваемой им плазмы по сравнению с обычным ракетным топливом в 16 000 раз выше. Плазма проходит через МГД-канал, расположенный между обмотками магнита. По законам магнитодинамики в движущейся плазме возникает электрический ток, который, в свою очередь, возбуждает электромагнитное поле в специальном излучателе — диполе. С помощью диполя и происходит зондирование Земли.
41
Схема электрической разведки: / и 2—электроды
Всего за несколько секунд МГД-установка развивает мощность в десятки миллионов ватт! И при этом обходится без громоздких систем охлаждения, которые были бы неизбежны при использовании традиционных источников излучения. Да и сама установка в несколько раз легче других видов электрогенераторов.
Впервые эффективность новых устройств была проверена в конце 70-х годов в Таджикистане. Тогда в районе хребта Петра I ученые провели первые опыты по М ГД-зондированию, стараясь уловить признаки приближающегося землетрясения. Сигналы мощной 20-мегаваттной установки «Памир-1» регистрировались на расстоянии до 30 километров от нее.
Немного позднее МГД-установки были использованы для поиска нефтяных и газовых месторождений. Для начала был выбран достаточно известный нефтяной район — Прикаспийская низменность. Благодаря МГД-зондированию появилась еще одна возможность не только определять наличие нефтегазоносных слоев, но и четко оконтуривать месторождения. А ведь обычно для этого приходится бурить несколько дорогостоящих скважин.
42
Получив первые достоверные сведения о надежности МГД-способа, ученые не стали ограничиваться только разведкой в Прикаспийской низменности. Новый способ геофизической разведки недр был использован на Кольском полуострове, на шельфе Баренцева моря — в районах, имеющих мощные пласты осадочных пород, в которых обычно и прячется нефть. Анализ полученных данных показал, что залегание нефти здесь вполне вероятно. Такие сведения о побережье Баренцева моря получены впервые в отечественной практике.
ФИЗИКА ПЛЮС ХИМИЯ
Вы обратили внимание, сколько геофизических методов имеют на вооружении сегодня нефтеразведчики? Действительно, много. Однако ни один из методов не дает стопроцентного указания на присутствие нефти. Вот и приходится использовать их в комплексе.
Для начала обычно проводят магнитную разведку. Потом дополняют ее данными гравиметрии. Затем в ход идут методы электро- и сейсморазведки... Но даже этого зачастую бывает недостаточно для точного ответа. Тогда геофизические методы дополняют еще геохимическими и гидрогеологическими исследованиями.
Среди геохимических методов в первую очередь надо отметить газовую, люминесцентно-битуминологическую и радиоактивную съемки.
Газовая съемка была разработана в 1930 году. Было замечено, что вокруг любой залежи образуется как бы легчайший туман — так называемый ореол рассеяния. Углеводородные газы по порам и трещинам пород проникают из глубин Земли к поверхности, при этом растет их концентрация в почвенных водах и верхних слоях породы. Взяв пробу грунта и почвенных вод, нефтеразведчик с помощью чувствительного газоанализатора устанавливает повышенное содержание углеводородных газов, что и является прямым указателем близкого местоположения залежи.
Правда, чтобы такой способ работал достаточно надежно, необходимы приборы высочайшей чувствительности — они должны надежно обнаруживать один атом примеси среди десяти или даже ста миллионов других! Кроме того, как показывает практика, газовые аномалии могут быть смещены по отношению к залежи или же просто указывать на мелкие месторождения, не имеющие промышленной ценности.
Поэтому данный метод стараются дополнять, например, люми-несцентно-битуминологической съемкой. Ее принцип основан вот на каком природном явлении. Над залежами нефти увеличено содержание битумов в породе. И если пробу породы подставить под источник ультрафиолетового света, то битумы тотчас начинают светиться. По характеру свечения, его интенсивности определяют тип битума и его возможную связь с залежью.
Радиационная съемка основана на другом природном феномене. Известно, что в любом районе имеется так называемый
43
радиоактивный фон — небольшое количество радиации, обусловленное воздействием на нашу планету космического излучения, наличием в ее недрах радиоактивных трансурановых элементов и т. д. Так вот, специалистам удалось обнаружить интересную закономерность: над нефтяными и газовыми залежами радиоактивный фон понижается. Например, для месторождений Южного Мангышлака такое понижение равно 1,5 — 3,5 микрокюри за час. Такие изменения уже достаточно уверенно регистрируются существующими приборами.
Однако этот метод находит пока ограниченное применение, поскольку радиоактивные аномалии могут быть связаны не только с наличием промышленных залежей, но и с местным изменением состава пород, поверхностной геохимической обстановкой... Другими словами, у геохимиков пока нет надежных критериев, позволивших бы им отличать, по каким именно причинам в данном регионе регистрируется аномалия. Но работы в этом направлении продолжаются.
И наконец, несколько слов еще об одном перспективном методе. Как мы уже говорили, над месторождением наблюдаются изменения в составе почвенных вод. Эти изменения можно выявлять и прямым гидрохимическим анализом взятых проб воды. Определяя количество содержащихся в воде газов и органических веществ, можно с какой-то долей уверенности судить о наличии в данном месте глубинных залежей нефти и газа.
ПОЧЕМУ ПУСТЕЮТ ПОДЗЕМНЫЕ СОСУДЫ?
Ну вот, кажется, все необходимые обследования района проведены. Они показали его перспективность в смысле содержания в недрах запасов нефти и газа. Можно закладывать первую разведочную скважину? Нет, пожалуй, сначала надо провести кое-какие расчеты.
Суть их сводится к следующему. Каждый знает разницу между сосудом и его содержанием. Граница между ними обычно четко определена. Ну а если «сосуд» не искусственный, а природный, и его не мыли несколько миллионов лет? Тогда определить разницу, а значит, и количество нефти и газа в таком сосуде, не так-то просто.
Вот как решили эту задачу ученые.
Природа сама позаботилась собрать нефтегазосодержащие породы в гигантские «пиалы», состоящие из плотных непроницаемых пород. Правда, чтобы сохранить содержимое, ей пришлось перевернуть их вверх дном. Глубинное давление вытесняет углеводороды, которые упираются в куполообразный потолок и оказываются в ловушке. Купол, хотя и находится глубоко под землей, легко улавливается геофизической аппаратурой. Остается вроде бы немного — пробурить в куполе скважину, подсчитать запасы залежи и нанести на геологическую карту новое месторождение. Но очень скоро геологи столкнулись с такими сюрпри
44
зами — стали попадаться ловушки заполненные лишь наполовину, а то и вовсе пустые...
Выяснить какую-то закономерность, объяснить феномен долгое время не удавалось. И было очень обидно иметь уже в наши дни, при всем могуществе техники, такие результаты: из десятка пробуренных скважин пять-семь непродуктивных. А ведь цена каждой — почти миллион!
Ученые разных стран приложили немало усилий, чтобы решить задачу, заданную природой. И вот внимание геологов в конце концов сосредоточилось на конструкции самой ловушки. Оказалось, что и камни не вечны. Сосуд от старости стал не так уж надежен: микроскопические трещины, образовавшиеся в покрышке, дают части запасов возможность улетучиться. И потери тут не маленькие — лишь одна трещина шириной в десятую долю миллиметра при обычном для глубин давлении выпускает из ловушки триста миллионов кубометров газа каждый миллион лет. Так что за прошедшие сотни тысячелетий «сосуд», действительно, мог основательно опустеть.
Но всегда ли нефть и газ уходят из ловушки? Все ли природные чаши имеют дефекты? Ответить на эти вопросы в общем-то означало создать новый метод локального прогноза запасов нефти и газа на том или ином месторождении. Исследования советских ученых показали: ловушки полностью сохраняют свои запасы лишь в том случае, если толщина промежуточного слоя достаточно велика, но все же меньше высоты всего поднятия, то есть если ловушка все-таки сохраняет свою куполо-образность.
Так что теперь на геофизических картах специалисты указывают толщину каждого из трех слоев ловушки. При помощи современной техники это удается сделать с достаточно высокой точностью. Ну а дальше в дело вступает простая арифметика. От высоты купола нужно отнять высоту промежуточной прослойки. В итоге получается число, определяющее размер промышленной залежи.
Новый метод определения прогнозных запасов нефти и газа уже получил практическую проверку на нефтепромыслах Узбекистана, Башкирии, Ямало-Ненецкого автономного округа. И всюду знание законов геологической арифметики позволило сэкономить многие миллионы рублей, затрачиваемые раньше на напрасно закладываемые скважины.
«МАСТЕР ДОЛОТО»
Да, теперь никто уже не закладывает скважину наобум, однако, как ни странно, определенная доля риска все-таки остается. Не удивляйтесь; и по сей день при закладке первой скважины немалую роль играет «госпожа Удача», а окончательный приговор всем прогнозам и расчетам выносит «мастер Долото».
То, что мы сейчас называем разведочным бурением, практикуется достаточно давно, хотя до поры до времени корректнее было бы называть это действие разведочным долблением.
45
В 220 году до н. э. один из императоров Цинской династии приказал долбить землю в поисках соли. В скважину заводили полые бамбуковые трубы, и вскоре по ним пошла нефть. Видимо, это был один из первых нефтяных фонтанов. Что сделали с находкой, доподлинно неизвестно. Утверждают, что нефть служила для освещения жилищ.
В 20-е годы прошлого столетия этот способ разведки геологических пластов снова входит в обиход промышленников. Первые скважины нового поколения мы видим во Франции — там искали запасы воды. Немного позднее, в 1845 году, французский же инженер Фовель сделал фундаментальное открытие — он нашел способ, как извлекать из скважины раздробленную породу. «Ларчик открывался просто» — для этого нужно было использовать ту же воду, для поисков которой и проделывались первые скважины. Вода, нагнетаемая под давлением в скважину, выносила на поверхность обломки.
А вот и первые нефтяные скважины! Это уже конец 50-х годов прошлого века. Скорость проходки в это время составляла не более метра в сутки, а глубина скважины редко превышала пол километра.
Лишь в начале нашего века скважины действительно стали бурить. Пионерами нового способа стали бакинские промышленники, первыми опробовавшие роторное бурение. При вращении долота в скважине порода крошилась, истиралась, и ее обломки поднимали наверх при помощи водных растворов. Скорость проходки возросла до 400—500 метров в сутки! Скважины стали и в 3—4 раза глубже.
Однако сам по себе роторный инструмент был весьма громоздким, требовал частой смены... Все это, конечно, сдерживало развитие роторного бурения. Действительно, куда это годилось, если при глубине скважины в 4 километра колонна бурильных труб, на которую насаживалось долото, весила уже более 200 тонн! Большая часть энергии тратилась не на углубление скважины, а на вращение самих труб.
В 1922 году советский инженер М. А. Капелюшников предложил новый оригинальный метод бурения — турбинный. Двигатель, вращавший долото, был опущен на дно скважины. Таким образом отпала необходимость во вращении всей колонны труб, а это, естественно, способствовало большой экономии энергии.
В дальнейшем метод турбинного бурения неоднократно усовершенствовался. Современный турбобур — это сложнейшая машина, длиной около 10 метров. Каждая ступень турбобура — всего их может быть около сотни — имеет два диска с профилированными лопатками. Один из дисков — статор — неподвижно закреплен в корпусе турбобура. Второй — ротор — вращается. А приводит турбобур во вращение... вода! Точнее глинистый раствор, который под давлением нагнетается в скважину для вымывания остатков разбуренной породы и обтекает при этом роторные лопатки.
Каждая секция турбобура развивает относительно небольшое усилие. Однако их много, и суммарная мощность оказывается достаточной, чтобы пробурить и самую твердую породу.
46
Так устроен турбобур (стрелками показано движение бурильного раствора)
В последние годы получили распространение и электрические турбобуры. Они приводятся в действие специальными электромоторами малого диаметра, опять-таки помещаемыми в нижнем конце колонны. Энергия подводится к двигателю по специальному кабелю, расположенному внутри бурильной трубы. Такой способ позволяет развивать на долоте значительные усилия, легко поддается автоматизации.
По существу, современная буровая установка представляет собой небольшое промышленное предприятие. Здесь есть и своя силовая подстанция, и установка для получения глинистого раствора, и сама буровая вышка, на которой монтируются мощные лебедки,и другое оборудование, необходимое для спуска и подъема бурильных труб.
Перед началом бурения роют направляющую шахту диаметром около метра и глубиной 15—20 метров. В эту шахту затем и будут опускать «свечи» — свинченные по две-три бурильные трубы. Чаще всего бурильщики знают заранее, на какую глубину рассчитывается скважина,и в зависимости от этого подбирают начальный размер труб. Чем глубже скважина, тем этот диаметр больше.
По мере углубления скважины «свечи» свинчивают одну с другой. На конце первой, естественно, находится турбобур с долотом,
измельчающим породу. По мере ее накопления, в скважину закачивают бурильный раствор. Обычно это смесь глины с водой плотностью 1,2— 1,5 г/см3. Но иногда раствор специально утяжеляют, увеличивая его плотность в полтора-два раза. Это делают в тех случаях, когда ожидают, что газ или нефть, содержащиеся под давлением в пласте, могут вырваться наружу раньше времени.
Глинистый раствор также охлаждает буровое долото, укрепляет стенки скважины, препятствуя их обвалу, служит своеобразной смазкой, облегчающей бурение... Словом, к качеству бурильного раствора предъявляют весьма высокие и разнообразные требования.
И к каким только хитростям не прибегают порой бурильщики! Американские специалисты как-то, к примеру, предложили добавлять в раствор... деньги! Да-да, бумажные деньги. Дело в том, что агентство по охране окружающей среды запретило сжигать вышедшие из употребления долларовые купюры, чтобы не загрязнять атмосферу сажей. В поисках нового способа уничтожения денежных знаков кто-то и предложил перемалывать их в специальных мельницах и добавлять получаемую массу в бурильный раствор.
47
Результат превзошел все ожидания: целлюлозная добавка снизила вязкость раствора, придала ему еще целый ряд ценных качеств. Полезный опыт стали перенимать и в других странах. В СССР в раствор добавляют отходы целлюлозно-бумажной промышленности.
Последние десятилетия при бурении чаще всего используют наиболее производительные, многошарошечные долота. В особо твердых породах применяют шарошки с насадками из твердых сплавов или даже с вкраплениями промышленных алмазов.
И все же время от времени приходится менять любое долото. Эта операция считается одной из самых трудоемких в бурильном деле. Судите сами: нужно вытащить на поверхность всю колонну бурильных труб, развинчивая ее по «свечам», поменять долото, а затем повторить все операции в обратном порядке.
Но все трудности бурения обычных скважин кажутся мелкими по сравнению с теми хлопотами, которые ждут людей, решивших пробурить сверхглубокую (в 3—4 раза глубже обычных) скважину.
ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ ЗЕМЛИ
Зачем нужны сверхглубокие?.. Признаемся сразу: это скважины дальней разведки; с их помощью специалисты, конечно, не надеются обнаружить в данном месте залежи нефти, газа или других полезных ископаемых. Главная задача другая — исследование геокосмоса!
Ведь на сегодняшний день мы сравнительно много знаем о том, что происходит над нашими головами, в глубинах космоса, а вот что творится в каких-нибудь нескольких десятках километров у нас под ногами, представляем весьма слабо.
При сверхглубоком бурении трудности возрастают не пропорционально глубине скважины, а так сказать, по экспоненте. Обратимся к примерам.
Эпоха сверхглубокого бурения началась в 1961 году реализацией американского проекта «Мохол». Скважину заложили на дне Тихого океана, вблизи острова Гуадалупе, под четырехкилометровым слоем морской воды. Ожидалось, что буровой снаряд, пройдя 150 метров рыхлых донных пород, погрузится в 5,5-километровый слой твердых пород. А затем, пройдя и их, предоставит в руки исследователей вещество мантии — следующего после коры слоя недр нашей планеты.
Однако на практике все получилось совсем по-другому. Бурение остановилось после первых же 36 метров. Когда на борт бурового судна подняли колонну труб с первым керном, то потом уже не смогли отыскать устье начатой скважины. Не помогли ни системы динамической стабилизации, ни сложнейшие пеленгационные комплексы, расположенные вокруг судна на специальных заякоренных буях.
Все же соблазн вскрыть мантию именно на морском дне был очень велик. Как-никак тут земная кора наиболее тонка: каких-нибудь 5 километров — и вот она, мантия! Поэтому семь лет 48
С каждым десятилетием росли глубины бурения
спустя после первого опыта в море вышел «Челенджер» — специально оборудованное буровое судно грузоподъемностью свыше 10 тысяч тонн. Еще семь лет с него велось глубинное бурение. На сей раз дело завершилось сравнительно благополучно — скважину не потеряли. Но и добиться поставленной цели не смогли. В 1975 году бурение прекратили из-за технических сложностей, когда были вскрыты верхние базальтовые слои океанского дна.
Дальнейшая атака на мантию продолжалась уже на суше. Среди семейства сверхглубоких скважин, пожалуй, стоит отметить «Берту Роджерс», пробуренную в Оклахоме. Эта разведочная скважина впервые перешагнула 9-километровую глубину. Правда, победа далась нелегкой ценой. Для проходки ствола в молодых осадочных породах использовали мощнейшую технику — буровые установки грузоподъемностью 1000 тонн, которые ранее использовались военными для закладки пусковых шахт межконтинентальных баллистиче
Го б ы
ских ракет.
Столь большой запас мощности позволил разведчикам особо не церемониться, брать недра штурмом в лоб, не прибегая к особым техническим хитростям. Но и супермощное, сверхтяжелое буровое оборудование не смогло противостоять повышенному давлению: с глубины 9583 метров рассерженные недра в один момент «выплюнули» все приспособления. А вслед ударил мощный фонтан расплавленной серы...
В нашей стране несколько лет назад была заложена С Г-3 — Кольская сверхглубокая. Ее предшественницами среди отечественных сверхглубоких были СГ-1 и СГ-2 — Арал-Сорская и Биикжальская.
Для очередной попытки проникнуть в глубины геокосмоса не случайно было выбрано место именно на Кольском полуострове. Словно бы для облегчения доступа к нижним этажам планеты, разрушительной силой льда, ветра и воды за последние сотни миллионов лет напрочь стесана 15-километровая толща континентальной коры. В некоторых районах прямо на поверхность выходят древние кристаллические породы Балтийского щита. Специалисты говорят, что здесь можно споткнуться о камешек возрастом в два миллиарда лет! Так что мантия как бы рядом.
Не надо думать, что здесь все шло как по маслу. Проблем хватало. Одна из главных — чтобы скважина не отклонялась от
4 — Цыркин
49
вертикали больше, чем это предусмотрено. (Для СГ-3 было предусмотрено отклонение не более градуса на каждый из 15 километров глубины. Заметим попутно, что у американцев на «Берта Роджерс» забой ушел в сторону на 25 градусов.)
Первые два километра буровикам удалось продержаться «в норме», надевая на турбобур специальные кольца с победитовыми наконечниками, которые жестко упирались в стенки ствола. Но когда забой попал в кавернозную зону, когда вокруг то и дело стали встречаться пустоты, центраторам стало не на что опираться, и они «повисли в воздухе».
Вновь вывести скважину на прямую дорогу удалось с помощью турбинного отклонителя. Это устройство снабдили телеметрической системой, которая мгновенно улавливала малейшие отклонения от вертикали, помогла буровикам «удержаться на курсе».
Так им удалось сравнительно спокойно нарастить колонну труб еще на несколько километров. И вдруг новое происшествие: на большой глубине вся связка труб с турбобуром на конце повела себя как сверхдлинная пружина, потерявшая жесткость из-за непомерной длины. На поворот колонны в устье, что по идее должно было бы исправить кривизну, «пружина» изгибалась лишь в своей верхней части, оставаясь в нижней неподвижной.
Что делать? Специалисты испробовали несколько безуспешных вариантов, пока не остановились, наконец, на одном. Клин решили выбивать клином, как советует русская пословица. А точнее, один эффект решили компенсировать другим: пружинный— маятниковым. Под турбобуром была смонтирована тяжеленная, залитая свинцом труба, которая, действуя подобно отвесу, старалась оттянуть бур по вертикали к центру Земли...
День за днем, год за годом крутится и крутится буровое долото. Время от времени его останавливают не только затем, чтобы сменить выкрошенные твердейшими породами алмазные зубья, но и чтобы поднять на поверхность драгоценную добычу — керн, аккуратно выпиленный кусочек древнего Балтийского щита.
Конечно, всем хочется потрогать его руками — кусочек камня, только что лежавший на многокилометровой глубине. Но сразу делать это опасно. Можно обжечься. Там, внизу, недра хранили камень при 200-градусной температуре. И все-таки, чуточку выждав, трогают. Велико нетерпение: вот она, желанная добыча! Крупицы знаний, которые с таким трудом добываются со столько огромной глубины. О чем они говорят?
ТЕЛЕСКОП, НАПРАВЛЕННЫЙ В НЕДРА
Годы упорного труда, миллионы рублей тратятся, конечно, вовсе не для того, чтобы потрогать неостывшие кусочки породы, лежавшие на многокилометровой глубине. Керны исследуют всеми имеющимися в распоряжении науки физико-химическими методами.
В скважину также запускают десятки чутких датчиков, приборов, которые рассказывают исследователям о самочувствии 50
Проводится электрический каротаж скважины двумя методами — кажущегося сопротивления и самопроизвольной поляризации*
а—разрез скважины (/ — глины, 2 — пористые водоносные пески, 3 — пористые нефтеносные пески или песчаники, 4 — плотные песчаники, 5—гипсы), б — диаграммы кажущегося сопротивления (Р ) и самопроизвольной поляризации (Uс[1)
земной коры. Промыслово-геофизические исследования, которые с легкой руки французских специалистов во всем мире называют каротажными или каротажем, дают возможность по всей длине скважины определить литологический состав, мощность пород, выделить интервалы залегания продуктивных горизонтов, установить коллекторские свойства горных пород... Словом, каротаж дает возможность ответить на сотни
вопросов, интересующих специалистов.
Наверное, поэтому в настоящее время насчитывается свыше 40 различных методов каротажа — электрические, радиоактивные, акустические, индукционные... Но хороший результат дает только их оптимальное сочетание.
Например, по электрическому сопротивлению пород довольно четко можно выявить продуктивные горизонты, на которых стоит искать нефть и газ. Эти исследования дополняются акустическими и индукционными измерениями, позволяющими по тому, как распространяются вокруг скважины акустические колебания, как изменяется индуктивность близлежащих пород, оценивать их нефтенасыщенность.
Термометрический каротаж позволяет изучать изменение температуры вдоль ствола скважины. Эти данные позволяют расшифровать температурный режим недр, выделить газовые залежи, которые отмечаются по минимальным температурам. Дело в том, что адиабатическое расширение газа, согласно законам физики, приводит к понижению его температуры.
На СГ-3, кстати, температурный каротаж задал немало загадок. Поначалу температуры росли так медленно, что многие геофизики даже обозвали Балтийский щит «булыжником».
— Температурный режим в нем нарушен,— говорили они,— Щит пассивен, поэтому бесполезно искать тут рудообразования или какие-то другие залежи полезных ископаемых...
4*
51
иннк
НГК
2035
2053
2068
2088
2120
2127
2137
Геологи-чес-кля колонка ооооо
Глубина
Фрагмент сводного геолого-i еофизического разреза скважины, полученного сочетанием различных методов каротажа:
КС, ПС и БК—методы электрического каротажа, ВБ — время бурения (механический каротаж), А К — акустический, ГК — гамма каротаж, НГК — нейтронный гамма-каротаж, ИННК — иснульсный нейтрон-нейтронный каротаж, ГГК — плотностной каротаж по двухзонной методике
• — ’ «Л х£х?х


И действительно, поначалу температура возрастала очень медленно: на глубине 4 километра она составляла всего лишь 40° С, хотя по расчетам, давно должна была составлять градусов пятьдесят-шестьдесят... Потому случилось непредвиденное — температура, напротив стала нарастать ускоренными темпами и к 11-километровому рубежу достигла 200° С против ожидаемой сотни с небольшим. Что это — следствие древнего выветривания пород? Или ледяного «компресса», который длительное время прикрывал своей шапкой землю в данном районе?.. Пока геофизики разбираются в температурном феномене.
КАРТА «ПРОЗРАЧНОЙ ЗЕМЛИ»
«Велико есть дело достигать во глубину земную разумом, куда рукам и оку досягнуть возбраняет натура; странствовать измышлениями в преисподней, проникать рассуждениями сквозь тесные расселины, и вечной ночью помраченные вещи и деяние выводить на солнечную ясность...»
Так писал в свое время М. В. Ломоносов, и его слова не потеряли своего значения за прошедшие два с лишним века. Все, о чем мы говорили в этой главе — не более, чем технические средства проникновения в тайны природы. Главный же ключ к познанию этих тайн — человеческий разум.
И вот недавно с помощью этого универсального инструмента был открыт еще один способ, позволяющий подвести итоговую черту под всеми другими методами исследования недр. Речь идет о возможности «сделать недра прозрачными».
Конечно, эти слова не надо понимать буквально. Речь идет о новом способе комплексного использования всех тех данных, о которых вы прочли на предыдущих страницах.
52
Карта «прозрачной/» Земли (фра! мент)
Если бы недра были прозрачны, мы увидели бы глубокие подземные впадины и высокие подземные горы гам, где раскинулись украинские степи и Полесье
— С переходом к познанию глубоких горизонтов земной коры,— сказал по этому поводу известный советский геолог Н. И. Хитаров,— показ результатов геологических исследований на одной плоскости недостаточен. Нужны «объемные» геологические карты...
Что же должна представлять собой такая карта? Метод инженеров-конструкторов, которые изображают объем на плоскости при помощи трех проекций одной детали, в данном случае не подходит; строение геологических структур подчас настолько сложно, что в трех проекциях немудрено запутаться. Тогда геологи решили воспользоваться опытом географов.
Как всем хорошо известно, на обычных географических картах всегда присутствует и третье измерение — высота или глубина. Чем темнее коричневый цвет горного массива, тем, значит, выше здесь горы. По тому же пути пошли и картографы подземных горизонтов. В качестве базы они берут определенную глубину, например 100 метров или 100 километров,— это зависит от масштаба карты и от того, для каких именно целей она предназначена. И дальше все, как на обычной географической карте — цветом выделяется понижение или повышение данного района относительно уровня моря.
Если мы, например, будем рассматривать подобную карту Восточно-Европейской низменности, то увидим, что на ней преобладает зеленый цвет. Им выделены самые древние образования —
53
архейские и протерозойские. Поверх него слой за слоем лежат более поздние, осадочные породы.
Чем глубже под осадочными породами находится поверхность кристаллического фундамента, тем темнее зелень на карте. В тех же местах, где фундамент поднялся выше уровня моря, вышел на дневную поверхность, цвет карты становится светло-оранжевым. Так выделены Тиманский кряж, Украинский и уже знакомый нам Балтийский щит.
Такая карта обобщает огромное количество сведений, накопленных геологией, в наглядном виде. На ней нашли отражение все методы исследования земных недр и в первую очередь, разведочное бурение — как источник самых достоверных сведений.
Ну, а чтобы не нагромождать на одну карту чересчур много сведений, стали делать послойные разрезы. Их можно сравнить, пожалуй, с поэтажными планами огромного небоскреба. Бессмысленно ведь показывать расположение комнат каждого этажа на одном общем плане — никто, наверняка, ничего не поймет. Вот так и послойные геологические карты. Для той же Восточно-Европейской платформы их будет издано около тридцати.
Возможно, из них когда-нибудь синтезируют и общую карту, использовав для этого методы голографии и помощь современной вычислительной техники. И тогда геологи действительно увидят своими глазами прозрачную Землю, смогут до тонкостей понять ее строение, досконально определят запасы полезных ископа-
54
Глава IV
ВСЕГДА ЛИ БЬЮТ ФОНТАНЫ?
Обычно, когда речь заходит о нефтяных скважинах, многие сразу представляют себе нефтяной фонтан, бьющий из-под земли. На деле так бывает далеко не всегда. В СССР, например, всего 15% скважин относятся к фонтанирующим. Да и то фонтанная добыча идет лишь в самом начале эксплуатации скважины. В дальнейшем же нефть приходится выкачивать из недр. И в этом деле есть немало тонкостей.
НЕБЛАГОПОЛУЧНАЯ АРИФМЕТИКА
Нефтедобывающая промышленность в нынешнем ее виде существует уже более века. За это время в мире добыто около 50 миллиардов тонн нефти. Огромная цифра! Но в недрах отработанных месторождений нефти осталось еще больше — порядка 80 миллиардов тонн, то есть запас использован в среднем лишь на 35—40%.
С газом положение получше, обычно 85—90% его удается извлечь из-под земли. Однако и десятая часть запасов, оставшихся в земных недрах, зачастую представляет большую ценность. Еще бы! Например, запасы газа в Уренгое оценивались в триллионы кубометров. Даже 10 процентов от этого — количество немалое. А точнее,— просто большое. И даже очень большое. Вспомним, что разведанные запасы газа месторождения Газли составляли 500 миллиардов кубических метров, а ведь его открытие в свое время было сенсацией номер один! Из Газли протянулись нити мощных газопроводов Средняя Азия — Центр, Средняя Азия — Урал, газопровод в Ташкент. Так что оставлять в Тюменской земле целое Газли расточительно.
Проблема максимального извлечения нефти и газа из месторождений встала еще в 30-е годы. Уже известный нам академик И. М. Губкин писал по этому поводу: «Современными способами добычи не удается извлечь из нефтяного пласта больше половины содержащейся в нем первоначально нефти. Это значит, что примерно 50% нефти продолжает пребывать в недрах, когда современные нефтяники считают месторождение истощенным. Не хищническая ли это система эксплуатации? Смогут ли с этим мириться нефтяники будущего? Конечно, нет. Уже сегодняшний уровень нефтяной науки и техники говорит о том, что на эти оставшиеся в недрах огромные количества нефти нельзя смотреть как на безнадежно пропавшие...»
Так давайте же посмотрим, что придумали специалисты, чтобы полнее использовать запасы природной кладовой?..
55
ЛИФТЫ ДЛЯ НЕФТИ
Итак, геологи открыли месторождение. Затем нефтеразведчи-ки оконтурили его. Так называется прием, когда с помощью геофизических методов, пробуренных скважин, геохимического изучения взятых из глубины кернов, математических расчетов установлены не только площадь, но и структура геологических пород месторождения, гидрологический подземный режим.
И вот уже сделан как бы срез в различных проекциях. Изучен состав нефти, ее пластовое давление, возможность ее миграции по подземным горизонтам в районе залежи, содержание в ней попутного газа. Все, можно начинать добычу?.. Нет, после этого делается технико-экономическая оценка, составляется проект создания и размещения эксплуатационных скважин, обустройства промысла всем необходимым оборудованием, с включением в него и статьи, предусматривающей создание поселка для промысловиков и обеспечение их всем необходимым для жизни и работы.
В зависимости от характера залежи и свойств пластов, их
пористости, проницаемости, неоднородности, определяется количество и размещение основных добывающих скважин, а также вспомогательных — нагнетательных и контрольных. Главное, что при этом учитывается — пластовая энергия. Важно определить оптимальную систему разработки залежи как с точки зрения затрат, так и с точки зрения дебита нефти, то есть того
количества, которое можно отсюда выкачать.
На сегодняшний день существует достаточно способов прину-
дительного извлечения нефти из-под земли. К ним прежде всего относятся глубинно-насосный и газлифтный.
Первый способ, как говорит уже само его название, состоит в
том, что в скважину погружают штанговый, центробежный, гидропоршневой или какой-нибудь другой насос высокой производительности. С их помощью нефть и поднимается с глубины
на дневную поверхность.
Второй, газлифтный, способ основан на законе сообщающихся сосудов, известном каждому по урокам физики. Параллельно с эксплуатационной скважиной до самого забоя бурится вторая скважина. В нее помещают трубу. В забое эта труба через специальный патрубок-башмак соединяется со стволом основной скважины. Башмак заполняется нефтью. Тогда через газлифтную трубу вниз нагнетается какой-либо газ (например, диоксид углерода) или просто воздух. В башмаке он смешивается с нефтью, образуя эмульсию, и по стволу основной скважины поднимается вверх.
Схема I азлифта:
/—добывающая скважина (2 — ее устье, 3 — ствол, 4—забой), 5—нагнетательная скважина, 6 — башмак
56
Здесь газожидкостная эмульсия разрушается, нефть отправляют по назначению, а газ снова закачивают в скважину.
В специальной литературе вы можете встретить и еще одно название этого способа — эрлифт. Оно образовано из сочетания двух английских слов: air — воздух и lift — поднимать.
ПОДЗЕМНЫЕ ПОГОНЩИКИ
В нашей стране газлифты используются лишь на 4% скважин. И это понятно: кому хочется бурить вторую скважину, если есть хоть малейшая возможность обойтись без нее? Еще 15%, как уже говорилось,— фонтанирующие скважины. Из остальных нефть выкачивают насосами.
Но если вы думаете, что нефть так же, легко поддается перекачке, как, скажем, вода, то глубоко ошибаетесь. Во-первых, нефть гораздо сложнее воды по составу. Во-вторых, она может быть и весьма вязкой. В-третьих, нефтяное месторождение — это вам не колодец. Нефть может прятаться в бесчисленных подземных лабиринтах, протоках, ловушках, линзах... Чтобы извлечь ее из всех подземных закоулков, промысловики используют своеобразных «погонщиков».
Чаще всего для этой цели используют обыкновенную воду. Ее закачивают в пласт взамен такого же количества добытой нефти. Для этого за контуром месторождения бурят нагнетательные скважины, в которые и подается вода. Таким образом, давление в пласте остается все время постоянным. Это дает возможность увеличить нефтеотдачу пласта до 70%.
В тех случаях, когда площадь месторождения велика и законтурное обводнение уже не помогает, используют разновидность этого способа — внутриконтурное обводнение. Все месторождение разбивают рядами нагнетательных скважин на отдельные поля, которые разрабатывают как самостоятельные залежи.
Если же и этого недостаточно, число скважин еще увеличивают. Получается так называемое площадное обводнение.
Законтурное заводнение в профиле и в плане’ светлые кружки — нагнетательные скважины, черные — эксплуатационные
57
Внутриконтурное заводнение
Обводнение позволяет не только увеличить отдачу нефтяного пласта, но и сократить сроки нефтедобычи, использовать месторождение более интенсивно. Поэтому вода используется в качестве «погонщика» почти на 200 месторождениях страны.
Тем временем ученые ищут новые способы повышения КПД месторождений. А что если закачивать под землю не воду, а углеводородный газ? Ведь известно, что нефть и эти газы взаимно растворимы; извлечь же из подземной кладовой газожидкостную смесь намного легче, чем жидкость... Провели опыты. И что же? Оказалось, что таким способом можно извлечь до 90% нефти! При этом вовсе не обязательно, чтобы газ поступал во все пространство, занимаемое нефтью. Достаточно заполнить газом всего 1,5—2% от общего объема, нефтеотдача пласта резко возрастает.
Однако есть у этого способа и весьма существенный недостаток: закачивать в недра под большим давлением только что добытый газ — довольно дорогое удовольствие. Поэтому этот способ используют лишь на месторождениях с наиболее ценной, легкой нефтью.
На тех же месторождениях, где преобладает тяжелая, густая нефть, используют другие способы повышения эффективности.
ХИМИЧЕСКИЕ ХИТРОСТИ
Чтобы густая нефть с большей легкостью поднималась по трубам, надо, конечно, прежде всего сделать ее более жидкой. Каким образом? «Давайте применим особые, разжижающие растворы»,— предложили химики.
И вот в последнее время на нефтедобывающих промыслах стали использовать особые вещества, имеющие довольно сложное название — мицеллярные дисперсии. Основными составляющими этих композиций являются нефтерастворимые поверхностноактивные вещества, спирт, углеводородный растворитель типа керосина или легких фракций нефти. Добавляют сюда и воду.
Именно поэтому по внешнему виду мицеллярные дисперсии практически неотличимы от обычной воды — такая же светлая, прозрачная жидкость. Но главную роль здесь играют уже не молекулы Н2О, а молекулы поверхностно-активных веществ. Попав в пласт, они и образуют с нефтью эмульсию, дисперсную фазу которой составляют сложного состава частицы — мицеллы. При этом нефть как бы отрывается от породы, и ее удается выкачать из коллектора практически всю.
Еще одно неоценимое свойство возникающих эмульсий — они являются обратимыми системами. То есть достаточно на дневной
58
поверхности добавить в поступающую из скважины эмульсию еще немного воды, как из нее выделяется свободная нефть, а поверхностно-активные вещества оказываются снова готовыми к работе.
Вообще, надо признать, что химики оказывают нефтяникам и ряд других важных услуг.
Известно, например, что бурение невозможно без специальных бурильных растворов. Обычно глинистые бурильные растворы готовят прямо на месте, доставляя в район бурения сухую глину. Однако приготовление раствора — вещь достаточно тонкая: кроме глины в воду добавляют и другие вещества, состав и количество которых зависит от применяемой техники, давления в пласте, геологического строения недр...
В настоящее время существует по крайней мере два десятка специальных ингредиентов, улучшающих качество бурильных растворов и снижающих затраты на бурение. В некоторых случаях даваемая ими экономия в 10—15 раз превосходит затраты на изготовление самой добавки!
Еще одна проблема, в решении которой неоценимую помощь промысловикам оказывает химия — защита оборудования от отложения парафинов. Часто при добыче высокопарафинистых нефтей специалисты сталкиваются с неприятным явлением. Пока нефть находится в залежи под давлением, температура ее достаточно высока. Но по мере продвижения к забою и дальше по скважине и давление, и температура падают. Тяжелые парафиновые углеводороды начинают выделяться из жидкости и откладываться на всех поверхностях, с которыми соприкасается нефть. Очистка оборудования от налипшего парафина связана с огромными затратами и техническими трудностями.
Но уже разработаны вещества, добавка которых в нефть препятствует росту кристаллов парафина, способствует их смыванию с металлических поверхностей оборудования на всем пути нефти к потребителю. Такие вещества недешевы, но тем не менее их применение окупает все затраты.
ПОДЗЕМНЫЕ ПАРИЛКИ И ПОЖАРЫ
Часто для повышения эффективности нефтедобычи используют и еще один способ — термическое воздействие. Суть его заключается в том, что на месторождении надо любым способом повысить температуру выкачиваемой нефти. При этом она, согласно физическим законам, разжижается, а значит, с большей эффективностью может быть выкачана насосами. А то ведь в нашей стране есть месторождения (например, Узеньское и Жеты-байское), где нефть содержит в себе столько парафина, что ее можно чуть ли не резать на куски. Химические же добавки, как мы уже говорили, все-таки довольно дороги.
Поэтому в некоторых случаях в пласт густой нефти закачивают горячую воду, а еще лучше — перегретый пар. Нефть разжижается, и коэффициент нефтеотдачи пласта может возрасти вдвое!
59
Но и эта затея в конце концов обходится не так уж дешево.
Чтобы превратить воду в пар, необходимо расходовать топливо, обычно ту же нефть или газ. Пока мы будем перекачивать воду или пар по трубам, неизбежны теплопотери.
«Если мы уж все равно сжигаем нефть или газ для подогрева воды,— рассудили специалисты,— то давайте это делать не на поверхности земли, а в самом пласте...»
В простейшем варианте для этого нужны две скважины. В одну опускают электрический или огневой нагреватель, который и разогревает окружающую нефть до 400—500 °C. Теперь достаточно по второй скважине подать вниз сжатый воздух, чтобы в пласте начался пожар, причем не стихийный, а строго регулируемый. Ведь достаточно прекратить подачу воздуха, чтобы огонь тотчас затух.
При таком способе подогрева, конечно, 10—15% нефтезапасов сгорает, зато нефтеотдача увеличивается до 80—85%. Так что потери, как видите, перекрываются с лихвой.
А ЕСЛИ ВЗОРВАТЬ В СКВАЖИНЕ БОМБУ?...
Есть и еще один способ увеличить продуктивность пласта — это сделать его более трещиноватым. Тогда проницаемость коллектора увеличится, нефти будет легче добраться к забою скважины.
Как это сделать на практике? Поначалу попробовали устроить гидроразрыв. Для этого в пласт под большим давлением — до 50 МПа! — нагнетали воду или густую нефть с песком. Жидкость внедрялась в уже существующие трещины и с силой раздвигала их. А порой даже разрывала пласт, создавая дополнительные трещины. Приток нефти к добывающей скважине возрастал. Правда, ненадолго: трещины вскоре снова уменьшались под действием горного давления.
Следующий логический шаг — увеличить разрывное усилие. А поскольку давление жидкости в пласте технически не удается поднять до очень больших значений, задачу решили по-другому. В скважины стали опускать торпеды с взрывчаткой и взрывать их. Продуктивность пласта повышалась в 5—10 раз. Но сила взрыва расширяла трещины лишь в радиусе несколько метров, в то время как протяженность залежи измеряется сотнями, а то и тысячами метров.
В конце 50-х годов встал вопрос об использовании в нефтедобыче ядерных взрывов. Относительно небольшой ядерный заряд легко проникнет в скважину, а сила взрыва такова, что при детонации даже «скромного» заряда в 1 килотонну тротилового эквивалента за десять миллиардных долей секунды выделится мощность, примерно в 2 миллиона раз превышающая мощность всех электростанций СССР!
В последующие годы была проведена серия опытов. В зависимости от мощности заряда, глубины его заложения, строения окружающих пород эффект получался разный. Но обозначились и общие черты. Например, в зоне взрыва температура достигала
60
О 100 200 300М
Размеры ядерной полости для разных типов пород
10 миллионов градусов, а давление—100 миллионов мегапаскалей! В результате окружающая порода не только дробилась, но и тотчас плавилась, даже испарялась. В толще недр образовывалась полость, стенки которой оказывались облицованными твердой стеклообразной коркой. Под конец верхняя часть образовавшейся полости, как правило, обрушивается, образуя так называемую трубу разрушения, во все стороны от которой на сотни метров расходятся многочисленные трещины.
Таким образом, действительно, оказалось возможно во много раз увеличить нефтеотдачу скважины. Но вместе с тем ядерный взрыв породил и многочисленные проблемы.
Прежде всего при ядерном стимулировании появляется реальная возможность радиоактивного загрязнения нефти и газа. Правда, при опытах выяснилось, что 90% образующихся радиоактивных продуктов консервируется в стеклообразном материале на стенках взрывной камеры. Но ведь и остающиеся 10% могут принести достаточно неприятностей. Ведь некоторые радиоактивные вещества теряют свою активность лишь через много лет, когда весь эффект от взрыва может быть уже сведен на нет. Что же делать?
Был предложен такой способ. Выждав несколько недель или месяцев, чтобы распались наиболее активные, короткоживущие изотопы, трубу обрушения вскрывают новыми скважинами. Концентрацию долгоживущих изотопов снижают различными методами. И через некоторое время нефть уже можно добывать без особого опасения.
Два подземных ядерных взрыва были произведены на одном из северных месторождений. Месторождение это имеет особенность— оно расчленено на локальные линзочки, извлекать из которых жидкое топливо весьма непросто. Обычно из подобных залежей удается взять лишь 20% топлива. Взрывы же, создав систему трещин, объединили мини-залежи между собой. Теперь нефть можно вытеснить из всех закоулков, закачав в пласт газ под давлением.
61
ВАХТА НА КРАЮ ЗЕМЛИ
Наряду со стимулированием уже существующих скважин, нефтедобытчики разрабатывают все новые месторождения, все дальше уходят от обжитых мест. Большая часть нефти и газа в нашей стране поступает из болот Тюмени, из ненецкой тундры.
А условия жизни и работы здесь такие, что даже самые закаленные и опытные промысловики долго не выдерживают. Летом гнус, незаходящее солнце, разверзшиеся хляби под ногами, а зимой угнетающая темень полярной ночи с ее крепчайшими морозами и сильными ветрами очень плохо действуют на людей. Работники начинают болеть, покидают нефтепромыслы, невзирая даже на «длинные рубли», которые платят здесь. Видно права русская пословица: не в деньгах счастье...
Но нефть ведь нужна стране!..
В поисках выхода из создавшегося положения и родился вахтовый метод. Суть его такова. Работники прилетают на промысел на две или три недели — это зависит от специфики данного месторождения, условий производства. Отработав свой срок, люди возвращаются на места своего постоянного жительства, а их сменяет другая вахта.
Конечно, это накладно — возить людей на работу и с работы за 1500—2000 километров. Но есть в такой организации труда и немалые плюсы. Прежде всего людям создаются нормальные условия и труда, и отдыха. Что и как тут получается, давайте посмотрим на примере нефтепромысла, расположенного на мысе Харасавэй, что на Ямале.
Полярная ночь длится здесь два с половиной месяца. Морозы по меркам Заполярья — не такие уж суровые: средняя температура января, к примеру, всего-навсего минус 27 °C. Но суровость климата в значительной мере усугубляется постоянными свирепыми ветрами, несущими снежную крупу со скоростью 20 км/ч и более. Такому натиску обычные деревянные дома противостоять не могут—их продувает насквозь. Поэтому на Харасавэе дежурная вахта живет в металлических вагончиках-общежитиях, утепленных изнутри пластиком, толстым синтетическим ковром и другими материалами.
В вагончике или, как говорят на Севере, в балке — тепло и уютно. Здесь есть прихожая с сушилкой для одежды и обуви, кухня с водопроводом и электроплиткой, жилая комната. В поселке имеются также клуб-вагончик, медпункт, столовая и магазин. Словом, здесь есть минимум того, что нужно для отдыха.
Но семьи вахтовиков живут не здесь. Они в Тюмени, в большом городе, где есть многоэтажные дома, школы и детсады, больницы и спортзалы... Где жены вахтовиков могут спокойно работать, воспитывать детей в ожидании своих мужей. А мужья, закончив свою вахту, вернутся в город и могут получить полноценный отдых, зарядку перед следующей, трудной — не будем скрывать этого — вахтой.
Ведь на Ямале к трудностям географическим добавляются еще и геологические. Газовый пласт, расположенный на глубине двух
62
километров, имеет давление в 40 МПа, то есть почти вдвое больше обычного. И к давлению прибавляются еще и другие неприятности, обусловленные строением здешних недр...
Вот, представьте себе, вскрывают продуктивный пласт. Нефть, газ, пластовая жидкость всегда находятся в нем под давлением, и буровики издавна привыкли к этому, обычно они всегда готовы «задавить пласт» противодавлением бурильного раствора. Но такой меры бывает достаточно лишь в пластах нормального давления. А на Ямале оно повышенное. Поэтому здесь необходим особо тяжелый бурильный раствор, то есть такой, в котором есть специальные утяжеляющие добавки. Однако вот тут и начинаются главные неожиданности! Скважина начинает активно поглощать этот раствор — сколько ни лей, все мало...
Что делать? На одной из скважин попробовали использовать сверхтяжелый раствор. Но пока его готовили, верхние 150 метров скважины тем временем замерзли — сказала свое веское слово вечная мерзлота. Значит, скважины надо теперь еще и отогревать, везти для этого из Тюмени специальную установку...
На этот раз выход нашли и скважины стали закладывать не на крутом крыле Харасавэйской структуры, а на пологом. Здесь давление поменьше, значит уменьшаются и трудности бурения.
Совершенствуются и сами бурильные установки. Все чаще на Север привозят автоматизированное оборудование, способное сутками работать без непосредственного участия человека. Так что бурильщики в будущем смогут сменить свои тяжелые робы на легкие костюмы, сядут в тепле управлять процессом бурения при помощи телевидения и телеавтоматики.
НЕФТЬ В МОРЕ
О том, что запасы нефти есть не только на суше, но и под морским дном, известно довольно давно. Вот уже, считай, полвека существуют Нефтяные камни — промысел в Каспийском море. Сегодня нефтяные вышки появились и на других морях. Нефть добывают в Северном море, в Охотском, на Балтике...
Вот, к примеру, как выглядит одна из первых буровых на Балтийском море.
...На платформу можно попасть на вертолете или на катере. Семь миль от берега, и вот вы уже у цели. Остов искусственного острова, который издали казался сложенным из спичек, вблизи оказывается переплетением толстенных труб. Сорок восемь из них уходят в толщу воды и еще на полсотни метров — в дно. Эти ноги и держат все сооружение.
Сама платформа состоит из двух площадок, каждая из которых — в четверть футбольного поля. На одной площадке уходят в поднебесье фермы буровой вышки, другая представляет собой административно-жилую зону. Здесь с трех сторон по краям площадки стоят уютные домики, в которых разместились каюты бригадиров, прорабов и мастеров, а также красный уголок, столовая с кухней, бытовые помещения...
63
Так выглядит морская платформа
Подобные платформы могут иметь разную конструкцию. Ведь одно дело добывать нефть на южном Каспийском море, другое — на мелководной Балтике, где платформу можно укрепить на дне, и третье — на севере или востоке страны. Здесь большие глубины, частые штормы, ледяные поля... В таких условиях гораздо лучше стационарных платформ — пол у погружные. Их буксируют к месту бурения как большие баржи. Здесь они опускают вниз свои «ноги»-опоры. И опираясь ими в дно, платформа приподнимается над поверхностью моря с таким расчетом, чтобы волны ее не захлестывали. По окончании буровых работ такая платформа без особых хлопот может быть переведена в другой район.
Проектируются и строятся суда обеспечения морских нефтяных промыслов. В начале января 1987 г. в финском городе Турку спущено на воду уникальное судно «Трансшельф». Оно предназначено для транспортировки морских буровых самоподъемных установок.
Новый гигант длиной 173 метра и шириной 40 метров имеет ряд особенностей. Судно полу погружное. Да и как иначе взгромоздить на палубу тысячетонные буровые платформы? «Трансшельф» набирает в танки забортную воду и с этим балластом погружается. Палуба площадью 5100 квадратных метров уходит на 9 метров под воду. Платформа затаскивается или заталкивается на борт. Балласт откачивается, и судно к походу готово.
64
Полупогружную морскую платформу можно буксировать к месту бурения
«Трансшельф» еще и судоремонтный док с мощной судостроительной техникой. Управляется он с помощью бортовой ЭВМ, которая контролирует все эксплуатационные секторы сложного судового хозяйства, в том числе и размещение груза на палубе.
Еще один способ морского бурения — непосредственно со специализированного бурового судна. В предыдущей главе мы упоминали о «Челленджере», с борта которого вели глубинное бурение американцы. Но сейчас у нас есть возможность познакомиться с одним из таких судов поближе. Для этого, правда, придется отправиться на север, в город моряков и полярников Мурманск, а уж оттуда—дальше, знакомиться с особенностями бурения с плавучего основания и с людьми уникальной профессии — нефтяниками-акванавтами.
Итак, в путь.
Сюрпризы погоды в арктических морях непредсказуемы даже коротким полярным летом. Небольшой пассажирский пароходик с трудом раздвигает носом тяжелые свинцовые валы. Ветер срывает с волн грязно-серые клочки пены, и порою кажется, что именно из этой пены и состоят низкие косматые облака.
5 — Цыркин
65
Потом ветер неожиданно стих, и над морем повисла плотная пелена тумана. А когда она раздвинулась, мы увидели буровое судно «Виктор Муравленко» уже совсем рядом. Несмотря на качку, оно неподвижно стояло на месте, как будто его удерживала неведомая сила.
Немного погодя мы узнали, в чем тут секрет: судно стояло на месте, благодаря системе динамического позиционирования, носовым и кормовым подруливающим устройствам. Иначе и нельзя. Помните, как потеряли устье скважины американские геологоразведчики?...
Экипаж в большинстве своем имеет вполне земные профессии: буровики, электрики, машинисты дизельных и газотурбинных силовых установок... Но есть все же в морском бурении и своя специфика, с какой не встретишься на суше.
При бурении в океане, например, приходится принимать специальные меры, в которых земные буровики просто не нуждаются. Здесь есть райзер — колонна стальных труб, тянущаяся от судна до дна. Толщина их стенок — около 20 миллиметров; таков необходимый запас прочности, чтобы предохранить буровой инструмент от воздействия окружающей среды. И наоборот, чтобы защитить океан от загрязнения нефтепродуктами.
Такие взаимоотношения людей и океана вполне рабочие, обыденные. А вот устройство под названием превентер* рассчитано как раз на исключительные ситуации. Если говорить попросту, это пробка, которой можно быстро заткнуть скважину при аварийной ситуации, когда, скажем, ураган станет срывать буровое судно с намеченной точки. Но поскольку земные недра все-таки не термос, то и превентер значительно сложнее обыкновенной пробки. Судите сами: длина этого устройства 18 метров, а весит оно без малого 150 тонн!
Когда шторм закончится, вернуться на то же самое место с точностью до сантиметров буровому судну помогут сверхточные навигационные приборы. Превентер поднимут на борт, и буровые работы будут продолжены.
Приборам доверена большая часть подводных операций. Они «прощупывают» и «прослушивают» дно моря, где должна быть заложена скважина, потом обследуют саму скважину... И кажется, чем могут помочь сверхбыстрым электронным приборам, могучим стальным механизмам слабые человеческие руки? Да еще там, на большой глубине, где царят тьма и огромные давления?..
Но представьте себе ситуацию: где-то в глубине откажут вдруг те самые сверхразумные и сверхточные датчики, которые позволяют судну с такой точностью находить свое место. Что делать?.. Тут уж не люди от приборов, а приборы от людей будут ждать помощи. И эта помощь обязательно придет.
Спуск под воду водолазы-глубоководники начинают, еще находясь на судне. Они читают, слушают музыку, смотрят видеофильмы совсем рядом с другими членами экипажа, и в то же
* От латинского слова praeventus — предохранительный, предупреждающий.
66
время как бы... на морском дне! Во всяком случае давление в барокамере, где они находятся — такое же. Это сделано не случайно.
Чтобы подняться с двухсотметровой глубины на поверхность, водолазам физически надо всего несколько минут. А вот, чтобы привыкнуть к смене «климата», порой — несколько суток. Поэтому на протяжении всей вахты они дышат гелиокислородной смесью под строго определенным давлением и даже во время сна находятся под присмотром врачей — специалистов по физиологии глубоководных погружений. Иначе нельзя. Если на глубине люди будут дышать газовой смесью при обычном давлении океан их попросту раздавит. Поэтому давлению снаружи надо противопоставить давление изнутри. Если при поднятии вверх резко сбросить давление, неизбежна кессонная болезнь, резкие перепады давлений могут привести к тяжелым травмам легких.
Поэтому во время рабочего цикла акванавты все время находятся в мире высоких давлений. А вверх-вниз перемещаются с помощью особого лифта — водолазного колокола. Эта кабина, открытая снизу. Воде не дает проникнуть внутрь давление газовой смеси. Таким образом, прибыв на морское дно, акванавт может тотчас выйти в воду без особых затруднений. Покинув колокол, он работает под водой, а дыхание, тепло и связь осуществляются через пуповину шланг-кабеля.
За акванавтами с поверхности моря следят приборы, врачи и коллеги. И все же, прежде всего они сами ведут диалог с океаном. Они — это «тройка»: оператор колокола, номер первый и номер второй. Они понимают друг друга с полуслова, а порой — даже без слов. Они работают вместе столь же согласованно, как пальцы одной руки.
Шаг за шагом, не торопясь, как будто медленно, а на самом деле — в хорошем рабочем темпе, сообщая наверх о каждом своем движении, терпеливо дожидаясь следующей команды, люди внимательно осматривают узлы буровой установки, проверяют датчики системы позиционирования... Словом, работают.
Впрочем, эти водолазы работают точно так же, как, например, при подъеме затонувших судов, по давно известной технологии. В то же время развитие морской добычи нефти и газа привело к появлению новых профессий. Поскольку 80% водолазных работ на морских месторождениях составляют осмотр, техническое обслуживание и ремонт, большим спросом пользуются водолазы-осмотрщики. В колледже подводно-технических работ — коммерческой школе водолазов, расположенной в гавани Лос-Анджелеса, с 1982 года организован курс подготовки водолазов к проведению осмотров и неразрушающего контроля подводного оборудования. Этот курс официально одобрен и Британским агентством аттестации персонала, проводящего контроль сварные соединений.
В обязанности водолаза-осмотрщика входят визуальный контроль сварных соединений, подводная фотография и видеозапись (первая ступень подготовки); ультразвуковой и магнитный неразрушающий контроль сварных соединений (вторая ступень).
5’
67
Это специалисты высокого класса. Прежде чем подать заявление о сдаче экзаменов на вторую ступень, водолазу необходимо не менее года проработать с квалификацией первой ступени. Его суммарное время выполнения визуального контроля под водой должно составить не менее 30 часов.
После прохождения второй части курса водолаз допускается к выполнению работ на месторождениях.
Как представителям большинства современных профессий, осмотрщикам приходится работать со сложной аппаратурой. Здесь и ультразвуковой детектор повреждений со встроенным осциллографом, и установка для магнитного контроля, и даже комбинированная система, включающая полиэкранную ультразвуковую аппаратуру и дисплей.
Мы видим, что кроме завидного здоровья, современному буровику-водолазу нужна куча технических знаний. Ведь от его работы зависит сохранность немыслимо дорогого сооружения. Платформа для бурения на шельфе со 100-метровой глубиной стоит столько же, что и супертанкер грузоподъемностью 200 000 тонн. А вообще стоимость платформ растет с рабочей глубиной шельфа в геометрической прогрессии.
ПУТЕШЕСТВИЕ ПО ТРУБАМ
И в заключение главы, посвященной проблемам извлечения нефти и газа на поверхность, надо, наверное, поговорить и о том, как их доставляют к месту использования.
Помните пословицу: «За морем телушка — полушка, да рубль перевоз...» Она как нельзя лучше характеризует важность транспортной проблемы. Можно, используя последние достижения науки и техники, добыть очень дешевое сырье. Но не забывайте: большинство нефтепромыслов в настоящее время находится далеко от нефтеперерабатывающих предприятий.
Можно, конечно, использовать традиционные виды транспорта. На море грузить добываемую нефть в танкеры, на суше — в железнодорожные цистерны. Но выгодно ли это?..
Даже на море, где современные супертанкеры забирают в трюмы сразу сотни тысяч тонн топлива, такое решение транспортной проблемы нельзя назвать наилучшим. Ведь подобная транспортировка не так уж дешева. Вдобавок частые аварии танкеров приводят к загрязнению окружающей среды, уничтожают все живое на сотни миль вокруг. Да и регулярность такого сообщения могла бы быть лучшей: как известно, и по сию пору скорость движения морского транспорта во многом зависит от погоды.
Еще хуже дела обстоят на суше. Для перевозки топлива нам понадобилось бы с каждым годом строить все новые и новые железные дороги, по которым сновали бы бесчисленные составы цистерн. А уж с газом еще хуже: вместо цистерн пришлось бы заводить целый парк специальных «термосов», в которых бы постоянно поддерживалась температура минус 80 °C и ниже при давлении 5—6 МПа — только так можно перевозить газ в жидком состоянии.
68
Собственно так и поступают, например, при транспортировке метана из Алжира в США. Создан целый флот танкеров-метановозов. У них на борту работают специальные компрессорные и холодильные установки, поддерживающие нужный режим в танках, с тем чтобы метан был в нужном (жидком) агрегатном состоянии. Во время рейса часть перевозимого метана расходуется на работу холодильных установок.
Число таких плавучих «термосов» исчисляется десятками. В то же время трудно представить себе такую траспортную технологию в сухопутном исполнении.
По счастью, мы можем обо всем этом говорить в сослагательном наклонении. Специалисты нашли другое решение транспортной проблемы. По всей стране и за ее рубежи проложена мощная и разветвленная сеть трубопроводов, и развитие этой сети продолжается.
Трубопроводы в нашей стране по темпам роста грузооборота намного опередили другие виды транспорта. Доля их в общем объеме перевозок быстро росла и достигла почти трети общего грузооборота страны. Столь стремительные темпы объясняются исключительно высокой экономичностью трубопроводов. Достаточно сказать, что на доставку каждой тонны нефти по трубам требуется в 10 с лишним раз меньше трудовых затрат, чем для ее перевозки по железным дорогам. Этот прогрессивный вид транспорта экономит ежегодно труд примерно 750 тысяч человек!..
В настоящее время трубопроводный транспорт становится средоточием новейших достижений отечественной науки и техники. Казалось бы, что тут хитрого: труба она и есть труба... Но само по себе изготовить трубу, да еще большого диаметра — достаточно сложная инженерно-техническая задача. Тем не менее в короткий срок производство таких труб было налажено на предприятиях нашей страны.
Другая проблема при строительстве нефтегазопровода — все трубы необходимо герметично сваривать в единую нитку, и притом довольно длинную: тот же газопровод Уренгой — Помары — Ужгород имеет протяженность около 4500 километров! А общая протяженность сварных швов, как показывают расчеты, в 1,5 раза превышает длину самого трубопровода.
И здесь советские специалисты на высоте положения. В нашей стране есть не только кадры высококвалифицированных сварщиков, способных безупречно вести такую ответственную работу вручную, но и создан целый комплекс машин «Север-1», который позволяет вести сварку трубопроводов в автоматическом режиме. Его основной агрегат представляет собой самоходную сварочную, машину К-700, которая перемещается от стыка к стыку внутри самой трубы. Такое техническое решение оказалось очень удобным для условий бездорожья, где, как правило, и ведутся подобные работы. Работа комплекса в экстремальных условиях Тюменского Севера показала исключительную эффективность и надежность сварочной автоматики, дала возможность вести сварку при любой погоде.
69
Еще одна проблема — необходимость защиты нефтегазопроводов от коррозии — тоже была успешно решена отечественными специалистами. Ими создано несколько видов ингибиторов коррозии— химических веществ, которые представляют собой сложные органические молекулы такого состава, что с одной стороны они родственны металлу и как бы «прилипают» к нему, а с другой — не позволяют воде, солям и кислороду приближаться к металлу и окислять его.
Разработаны в нашей стране и конструкции пластмассовых трубопроводов, в основном для жидких углеводородов. Особенно большой эффект может дать использование таких нержавеющих трубопроводов для освоения месторождений Прикаспийской впадины и Западного Казахстана. Дело в том, что местные нефть и газ содержат в своем составе значительные количества сероводорода, диоксида углерода и других агрессивных веществ. Кроме того, пластмассовые трубы уменьшают примерно на четверть стоимость сооружения трубопровода, они в 6—8 раз легче стальных, а значит, упрощается их доставка на трассу и монтаж. Достаточно сказать, что из одной тонны стальных труб диаметром 10 миллиметров можно сварить нитку длиной 75—80 метров, а из одной тонны полиэтиленовых — длиной 1000 метров! Однако пластмассовые трубы не применяются пока для сооружения магистральных трубопроводов.
Научились в СССР быстро и качественно прокладывать не только наземные, но и подводные трубопроводы. Например, на Каспии впервые в мировой практике нефть с морских промыслов доставляется на берег с помощью подводных трубопроводов длиной до 20 километров. Трубопроводчики сварили нитку соответствующей длины и уложили ее на всем протяжении с помощью специально приспособленных судов.
А чтобы трубопровод укладывался не просто на дно, а на специально подготовленное ложе, в последнее время в нашей стране стали использовать специальные подводные плуги. Такой плуг крепится к судну-буксиру, и за один проход проделывает в речном или морском дне траншею нужной длины и ширины.
Интересный способ переброски трубопроводов через непроходимые топи и другие препятствия, часто встречающиеся на пути строителей, испытан недавно на Тюменском Севере. По команде «Пуск!» прогремел взрыв. Плеть трубопровода метрового диаметра, опоясанная кассетами с пороховыми реактивными двигателями, сначала слегка дернулась, потом сдвинулась с места и стала быстро продвигаться, срезая на своем пути болотные кочки и редкие кусты. Таким образом в считанные секунды «реактивный трубопровод» миновал трехсотметровый участок топи, сэкономил людям немало времени и средств.
Глава V
ТОПЛИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ
Конечно, это не самый лучший выход — сжигать нефть в топках электростанций, цилиндрах автомобилей, турбинах самолетов... Но представьте себе на минуту: исчезло все жидкое топливо. Что было бы? Небывалой силы энергетический кризис поразил бы мировую промышленность, практически полностью парализовал бы весь транспорт... Пока еще индустрия планеты не может отказаться от использования нефти в качестве топлива. И нефтяникам приходится с этим считаться.
ЭКСКУРСИЯ НА НПЗ
Отправимся в воображаемую экскурсию на НПЗ (нефтеперерабатывающий завод) и для простоты будем считать, что он производит лишь бензин, керосин, дизельное и другие топлива, смазочные масла и кокс.
Этого, уверяем вас, для первого раза более чем достаточно. Ведь только в стандартах на бензины не менее десятка обязательных показателей. Их разброс по отдельным компонентам очень широк. Всего же на современном нефтеперерабатывающем заводе выделяют до 15—20 компонентов. И количества их разные — от десятков тысяч до миллионов тонн в год. Да добавьте к этому разную себестоимость компонентов и разные цены на различные марки бензина... В общем, только компьютеры на основе соответствующих экономико-математических моделей позволяют получать оптимальные решения производственных задач, обеспечивают получение всех заданных марок топлива при условии получения максимальной Прибыли. Или при минимальных затратах нефти — что выгоднее в данный момент.
Всякий нефтеперерабатывающий завод состоит как бы из двух блоков: блока производства компонентов и блока смешения. В блок производства входят технологические установки; блок смешения— это, главным образом, резервуары и насосы.
Рассмотрим сначала блок производства.
ПРИРОДА ПЕРЕСОЛИЛА
Производственный цикл начинается с ЭЛ ОУ. Это сокращение означает «электрообессоливающая установка». Для чего она нужна?
Как мы уже знаем, в нефти есть минеральные примеси, в том числе и соли: хлориды, сульфаты и другие. В некоторых сортах
71
АТМОСФЕРНО-ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА
БЕНЗИНОВАЯ ФРАКЦИЯ
КЕРОСИНОВАЯ ФРАКЦИЯ
ФРАКЦИЯ ДИЗТОПЛИВА
ГАЗЫ И ВОДЯНЫЕ ПАРЫ
ЭЛЕКТРООБЕССОЛИВАНИЕ
СЫРАЯ НЕФТЬ
ВОДА С СОЛЯМИ

ПОДОГРЕВАТЕЛЬ
ЛЕГКАЯ ФРАКЦИЯ
СЕЛЕКТИВНАЯ ОЧИСТКА
вакуумный газойль
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР д а КРЕКИНГ \ Г1 Д ДЫМОВЫЕ ГАЗЫ
РЕГЕНЕРАТОР КАТАЛИЗАТОРА
ЛЕГКИЙ МАСЛ. ДИСТИЛЛЯТ
СРЕДНИЙ МАСЛ. ДИСТИЛЛЯТ. СЕЛЕКТИВНАЯ ОЧИСТКА РАСТВОРИТЕЛЯМИ
ТЯЖЕЛЫЙ МАСЛ. ДИСТИЛЛЯТ Г
Г УДРОН


ВОЗДУХ
ВОДЯНОЙ ПАР
ПОДОГРЕВАТЕЛЬ
ВОЗДУХ
ПНЕВМО-ПОДЪЕМНИКИ
ОКИСЛЕНИЕ ПАРЫ И ГАЗЫ
Технологические потоки совре
72
сухой газ
бензиновая
H2S
СЕРЫ
ХОЛ.ВОДА.
ПАРАФИН
СУХОЙ газ
СТАВИЛИЭАЦИ Я
КОМПОНЕНТ
НЕСТАБИЛЬ
БИТУМ
БИТУМ
МОТОРНОЕ МАСЛО
ИНДУСТРИАЛЬНОЕ МАСЛО
ЛЕГКИЙ газойль
Гидроочистка или ДООЧИСТКА ЗЕМЛЕЙ
► пары
И ГАЗЫ
ГИДРООЧИСТКА
ГЛУБОКАЯ
ДЕ ПАРАФИНИЗАЦИЯ РАСТВОРИТЕЛЬ
ХОЛОДИЛЬНИК /____
ЦЕНТРИФУГА
ДЕПАРАФИНИЗАЦИЯ
ДЕПАРАФИНИЗАЦИЯ
ГИДРООЧИСТКА или ДООЧИСТКА ЗЕМЛЕЙ
КОМПОНЕНТ
АВТОБЕНЗИНА
СЕРА
КОМПОНЕНТ РЕАКТИВНОГО
КОМПОНЕНТ ДИЗЕЛЬНОГО
НИЗКОЗАСТЫ-
УДАЛЕНИЕ ОСТАТКОВ МАСЕЛ
ОЧИСТКА ЗЕМЛЕЙ
7 ЦЕРЕЗИН
ГАЗОФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ЭТАН ПРОПАН
БУТАН -
бутилены
КОМПОНЕНТ
ГАЗЫ
ПРОЛАН-
БУТАНО- |
 J
КОМПОНЕНТ САЖЕВОГО
менного НПЗ (упрощенная схема)
73
нефти содержатся и минеральные кислоты. Все эти соединения необходимо выделить из нефти, так как они, во-первых, вызывают коррозию аппаратуры, а, во-вторых, являются каталитическими ядами, то есть ухудшают протекание многих химических процессов последующей переработки нефти. И наконец: в-третьих, соли не в лучшую сторону влияют на качество бензина, дизельного топлива и масел.
Обессоливание начинают с того, что нефть забирают из заводского резервуара, смешивают ее с промывной водой, деэмульгаторами, щелочью (если в сырой нефти есть кислоты)... Затем смесь нагревают до 80—120 °C и подают в электродегидратор. Здесь под воздействием электрического поля и температуры вода и растворенные в ней неорганические соединения отделяются от нефти.
Требования к процессу обессоливания жесткие — в нефти должно остаться не более 3—4 мг/л солей и около 0,1% воды. Поэтому чаще всего в производстве применяют двухступенчатый процесс, и нефть после первого попадает во второй электродегидратор.
После этого нефть считается пригодной для дальнейшей переработки и поступает на первичную перегонку.
ЗНАКОМЬТЕСЬ, ПЕРЕГОНКА...
Как мы уже знаем, нефть представляет собой смесь тысяч различных веществ. Даже сегодня, при наличии самых изощренных средств анализа: хроматографии, ядерно-магнитного резонанса, электронных микроскопов — далеко не все эти вещества полностью определены. Что же говорить о делах столетней давности? Конечно, наши предшественники определяли состав нефти с достаточной мерой приближения.
Впрочем, надо отдать должное их практической сметке: довольно скоро они сообразили, что независимо от сложности состава переработку нефти все равно надо начинать с перегонки. Схему первого нефтеперегонного завода в России вы уже видели в главе I.
Смысл этого процесса довольно прост. Как и все другие соединения, любой жидкий углеводород нефти имеет свою температуру кипения, то есть температуру, выше которой он испаряется. (Температура кипения возрастает по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле. Например, бензол СбНб кипит при 80,1 °C, а толуол С?Н8 при 110,6 °C). И наоборот, если пары бензола охладить ниже температуры кипения, он снова превратится в жидкость. На этом свойстве и основана перегонка*.
Предположим, мы поместили нефть в перегонный куб — огромный чан с крышкой, и начали ее нагревать. Как только температура жидкости перейдет за 80 °C, из нее испарится весь бензол, а с ним и другие углеводороды с близкими температурами
* К слову сказать, даже само название «нефть» происходит от арабского nafatha, что в переводе означает «кипеть».
74
кипения. Тем самым мы отделим от нефти фракцию от начала кипения до 80 °C, или н.к.— 80 °C, как это принято писать в литературе по нефтепереработке.
Продолжим нагрев и поднимем температуру в кубе еще на 25 °C. При этом от нефти отделится следующая фракция — углеводороды С?, которые кипят в диапазоне 80—105 °C. И так далее, вплоть до температуры 350 °C. Выше этого предела температуру поднимать нежелательно, так как в остающихся углеводородах содержатся нестабильные соединения, которые при нагреве осмоляют нефть, разлагаются до углерода и способны закоксовать, забить смолой всю аппаратуру.
КЕРОСИН, БЕНЗИН И ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
Именно так, перегонкой в кубах, и перерабатывали нефть поначалу во всем мире. Основной целью перегонки было получение керосина, которым довольно долго освещался цивилизованный мир.
Но керосин — довольно узкая фракция нефти. Он отделяется примерно в интервале 180—300 °C. Все, что перегонялось до 180 °C (а это по существу был бензин), являлось побочным продуктом переработки. Невероятно, но факт: в течение по крайней мере трех десятков лет никто не знал, куда его девать*.
Но вот в 90-х годах прошлого века появился карбюраторный двигатель внутреннего сгорания, работающий, как известно, именно на бензине. Он невероятно быстро совершенствовался и в течение двух десятилетий стал самым распространенным двигателем в мире.
Сначала все автомобили были легковыми, затем появились и грузовики. Наступила автомобильная эра, вызвавшая радикальные перемены в жизни человечества. К сожалению, как теперь выясняется, не все изменения были со знаком «плюс», но в целом положительный характер автомобилизации отмечают даже ее противники.
Так не вызван ли был сам факт появления автомобиля и последовавший за ним автомобильный бум наличием избыточного бензина в нефтепереработке? Вопрос не так уж бессмыслен. Давайте вспомним, сколько было попыток приспособить паровую машину, изобретенную еще в XVIII веке, для транспортных средств. В результате жесткого экономического отбора появились пароходы и паровозы. Однако все попытки создать паровой автомобиль отбраковывались экономикой, хотя с технической стороны запретов не было. Не хватало «пустяка» — эффективного во всех отношениях, а главное дешевого, доступного и удобного в пользовании топлива. И когда это топливо появилось, сам факт его существования стал одним из мощнейших стимулов прогресса на транспорте.
* В нефтепереработке границы фракций достаточно расплывчаты. Конкретные температуры выкипания в каждом случае зависят от назначения данного продукта.
75
Мы еще не раз столкнемся с ситуацией, когда применительно к научно-техническим достижениям не сразу разберешься, что было раньше—«курица» или «яйцо»? Сейчас же осмелимся заявить: бензин породил автомобиль, а нефтепереработка — современный транспорт. Для подтверждения этого вернемся к перегонке нефти.
ПЛЮСЫ И МИНУСЫ РЕКТИФИКАЦИИ
Введем еще одно техническое новшество — вместо дробной перегонки в периодически работающих кубах, внедрим ректификационную колонну. Для этого над кубом, в котором нагревают нефть, водрузим высокий цилиндр, перегороженный множеством ректификационных тарелок. Их конструкция такова, что поднимающиеся вверх пары нефтепродуктов, могут частично конденсироваться, собираться на этих тарелках и по мере накопления на тарелке жидкой фазы сливаться вниз через специальные сливные устройства. В то же время парообразные продукты продолжают пробулькивать через слой жидкости на каждой тарелке.
Температура в ректификационной колонне снижается от куба к самой последней, верхней тарелке. Если в кубе она, скажем, 380 °C, то на верхней тарелке она должна быть не выше 35—40 °C, чтобы сконденсировать и не потерять все углеводороды С5, без которых товарный бензин не приготовить. Верхом колонны уходят несконденсировавшиеся углеводородные газы Ci—С4. Все, что может конденсироваться, остается на тарелках.
Таким образом, достаточно сделать отводы на разной высоте, чтобы получать фракции перегонки нефти, каждая из которых кипит в заданных температурных пределах. Фракция имеет свое конкретное назначение и в зависимости от него может быть широкой или узкой, то есть выкипать в интервале двухсот или двадцати градусов.
С точки зрения затрат, чем грубее перегонка, чем более широкие фракции получаются в итоге, тем она дешевле. Ведь при всякой ректификации происходят достаточно сложные процессы тепло- и массообмена. На каждой тарелке происходят испарение и конденсация. Мы должны нагреть жидкость до температуры кипения, затем добавить еще энергию, чтобы ее испарить (с учетом скрытой теплоты парообразования). Потом, когда пары конденсируются, эта энергия выделяется. Но вот использовать ее удается далеко не полностью — слишком много энергии при таких переходах безвозвратно теряется.
И чем более узкие фракции мы хотим получить, тем выше должны быть колонны, тем больше в них должно быть тарелок, тем больше раз одни и те же молекулы должны, поднимаясь вверх с тарелки на тарелку, перейти из газовой фазы в жидкую и обратно. Для этого нужна энергия. Ее подводят к кубу колонны в виде пара или топочных газов.
Как везде в технике, в нефтепереработке не любят лишних затрат. Поэтому нефть поначалу перегоняли на широкие фракции. Это прежде всего бензиновая фракция (прямогонный бензин); она
76
кипит от 40—50 °C до 140—150 °C. Далее следует фракция реактивного топлива (140—240 °C), затем дизельная (240—350 °C).
Остатком перегонки нефти был мазут. Поначалу его практически целиком сжигали как котельное топливо. И только с изобретением крекинга, о котором речь дальше, появилась возможность использовать и его.
ЧТОБЫ СОХРАНИТЬ МОЛЕКУЛЫ
В принципе нефть можно перегнать в одной колонне, отбирая фракции с расположенных на разной высоте тарелок. Но мы уже убедились, что это невыгодно как по затратам энергии, так и по затратам на оборудование. Поэтому на практике перегонку (или, как говорят специалисты, разгонку), проводят в нескольких колоннах. Обычно их пять. На первой колонне выделяется легкая бензиновая фракция, которая затем конденсируется в специальном холодильнике-конденсаторе и уже в жидком виде отправляется в стабилизационную колонну.
Зачем нужна стабилизация? Дело в том, что вместе с легкой бензиновой фракцией на первой колонне отгоняются и легкие углеводородные газы Сз—С5. Они легкокипящие, поэтому при обычной комнатной температуре 20—25 °C улетучиваются из жидкой углеводородной массы (содержание их в растворе обратно пропорционально температуре). Между жидкостью и газовой фазой устанавливается термодинамическое равновесие, соответствующее данной температуре.
Это означает, что строго определенное число молекул, например бутана СдНю, переходит в единицу времени из жидкой фазы в газовую и обратно. Тем самым над поверхностью бензина создается как бы газовая подушка, от которой зависит такой важный показатель качества бензина, как давление насыщенных паров. Понятно, чем больше пропана СзНв и бутана С4Ню осталось растворенными в бензине, тем выше давление паров, то есть тем выше концентрация пропана и бутана также над поверхностью бензина при данной температуре.
Практическое значение данного показателя очень велико. От него зависит испаряемость бензина в карбюраторе, сам процесс карбюрации и последующее сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. Легкие фракции бензина иногда называют пусковыми. Если их мало, то двигатель заводится с трудом, особенно зимой. Именно по этой причине в ГОСТе на бензин оговаривается, что давление насыщенных паров бензина для зимних сортов должно быть 66—92 кПа (500—700 мм рт.ст.), а для летних — не более 66,5 кПА.
Почему же летом «не более»? По двум причинам. Во-первых, потому что повышенное содержание легких газов в бензине способно нарушить систему топливоподачи из-за образования локальных газовых пробок, а во-вторых, чтобы сократить потери бензина за счет испарения. Приходилось ли вам открывать в жаркий летний день канистру с бензином? Если да, то вспомните,
77
как из-под крышки, стоит ее лишь приоткрыть, тотчас выплескивается бензин. Точно так же брызжет шампанское из плохо охлажденной бутылки.
А теперь представьте себе путь бензина от нефтеперерабатывающего завода до автомобильного бака. Его многократно перекачивают из резервуара в резервуар, затем в железнодорожные цистерны, потом в автоцистерны и т. д. Все процессы транспортировки и хранения бензина ведутся под давлением, таковы требования техники безопасности. Но уплотнения оборудования не идеальны. Бензин то и дело непосредственно соприкасается с атмосферой, при этом происходит его испарение, а значит— потери. Они тем выше, чем больше давление насыщенных паров. Поэтому и нужна стабилизационная колонна, где в случае необходимости из бензина специально удаляют бутан, чтобы этот показатель укладывался в предусмотренные ГОСТом пределы.
Но мы несколько отвлеклись... Итак, на первой колонне выделяется только легкий бензин. Оставшаяся нефть поступает на вторую колонну, где с верха отбирают весь остальной, тяжелый бензин, а с боковых отводов — керосиновую и дизельную фракции. Снизу выделяется мазут.
Тяжелый бензин также стабилизуется на специальной колонне. Керосиновую и дизельную фракции на отдельной колонне освобождают дополнительно от примеси бензиновой фракции. Мазут же поступает в печь, нагревается до 400 °C и подается в куб вакуумной колонны. В зависимости от необходимости его здесь разделяют на вакуум-дистиллят (фракция 350—500 °C) и на гудрон, кипящий при температуре выше 500 °C. Иногда вакуум-дистиллят называют вакуум-газойлем.
Вакуум-дистиллят используют для получения котельных топлив. Гудрон же используют для производства асфальта, дорожных и строительных битумов...
Агрегаты первичной перегонки нефти получили название атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки, поскольку они оборудованы трубчатыми печами для нагрева нефти. Иногда на нефтеперерабатывающих заводах, где переработка мазута не предусмотрена, вакуумная часть отсутствует.
И чтобы закончить с первичной перегонкой, несколько слов о том, как выглядят производственные установки. На современных нефтеперерабатывающих заводах обычно работают атмосферные трубчатки или атмосферно-вакуумные трубчатки мощностью 6— 8 миллионов тонн перерабатываемой нефти в год. Обычно на заводе таких установок не одна, а две-три.
Первая атмосферная колонна представляет собой сооружение диаметром, например, 7 метров в нижней и 5 метров в верхней части. Высота колонны — 51 метр. По существу, это два цилиндра, поставленные один на другой. И это еще не самая большая подобная установка.
Другие колонны, холодильники-конденсаторы, печи и теплообменники также выглядят достаточно внушительно и в то же время элегантно. Дизайнеры поработали и здесь.
78
ТРЕБУЮТСЯ УЗКИЕ ФРАКЦИИ
Кроме обессоливания, обезвоживания и прямой перегонки на многих нефтезаводах есть еще одна операция переработки — вторичная перегонка. Ее еще называют зачастую четкой ректификацией. Задача этой технологии — получить узкие фракции нефти для последующей переработки. Продуктами вторичной перегонки обычно являются бензиновые фракции, служащие для получения автомобильных и авиационных топлив, а также в качестве сырья для последующего получения ароматических углеводородов — бензола, толуола и других.
Типовые установки вторичной перегонки и по своему виду, и по принципу действия в общем-то очень похожи на агрегаты атмосферной трубчатки, только они гораздо меньше, можно сказать даже миниатюрны.
Вторичная перегонка завершает первую стадию переработки нефти: от обессоливания до получения узких фракций. По современным понятиям, это даже не полпути. Наступает очередь деструктивных процессов.
В отличие от физических по существу процессов перегонки, здесь уже происходят глубокие химические преобразования. Из одной большой молекулы можно получить несколько малых; прямоцепочечные углеводороды будут превращены в циклические или в разветвленные...
Одна из самых распространенных технологий этого цикла — крекинг.
«СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРОСИНА ИЗ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ...»
Первый патент на промышленную технологию крекинга взял Дж. Юнг в 1866 году. Называлось это техническое решение так: «Способ получения керосина из тяжелой нефти перегонкой под давлением». Термин «крекинг»* был введен в обиход позднее.
Первые крекинг-аппараты по существу представляли собой периодически работающие кубы, подобные тем, в которых осуществлялась обычная перегонка. Лишь в 1891 году наши соотечественники, известные инженеры В. Г. Шухов и С. П. Гаврилов* предложили новое устройство для крекинг-процесса. Это был трубчатый реактор непрерывного действия, где по трубам осуществлялась принудительная циркуляция мазута или другого тяжелого нефтяного сырья, а в межтрубное пространство подавались нагретые топочные газы.
Что же происходит при термическом крекинге? Под воздействием высокой температуры длинные молекулы, например алканов С го, разлагаются на более короткие — от С 2 до С is. Углеводороды Cs—С ю—это бензиновая фракция, С 15—дизельная... Вообще при термическом крекинге происходят сложные рекомбинации осколков разорванных молекул с образованием более легких углеводородов. При этом одновременно происходит перераспреде
* От английского слова cracking — расщепление.
79
ление процентного содержания углерода и водорода в сырье и продуктах.
Таким образом, если, например, превращать мазут в легкие бензиновые фракции, содержащие повышенные количества водорода, то одновременно должен образоваться и остаток, богатый углеродом. И такой остаток, действительно, образуется. В нем концентрируются смолы, кокс, серу содержащие соединения и минеральная часть нефти, не отмытая на ЭЛОУ. Этот крекинг-остаток затем обычно используют как компонент котельного топлива, смешивая его с мазутом, оставшимся от прямой перегонки нефти.
С изобретением крекинга глубина переработки нефти увеличилась. Выход светлых составляющих, из которых затем можно приготовить бензин, керосин, дизельное топливо (соляр) повысился с 40—45 до 55—60%. Но главное даже не в этом. Новая технология позволила повнимательнее присмотреться к мазуту, использовать его в качестве сырья для производства масел.
ПОТОМКИ КОЛЕСНОЙ МАЗИ
Колесная мазь появилась, наверное, чуть позже, чем само колесо, но тоже достаточно давно. Прямой смысл известного афоризма: «Не подмажешь — не поедешь»,— указывает на один из самых древних способов борьбы с трением.
Сначала для этой цели использовали животные жиры. Затем появился деготь — продукт термической перегонки некоторых сортов древесины. Впоследствии этот же деготь стали гнать из каменного угля... Но промышленная революция, быстрое развитие техники выдвигали все новые задачи. Механизмы вращались все быстрее, транспортные средства все наращивали скорость — а значит, все возрастали требования к смазке. Требовались смазочные масла со все большим спектром свойств: сверхвязкие и сверхтекучие, термостойкие и неосмоляющиеся, противозадирные и противоизносные... А главное — их требовалось с каждым годом все больше. И в конце концов смазочные масла стали делать из нефти.
К тому времени химики выяснили, что углеводороды подходящей структуры имеются в тех фракциях нефти, которые выкипают при температуре выше 350 °C. Правда, эти масляные фракции есть не во всякой нефти, но подходящих сортов тоже набирается достаточно, Больше огорчало специалистов другое: углеводороды масляных фракций имеют сложную структуру, соседствуют по температурам кипения с парафинами, так что разделить их не так-то просто. В поисках наилучшей технологии пришли к перегонке мазута под вакуумом.
В основе такой перегонки лежит известный физический закон, согласно которому с понижением давления снижается и температура кипения жидкостей. Все ведь знают, что высоко в горах вода кипит при температуре ниже 100 °C, и сварить яйцо на Эвересте — проблема. Но то, что в обыденной жизни можно отнести к минусам, в нефтехимической технологии превратилось в плюс. 80
Если в ректификационной колонне создать вакуум, скажем 1 —1,5 кПа, то мазут начинает испаряться при температуре ниже 350 °C. Значит, с меньшими затратами тепла и с большей точностью из него можно отогнать те узкие фракции, которые затем будут использованы для производства смазочных масел.
Это в теории. На практике же изготовление масел достаточно сложное, многостадийное производство. Сначала применяют серию очисток — в маслах очень нежелательно присутствие серы, ванадия и других минеральных примесей, имеющихся в исходной нефти. Затем надо очистить масляные фракции от парафинов — хорошее будет масло, если оно будет застывать уже при комнатной температуре!..
Полученные парафины раньше использовались для производства свеч. В настоящее время их гораздо чаще используют в бумажной, пищевой и химической промышленности. Парафинированная бумага не боится влаги, хорошо воспринимает типографскую краску и потому применяется для производства высококачественных полиграфических изделий. В парафин также «замуровывают» сыр. А химической переработкой парафинов получают синтетические жирные кислоты, которые незаменимы при производстве моющих средств.
ДЛЯ СНИЖЕНИЯ вязкости
Иногда при переработке тяжелых сортов нефти остаток прямой перегонки нельзя использовать в качестве топочного мазута — это уже гудрон. Содержащиеся в нем смолы делают его настолько вязким, что перекачка, транспортировка и сжигание связаны с очень большими трудностями, особенно зимой, в морозы, когда котельное топливо больше всего и нужно. Чтобы слить его из цистерн, их приходится подогревать паром или прибегать к каким-то другим хитростям.
Так вот, чтобы избежать таких трудностей, для приготовления котельного топлива из гудрона используют не обычный термический крекинг, о котором мы только что говорили, а один из его вариантов — висбрекинг. Это название тоже произошло из английского языка и содержит в себе кусочки сразу трех английских слов: viscosity — вязкость, breack — ломать, разрушать и cracking— расщепление. Таким образом, висбрекинг — это крекинг, специально используемый для снижения вязкости. Проводят его при пониженных температурах и давлениях.
ДА ЗДРАВСТВУЮТ ЦЕОЛИТЫ!
Каталитический крекинг был открыт в 30-е годы нашего века, когда заметили, что контакт с некоторыми природными алюмосиликатами меняет состав продуктов термического крекинга. Дополнительные исследования привели к двум важным результатам. Во-первых, удалось установить подробности каталитических превращений. Во-вторых, созрела убежденность в необходимости
6 — Цыркин
81
специально готовить катализаторы для таких химических превращений, а не искать их в природе, как это делали поначалу.
Каковы же задачи катализаторов крекинга, если формулировать их, исходя из современных представлений о механизме протекающих реакций? В самом общем виде картина следующая. Катализатор отбирает из сырья и сорбирует на себе прежде всего те молекулы, которые способны достаточно легко дегидрироваться, то есть отдавать водород. Образующиеся при этом непредельные углеводороды, обладая повышенной адсорбционной способностью, вступают в связь с активными центрами катализатора. По мере роста непредельности (ненасыщенности связей) происходит полимеризация углеводородов, появляются смолы — предшественницы кокса, а затем и сам кокс. Высвобождающийся водород принимает активное участие в других реакциях, в частности гидрокрекинга, изомеризации и др., в результате чего продукт крекинга обогащается углеводородами не просто легкими, но и высококачественными — изоалканами, аренами, алкиларе-нами с температурами кипения 80—195° С. Это и есть широкая бензиновая фракция, ради которой ведут каталитический крекинг тяжелого сырья. Конечно, образуются и более высококипящие углеводороды фракции дизельного топлива, относящиеся к светлым нефтепродуктам.
Типичные параметры каталитического крекинга при работе на вакуум-дистилляте (фр. 350—500 °C): температура 450—480 °C и давление 0,14—0,18 МПа. В итоге получают углеводородные газы (20%), бензиновую фракцию (50%), дизельную фракцию (20%). Остальное приходится на тяжелый газойль или крекинг-остаток, кокс и потери.
Выход кокса может достигнуть 5%. Это накладывает особые требования на технологию крекинга, потому что по мере закоксовывания активных центров катализатор работает все хуже и в конце концов вообще прекращает выполнять свои функции. Теперь его надо регенерировать. Обычно для этого кокс с катализатора выжигают воздухом при 700—730 °C.
Каким требованиям должен отвечать катализатор для подобного процесса? Во-первых, он должен обладать специфическими хемосорбционными свойствами, то есть с разной активностью притягивать и сорбировать на себе различные молекулы нефтяного сырья. Во-вторых, необходима высокая пористость, причем желательно уметь регулировать диаметр и глубину пор. Это позволит упорядочить процесс адсорбции молекул на активных каталитических центрах, осуществить направленные превращения углеводородов, а затем десорбировать с контакта продукты превращения. В-третьих, структура и свойства катализатора должны способствовать организации наиболее эффективного тепло- и массообмена в реакционной зоне — ведь каталитический крекинг процесс термокаталитический, и роль температуры здесь особенно велика. Отсюда требования к механической прочности катализатора.
В целом же роль и задача катализаторов — повышать селективность протекающих химических реакций, увеличивая выход целе
82
вого продукта из единицы сырья. Однако применительно к каталитическому крекингу нужно сделать определенные уточнения. Целевым продуктом здесь является не просто бензин, а высокооктановый. Поэтому в самом общем виде селективность каталитического крекинга можно оценить выходом бензиновой фракции с заданным октановым числом.
Первым «рукотворным» катализатором крекинга стал алюмосиликатный формованный катализатор в виде шариков диаметром около 3 мм. В основе его был аморфный алюмосиликат, естественная пористость которого поначалу устраивала нефтепереработчиков. На смену ему пришел микросферический алюмосиликатный катализатор, частицы которого измерялись микронами. Этот пылевидный контакт положил начало использованию в каталитическом крекинге технологии взвешенного (его называют также кипящим или псевдоожиженным) слоя. Технологические усовершенствования позволили за короткий срок реализовать все преимущества, которые могли обеспечить алюмосиликатные катализаторы в части повышения селективности. А дальше дело стало из-за невозможности регулировать и определенным образом упорядочить структуру алюмосиликата.
Выручили цеолиты. Их еще часто называют молекулярными ситами. Первоначально их применяли для разделения молекул различных углеводородов, используя различия в их пространственной структуре. Цеолиты — это практически те же алюмосиликаты, но при их изготовлении удается регулировать длину пор, их диаметр и количество на единицу объема или поверхности. Кроме того, в кристаллическую решетку алюмосиликатов можно вводить другие элементы (в основном, редкоземельные), которые модифицируют активные центры, находящиеся в определенных точках цеолита. От этого существенно зависят адсорбционные свойства цеолита — какие молекулы и с какой энергией он может адсорбировать в порах или на поверхности и какие деструктивные превращения с ними производить.
Цеолиты — это порядок и регулярность структуры, а значит и свойств. В нефтепереработке быстро оценили новые возможности. Но так как цеолиты значительно дороже алюмосиликатов, то их в чистом виде решили не применять. Это оказалось не только дорого, но и излишне. Достаточно определенным образом нанести цеолит на алюмосиликат, как мы получим нужный эффект в катализе. Так появилось целое семейство цеолитсодержащих катализаторов крекинга, причем в зависимости от назначения, вида сырья, применяемой технологии количество цеолита менялось в широких пределах, но не превышало 15—20%.
Вид применяемых катализаторов, способ их регенерации определяет технологию, а значит и аппаратуру каталитического крекинга.
Первые установки работали на таблетированном катализаторе в периодическом режиме. В них и реакция, и регенерация загруженного неподвижного катализатора осуществлялись попеременно в одних и тех же аппаратах. Затем появились более совершенные шариковые катализаторы и установки непрерывного
6*
83
действия. Здесь крекинг и регенерация катализатора осуществляются уже раздельно.
Реактор такой установки представляет собой аппарат колонного типа. Сверху в него через специальное устройство поступает катализатор в виде шариков диаметром 1 — 2 мм. Шарики плотным слоем спускаются вниз, проходя постепенно реакционную зону, зону отделения продуктов крекинга и зону отпарки. Отпарка необходима для удаления углеводородов, прилипших к катализатору. Обработку паром надо делать обязательно, так как затем катализатор поступает в другой аппарат — регенератор, где с него выжигается кокс. Неудаленные углеводороды при этом просто сгорели бы, выход полезных продуктов снизился.
После выжига катализатор ссыпается в загрузочное устройство пневмоподъемника и поднимается по специальному транспортеру в бункер-сепаратор. Дело в том, что при многочисленных перемещениях, выжигах, отпарках часть шариков повреждается, образуются крошка, пыль, и их надо удалить, иначе будут нарушены условия гидродинамики, тепло- и массообмена в реакторе. Это и делают в сепараторе. К регенерированному и отсеянному катализатору добавляют для восполнения потерь свежие шарики и весь цикл повторяется.
Следующий шаг совершенствования технологии — внедрение крекинга в кипящем слое пылевидного катализатора. Его применение стало возможным благодаря появлению принципиально новых, микросферических катализаторов на основе специально синтезированных цеолитов. Эти катализаторы хороши не только высокой активностью и селективностью. Их отличают также хорошая регенерируемость и высокая механическая прочность.
Технология кипящего или псевдоожиженного слоя основана на физических законах витания микрочастицы в восходящем потоке жидкости или газа.
Сырье нагревается в теплообменнике и в специальной печи, затем в него добавляют водяной пар, и эту смесь подают в катализаторопровод, туда же поступает регенерированный катализатор. Затем смесь попадает в реактор, где над распределительной решеткой образуется кипящий слой катализатора. Крекинг начинается еще в катализаторопроводе, поскольку там поддерживается достаточная температура, и заканчивается в нижней зоне реактора. Затем вся масса за счет давления газов поднимается вверх и попадает в отпарную зону.
В верхней части отпарной зоны имеется перелив для удаления катализатора из реактора, а над нею — отстойная зона. Она снабжена специальными циклонами для дополнительного отделения частиц катализатора.
Закоксованный катализатор тем временем подается на регенерацию. Регенератор представляет собой аппарат, также работающий в режиме кипящего слоя. Правда, здесь псевдоожижение производится воздухом, с помощью которого и происходит выжиг кокса. Основная забота здесь — уберечь катализатор от выноса, иначе он попадет вместе с дымовыми газами в атмосферу.
Затем катализатор снова идет в реактор, и цикл повторяется.
84
Применение крекинга в кипящем слое позволило резко интенсифицировать процесс, сделать установки более компактными, увеличить их мощность. Так, стандартными в СССР являются каталитические комплексы по переработке 2 миллионов тонн сырья в год. Существуют и более мощные установки — до 5 миллионов тонн вакуум-газойля в год, причем реактор такой установки не так уж велик: его диаметр составляет 18 метров.
КОКС НЕФТЯНОЙ —НЕЗАМЕНИМЫЙ
Как только в нефтепереработке появились термические процессы, возникла проблема кокса. Он выделялся в объеме реакторов, оседал на стенках оборудования, покрывал поверхности нагревательных печей и теплообменников. Долгое время его использовали в лучшем случае в качестве топлива.
Но вот настало время электрохимических и электротермических процессов. Для электролизных ванн алюминиевых заводов, для различных электрометаллургических печей потребовались электроды. Их делали, да и сейчас зачастую делают из графита. Но, во-первых, всех потребностей природным графитом не удовлетворить, а, во-вторых, иногда графитовые электроды не вполне соответствуют требованиям технологии производства металлов. В связи с этим появились электроды из нефтяного кокса. Они быстро завоевали большую популярность, особенно в цветной металлургии.
Первые установки коксования представляли собой большие металлические кубы с внешним обогревом от специальной печи. В куб загружали сырье (тяжелые нефтяные остатки типа тяжелого крекинг-газойля), температуру поднимали до 500 °C, и в течение определенного времени происходило превращение нефтяного сырья в кокс, естественно, без доступа воздуха. Длительность операции определялась выделением летучих. Затем кокс из куба выгружали.
Есть и другие конструкции. Так называемые полупериодиче-ские установки замедленного коксования в необогреваемых камерах оборудованы двумя камерами. В одну подают нагретое примерно до 500 °C сырье, которое выдерживают в течение 24 часов без доступа воздуха и без дополнительного подогрева. Кокс образуется из нагретого сырья, формируется в виде аморфной массы, и после «созревания» его выгружают. В это время начинают заполнять вторую камеру.
Нефтяной кокс, по какой бы технологии он ни был получен, нуждается в прокаливании, так как содержание летучих в нем строго лимитируется. Если их больше нормы, то при высоких рабочих температурах электроды начинают вспучиваться и растрескиваться. До последнего времени прокалка кокса осуществлялась на электродных заводах, но сейчас эту операцию взяли на себя нефтепереработчики. Они теперь отвечают за содержание не только летучих, но и влаги, серы, золы, а также за механическую прочность и гранулометрический состав выпуска-
85
нефть
| Электрообессоливаниё"^
Первичная перегонка
Широкие фракции светлых нефтепродуктов до 350 °C
Фракции выше 35О°С
Газофракционирова-ние предельных газов
Вторичная перегонка
Вакуум ная перегонка

О
50
2Q

8ю
ар
*2
*о° ЙО Q-O
£О
Ката-1 лити-I ческие процессы облагораживания компонентов моторных топлив: рифор-
минг, изомеризация алкилирование
и др.
Термо-катали-тичес-кие процессы: каталитический крекинг, гидрокрекинг и др.
Термические процессы; термо-крекинг висбрекинг и др.
Производство масел
Газофрак-циони-рование непредельных газов
Компоненты
Коксование
( Нефтя-А/^ Сжи-\ —
I ной II женные II авто-
V кокс J \ газы ) Vob '
реактивных
топлив
дизельных топлив
> о
------\ f Фракции \ котель-1 [непредель-1
НЫХ J Vblx газов J топливУ	У
товдрные продукты
Технологические процессы и продукты современною НПЗ — производство и компаундирование
емого кокса: с размером кусков свыше 25 мм, 6—25 мм и О—6 мм, с учетом нужд различных потребителей.
...Вот и закончено наше путешествие по нефтеперерабатывающему заводу. Вы получили первое представление о процессах нефтепереработки, о том, как получают фракции бензина, керосина, дизельного топлива... Но разговор о жидком топливе еще не закончен... Прежде чем продолжать его, внимательно рассмотрим схему, где показано, как из нефти получают фракции, потом их облагораживают или подвергают деструктивной переработке, как из темных получают светлые и как, в конце концов, из множества компонентов получают товарные продукты. Смешение есть важнейшая заключительная стадия нефтепереработки, когда речь идет о производстве топливных продуктов и смазочных масел.
Глава VI
«КРОВЬ» МАШИН
«...Современная война — это война моторов. Причем мотор является сердцем самолета, автомашины, а горючее — его кровь. Победит в итоге тот, кто сделает более мощный мотор и обеспечит бесперебойное снабжение горючим». Так писала «Правда» 10 мая 1942 года. Вот какое значение имело в то время горючее, получаемое из нефти. Не утратило оно своего значения и сейчас.
Какими же свойствами должны обладать бензин, дизельное топливо (соляр) и другое горючее, чтобы полностью удовлетворить требованиям специалистов?
ЧТО ТАКОЕ ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО?
Автомобильный транспорт по мере своего развития предъявлял все большие требования не только к количеству, но и к качеству бензина. С количеством все понятно. А вот что входит в понятие качества?
Давайте рассмотрим процесс сгорания бензина в двигателе. Это сложный физико-химический и технологический процесс, связанный с выполнением противоречивых требований. Прежде всего, карбюрация — смешение бензина с воздухом. Если топливная смесь бедна, то есть в ней много воздуха и мало топлива, то температура горения и, следовательно, температура рабочего тела (продуктов сгорания) в двигателе снижаются. А эффективность всякой тепловой машины, в том числе и двигателя внутреннего сгорания, зависит как раз от перепада температур рабочего тела в начале и конце рабочего процесса. Это непреложное требование термодинамики. Кроме того, при работе на бедной топливной смеси снижается мощность двигателя, повышается интенсивность закоксовывания цилиндров, поршней и клапанов, снижается КПД...
Лучше всего сжигать топливную смесь с минимальным избытком топлива. Но необходимо обеспечить равномерность горения, не допускать его взрывного характера.
Однако не все углеводороды сгорают одинаково. Многие из них образуют в качестве промежуточных перекисные соединения и продукты их распада — свободные радикалы. Все эти вещества очень нестойки, склонны к взрыву. Вот и получается иногда: искра от пламени зажгла топливную смесь, фронт пламени пошел по цилиндру, а в верхней его части накапливаются перекиси. И
88
когда остается еще 15—20% неизрасходованной топливной смеси, происходит взрыв. Скорость распространения пламени при этом увеличивается в сотни раз — до 2500 м/с! Ударная волна многократно отражается от стенок цилиндра и от поршня, начинаются вибрации, в двигателе появляется характерный металлический стук... Словом, происходит детонация.
При прочих одинаковых условиях наибольшей склонностью к детонации отличается н-гептан, а наименьшей — 2,2,4-триметилпентан (изооктан). Эти углеводороды и были приняты в качестве эталонных при определении так называемого октанового числа.
Эта условная величина определяется следующим образом. Представьте себе испытательный стенд, где размещен одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с карбюратором. При испытаниях этот двигатель запускают на исследуемом топливе, а специальные датчики фиксируют все показатели режима, характеризующие степень детонации. После этого подбирают смесь эталонных топлив — н-гептана и изооктана, при которых двигатель ведет себя точно так же, как и при исследуемом топливе. Детонационная стойкость н-гептана принимается равной нулю, а изооктана равной ста. А дальше понятно — процентное содержание изооктана в эталонной смеси и есть характеристика детонационной стойкости бензина. Так, скажем, если изооктана в смеси 80%, то и октановое число (ОЧ) считают равным восьмидесяти пунктам.
Другими словами, октановое число — относительная и безразмерная величина, не имеющая физического смысла.
Но это еще не все. Двигатели бывают разные; условия, в которых они работают, тоже неодинаковы. Скажем, одно дело стабильность сгорания топлива в двигателе тяжелого грузовика, работающего на пониженных передачах, и совсем другое — детонация в двигателе легкового автомобиля, работающего в форсированном режиме на высоких оборотах.
Из-за этого в стандартах разных стран появились различные методы испытаний детонационной стойкости бензина. Наибольшее распространение получили моторный и исследовательский методы. Моторный метод имитирует более жесткие условия работы двигателя. При этом топливная смесь после карбюрации нагревается до 149 °C, а частота вращения выдерживается постоянной 900 об/мин. По исследовательскому методу частота вращения снижается до 600 об/мин, а смесь не подогревается вообще.
Соответственно, и октановые числа по моторному и исследовательскому методу маркируются по-разному — МОЧ и ИОЧ.
Естественно, при использовании разных методов и результаты измерений различаются, иногда довольно существенно. Так, ароматические углеводороды С 6—Cs дают различия в измерениях ИОЧ и МОЧ до 10 пунктов.
Строго говоря, наилучшую картину антидетонационной стойкости можно получить по среднему показателю:
моч + иоч
2
89
Этот показатель получил название октанового индекса. Он широко распространен в американской специальной литературе. Однако до принятия его в качестве официального стандарта дело пока не дошло. Для оценки разных сортов товарного бензина обычно выбирается какой-то один индекс. Так, по ГОСТу, октановое число автомобильных бензинов А-66, А-72 и А-76 измеряется по моторному методу. А вот высокооктановые бензины АИ-93, АИ-95, АИ-98 тестируются по исследовательскому методу, о чем говорит литера «И» в марке бензина.
СВИНЕЦ-УСПОКОИТЕЛЬ
Когда химики разобрались в причинах детонации, стало ясно, что есть два метода борьбы с ней. Можно изменить углеводородный состав бензина, но это сложно и дорого. А можно искать какие-то добавки, разрушающие перекиси. Ввести в состав топлива антидетонаторы, например тетраэтилсвинец, намного проще.
Тетраэтилсвинец — металлорганическое соединение, которое хорошо растворяется в углеводородах нефти. Уже при температурах 200—250 °C это вещество распадается на свинец и четыре этильных радикала С2Н5. Все составляющие способствуют либо замедлению образования взрывоопасных частиц, либо их быстрому распаду.
Однако применять тетраэтилсвинец в чистом виде нельзя. Образующийся металлический свинец осаждается в виде нагара на стенках цилиндра, поршня и вскоре делает работу двигателя невозможной. Поэтому тетраэтилсвинец на практике смешивают с различными алкилгалогенидами. В условиях высокой температуры они разлагаются и образуют со свинцом летучие соли, которые удаляются из двигателя вместе с выхлопными газами.
Этилирование оказалось весьма эффективным методом борьбы с детонацией. Добавка буквально долей процента этиловой жидкости в бензин позволяет увеличить его октановое число на 5—10 пунктов. Но, к сожалению, и свинец, и тетраэтилсвинец в особенности — очень ядовиты. Попадая на кожу, они фильтруются в кровь. И человек может тяжело заболеть. А свинцовые соединения, удаляющиеся из двигателя с выхлопными газами, оседают на почве и придорожной растительности. Даже в шерсти городских собак содержание свинца повышено.
Поэтому, начиная с 60-х годов нашего века, во всем мире вводят все более жесткие ограничения на этилирование горючего. В СССР, к примеру, действует один из самых жестких нормативов— не более 0,41 г этиловой жидкости на литр бензина. Кроме того, есть на территории нашей страны районы, где применение этилированных бензинов вообще запрещено. Это Москва, Ленинград, Киев, курортные зоны Черноморского побережья... И постепенно круг запрещений все расширяется.
Посмотрим, как можно увеличить октановое число прямогонного бензина без этилирования.
90
ПОЛЕЗНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРЯМОГОННЫХ БЕНЗИНОВ
С точки зрения детонационной стойкости прямогонные бензины тем хуже, чем больше в них линейных и малоразветвленных алканов.
Для получения более разветвленных углеводородов использовали процесс термического риформинга. По сути дела это тот же термический крекинг, только сырьем служат не мазут, а тяжелая фракция прямогонного бензина и температура процесса выше. В результате термической деструкции углеводородов бензин обогащается более высокооктановыми легкими компонентами. Кроме того, значительная часть алканов переходит в алкены, которые, как известно, отличаются неплохими детонационными свойствами.
Однако были у термического риформинга и недостатки. Много исходного сырья превращалось в газ, а продукт все равно имел не такое уж высокое октановое число (70—75 МОЧ). Кроме полезных алкенов в нем оказывалось и достаточное количество нестабильных диенов. Поэтому приходилось применять специальные антиокислители и стабилизаторы, иначе бензин при хранении мутнел, осмолялся.
В общем, термический риформинг не оправдал возлагавшихся на него надежд и был вытеснен каталитическим риформингом.
Реакции ароматизации, лежащие в его основе, были открыты еще в середине 30-х годов.
Эти каталитические превращения позволяют дегидрировать нафтеновые углеводороды в ароматические. Одновременно происходит дегидрирование алканов в соответствующие алкены, эти последние циклизуются тут же в циклоалканы, и с еще большей скоростью происходит дегидрирование циклоалканов в арены. Так, в процессе ароматизации типичное превращение следующее:
н-гептан-^н-гептен-^метилциклогексан-^толуол.
Одновременно с этими происходят и другие реакции, например, изомеризации. Это тоже полезное превращение, так как изосоединения повышают октановое число катализата. Побочной, вредной здесь считается реакция гидрокрекинга, когда исходные алканы крекируются в газ.
Перед второй мировой войной были построены и первые установки каталитической ароматизации бензинов. Они работали по принципу гидроформинга, осуществлявшегося с циркулирующим водородным газом под давлением. Вы спросите, что это такое. Вообще говоря, при ароматизации водород образуется постоянно, и его надо отводить. Но при низком давлении водорода катализатор быстро закоксовывается, теряет стабильность, активность и селективность. Бороться с этими неприятными явлениями легче всего, повысив давление водорода в реакционной зоне. Поэтому на первых установках гидроформинга применяли давление порядка 4,5—5 МПа, жертвуя глубиной ароматизации и, соответственно, октановым числом бензина.
Однако в начале 50-х годов было сделано очень важное открытие. Выяснилось, что платина, осажденная на оксид алюми
91
ния, является великолепным катализатором риформинга. Применение новых катализаторов позволило снизить рабочее давление, повысить температуру, углубить процессы ароматизации и в итоге получить бензин с октановым числом выше 90 ИОЧ.
Первые установки модернизированного процесса, названного платформинг, работали при давлении 2—3 МПа. Затем начался процесс непрерывного совершенствования катализаторов и технологии риформирования прямогонных бензинов. В результате появились полиметаллические катализаторы. В них к платине добавляют рений, кадмий, галлий... Октановое число получающегося бензина приблизилось уже к 100. А кроме того, высокая селективность новых вариантов риформинга обеспечивает и очень высокий выход топлива.
Сырьем каталитического риформинга являются фракции бензина 85—180 °C. Более легкая часть «отрезается», так как в условиях риформинга она не ароматазуется и в лучшем случае является балластом. Но в ней присутстствуют низкооктановые н-пентан и н-гексан.
Для их превращения в высокооктановые бензины существует процесс изомеризации, когда эти алканы превращаются в метил-бутаны, метилпентаны и другие разветвленные изомеры. Особенно полезен 2,2-диметилбутан — у него октановое число почти 100 (жаль только, что образование его осуществляется с небольшой глубиной).
Процесс изомеризации очень похож на каталитический риформинг, только проводится при значительно более низких температурах, как того требует термодинамика реакций изомеризации: чем ниже температура, тем выше выход изомеров. Но тем ниже активность катализатора и скорость превращений. Вот и колдуют химики над алюмоплатиновыми и другими контактами (это еще одно название катализаторов). Создали сначала высокотемпературную, затем среднетемпературную и подбираются к низкотемпературной изомеризации. Но и сейчас изомеризация позволяет повысить октановое число бензиновых головных фракций на 15—20 пунктов, причем при невысоких затратах, как впрочем, и каталитический риформинг.
Очень важное достоинство изомеризации в том, что она поднимает октановое число именно легких фракций бензина. Их все равно надо добавлять при компаундировании, чтобы обеспечить нужный фракционный состав и давление насыщенных паров карбюраторного топлива. Без изомеризации при этом неизбежно теряют в октановом числе.
С технической точки зрения современные процессы облагораживания позволяют получить высокооктановые компоненты.
Так, быть может, имеет смысл вообще отказаться от этилирования? Этот вопрос стоит достаточно давно, во всяком случае к нему неоднократно возвращались в развитых странах в течение последних трех десятилетий. Есть два принципиально различных пути отказа от этилирования.
В первом случае предполагается оставить без изменения автомобили, точнее, их двигатели и перейти на изготовление
92
высокооктановых бензинов без применения этиловой жидкости. Для этого нужно увеличить мощности процессов каталитического риформинга, каталитического крекинга, изомеризации и других, дающих высокооктановые компоненты. Но чтобы обеспечить сырьем эти вторичные процессы, например риформинг, придется вовлекать в переработку соответствующие количества мазута. Мазут мы подвергаем гидрокрекингу и получаем светлые — бензиновые фракции, аналогичные прямогонным. По октановой характеристике они даже немного хуже прямогонных, но сырьем для риформинга служат отличным. Из широкой фракции бензина гидрокрекинга можно получить катализат риформинга — компонент бензина с октановым числом 95 и даже 100 ИОЧ. Можно перечислить еще пять-шесть вариантов, как современными каталитическими процессами из мазута получить высокооктановый компонент. Здесь нет технических проблем. Весь вопрос в затратах. Отказ от этилирования без снижения суммарного октанового числа товарных бензинов для СССР обойдется почти в 2 миллиарда рублей, а для США в 10—14 миллиардов долларов. Повторим, это, если ориентироваться только на переработку мазута.
Второй путь предполагает переоснащение автомобилей двигателями с меньшим коэффициентом сжатия. Последствием будет потеря мощности, утяжеление двигателя, ухудшение динамических характеристик автомобиля. Как говорят автомобилисты, машина станет «тупой». А главное, значительно возрастет расход топлива на единицу транспортной работы. В общем, будет утрачено все, что дал технический прогресс автомобилю и водителю — скорость, комфорт, эффективность. И стоить это мероприятие будет в целом ничуть не меньше, чем углубление переработки нефти и увеличение выпуска высокооктановых компонентов.
Стоп! А кто сказал, что высокооктановым компонентом должен быть обязательно бензин, прямогонный или с установок вторичной переработки? Отнюдь нет! Давно известно, что двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают, например, на низших спиртах, а метанол уже применялся как автомобильное топливо. Вот уже более пяти лет в США заправляют автомобили смесью бензина и этанола (синтетического или ферментативного) и называется это новое топливо gasohol (гэзохол) — гибрид от слова gasoline (бензин) и alcohol (спирт). Не отстают и в Западной Европе. Итальянцы построили установку, на которой получают из оксида углерода и водорода смесь спиртов от Ci до С5 и добавляют эту присадку в автомобильные бензины для повышения их октанового числа.
Но самым эффективным средством оказался метил-трет-бутиловый эфир. Во всем мире его теперь называют МТБЭ. Это соединение уникальное во всех отношениях, и иначе как подарком судьбы его не назовешь.
Известно, что практически все низшие кислородсодержащие соединения имеют высокое октановое число — до 100 ИОЧ. А вот у МТБЭ октановое число смешения доходит до 130 ИОЧ, в
93
зависимости от углеводородного состава бензина, к которому добавляется МТБЭ.
Метанол и этанол прекрасно растворяются в бензине, имеют неплохие октановые числа смешения, но растворимы и в воде. А поскольку в товарных бензинах всегда есть вода, то спирт будет переходить в водную фазу и с ней отслаиваться. В резервуарах при хранении он окажется внизу. Чтобы этого не происходило, требуется добавка гомогенизатора, например изобутилового спирта, а это уже дороже. С МТБЭ этой проблемы нет, он растворим только в бензине.
Низшие спирты имеют значительно более низкую, чем бензин, теплоту сгорания. Это значит, что запас топлива в баке автомобиля должен быть увеличен либо чаще надо терять время на заправку. МТБЭ имеет равную с бензином топливную характеристику. Мало того, наличие в нем кислорода существенно улучшает процесс сгорания топлива в цилиндрах, повышая экономичность двигателя и снижая содержание в выхлопе продуктов неполного сгорания.
Технология производства МТБЭ чрезвычайно проста. Его получают в одну стадию, присоединяя метиловый спирт к изобутилену (2-метилпропену). При этом не требуется ни высоких температур, ни высоких давлений. Реакцию осуществляют на специальном катализаторе (чаще всего это ионообменные смолы) с высокой селективностью и почти полной конверсией за проход. Более того, в качестве сырья чаще всего используют не чистый изобутилен, а фракцию С4 каталитического крекинга или пиролиза, в которой кроме изобутилена присутствуют и н-бутилены (1- и 2-бутены). Селективность образования МТБЭ такова, что из смеси углеводородов в реакцию вступает только изобутилен. Тем самым синтез МТБЭ одновременно служит и процессом разделения фракции С4. Непрореагировавшие н-бутилены служат наряду с МТБЭ товарной продукцией установки.
Казалось бы, все хорошо. Но если мы даже все ресурсы фракции С4 крекинга и пиролиза направим на синтез МТБЭ, то все равно потребность в нем удовлетворена не будет. Необходим новый мощный источник сырья для производства МТБЭ. Им должен стать бутан, получаемый на нефте- и газоперерабатывающих заводах. Предполагаемая принципиальная схема синтеза МТБЭ такова. Бутан подвергается изомеризации. Получаемая смесь изомеров подается на дегидрирование, а затем — на синтез МТБЭ. Там из нее удаляется изобутилен. Оставшаяся бутенбутановая фракция может быть направлена на извлечение н-бути-ленов или на любой другой синтез, в котором она сегодня традиционно участвует: алкилирование, производство бутадиена emop-бутанола и др.
Остается добавить, что первые опытные партии МТБЭ появились в Италии в 1973 году, а сегодня производство МТБЭ исчисляется в мире миллионами тонн. Подсчитано, что наиболее экономично добавлять в бензин 5—12% МТБЭ.
Однако кроме сложностей с сырьевой базой для производства МТБЭ еще одно соображение не позволяет пока отказаться от
94
этилирования. С точки зрения затрат этиловая жидкость вне конкуренции: она, правда, в 4—5 раз дороже МТБЭ, но для достижения равного эффекта в бензин ее добавляют в 100— 200 раз меньше — не проценты, а доли процента. Нужны новые решения, повышающие эффективность использования МТБЭ и подобных ему добавок.
Сейчас такое решение прорисовывается. Давно известно, что процесс сгорания топлива в цилиндрах существенно зависит от режима работы двигателя. При форсированных режимах, когда автомобиль идет в гору или резко разгоняется, опасность детонации возрастает. В стабильном же режиме характер горения меняется, повышается его равномерность. В зависимости от нагрузки изменяется и режим карбюрации, смешения топлива с воздухом, а также режим подачи топливной смеси в двигатель и распределения ее по цилиндрам. Естественно, изменяются и расход топлива, и полнота его сгорания.
Однако когда речь идет о борьбе с детонацией, то имеют в виду форсированные режимы, при которых опасность детонации особенно велика. А правильно ли это, если более 80% топлива сгорает во время стабильной работы двигателя, когда вовсе не нужны высокие антидетонационные характеристики и можно обойтись низкооктановым бензином? Не забиваем ли мы гвозди скрипкой? Так родилась мысль о разделении топлива на два бака: один поменьше, для высокооктановой добавки, а другой побольше, для обычного низкооктанового бензина. Весь вопрос в дозировке, в подаче этих потоков в соотношении, точно соответствующем характеру работы двигателя в данный момент. Понятно, что и дозировка, и карбюрация должны в таком двигателе регулироваться с точностью ювелирной. Эту заботу могут взять на себя современные микропроцессоры в сочетании с ЭВМ. Такие бортовые компьютеры уже демонстрировались в рабочем виде на многих автомобильных салонах. Но до сих пор они применялись на однотопливных автомобилях. Теперь очередь за двухтопливными.
Появились первые ласточки. Такой двухтопливный автомобиль (кстати, «Волга») уже эксплуатируется в Киеве. Результаты уже первых испытаний позволили исследователям поставить вопрос о форсировании разработок. Будем надеяться, что это направление окажется наиболее эффективным в борьбе с этилированием.
Будет ошибкой думать, что двухтопливные двигатели сами по себе решат все проблемы. Расчеты показывают, что нужда в традиционных методах повышения октанового числа не отпадет, просто может быть относительно снижен объем их применения.
Развитие вторичных процессов, создание новых эффективных присадок, внедрение двухтопливных двигателей карбюраторного типа — все это пути снижения и затем полного отказа от этилирования. Однако многие специалисты видят иной радикальный способ решения проблем высокооктановых топлив — это снижение их доли в автомобильном транспорте за счет дизелизации.
95
ПРОБЛЕМЫ ДИЗЕЛЯ
Дизельный двигатель, названный так по имени изобретателя Рудольфа Дизеля, не имеет свечей зажигания. Это четырехтактный мотор, работа которого осуществляется по циклу, близкому к идеальному с точки зрения термодинамики.
В первом такте он всасывает воздух. Во втором такте происходит его сжатие. При этом давление в цилиндре возрастает до 4 МПа, а температура сжимаемого воздуха повышается до 600—650 °C. В конце второго такта в цилиндр впрыскивается подогретое топливо. Оно мгновенно превращается в пар, воспламеняется и сгорает. Температура и давление при этом еще повышается. Следует рабочий ход и затем выхлоп отработанных газов.
Таким образом, дизельный двигатель работает в более жестких условиях, чем карбюраторный. Для него весьма существенным показателем является время задержки воспламенения — от начала впрыска топлива до начала горения. Если этот период будет более длительным, чем нужно, процесс будет носить взрывной характер со всеми вытекающими отсюда последствиями. Приходится и гораздо строже при изготовлении двигателя следить за разного рода допусками и посадками. Здесь не редкость 13 и 14 класс точности обработки деталей, а зазоры и регулировки измеряются порой сотыми долями миллиметра.
В целом же дизели — наиболее экономичные среди двигателей внутреннего сгорания. Современные конструкции обеспечивают им КПД около 40%, в то время как лучшие карбюраторные двигатели имеют лишь 30%. В очень широких пределах может регулироваться частота вращения вала — от 100 до 4500 об/мин. Нет особых ограничений и по размерам цилиндра. Поэтому судовые и стационарные дизели имеют диаметр поршней до метра и развивают мощность порядка 30 мегаватт!
Просто для них получить и нужное топливо. Для производства соляра достаточно простой, даже не вакуумной разгонки нефти. Правда, и к нему предъявляются определенные требования.
Главная характеристика дизельного топлива — способность к самовоспламенению. Она почти целиком зависит от углеводородного состава. Лучшими тут оказываются алканы нормального строения; хуже в этом смысле их разветвленные изомеры, и совсем плохи ароматические углеводороды. В общем, здесь картина как раз противоположная карбюраторным топливам. И потому октановое число для оценки качества соляра не годится.
По основному показателю самовоспламенения дизельные топлива тестируются так называемым цетановым числом. Цетан (гексадекан) С1бН34 принят в качестве эталонного топлива с максимальной (100) характеристикой. Эталоном с минимальным, нулевым цетановым числом служит а-метилнафталин. А схема испытаний примерно та же, что и при определении октанового числа. На одноцилиндровом двигателе с дизельной головкой испытывают проверяемое топливо, подбирают соответствующую
96
эталонную смесь и по совпадению определяют цетановое число. Обычно оно меняется в пределах 40—50.
Цетановое число характеризует не только температуру воспламенения топлива, но и другие эксплуатационные свойства. Чем выше цетановое число, тем лучше пусковые характеристики топлива, больше полнота сгорания, меньше задымленность выхлопных газов... Кроме цетанового числа для качества дизельного топлива важны также фракционный состав, вязкость, температура застывания и некоторые другие показатели.
От вязкости зависит работа системы подачи топлива. Малоподвижное вязкое топливо попросту не будет проходить в цилиндры. Жестко нормируется и температура застывания. Ведь если на морозе оно превратится в твердое тело, работа дизеля тотчас станет невозможной.
Но алканы Си — Cis, присутствующие в дизельном топливе, как раз и отличаются способностью кристаллизоваться даже при небольшом понижении температуры. Как тут быть? Обычно морозостойкость дизельного топлива (его еще называют соляром) повышают при помощи специальных химических добавок. Подобным же образом — добавкой перекисей и нитропроизводных — повышают и воспламеняемость топлива.
ДИЗЕЛЬНЫЙ ИЛИ КАРБЮРАТОРНЫЙ?
С самого появления дизельные двигатели конкурируют с карбюраторными. На автотранспорте распространение дизелей началось с тяжелых грузовиков. В настоящее время во всем мире новые типы большегрузных автомобилей строят только с дизельными двигателями. Все большую роль играют дизели и в качестве автобусных моторов. Последние годы появилось и немалое количество дизельных легковых автомобилей.
Об уровне дизелизации транспорта (так называют это явление) в странах судят по соотношению объемов потребления дизельного топлива и бензина. В настоящее время эти показатели выглядяттак: СССР—1,5; США —0,6; ФРГ —2; Япония —0,7...
Пестрая картина, не правда ли? Она отражает массу факторов, действующих в той или иной стране: соотношение между количеством легковых и грузовых автомобилей, климатические условия, состояние дорог, доходы и вкусы населения, традиции...
В США, например, до недавнего времени были популярны тяжелые легковые автомобили с мощными, форсированными двигателями в 8—12 цилиндров, которые могли бы разгоняться до скорости 100 км/ч за 7—9 с. Такие динамические показатели легче получить, используя карбюраторные двигатели. Они к тому же проще в изготовлении. Что же касается меньшего КПД, то бензин в Соединенных Штатах длительное время был весьма дешев, так что дополнительные расходы никого не обременяли.
Когда же в 70-х годах цены на нефть резко поднялись, американцы задумались: «Как развивать автомобильную промышленность дальше?..» И в конце концов пошли сразу двумя путями. Тяжелые грузовики были практически повсеместно переведены на
7 — Цыркин
97
дизельные двигатели, в легковые машины уменьшились и полегчали.
Правда, не обошлось и без курьезов. Джентльмены из Техаса или Калифорнии, вынужденные пересесть в малолитражку, с ностальгической грустью вспоминают о своих двухтонных кадиллаках и фордах двадцатилетней давности. В них даже захлопывающаяся дверь звучала солидно. Что же, нет ничего проще. И предприимчивые дизайнеры из Детройта наладили выпуск малолитражек с «солидно» захлопывающимися дверцами.
И все же, по мнению экспертов, всякие новации тоже имеют предел, и американцы никогда не станут ездить в легковых автомобилях с дизельными двигателями. Поэтому уровень дизели-зации в США к концу века вряд ли будет больше 1,0.
Иное положение в ФРГ. Эта страна лидирует по выпуску именно легковых автомобилей с дизелями. Главная причина — отсутствие собственных запасов нефти, необходимость экономить углеводородное сырье. Кроме того, в этой стране издавна имеется мощное машиностроение, для которого дополнительные трудности производства дизелей не так уж существенны.
В СССР соотношение дизельное топливо: бензин довольно высоко. Но оно еще недостаточно, считают специалисты. Как показывают расчеты, для нашей страны оптимум должен составлять 2,0—2,5. А для этого весь грузовой автопарк должен стать дизельным. В самом деле, что хорошего, когда грузовик типа ЗИЛ-130 расходует около 40 литров бензина на 100 километров пути!?..
ХИМИКИ ПОМОГАЮТ АВТОМОБИЛИСТАМ
Итак, дизелизация продолжается. Она влечет за собой широкое вовлечение в переработку средних (дизельных) фракций нефти. А это, в свою очередь, невозможно, без дальнейшего совершенствования процессов гидроочистки и гидрокрекинга.
Эти процессы имеют особую важность для Советского Союза. Ведь мы вынуждены иметь дело преимущественно с сернистыми и высокосернистыми тяжелыми сортами нефти.
Известно, что все сераоргайические соединения не выдерживают обработки под давлением водорода на катализаторах. Они распадаются с образованием углеводородов и сероводорода H2S. Сероводород в обычных условиях находится в газообразном состоянии и при нагревании нефтепродукта выделяется из него. Его поглощают водой в колоннах орошения и затем превращают либо в элементарную серу, либо в концентрированную серную кислоту.
Такой процесс осуществляют на гидрирующих катализаторах с использованием алюминиевых, кобальтовых и молибденовых соединений. При давлении 4—5 МПа и температуре 380—420 °C содержание серы, особенно в светлых нефтепродуктах, можно таким образом свести до тысячных долей.
Могут спросить, кому это нужно? Зачем доводить содержание примесей в бензине до такой жесткой нормы? Все дело в
98
последующем использовании. Известно, например, что чем жестче режим каталитического риформинга, тем выше выход высокооктанового бензина при данном октановом числе или выше октановое число при данном выходе катализата. В результате увеличивается выход октан-тонн — так называется произведение количества катализата риформинга или любого другого компонента на его октановое число. Вот об увеличении октан-тонн продукта по сравнению с сырьем и заботятся нефтепереработчики в первую очередь. В этом смысле повышение жесткости любого вторичного процесса есть благо. В риформинге жесткость определяется снижением давления и повышением температуры. При этом полнее и быстрее идут реакции ароматизации. Но повышение жесткости лимитируется стабильностью катализатора и его активностью. Сера, будучи каталитическим ядом, отравляет катализатор по мере ее накопления на нем. Отсюда понятно: чем меньше ее в сырье, тем дольше катализатор будет активным при повышении жесткости. Как в правиле рычага: проиграешь на стадии очистки—выиграешь на стадии риформинга.
Обычно гидроочистке подвергают не всю, скажем, дизельную фракцию, а только ее часть. Ведь этот процесс не так уж дешев. Кроме того, у него есть еще один недостаток: эта операция практически не изменяет углеводородный состав фракций.
Поэтому в последнее время достаточно часто используют другой химический метод — гидрокрекинг. При этом нефтепродукты не только очищаются от серы, но и одновременно темные фракции переводятся в светлые*.
Впервые гидрокрекинг появился в 50-х годах нашего века. Ему сразу предрекали широкое распространение. Однако с этим вышла задержка, поскольку при производстве бензина выгоднее оказался каталитический крекинг. И лишь с усилением дизелиза-ции, с ростом пассажирской и грузовой реактивной авиации преимущества гидрокрекинга стали проявляться в полной мере.
Сырьем для гидрокрекинга могут быть тяжелые бензины, газойли, тяжелые нефтяные остатки...
Есть страны, полностью лишенные запасов природного газа. А когда возникает нужда в пропане и бутане, то выгоднее оказывается ввозить не их, а тяжелый бензин. И уже на месте его подвергают гидрокрекингу, получая сжиженный газ.
Если нужен бензин и по какой-либо причине нет возможности получить его при помощи каталитического крекинга, используют гидрокрекинг атмосферного газойля. Для этого достаточно одной стадии переработки при давлении 5 МПа и температуре 400— 410 °C.
Если же переработке подвергается вакуум-дистиллят или другие тяжелые остатки, приходится применять двухступенчатый гидрокрекинг. На первой стадии используют сероустойчивый катализатор, удаляющий вредные примеси, в том числе и соли металлов. Затем уже, во второй ступени, используют активный
* Обычно нефтеперерабочики считают светлыми все фракции до 350 °C.
Т
99
крекирующий катализатор. А чтобы уберечь катализатор от закоксовывания, в системе циркулирует водород под давлением 15 МПа; благодаря этому смолы — предшественницы кокса переводятся в углеводородные газы.
ПЕРЕРАБОТКА ГАЗОВ
Надо сказать, что при переработке нефти образуется достаточно много углеводородных газов от метана СН4 до бутанов C3Hs включительно. Источник номер один — прямая перегонка. Выход газов здесь зависит исключительно от степени стабилизации нефти на промыслах или при транспорте. И еще подчеркнем, что в газах атмосферно-вакуумной трубчатки почти нет метана, мало этана и на 80—85% они состоят из пропана и бутанов.
Совсем другую картину представляют газы вторичных процессов: крекинга, риформинга, гидроочистки, изомеризации. Во всех этих процессах молекулы углеводородов претерпевают термическую, каталитическую или термокаталитическую деструкцию. Поэтому в газах этих процессов неизбежно присутствует метан. Далее, если термокаталитические процессы проводятся не под давлением водорода, то в газах обязательно присутствуют алкены, а иногда и алкины Сг—С4. Именно поэтому на НПЗ непредельные газы термического и каталитического крекинга, термического риформинга, висбрекинга собирают и перерабатывают отдельно от газов каталитического риформинга, гидроочистки, изомеризации, гидрокрекинга. В этих последних кроме углеводородов в большом количестве содержится водород.
Разделение газов значительно отличается от разделения нефти. Сначала весь газовый поток сжимают и охлаждают. В первом контуре охлаждения используют воздух и воду. Здесь при давлении 0,5 МПа и температуре 35 °C происходит конденсация части газов Сз—С4. Получившуюся газожидкостную смесь прокачивают через колонну с бензином. Сконденсировавшиеся молекулы пропана и бутана растворяются в нем (абсорбируются).
Насыщенный газом бензин из абсорбера затем поступает на десорбцию, то есть из него при соответствующих давлениях и температурах выделяют растворенные газы.
Оставшуюся же часть исходной газовой смеси продолжают сжимать и охлаждать. Сначала это делают в аммиачном или фреоновом цикле (температура до -40 °C), далее в этановом или этиленовом (-80 °C), а при необходимости идут и еще дальше, применяя метановый холодильный цикл с температурой ниже -100 °C и давлением порядка 4 МПа.
Так поступают с газами нефтепереработки. Подобные же циклы газофракционирования используют и для переработки попутного газа, выделяемого на промыслах. Не случайно первые газоперерабатывающие заводы очень часто назывались газобензиновыми. Они и в самом деле разделяли сырье на сухой газ (смесь метана и этана), сжиженные газы Сз—С4 и газовый бензин.
Такие маломощные заводики с простейшим оборудованием, как ни странно, сохранились и поныне. Они давно сосуществуют с
100
мощными нефтеперерабатывающими заводами примерно так же, как сосуществуют крупные плавбазы и маленькие сейнера. Иногда газобензиновые заводы даже монтируют на большегрузных прицепах и баржах, и они по мере надобности кочуют с промысла на промысел.
Дело в том, что попутный газ кончается на месторождении, как правило, гораздо раньше, чем нефть. Так что его надо использовать сразу, пока он есть. И тут мобильные газобензиновые заводики как нельзя более кстати. А нефть уж можно перерабатывать на современном нефтеперерабатывающем предприятии, которое и строится и работает потом достаточно долго.
Ну, а как быть с чисто газовыми месторождениями? Для их использования тоже созданы специализированные предприятия. Чаще всего природный газ — это метан с незначительными добавками этана. Иногда природа делает подарки, добавляя в метан ценнейший гелий, так нужный многим отраслям техники. Но гораздо чаще встречаются неприятные сюрпризы — в виде примесей диоксида углерода и сероводорода.
Понятно, что такие кислые газы надо тотчас отделять от основного сырья. Иначе трубопроводы не спасут никакие антикоррозийные мероприятия. В многоступенчатой системе такой газ подвергается сорбционной отмывке водой, щелочью, специальными растворителями. Потом на основе выделенного сероводорода получают серную кислоту или чистую серу.
Иногда бывает, что в залежи находится не газ, а газожидкостная смесь метана и высших углеводородов, предшественников нефти. Иногда в качестве таковых присутствуют даже алканы, циклоалканы и арены... Представляете, дизельное топливо равномерно распределено в метановой залежи на глубине нескольких километров при давлении в десятки мегапаскалей и температуре в сотни градусов!
Но добыть это топливо не так уж просто. Газоконденсатные месторождения различаются содержанием и фракционным составом жидкой части. Когда пласт протыкают скважинами, давление в нем начинает падать. Физико-химические свойства смеси при этом меняются, она расслаивается, и жидкость скапливается на дне линзы. Если из залежи просто откачивать газ, то скорость расслаивания быстро возрастает, и жидкие углеводороды из смеси быстро растекаются, навсегда оставаясь в недрах. При сегодняшнем развитии техники поднять на поверхность их не удается.
Чтобы таких потерь не было, поступают следующим образом. Газ из конденсатных месторождений поступает в абсорберы. Из него под давлением вымывают тяжелые углеводороды. А затем часть сухого газа под давлением подают обратно в залежь. Этим путем давление в пласте регулируется так, чтобы предотвратить расслоение смеси.
Конечно, все это требует дополнительных расходов, но затраты окупаются сторицей. Месторождение одновременно дает и газ, и дизельное топливо.
101
Каким образом в дальнейшем используют природный газ, вы, наверное, уже знаете. Прежде всего это прекрасное топливо для промышленных котельных и обычных газовых плит. Кроме того, выделяемый из природного газа этан — прекрасное химическое сырье. Из него делают этилен, а из того, в свою очередь, сотни разнообразных вещей, нужных народному хозяйству.
...Вот так перерабатывают нефтезаводские, попутные и природные газы. Ресурсы их велики, однако используются до сих пор они не полностью. В целом из газов извлекается для дальнейшего использования около 65% бутанов, 35—40% пропана и менее 8% этана. Так что резервы тут есть, и немалые!
Глава VII
СОВРЕМЕННЫЙ РОГ ИЗОБИЛИЯ
Нефть добыта, подана на нефтеперерабатывающий завод. Из нее получили моторные и котельные топлива, смазочные масла, кокс, битум, сжиженные газы... Все это продукты нефтепереработки, не индивидуальные вещества, а сложнейшие смеси. Все они получены компаундированием, смешением компонентов. Практически ни один процесс в нефтепереработке не дает товарного продукта. Только компоненты. Разговор об этом уже состоялся, настало время поговорить о продуктах нефтехимии.
НЕ СПУТАЙТЕ НЕФТЕХИМИЮ С НЕФТЕПЕРЕРАБОТКОЙ
Так уж повелось исторически, что химическими продуктами считаются либо индивидуальные вещества, либо смеси строго фиксированного состава с определенными свойствами. Такие продукты, в том числе из нефтяного и газового сырья, получают при помощи органического синтеза. А уж из них можно приготовить все, что угодно: шины, ткани, даже некоторые продукты питания.
Отделить нефтехимию от нефте- и газопереработки нам поможет схема. Из нефте- и газопереработки в эту отрасль поступает углеводородное сырье в виде газообразных и жидких углеводородных фракций, а иной раз и в виде индивидуального продукта— например этана на пиролиз или н -бутана на дегидрирование. Углеводородное сырье перерабатывается на головных установках нефтехимических комбинатов в первичные нефтехимические продукты— это алкены С2—С5, алкадиены Сз—С5 и арены Сб—Q.
В промышленном масштабе производят не более двух десятков этих продуктов. На их основе синтезируют 20—30 продуктов первого сопряжения. Это такие крупнотоннажные продукты, как этиловый спирт гидратации этилена или нитрил акриловой кислоты, получаемый в одну стадию из пропилена и аммиака.
Из продуктов первого сопряжения получают продукты второго сопряжения, затем третьего и т. д. С каждым следующим шагом число наименований промышленно выпускаемых продуктов возрастает. Сегодня в ассортименте промышленности органического синтеза насчитывается около 15000 продуктов, и каждый является сырьем для последующих синтезов. Фрагмент такой картины дан на рисунке.
Но самое интересное в том, что эта «цепная реакция» со временем вырождается, если перейти на химическую терминоло-
103
Ксилолы
Этилен
От нефтехимического сырья к конечным
Так продукты первого, второго и так далее сопряжений становятся сырьем для последующих синтезов. Конечный продукт — поливинилхлоридный пластикат
104
продуктам химического производства
гию. Рано или поздно весь громадный ассортимент органических продуктов превращается в пластмассы, синтетические волокна, синтетические каучуки, синтетические моющие средства и растворители. Каждая из этих пяти групп конечных химических продуктов, в свою очередь, располагает широким ассортиментом, иногда в сотни названий. Но вот, например, в пластмассах более 80% всего выпуска приходится на полиэтилен и полипропилен, поливинилхлоридные пластикаты, полистирольные и фенолофор-мальдегидные смолы различных модификаций. Эдакое унифицированное разнообразие. То же и в каучуках, где те же 80% общего выпуска представлены полимерами 1,3-бутадиена и 2-ме-тил-1,3-бутадиена (изопрена).
СМЕНИМ ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД
В начале XX века в разных странах мира появляются первые промышленные установки по получению органических веществ, в первую очередь ацетилена.
Почему именно ацетилен? Всю первую половину нашего века в учебниках по органической химии можно было увидеть «ацетиленовое дерево» — схему, на которой от ствола-ацетилена отходили многочисленные сучья, делившиеся затем на ветви и веточки различных синтезов. В общей сложности их число переваливало за 300. Практически всю промышленность органического синтеза
105
в то время можно было развивать на базе ацетилена — теория и практика вполне позволяли сделать это.
«Ацетиленовые» традиции оказались столь сильны, что даже когда было уже налажено производство более дешевых первичных продуктов для дальнейшего органического синтеза — этилена и пропилена, многие специалисты упорно продолжали растить на ацетиленовом древе новые веточки и листочки, то есть работали над дальнейшим усовершенствованием ацетиленовых технологий.
Однако законы экономики неумолимы: они показывают, что ацетилен всегда будет дороже этилена и пропилена. И ацетиленовое дерево постепенно стало вянуть. На сегодня ацетилен, пожалуй, единственный органический продукт, производство которого в последние двадцать пять лет систематически и неуклонно снижается.
Ныне впору рисовать новое дерево — алкеновое. Потому что алкены (они же олефины, они же этиленовые углеводороды) являются на сегодня одним из трех оснований, так сказать трех «китов», на которых держится современная нефтехимия. Двумя другими можно считать алкадиены и арены. Об этой троице и пойдет речь.
ЧЕМ ПИРОЛИЗ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ КРЕКИНГА?
Итак, для начала — что же такое алкены? Это ненасыщенные ациклические углеводороды, содержащие в молекуле одну двойную связь типа С=С. Первым членом ряда является этилен (этен) СН2=СН2, бесцветный газ с температурой кипения -103,8 °C. Вслед за ним идет пропилен (пропен) СН2СН=СН2. Температура кипения этого газа составляет уже -47,7 °C. Дальше идут н -бутилены и изобутилен, имеющие температуру кипения немного ниже 0 °C.
Эти соединения и являются основными исходными мономерами для получения полимеров. Сами же они получаются из нефти и газа в результате пиролиза. Процесс этот в какой-то мере близок к крекингу, но имеет и свои особенности*.
Осуществляют пиролиз в специальных печах, оборудованных змеевиками. Представьте себе непрерывную трубу, скрученную в виде спирали с радиусом в два-три метра (это и есть змеевик) и помещенную в металлический цилиндр, стенки которого изнутри защищены толстым огнеупорным покрытием. Это и будет печь пиролиза. Только не забудьте еще про форсунки, вмонтированные в печь на разной высоте. Через них в печь подается топочный газ.
В змеевик подается шихта — смесь углеводородного сырья и водяного пара. А в межтрубном пространстве сжигается газовое топливо. Температура внутри змеевика поднимается до 900 °C, а если надо, то и выше, и углеводороды распадаются с образованием алкенсодержащего газа. Но в отличие от уже известного вам
* Близость этих процессов подчеркивается и этимологией их названий: cracking, как вы помните, по-английски означает расщепление, а слово пиролиз происходит от греческих руг (огонь) и lysis (разложение).
106
термического крекинга, главная задача пиролиза не в том,чтобы получить более легкие, чем сырье, жидкие углеводороды, а в том, чтобы превратить все сырье в газ и при этом сохранить в нем возникающие уже на первых стадиях процесса индивидуальные алкены, так как именно они и есть целевые продукты пиролиза.
Поэтому при пиролизе применяют метод закалки. Смысл его заключается в том, чтобы остановить цепные реакции рекомбинации химических радикалов резким снижением температуры. На практике для этого максимально повышают температуру в пиролизных печах, максимально увеличивают скорость подачи сырья в змеевик, а в заключение, по выходе продуктов пиролиза из печи, резко охлаждают их в специальном устройстве—закалочноиспарительном аппарате.
Это тоже змеевик, но пространство вокруг труб не подогревают, а напротив, охлаждают проточной водой. Температура смеси при этом за несколько секунд падает втрое, а то и больше. Такая технологическая хитрость позволяет сохранить низшие алкены, не дает им возможности вступить в последующие реакции с превращением, например, в бензол и его гомологи. У современных пиролизников один бог — жесткость процесса. Потолок температур определяется только качеством стали, из которой сделан змеевик. Время пребывания сырья в зоне реакции должно быть минимальным (доли секунды), а значит, подавать шихту нужно с такой скоростью, какую позволяет газодинамика и тепло- и массообмен, скажем, при температуре внутри змеевика в 950 °C. Недаром же одна из последних модификаций пиролизной печи, спроектированной в Нидерландах, имеет фирменное название «Миллисеконд». Так до сведения потенциального покупателя ненавязчиво доводят, что время пребывания исчисляется тысячными долями секунды.
Что касается температуры пиролиза, то специалисты в полушутку предлагали характеризовать темпы технического прогресса в этой технологии скоростью роста температуры в печах в градусах в год. А что! Смысл в этом есть, особенно если принять во внимание, что за последние 25—30 лет температуры в пирозмеевиках возросли почти на 200 °C.
Как и при крекинге, в пиролизных превращениях происходит перераспределение углерода и водорода между сырьем и продуктами. Наряду с алкенами образуются водород и метан, а также смолы и другие продукты, включая кокс.
Казалось бы, такому разнообразию надо радоваться, тем более, что производством кокса, необходимого металлургической промышленности, даже приходится заниматься специально. Однако в данном случае, как говорится, кокс-то кокс, да не тот! Он откладывается на стенках пирозмеевика и с ним, напротив, приходится бороться. Печи пиролиза периодически останавливают на выжиг кокса, иначе теплопроводность стенки змеевика падает.
Смолы пиролиза также являются побочным продуктом. Правда, в последнее время их пытаются использовать для производства термополимеров, в качестве исходного сырья для получения сажи, необходимой в резиновой промышленности, и для некото
107
рых других целей. Насыщают их также и водородом, поднимая таким образом соотношение водород: углерод почти до уровня исходного сырья и возвращая на стадию пиролиза. Конечно, подобная операция требует определенных затрат, но при удачном технологическом решении дополнительные расходы быстро окупаются.
А вот с метаном на пиролизном производстве сделать пока ничего не могут. Это безвозвратная потеря, когда относительно дорогое пиролизное сырье обращается в топливный газ. Хуже всего, что выход метана трудно уменьшить, так как он возрастает с повышением жесткости пиролиза.
Но отчаиваться не стоит. Все же есть надежда максимально повысить эффективность пиролиза и соответственно снизить образование метана, соответствующим образом подбирая и подготавливая сырье, корректируя его углеводородный состав.
Дело в том, что при одинаковой жесткости пиролиза различные углеводороды дают неодинаковое разложение в газ. Лучше всего иметь дело с этаном: он на 80% превращается в этилен. Хорошие результаты также дают высшие алканы. За ними по эффективности стоят циклогексан и алкилциклогексаны. Затем в сторону ухудшения этот ряд продолжают изомеризованные алканы.
Примерно на том же уровне стоит эффективность пиролиза пропана — на каждую молекулу этилена неизбежно образование и одной молекулы метана. Что же касается ароматических углеводородов, то в лучшем случае они не снижают газообразование, а в худшем — превращаются в смолы и кокс.
Достаточно высокую эффективность в качестве сырья пиролиза показывают прямогонные бензины. При оптимальной схеме кроме богатого алкенами пирогаза образуется еще и пироконденсат, содержащий значительное количество бензола. В целом выход целевых продуктов при пиролизе прямогонного бензина можно довести до 70%. Остальное приходится на долю метановодородной фракции, смолы и кокса.
К сожалению вести пиролиз, используя наилучшее сырье, возможно далеко не всегда. Этана мало, а прямогонный бензин используют еще для многих других целей. Поэтому для повышения эффективности пиролиза в настоящее время довольно часто используются тяжелые фракции нефти, включая мазут. Выход целевых низких алкенов при использовании такого сырья, конечно, существенно уменьшился, подорожало и оборудование, но в целом такая переработка все равно является достаточно выгодным делом.
Дело в том, что предварительно фракции мазута подвергают каталитической гидрообработке, а продукты пиролиза используют комплексно. Кроме этилена и пропилена (этена и пропена) используют также фракции С4 и С5, из которых затем получают бутены, 1,3-бутадиен, 2-метил-1,3-бутадиен (изопрен) и 2,4-пентад иен. Жидкую часть пироконденсата затем отправляют на производство бензола, а пирогаз перерабатывают в ректификационных колоннах, получая целевые алкены.
108
АЛКЕНЫ И АЛКАДИЕНЫ ИЗ АЛКАНОВ
С самого начала алкеновой эры в нефтехимии сложилось так, что главным продуктом пиролиза был этилен. Все дело тут в структуре потребления, сложившейся к тому моменту. В послевоенной Европе, как и во всем мире, происходила реконструкция топливно-энергетического баланса. Возросла потребность в котельном топливе, и весь мазут отправлялся в топки электростанций. В то же время автомобилей в Европе было меньше, чем в Америке, поэтому в отдельные годы в Западной Европе (и в Японии) случался избыток прямогонных бензинов при недостатке топливного мазута.
Понятно, что в таких условиях развитие пиролиза ориентировалось именно на прямогонный бензин в качестве источника сырья. А такое сырье, как мы уже знаем, дает более высокое соотношение пропилен: этилен — скажем, 0,6 вместо 0,4. Но постепенно прямогонный бензин стали в большей мере использовать для производства автомобильных топлив, не так сильна стала нужда в топочном мазуте. А вот сырья для производства пропилена стало уже не хватать. И тогда ученые направили свои усилия на разработку новой технологии, базирующейся на реакции дегидрирования.
Дегидрирование — это процесс превращения алканов в алкены путем каталитического отщепления водорода с образованием двойной связи. Особенно широкое применение подобные углеводороды получили при становлении технологии синтетического каучука. Об этом мы подробно расскажем в главе VIII. А пока—о некоторых технических тонкостях.
Процесс дегидрирования основан на эндотермических реакциях, причем равновесные реакции смещаются в сторону алкенов с повышением температуры. Наиболее неблагоприятна термодинамика для этана. Заметные выходы этилена, скажем, степень конверсии* 15—20%, достигается при 600 °C. Дальнейшее углубление превращения приводит к развитию реакций термического крекинга. Оттого и выгоднее получать этилен пирогенетическим разложением, а не при помощи каталитического процесса.
Для пропана термодинамика благоприятнее: при 550—580 °C можно получить степень конверсии до 35%. Это означает, что из реактора выходит газовая смесь с достаточно большим содержанием пропилена. Его затем можно выделить, а непрореагировавший пропан вернуть в реактор вместе с добавками свежего сырья.
Бутан и в особенности изобутан — еще более благоприятное сырье для дегидрирования. Их термодинамические характеристики обеспечивают большую глубину конверсии. Поэтому и началось промышленное дегидрирование именно с алканов С4. Вызваны же были эти процессы интересом к получению синтетического каучука на основе 1,3-бутадиена.
Вскоре после второй мировой войны началось производство синтетического этилового спирта на основе гидратации этилена
* О том, что такое степень конверсии, рассказано в следующем разделе.
109
С2Н4. Вначале это была довольно дорого обходившаяся сернокислотная гидратация, но уже через несколько лет ее заменила более эффективная прямая гидратация на гетерогенном твердом катализаторе. Спирт стал более дешевым, но производство бутадиена на его основе все равно не стоило развивать. Дегидрирование бутана оказалось дешевле, и эта технология постепенно вытеснила этанол из промышленности синтетического каучука.
Давайте посмотрим, как дегидрируют бутан СзН8 в бутадиен СдНб. Поначалу эта реакция осуществлялась в аппаратах со стационарным слоем катализатора. Однако этот высокотемпературный процесс оказался неселективен, а часть молекул С3Н8 конвертировалась до углерода и водорода. Углерод осаждался на катализаторе и в считанные минуты выводил его из строя. Даже присутствие перегретого водяного пара не спасало положения.
Поэтому первые установки дегидрирования были оборудованы системой реакторов периодического действия. Рабочий цикл длился всего 20—30 минут, после чего реактор переключался на выжиг кокса. Затем наступала очередь следующей стадии — реактивации... Таким образом, каждый из трех реакторов реакторного блока в данный момент находился в одной из трех стадий. Часто к ним добавляли еще и четвертый реактор — резервный.
Конечно, такая схема весьма тяжела в эксплуатации, предъявляет жесткие требования к аппаратуре, переключателям, автоматике... Словом, она мало устраивала специалистов. И они в конце концов нашли ей достойную замену. Как и в каталитическом крекинге, здесь вскоре перешли к технологии псевдоожиженного слоя. Был разработан эффективный алюмохромовый катализатор, который в зависимости от исходного сырья — бутан, изобутан или изопентан — обеспечивал высокий выход продукта: 45—55-процентную конверсию за проход при селективности 76—84%.
Эти показатели настолько важны, что есть смысл рассказать о них подробнее.
ГЛУБИНА КОНВЕРСИИ И ПОКАЗАТЕЛЬ СЕЛЕКТИВНОСТИ
Степень или глубина конверсии определяется количеством молекул исходного вещества, претерпевших какие-то химические изменения при проходе через реактор или зону реакции. Скажем, мы подали 100 молекул бутана, 80 из них в результате реакции претерпели какие-то изменения, то есть конвертировались. Значит, можно сказать, что конверсия за один проход составила 80%.
Заметьте, речь идет о превращении вообще, а не в целевой продукт. Дело в том, что давление и температура влияют на скорость всех реакций, как прямых, так и побочных. Дегидрирование, то есть отщепление атомов водорода,— это только первый акт, скорость которого увеличивается катализатором. Но вполне возможно, что при данных условиях реакции также достаточно быстро протекают и другие превращения, например дальнейшее дегидрирование с получением бутадиена.
Бутилен же химически намного активнее бутана, значит, он может участвовать еще во многих превращениях. Например, он 110
может превратиться в изобутилен, а тот, в свою очередь, в изобутан. Словом, в итоге реакции вместо одного продукта, который нам нужен, мы можем получить совокупность совсем других.
Очевидно, что глубокая конверсия хороша далеко не всегда. Важно не только, сколько молекул прореагировали, но и во что они превратились. Иными словами, конверсию обязательно приходится сопоставлять с селективностью. Этот показатель говорит о том, сколько прореагировавших молекул превратились в целевые продукты. И если в нашем случае из 80 превращенных молекул 60 дали бутилены, а 20 — побочные продукты, то мы говорим, что данный процесс идет при конверсии 80% и селективности 75%.
ЧТО ПОЧЕМ, ИЛИ КАКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЫГОДНЕЕ?
А сейчас мы хотим обратить ваше внимание на экономику. Дело в том, что уровень всех затрат на химическую технологию практически целиком зависит от конверсии и селективности. Почему так получается, легко понять, если вспомнить, что же такое затраты? Они, как известно, бывают двух видов: капитальные и текущие. Капитальные — это единовременные затраты на сооружение данной технологической установки. Текущие же затраты включают в себя стоимость сырья, реагентов, катализаторов и энергетических средств, то есть топлива, электроэнергии, пара, холода и так далее.
Кроме перечисленных прямых затрат, существуют еще и так называемые косвенные или накладные. Сюда относятся амортизационные отчисления, затраты на ремонт, содержание и обслуживание оборудования, зарплата персонала. Эти затраты впрямую не зависят от количества выпускаемой продукции. В самом деле, работает установка или простаивает, оборудование все равно стареет, и зарплату служащим тоже надо платить...
В нефтехимии мы сталкиваемся с весьма своеобразной структурой затрат. Если принять себестоимость продукции за 100%, то стоимость сырья составит 50—60%, затраты на энергию 20—30% и накладные расходы еще 10—20%. При этом большая часть накладных расходов приходится на содержание оборудования. На зарплату же нефтехимикам расходуется всего 1—2% суммарных затрат.
С такой спецификой обязательно приходится считаться при создании новой технологии или производства.
А теперь давайте посмотрим, где же и как формируются затраты. Типичная нефтехимическая технология, как правило, может быть представлена тремя блоками: реакторным узлом, системой разделения продуктов реакции с получением целевых и побочных веществ, и, наконец, блоком машин — компрессоров, насосов и так далее.
Как правило, в блоке реакторов энергетические затраты невелики. На нагрев сырья или его охлаждение, перемещение сырья и продуктов реакции насосами и компрессорами расходует
111
ся не так уж много энергии. Эти затраты весьма тесно связаны с селективностью и конверсией, так как прямо зависят от того, сколько сырья приходится возвращать на повторную переработку. При конверсии 100% все сырье пропускается через реактор один раз, при 50% часть его приходится возвращать на исходные позиции еще и еще раз.
Далее продукты реакции из реактора попадают в блок разделения. И здесь затраты также во многом зависят от селективности и конверсии. Если мы имеем 100-процентную конверсию при столь же высокой селективности, то затраты на разделение вообще будут равны нулю. Если же процесс идет с селективностью 100%, но при конверсии 80%, то затраты на разделение уже возрастают. Но они все еще будут не очень большими, поскольку в катализате будут только два вещества — исходный и конечный продукт. Разделить их, как правило, несложно, в особенности, если один из продуктов — жидкость, а другой — газ.
Но дело заметно осложняется, если и селективность реакции оказывается не так уж высока, допустим 80%. В катализате образуются уже десятки различных химических соединений! И для их разделения потребуется немало разнообразного оборудования, многочисленные циклы нагрев — охлаждение, испарение — конденсация... Следовательно, придется израсходовать много энергии, а значит, и средств.
Все это мы рассказали так подробно с одной-единственной целью: чтобы вы поняли, каким образом нефтехимики и экономисты, зная законы конверсии и селективности, могут выбрать лучшую не только из реально существующих технологий, но и заранее определить эффективность тех, которые еще только разрабатываются.
Все дело в том, что и селективность, и конверсия опять-таки подчиняются строгим законам, а именно — законам химической термодинамики и кинетики.
Термодинамика характеризует энергетические особенности реакций: экзо- или эндотермические они, как зависят их равновесные концентрации от давлений и температур.
Кинетика же — это наука о механизме и скоростях реакций.
Так вот, если знать термодинамические и кинетические харак-терцстики нужной нам реакции, то по ним можно рассчитать и ожидаемые затраты на технологию, которая основывается на данной реакции. Ведь в основе всякой промышленной технологии лежит в конце концов конкретная целевая реакция — окисления ли, восстановления, конденсации или дегидрирования...
Правда, определить будущие затраты вот так сразу не удается. Проще сначала определить затраты на так называемую предельно эффективную технологию. Рассчитывая ее, исходят из предположения, что все идет точно по теории: и расход сырья по стехиометрии, и конверсия такая, какая допустима по законам термодинамики, и разделение продуктов реакции идет в точности так, как это описано в учебнике...
Но такая идеальная технология, понятно, служит лишь расчетной моделью. Чтобы приблизить ее к условиям практики, вводят
112
понятие реально достижимой технологии. Для этого в первоначальный теоретический расчет вносят поправки с учетом всех лучших показателей, которые уже достигнуты где-либо на лучшем оборудовании.
Теперь уже довольно легко определить показатели предельно эффективной технологии, то есть такие, какими они были бы при предельных значениях селективности и конверсии. А дальше уже определяют отношения затрат предельной технологии и реальной— по сырью, электроэнергии и так далее. В результате получается цепочка значений. Обычно все они меньше единицы, и это понятно: идеала достичь никому не удается. Они оставляют примерно 0,9 по сырью, 0,5 по электроэнергии, 0,3 по пару... И могут быть использованы для характеристики эффективности данного процесса примерно так же, как КПД показывает нам совершенство двигателя или установки.
Располагая этими значениями, можно подобрать из реально существующих процессов наиболее подходящий и на его основе прояснить для себя, насколько будет проста или сложна данная технология?... Словом, стоит ли ею вообще заниматься?
НАПРАВО ПОЙДЕШЬ —СЕЛЕКТИВНОСТЬ СНИЗИТСЯ, НАЛЕВО —КАТАЛИЗАТОР ПОДОРОЖАЕТ
Вот так выглядит упрощенная модель технического прогнозирования. Не строя даже экспериментальной установки, просто на бумаге можно, оказывается, заранее прояснить многие характеристики будущей технологии.
И рассказали мы об этом именно в данной главе вовсе не случайно.
Дегидрирование бутана для нужд промышленности синтетического каучука существовало много лет и постоянно совершенствовалось. Но все эти усовершенствования до поры до времени шли в рамках одной и той же технологии — адиабатического процесса на окисных катализаторах типа алюмохромового. Наконец, все резервы этой технологии были исчерпаны. Нужно было переходить на новую. Но какую именно выбрать?
Чтобы ответить на этот вопрос, существующий процесс был рассмотрен с позиций предельно эффективной технологии. И в глаза сразу бросилась следующая особенность. Конверсия при работе на бутане была близка к теоретической. А селективность? Она составляла 76—78%. Но это в том случае, когда целевыми продуктами считались и бутилен, и бутадиен. Разделять же смесь — достаточно дорогое удовольствие. Оказалось даже, что с точки зрения экономики было бы выгоднее получать чистый бутилен, а уж его по мере надобности дегидрировать в бутадиен.
Короче говоря, мудрецы задумались: «А зачем, собственно, получать одновременно два вида продуктов, работая на предельной конверсии и снижая селективность?..» А задумавшись, стали искать возможности повышения селективности. Нашлась вскоре и соответствующая подсказка: зачем работать на малоселективных окисных катализаторах, когда можно испробовать платиновые под
8 — Цыркин
113
давлением водорода? В точности такие, как работают в процессах каталитического риформинга.
Так друг другу были противопоставлены две идеологии промышленного катализа.
Первую давайте назовем термодинамической, поскольку используя ее, стараются выжать максимум возможного из максимальной конверсии, максимальной производительности катализатора и аппаратуры.
Правда, эти условия не очень хороши с точки зрения кинетики. Снижается селективность процесса, катализатор быстро закоксовывается... Но если сырье и катализатор дешевые, то такой выбор в пользу термодинамики себя оправдывает. А если и сырье, и катализатор дороги?...
Тогда имеет смысл прибегнуть к другой идеологии — кинетической. Тут уж исходят из особенностей кинетики процесса, стараются улучшить его селективность.
Оба подхода достаточно широко используются на практике. Например, каталитический крекинг с дешевым цеолитным катализатором и совсем уж дешевым мазутом в качестве сырья — пример термодинамического подхода. А вот каталитический риформинг, когда в качестве сырья используется дорогой бензин, а платиновый катализатор и того дороже—пример подхода второго рода, кинетического.
Такое умение оценивать достоинства и недостатки используемых процессов, творчески применять тот или иной подход, идеологию к решению данной производственной проблемы помогает специалистам каждый раз находить оптимальное решение, позволяет прогнозировать развитие технологий на десятилетия вперед.
Когда в начале 70-х годов, в условиях процветавшего тогда на дешевых углеводородах пиролиза кое-кто из специалистов впервые стал вести разговор о дегидрировании пропана, это выглядело на первый взгляд экономическим нонсенсом. Но пршло время, сырье резко подорожало, и вот в 1985 году была выдана лицензия на новую технологию, началось ее внедрение. А в истоке были выводы технического и экономического прогнозирования.
Рискнем сделать такой прогноз и мы. Недалеко время, когда начнется промышленное производство пропилена из пропана. Оно станет прекрасным дополнением к пиролизу в тех случаях, когда необходимо получить пропилен, чтобы быстро построить и пустить установку для синтеза, скажем, полипропилена на уже действующем нефтеперерабатывающем заводе. Что же касается пропана, то в необходимых для такого производства количествах он имеется практически на любом крупном нефтехимическом предприятии.
ОТКУДА БЕРУТСЯ АРЕНЫ?
Бензол, толуол и ксилолы, как и низшие алкены, используются в производстве практически всех видов конечных химических продуктов—пластических масс, синтетических каучуков, синтетических волокон и растворителей...
114
Впервые бензол появился в промышленности как попутный продукт коксохимического производства. При пирогенетической, то есть без доступа воздуха, обработке угля в коксовых печах, органическая масса угля разлагается, часть ее переходит в газообразное состояние. При этом органические соединения превращаются в низшие углеводороды — предельные и непредельные, а также в бензол, толуол, ксилолы и некоторые другие вещества. Нужные для дальнейшего производства органические вещества конденсировали в жидкость, а оставшийся газ использовали для обогрева тех же коксовых батарей.
Однако по мере укрупнения коксовых печей стало выгодно комплексное использование продуктов коксования. Из газа стали выделять этилен и другие ценные компоненты. Конденсат коксового газа назвали «сырым бензолом» и стали извлекать из него товарный бензол, ксилолы, нафталин, антрацен и другие вещества ароматического ряда.
Так продолжалось десятилетиями, и ресурсов коксохимического производства вполне хватало для нужд органического синтеза. Но уже в первые послевоенные годы, когда производство полимеров резко возросло, стало понятно, что только на коксохимическое производство надеяться нельзя — его рост вполне достаточен для металлургии, но вот нужд химии он обеспечить не может. К тому же рост металлургического производства замедлился, а, например, в США и вовсе прекратился. Появилась даже тенденция к абсолютному снижению объемов производства.
К концу 50-х годов уже существовала технология каталитического риформирования прямогонных бензинов для производства высокооктановых компонентов. А что такое риформат? Смесь углеводородов, обогащенная ароматическими веществами. Если учесть, что в некоторых случаях есть возможность поднять содержание ароматических углеводородов в общей смеси до 30%, то становится понятно, что перед нами достаточно богатое сырье для нефтехимического производства.
Только вот как выделить нужные нам компоненты из общей смеси? Пробовали, например, ректификацию. И даже не простую, азеотропную, то есть с добавлением специальных веществ — уводителей, которые образуют с извлекаемым компонентом так называемые азеотропные смеси. Эти смеси отличаются тем, что кипят при существенно более низкой температуре, чем каждый компонент из их состава, и улетучиваются из нагреваемого сырья в строго определенной последовательности.
Скажем, бензол и циклогексан по температуре кипения очень близки, и простой ректификацией их не разделишь. А вот если добавить в смесь реагент, который образует с бензолом (или с циклогексаном) азеотропную смесь, температура кипения которой будет градусов на 15 ниже, то выделить из смеси нужный компонент уже большого труда не составит.
Но предстоит еще разделить саму отогнанную азеотропную смесь на исходные составляющие. Это легко сделать, если уводитель растворяется в воде (например, если взять метанол или ацетон). Тогда полученный азеотроп смешивают с водой, ацетон
8’
115
или метанол растворяются и переходят из углеводородной фазы в водную. Затем смесь расслаивается на два слоя. Верхний, углеводородный раствор сливают, а водный, нижний идет на ректификацию. Органический компонент из него отгоняют и снова возвращают в первоначальный цикл.
Но такая технология связана с большим количеством нагреваний и охлаждений, основной процесс существенно усложнен всякими побочными. И потому в 1952—54 годах она была заменена экстракцией.
Этот процесс основан на различной растворимости углеводородов в отдельных органических веществах. Если такое вещество ввести в процесс, то ароматические углеводороды образуют с растворителем экстракт, который легко отделяется от оставшейся части — рафината.
Растворитель обычно подбирают с большой плотностью и с такой температурой кипения, чтобы она была больше, чем у бензола или у толуола. Тогда ароматические углеводороды легко отогнать от растворителя-экстрагента путем последующей ректификации.
К растворителю предъявляют и другие требования, определяющие эффективность экстракции. Он должен обладать высокой растворяющей способностью и селективностью — растворять преимущественно нужное вещество. Он должен быть также термически стабилен, не разлагаться при нагревании в кубе отгонки. Он должен еще растворяться в воде, чтобы его можно было отмыть от рафината, уходящего из колонны экстракции. Он должен быть и нетоксичным, и, конечно, недорогим...
Так что, как видите, с этим способом тоже опять-таки не просто. Однако химики смогли все же отыскать несколько подходящих промышленных растворителей. Первым был предложенный американскими химиками диэтиленгликоль. Этот двухатомный спирт не утратил своего промышленного значения и по сегодняшний день. Затем были найдены другие, более эффективные растворители — триэтиленгликоль, тетраэтиленгликоль, сульфолан, морфолин и другие. В конце концов, в результате более чем тридцатилетних опытов, поставленных нефтехимиками разных стран, было установлено, что лучший растворитель для ароматических углеводородов — сульфолан. Это сераорганическое соединение обеспечивает соотношение растворитель: сырье близкое к теоретическому. Для бензола, например, оно равно 2,5.
КАК БУДТО ПОСТОРОННИЕ ПРИЧИНЫ
Развитие и распространение процесса экстракции и прогресс в каталитическом риформировании сделали производство ароматических углеводородов из нефтяного сырья массовым. Это способствовало развитию и органического синтеза в целом.
Однако не следует думать, что развитие этой отрасли нефтехимии стало протекать спокойно и безоблачно. Жизнь все время подбрасывает нефтехимикам проблемы, причем некоторые из них, казалось бы, никак не связаны ни с нефтью, ни с химией. Но тем
116
не менее, гром, прогремевший в одном месте, отдается раскатами в других.
Так, скажем, в 1957 году США были потрясены знаменитой «стальной забастовкой». Несколько месяцев сталелитейная промышленность страны была полностью парализована. И затем еще долгое время заводы работали на половинную мощность. Какое это отношение имеет к нефтехимикам?.. Но вспомните, бензол ведь получают и при производстве кокса. А коксохимические заводы во время забастовки тоже простаивали. Пришлось вспомнить о забытой реакции деметилирования толуола в бензол. Она была известна еще с начала нашего века, но долгое время не пользовалась особой популярностью. Более важной задачей в то время было осуществление превращения наоборот — метилирования бензола в толуол, который затем использовался для производства тринитротолуола и других взрывчатых веществ на его основе.
Но закончилась вторая мировая война и вот, пожалуйста, старую задачу пришлось решать на новом техническом уровне. Первый процесс, названный «Детол», представлял собой термическое деметилирование толуола в присутствии водорода. Реакция идет при температуре 800 °C и давлении 5—10 МПа. Такие жесткие условия потребовали создания новых материалов для реакторов (вот вам еще один пример неожиданной обратной связи), зато позволили осуществить процесс с достаточно высокой селективностью — 95% и даже выше. Потом появились и другие, каталитические процессы деалкилирования.
А вот вам еще пример взаимосвязи химии с другими отраслями промышленности. Как известно, сегодня до 70% всех вырабатываемых в мире каучуков используется в шинной промышленности. Казалось бы, тут все ясно: объем потребления каучука определяется требуемым количеством шин. Их же число, в свою очередь, определяется числом транспортных машин в стране и их пробегом. Но на деле взаимосвязь оказывается значительно сложнее. Темпы потребления синтетического каучука всегда были существенно ниже темпов развития автомобильной промышленности. Почему? А дело в том, что периодически появляются новые, более прочные каучуки, шины из которых значительно долговечнее. А раз увеличивается пробег шин, значит, их меньше нужно.
И наконец, какое, казалось бы, отношение к нефтехимии имеет скотоводство?.. Тем не менее, взаимосвязь прослеживается и в этом случае. Стоило, например, скотоводам Австралии и Новой Зеландии перейти на автоматизированную стрижку овец, как во всем мире существенно уменьшалась выработка искусственного волокна. Натуральную шерсть покупатель предпочитает.
СКОРО СКАЗКА СКАЗЫВАЕТСЯ...
А знаете ли вы, сколько проходит времени с момента, когда новый полимер впервые увидит в своей колбе синтезировавший его химик, до того дня, когда будет пущен завод по производству этого вещества? 12—15 лет!..
117
С. А. Вольфсон в своей книжке, которая так и называется «От колбы до реактора» подробно объясняет, почему так получается. Пересказывать все перипетии этого достаточно длинного пути мы здесь не будем — почитайте книжку, и вы все сами поймете. Тем более, что написана она ничуть не менее интересно, чем многие современные романы (по крайней мере на производственную тему).
Приведем лишь маленький расчет, показывающий, откуда все-таки набегают эти полтора десятилетия. Несколько лет уходит на технологические исследования — как добиться результатов, полученных в колбе, в условиях современного производства. Когда этот вопрос в принципе решен, технологию отрабатывают на опытной установке. На это нужно еще год-два. Следующий этап — проектирование, строительство и освоение опытнопромышленной установки. На это кладите еще 3—4 года. Создание самой промышленной установки, ее отладка и выведение на проектную мощность отнимают еще около 5 лет.
А сколь огромны бывают современные промышленные реакторы, насколько отличаются они от лабораторных колб, можно судить хотя бы по таким примерам.
Начиная с 50-х годов потребность в низших алкенах, особенно в этилене, росла весьма стремительно. Были периоды, когда в США, Японии и других индустриальных странах рост производства этилена на основе пиролиза доходил до 12—15% в год. Если первые промышленные установки рассчитывались на 25— 50 тысяч тонн продукта в год, то в 60-е годы появились 100—200-тысячные установки, а к середине 70-х годов появились и гиганты, производящие до 500 тысяч тонн этилена в год.
Такой рост имеет свое объяснение. Дело в том, что увеличивать единичную мощность установок выгодно. Так, в среднем, при двукратном увеличении мощности рост капиталовложений в саму установку возрастает всего лишь в 1,6 раза. Одновременно наблюдается экономия затрат материалов и энергии.
Скажем, на маломощных установках первых выпусков резкое охлаждение пирогаза осуществлялось просто впрыском воды, которая затем уходила в виде пара в атмосферу, унося с собой поглощенную теплоту. А ее ведь можно использовать гораздо более рационально при том же способе закалки пирогаза. На современных установках большой мощности вместо электрических компрессоров для пирогаза повсеместно используют паровые. Их приводят в действие паровые турбины, которые, в свою очередь... вы поняли правильно, используют тот самый пар, который раньше уходил в атмосферу.
Но есть тут, конечно, и свои минусы — когда это в технике были сплошные плюсы?..
В частности, недостатком мощных пиролизных установок является их громоздкость. Они становятся настолько большими, что доставить их отдельные части с места изготовления на место монтажа становится весьма сложной транспортной проблемой. Не случайно большинство нефтехимических установок в настоящее время смонтировано на побережье — в районе Мексиканского залива, на острове Пуэрто-Рико, а в Европе — вблизи Антверпена,
Бремена и других портов. Только морским судам оказывается по силам доставка таких громадин.
Дело порой доходит до своеобразных строительно-монтажных рекордов! Например, когда строилась гигантская нефтехимическая установка фирмы «Марафон Ойл» на острове Пуэрто-Рико, пришлось прорыть морской канал длиной около 30 километров лишь для того, чтобы доставить на место привезенный из Японии на специальной барже химический реактор весом более 600 тонн!
А когда в нашей стране заканчивался монтаж оборудования на Прикумском заводе пластмасс, расположенном в степной части Ростовской области, то химический реактор весом более 200 тонн сначала привезли на барже по Волго-Донскому каналу в один из ближайших к заводу портов. Затем реактор перегрузили на специально изготовленную в Свердловске многоосную платформу, оборудованную крупногабаритными шинами, приспособленными для езды по проселочным дорогам. Потребовалось специальное обустройство трассы — расширение дорог, их спрямление, усиление мостов... В некоторых местах оказалось проще засыпать старое русло реки. И уж после того, как вся подготовительная работа была закончена, реактор был доставлен на место специальным караваном,двигавшимся со скоростью пешехода.
Так что условия транспортировки довольно часто накладывают свои ограничения на размер химических установок. Кроме них существуют также и ограничения экономического, стратегического и прочего порядка.
Скажем, теоретически можно создать такую установку, которая одна покроет потребности всей страны, а то и мира в данном продукте. Будут ли ее строить? Конечно, нет. Ведь к такому гиганту пришлось бы издалека подвозить сырье, а потом увозить от него готовую продукцию. А что делать, если установка вдруг выйдет из строя?..
Глава VIII
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ
В прошлой главе мы с вами говорили об органическом синтезе. Но общие представления запоминаются гораздо лучше, когда они иллюстрируются конкретными примерами. Поэтому здесь мы хотим рассказать вам несколько историй о том, как в обиходе человечества появились те или иные полимеры.
ПЕРВЫЙ ХИМИК —ПРИРОДА
Как вы думаете, давно ли человечество начало использовать полимеры?
— Название «полимер» было предложено известным шведским химиком И. Берцелиусом в 1833 году,— скажет дотошный читатель, не поленившийся заглянуть в энциклопедию.— Однако по-настоящему изучение полимеров начинается позднее, в 60—70-е годы прошлого века...
Все верно. Но мы-то спрашивали не об изучении, даже не о получении, а о применении полимеров. Пользоваться ими человечество начало за много тысяч лет до того, как развел огонь под своими ретортами первый алхимик.
Не верите?.. Скажите тогда, пожалуйста, с каким оружием выходили на мамонтов первобытные охотники? Правильно, сначала мамонтов заманивали или загоняли в ловушки, а потом добивали камнями, дубинками и копьями ...
Так вот дубинки эти были сделаны из дерева — природного полимера. Кремневые наконечники к древкам копий были примотаны жилами — а это тоже природные полимеры. Наконец, сами охотники были одеты в звериные шкуры, которые, как и кость, являются природными полимерами.
Натуральные текстильные волокна—льняные, хлопковые, шерстяные — тоже можно отнести к этому классу. А этими волокнами опять-таки человечество пользуется достаточно давно.
Так что полимеров вокруг нас значительно больше, чем привыкли считать многие. Причем, природные полимеры являют, как правило, образцы совершенства. И это, в общем-то, понятно. Ведь у природы на оттачивание своего мастерства были миллиарды лет. Человечество такими временными запасами никогда не располагало. Поэтому реакции, проводимые в лабораториях химиков, а тем более на производстве, пока еще попроще тех, что происходят, скажем, в недрах Земли или в биосфере. Но все-таки и люди достигли уже немалого. А ведь первые реакции полимери
120
зации природного сырья они проводили (даже не подозревая об этом), когда, например, варили или пекли яйца, изготовляли творог или добавляли яичные белки в строительный раствор.
СОРЕВНУЯСЬ С ПРИРОДОЙ
Мономеры. Так называют те низкомолекулярные соединения, которые способны при определенных условиях превращаться в полимеры. В полимерах звенья мономеров (иногда очень много звеньев) объединены в очень большие (иногда огромные) молекулы— их и называют макромолекулами.
Как получают полимерный материал, мы с вами сейчас посмотрим на примере всем известной резины.
Ее история начинается давно. В ночь на 12 октября 1492 года три крошечных судна—«Санта-Мария», «Пинта» и «Нинья»,— одолев неизведанный еще Атлантический океан, подошли к побережью Нового света. Колумб и его спутники ступили на землю, где еще никогда не бывали европейцы.
Когда участники экспедиции вернулись обратно, они привезли в Испанию множество рассказов и диковин, свидетельствующих о том, что европейцы далеко не все могут и умеют. Среди всего прочего был и мяч из «эластичной древесной смолы», совсем не похожий на те набитые волосом кожаные мячи, которыми пользовались для игры в Испании и других странах Старого света. Этот мяч был твердый, довольно тяжелый, но отличался поразительной прыгучестью.
Однако Колумб и его товарищи понятия не имели о том, как делаются подобные мячи. Первые достоверные сведения о новом материале, из которого можно делать множество полезных вещей, в том числе и мячи, привез в Европу французский ученый Шарль Кондамин. В 1735—1743 годах он находился в Южной Америке в составе специальной экспедиции и представил в Парижскую Академию наук подробный отчет.
«В провинции Эсмеральда,— писал ученый,— растет дерево, называемое местными жителями «геве», которое из разрезов коры выделяет белый млечный сок. Последний постепенно затвердевает и темнеет на воздухе. В провинции Кито его наносят на ткани и делают их таким образом непромокаемыми. Такое же дерево растет на берегах Амазонки, туземцы добывают из него caucho. Из этого вещества они изготовляют водонепроницаемые, из одного куска сапоги. Они обмазывают им глиняные формы в виде бутылок; когда сок затвердевает, форму разбивают и вынимают из нее куски через горловину, получая легкие небьющиеся сосуды, удобные для хранения жидкостей».
С легкой руки Кондамина, новый материал стал постепенно получать распространение и в Европе. Здесь сок плачущего дерева — так переводится с языка индейцев слово caucho — получил новое название — резина*.
* От латинского слова resina — смола.
121
В 1811 году открылась первая резиновая фабрика в Вене. В 1820 году во Франции стали выпускать резиновые подтяжки и подвязки, сплетая каучуковые и хлопковые нити. Чуть позднее, в 1823 году, шотландский химик Чарльз Макинтош придумал способ изготовления непромокаемой ткани. Пальто-макинтоши, правда, имели существенный недостаток: зимой твердели, а летом издавали такое зловоние, что приходилось прятать их в прохладные погреба. Но все-таки они пользовались спросом, как и каучуковые галоши для мокрой погоды.
Год 1830 отмечен в истории, как время «резинового бума» в США. Различные каучуковые и резиновые компании росли, как грибы после дождя ... А пять лет спустя разразился жесточайший кризис. Лето оказалось особенно знойным, и вся каучуковая продукция превратилась от высокой температуры в ... зловонный кисель!
Каучук спас изобретатель Чарлз Гудьир. Нет, он не был химиком, но оказался очень упорным человеком. Гудьир потратил на опыты несколько лет жизни и все свои деньги. Над ним смеялись: «Если вы увидите человека в резиновом пальто, резиновых ботинках, резиновом цилиндре и резиновым кошельком в кармане, а в кошельке — ни единого цента, то можете не сомневаться—это Гудьир». Но он продолжал опыты, смешивая каучук со всяким веществом, которое только попадалось ему на глаза. И в 1839 году он все-таки нашел способ лечения каучука. Это была вулканизация — обработка каучука теплом с добавлением небольшого количества серы. В результате вулканизации повышаются прочность, твердость, эластичность, тепло- и морозостойкость каучука, снижается его растворимость в органических растворителях. Словом, это уже другой материал.
Кстати сказать, в настоящее время резиной принято называть именно вулканизованный каучук.
Прошло несколько десятилетий, и резиновую промышленность постиг новый кризис. Индустрия требовала все больше сырья, так как кроме растущего производства макинтошей, галош и прочих бытовых изделий появился новый потребитель — шинная промышленность. К началу нашего века автомобильный парк планеты уже насчитывал сотни тысяч машин. И плантации гевеи уже не могли обеспечить сырьем всех желающих, хотя к началу нашего века объем торговли сырым каучуком составлял уже сотни тысяч тонн. Идея синтетического каучука не только носилась в воздухе, но ею всерьез заинтересовались ученые во всем мире.
Наша страна закупала каучук за рубежом. Однако с каждым годом импорт натурального каучука становился все более трудной задачей. Стало очевидным, что каучук превратился в стратегическое сырье. И тогда в 1926 году советское правительство объявило открытый международный конкурс на лучшую технологию создания искусственного каучука. Завершился этот конкурс блистательной победой ленинградских химиков во главе с профессором С. В. Лебедевым.
Сергей Владимирович Лебедев — ученик патриарха российской органической химии академика А. Е. Фаворского — с 1902 года
122
работал в Санкт-Петербургском университете. Он занимался полимеризацией алкенов и алкадиенов Сз—С5. Эти работы, проведенные еще в 1908—14 годах, послужили основой предложенной промышленной технологии.
В 1928 году был получен первый промышленный образец натрий-бутадиенового каучука. Первый в мире завод синтетического каучука был пущен в 1932 году, а Лабораторию синтетического каучука некоторое время спустя преобразовали во Всесоюзный научно-исследовательский институт синтетического каучука (ВНИИСК). В 1935 году, после смерти академика С. В. Лебедева, институту было присвоено имя его основателя. Значение этого международного конкурса не ограничивается созданием промышленной технологии синтеза каучука по Лебедеву. Группа Лебедева достойно победила в конкуренции равных. Но недостатком предложенной ею технологии было то, что мономер—1,3-бутадиен — получали одноступенчатой конверсией этилового спирта. До 50-х годов в нашей стране промышленной основой, сырьевой базой подобного производства мог быть только пищевой этанол, производимый ферментацией зерна, картофеля, свеклы. Правда, после окончательного усовершенствования катализатора Лебедева расход пищевого сырья сократился вдвое.
В то же время группа ученых под руководством профессора Б. В. Бызова предложила другой путь синтеза мономера — дегидрирование на специальном катализаторе н-бутиленов, выделяемых из газов крекинга нефтяного сырья. Это был красивый, чисто нефтехимический, но по тем временам преждевременный путь. Задачей же конкурса было выбрать метод, который позволил бы начать немедленное строительство крупных заводов. Главным был выигрыш времени, ликвидация кабальной зависимости от капиталистов. А состояние переработки нефти в СССР в то время не позволяло обеспечить газовым сырьем производство каучука в необходимых масштабах.
Но прошло время, и идеи Бызова обрели свое хозяйственное значение. С развитием вторичной переработки нефти (крекинговые процессы, газофракционирование) по мере становления нефтехимии (пиролиз, изомеризация алканов, дегидрирование) появилась реальная возможность перевода всех заводов СК на нефтехимическое сырье. Произошло это как в СССР, так и во всем мире уже после второй мировой войны. А началось в Ленинградском технологическом институте им. Ленсовета еще в начале 20-х годов. Таковы судьбы многих разработок, опережающих свое время.
Крупнейшая в мире промышленность синтетического каучука, созданная в СССР в предвоенные годы, сыграла немалую роль в разгроме гитлеровских завоевателей. Советский синтетический каучук позволил «обуть» все виды колесного наземного транспорта, тысячи и тысячи самолетов ...
Надо сказать, что вторая мировая война вообще подорвала систему мировой торговли, в частности и натуральным каучуком. Зарубежным странам, в том числе Германии и США, пришлось спешно создавать свою индустрию синтетического каучука.
123
Бурно продолжала развиваться эта отрасль промышленности и в послевоенные годы. Время показало, что несмотря на свои очевидные преимущества — дешевизну, возможность быстрого производства в массовых количествах — бутадиен-стирольные, бутадиеновые, хлоропреновые и другие синтетические каучуки все-таки не в состоянии полностью заменить натуральный. Дело в том, что каучук «с дерева» на 97—99% является цисполиизопреном со строго определенной пространственной структурой (стереорегулярной структурой):
QH3	Н
-----СН2 СН2^С=С^ /СН2 сн2	 /С=С\ СН2	СН2/С=С\->
сн н	СНз н
а в ранее изготовлявшихся синтетических каучуках звенья распо-лагались хаотически. Именно такая упорядоченность придает натуральному каучуку прочность, износостойкость и другие ценные физико-механические свойства.
Таким образом, перед учеными встали две новые задачи. Первая — научиться полимеризовать изопрен упорядоченно. И вторая — получать изопрен из доступного сырья дешевым способом.
Обе задачи были решены опять-таки ленинградскими химиками.
Во ВНИИСК был найден оптимальный состав катализаторов для получения стереорегулярных изопреновых и бутадиеновых каучуков, а во ВНИИНефтехим научились синтезировать высококачественный изопрен из бутилена и формальдегида.
В 1964 году в стране началось первое в мире промышленное производство изопренового каучука СКИ-3, а в 1965—66 — бутадиенового СКД.
Казалось бы, можно успокоиться: каучук не хуже натурального, а по некоторым показателям даже превзошел его. Работа по праву была отмечена Ленинской премией — первой в нефтехимической промышленности.
Но путь исследователя бесконечен, перед ним всякий раз встает новая задача. Когда СКИ-3 стали применять в шинах для большегрузных автомобилей, оказалось все же, что они изнашиваются быстрее — значит, не всеми уникальными свойствами натурального каучука обладает его синтетический аналог. А это, в свою очередь, означает, что не одно только регулярное строение молекул цмс-полиизопрена обусловливает эти непревзойденные свойства.
Выяснилось, что дело в белках. В натуральном каучуке между молекулами полиизопрена встроены молекулы белков. Они разделяют со своими соседями ответственность за уровень показателей, нужных для крупногабаритных шин. По этой причине развернуты поиски способа ввести молекулы белков в каучуки типа СКИ.
124
НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ПОЛИСТИРОЛЕ
Промышленный способ производства этого прозрачного, стекловидного материала был разработан и реализован в Германии. Процесс был многостадийным. Сначала из смол коксования угля получали бензол. А потом уже из бензола — этилбензол, который дегидрировали в стирол. Последний тщательно очищали и загружали в реактор с мешалкой. Здесь при температуре 80—90 °C и образовывалась масса полистирола.
Однако у метода были и недостатки. Во-первых, чтобы образовавшийся полистирол вытек из реактора, приходилось поднимать температуру примерно вдвое, а это дополнительный расход энергии. Во-вторых, скорость полимеризации в конце цикла падала настолько, что для получения последних 3—5% полистирола сырье в реакторе приходилось выдерживать часами. А оставлять в полистироле непрореагировавший мономер нельзя, так как он снижает качество полимерного продукта.
Поэтому в последующие годы процесс неоднократно модернизировали. Чтобы не выжидать долгое время, процесс полимеризации стали прерывать, образовавшуюся смесь стирола и полистирола разделяли. Полистирол шел на дальнейшую переработку, а стирол возвращался в реактор.
Далее, сам по себе полистирол — твердый, прозрачный, легко окрашиваемый материал, который отличается большой хрупкостью и малой температурной устойчивостью. Изделия из него бьются примерно так же, как стеклянные, а если вы, к примеру, нальете в чашку из полистирола кипяток, она непременно покоробится, станет непригодной для дальнейшего использования (температура размягчения полистирола 82—95 °C).
Тогда химики пошли на хитрость. Известно, что стирол вместе с бутадиеном является основой бутадиен-стирольного каучука — весьма эластичного и прочного материала. А что если мы и в полистирол добавим каучук? Попробовали — получился компаунд, ударопрочный пластический материал.
Прочность компаунда еще более повышается, если молекулы полистирола не просто перемешивать с каучуковыми, а присоединять к ним так, чтобы образовались единые молекулярные комплексы. Для этого расплав полистирола с каучуком, добавив к ним специальное вещество — инициатор, пропускают через вальцы.
В результате получается молочно-белый непрозрачный материал с высокой эластичностью. Его широко используют для изготовления канцелярских принадлежностей, игрушек и других поделок из пластмассы.
Еще один способ модификации полистирола — изготовление вспененных материалов. Для этого в полистирол вводят специальные добавки, которые при формовании разлагаются с выделением газов — получаются легкие объемные изделия. Такие блоки можно использовать, например, в качестве теплоизоляционного материала при постройке арктических домов.
125
ИСТОРИЯ ПОЛИЭТИЛЕНА
Полиэтилен появился немного позднее полистирола, но на сегодняшний день он заслуженно носит звание «пластика номер один». Из него делают множество самых разнообразных вещей, начиная от тонкой пленки, которой накрывают всходы в парниках и теплицах, и кончая изоляцией толстенных трансконтинентальных кабелей, проложенных по дну Атлантики.
Началась же его история так. В ЗО-е годы нашего столетия английский концерн «Ай-Си-Ай» проводил программу исследований некоторых реакций под высоким давлением. Ученые с основанием полагали, что давление может инициировать протекание таких реакций, которые в обычных условиях невозможны.
И вот при реакциях этилена с бензальдегидом на стенках реактора иногда стали замечать некий белый налет. Поначалу ему не придали особого значения. Когда однажды какому-то дотошному исследователю пришла мысль провести анализ этих белых хлопьев, оказалось, что вещество напоминает гуттаперчу — одну из разновидностей природного каучука. Оно столь же эластично, обладает такими же высокими диэлектрическими свойствами. А само по себе состоит из макромолекул, построенных из этиленовых мономерных звеньев и обладает высокой молекулярной массой.
-----сн2—сн2—сн2—сн2---------,
Хотя структура полиэтилена весьма проста, это вовсе не значит, что его так уж просто получить. Когда стали специально создавать технологию для его производства (в нашей стране независимо от англичан такая работа была проведена группой ученых во главе с А. И. Динцесом), то им пришлось немало помучиться.
Одна деталь: для того, чтобы мономер этилен превратился в полиэтилен, необходимо было давление порядка 150 МПа! Для первых исследовательских работ в качестве реакторов пришлось использовать ... стволы морских орудий! Менее прочные конструкции просто не выдерживали необходимых давлений.
Да и сейчас, если вы попадаете на завод, где подучают полиэтилен высокого давления, то увидите, что реактор отгорожен от прочего оборудования железобетонной стенкой. Так, знаете, на всякий случай ...
В 1953 году немецкий химик и инженер К. Циглер разработал технологию так называемой стереорегулярной полимеризации в присутствии смеси триэтилалюминия и тетрахлорида титана. Затем аналогичные каталитические комплексы исследовали другие химики. Наибольших успехов здесь достиг итальянец Дж. Натта.
В последующем катализаторы Циглера—Натта нашли широкое применение при полимеризации любых мономеров—пропена, бутенов, диеновых углеводородов С — С. В результате появились полипропилен, цис-полибутадиен и цис-полиизопрен (об этом см. в разделе «Соревнуясь с природой» в этой же главе), различные
126
сополимеры, а на их основе новый класс полимеров — стерео-регулярные.
Этот успех был по заслугам оценен: в 1963 г. К. Циглер и Дж. Натта стали лауреатами Нобелевской премии.
При новом способе производства для получения полиэтилена достаточно давления всего 0,1—0,5 МПа и температуры около 30 °C. Прямая выгода! И понятно, что во всем мире стали строить установки для каталитической полимеризации этилена.
Но полиэтилены низкого и высокого давления невзаимозаменяемы. Это два разных материала. Первый более жесткий — его лучше использовать для производства литых деталей, а вот второй более эластичен — из него лучше производить пленку.
Эти различные свойства обусловлены различиями в построении молекул. Полиэтилен высокого давления состоит из молекул с разветвленной структурой — им труднее кристаллизоваться и плотность такого полиэтилена поэтому ниже (0,920—0,925 г/см3; кстати, его часто называют полиэтиленом низкой плотности). Полиэтилен низкого давления (высокой плотности) имеет линейно вытянутые упорядоченные молекулы, поэтому его плотность может достигать 0,97 г/см3.
Как видим, все дело в механизме полимеризации. При термической полимеризации под высоким давлением соединение молекул этилена друг с другом происходит как бы стихийно, в любой комбинации и в любом положении относительно друг друга. Иначе обстоит дело при каталитическом процессе. Там образуется стереорегулярный полимер, макромолекулы которого пространственно упорядочены.
Разнятся оба полиэтилена и по цене. Кстати, по-вашему, какой должен стоить дороже?
— Конечно, высокого давления,— по всей вероятности, скажете вы.— Ведь для его производства необходимо высокопрочное оборудование, нужно принимать специальные меры безопасности. А все это стоит достаточно дорого ...
Все правильно. Однако учтите, что полимеризация под давлением— процесс очень быстрый, высокопроизводительный. Даже несмотря на то, что степень полимеризации за один проход всего 8—12% (а значит, ее приходится повторять многократно), реакция идет так быстро, что процесс в итоге получается все же производительнее каталитического! То есть дешевле ...
А для того чтобы получить полиэтилен по рецепту Циглера, сырье приходится сначала растворить в бензине—иначе реакция попросту не пойдет. Затем полученный полиэтилен нужно отделить от растворителя и катализатора, многократно промыть (сначала водой, а потом спиртом) и высушить. В итоге полиэтилен низкого давления несколько дороже.
ПОЛИМЕРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
Да, пусть вас не удивляет такое сочетание слов. На сегодняшний день установлено совершенно точно: среди органических веществ полупроводников намного больше, чем среди неорганиче-
127
ских. К примеру, электропроводимость полиацетилена химики и физики исследуют уже третье десятилетие, находя ему с каждым годом все новые применения.
Но лучше, наверное, рассказывать все по порядку.
Молекула полиацетилена — пример весьма простой полимерной структуры:
Это просто цепочка атомов углерода, образовавшаяся в результате полимеризации ацетилена Н—С=С—Н. Однако на этой схеме не отражено распределение электронов в молекуле. А именно от них зависят электропроводные свойства материала.
Двойные связи образуются здесь тт-электронами, орбиты которых расположены вне плоскости молекулы, над ней и под ней. Такие связи называются сопряженными, их нельзя считать принадлежащими только двум атомам. Орбиты тт-электронов соседних атомов перекрывают друг друга, образуя единое электронное облако полимерной молекулы.
Роль ветра, заставляющего это облако двигаться (а полимер проводить электрический ток), выполняет электрическое поле. Причем эти электронные облака по сравнению с облаками обыкновенными обладают достаточно упрямым характером — они движутся не по ветру, а под углом к нему — строго вдоль ионного остова полимера. Таким образом, проводимость полимера вдоль молекул значительно больше, чем поперек.
Еще одна интересная особенность — ширина запрещенной зоны, определяющая основные свойства полупроводника, в данном случае величина не постоянная, как у неорганических материалов, а переменная. Ею можно легко управлять. Например, можно получать различные производные полиацетилена, в которых водород замещается различными радикалами. Можно удлинять или укорачивать полимерные цепи. Можно по-разному укладывать полимерные молекулы в волокна и пленки, менять электрическое сопротивление в местах контакта между молекулами.
Словом, способов управления свойствами полимерного полупроводника предостаточно. А это, в свою очередь, определяет удобство его использования для самых различных целей.
В наши дни одним из самых распространенных способов размножения печатных текстов, рукописей, чертежей стала ксерография. Обычно в ксерографических аппаратах используется фотопроводимость неорганических полупроводников — чаще всего селена. А что если заменить его органическим полупроводником?
Насколько актуальна такая замена, станет очевидно, когда мы разберемся в самом процессе ксерографии. Здесь, как известно, используется такая схема работы: на слой полупроводника наносят электрический заряд. После этого на тот же слой проецирует
128
ся изображение. В результате проводимость освещенных участков возрастает, и заряд «стекает» на металлическую подложку. Изображение делают видимым при помощи черного порошка, которому сообщен заряд противоположного знака. Согласно законам электростатики он прилипает как раз к тем участкам полупроводникового слоя, где сохранился электрический заряд. Остается перенести изображение на бумагу и закрепить его (в ксерокс-процессе это делается нагреванием).
Многочисленные усовершенствования ксерографии до сих пор не затрагивали главного ее элемента — селенового полупроводникового слоя. А у него хватает недостатков. Во-первых, селен токсичен. Во-вторых, фотопроводимостью обладает только аморфный селен, а ему свойственно с течением времени кристаллизоваться. В-третьих, слой довольно быстро истирается, поскольку в каждом цикле копирования по нему обязательно проходят особые щетки, счищая остатки проявляющего вещества. В итоге продолжительность службы селеновых цилиндров — не более десятков тысяч копий.
Но картина становится иной, если в качестве полупроводника мы возьмем какое-либо из производных полиацетилена, скажем, поливинилкарбазол.
Облако сопряженных связей карбазольного ядра образно можно сравнить с тучей, которая, как известно, в природе является генератором молний. Однако до начала «грозы» полимер тока не проводит — между «тучами» нет связи. Роль молнии в данном случае играет квант света; он возбуждает электронное облако, то есть под действием электрического поля возбужденные электроны начинают перемещаться от одного карбазольного ядра к другому. Возникает электрический заряд. И дальше все идет примерно так же, как и в случае с селеновым полупроводником. С той лишь разницей, что полимер наносят на тонкую проводящую подложку и в копировальную машину заряжают сразу целый рулон такой полупроводниково-проводниковой пленки. По мере истирания рабочего слоя пленку постепенно перематывают с рулона на рулон. Таким образом число копий, которые можно сделать, не останавливая машину, возрастает в несколько раз.
Кроме того, полупроводниковые полимеры дают возможность делать и микрофильмы. Для этого на тонкую лавсановую основу наносят тончайший прозрачный слой никеля, а сверху — фоточувствительный слой из того же поливинилкарбазола. Изображение проецируют и закрепляют, как на обычной ксерокопии. Стереть изображение с пленки уже нельзя. Зато можно что-то добавить — для этого достаточно повторить еще раз все этапы ксерокопирования.
Используют сегодня полимеры на основе полиацетилена и его производных и в качестве заменителей графита. Нет, дело до полиацетиленовых карандашей пока не дошло. А вот полимерные щетки в моторе электробритвы или пылесоса намного долговечнее графитовых. Кроме того, они гораздо меньше искрят, не засоряют электродвигатель графитовой пылью.
9 — Цыркин
129
В будущем, как полагают многие химики, очередь может дойти и до изготовления полимерных проводов вместо нынешних алюминиевых и медных. Полимерные провода с сердечником из пластика-проводника и оболочкой из пластика-изолятора обещают быть намного легче и долговечнее металлических.
И в заключение — еще об одной нетрадиционной области применения полимеров. Недавно химики Пенсильванского университета в США объявили о создании солнечной электробатареи и аккумулятора к ней, созданных на основе полиацетилена. Для этого полиацетилен легировали, то есть заместили часть ионов водорода в полимерной цепочке другими ионами.
Изменение проводимости при легировании вообще-то прием известный. Но ни в одном классическом полупроводнике он не проявляется настолько ярко, что это видно даже на глаз. Здесь же при легировании черная пленка полиацетилена приобретает золотистый цвет с характерным металлическим отливом, а ее проводимость возрастает в 1012 раз!
Кроме того, легированный полиацетилен обладает чувствительностью к свету, что и дало возможность построить на его основе солнечную батарею. Устроена такая батарея крайне просто: два электрода, полиацетиленовый и платиновый, погружены в электролит— раствор сульфата натрия. Квант света генерирует в легированном полиацетилене электронно-дырочную пару; электрон переносится через электролит на платиновый электрод — в итоге по цепи начинает течь электрический ток.
Правда, пока новая батарея значительно уступает по своей эффективности обычным кремниевым. Но ведь это только начало...
В аккумуляторе, построенном на основе полиацетилена, использован принцип обратного легирования. Здесь полиацетиленовый катод и литиевый анод, а электролитом служит раствор LiC104. Зарядка аккумулятора по существу сводится к легированию полиацетилена анионами С1О4. Положительно же заряженные ионы лития отправляются при этом на анод. При разрядке все процессы повторяются в обратном порядке.
В настоящее время максимальное напряжение нового аккумулятора— около 4 вольт. Об остальных же характеристиках всерьез и говорить не приходится, поскольку сам аккумулятор помещается пока в обычной колбе, а размеры его электродов — около квадратного сантиметра. От колбы же до промышленной установки, как мы уже убедились, «дистанция огромного размера».
Но цифры расчетов таковы: емкость нового аккумулятора обещает быть не хуже, чем у ныне распространенных свинцовых, а вот удельная мощность значительно выше — до 680 Вт/кг. Таким образом, открывается еще одна возможность создания легких и мощных источников энергии для электрического транспорта. Химики делают еще один шаг от сжигания нефти и газа к их более рациональному использованию в качестве сырья для производства полимеров.
130
Глава IX
ПОГОВОРИМ ОБ ЭКЗОТИКЕ
Не надо думать, что наука движется вперед абсолютно целеустремленно и плавно. В любом деле по мере его развития обязательно есть спуски и подъемы, разветвления и тупики... Такое положение и с нефтехимией, с поисками новых путей получения горючего для машин. Ведь, что ни говорите, жечь нефть все-таки очень жаль.
О некоторых нетрадиционных путях использования нефти и газа, способах их экономии мы и хотим поговорить в этой главе.
МЕТАЛЛЫ ИЗ НЕФТИ
Помните, в самом начале книжки, там, где мы говорили о составе нефти, есть упоминание и о зольном остатке, то есть тех неорганических составляющих, которые обязательно есть в нефти?.. О том, что этот остаток состоит из смеси разных металлов, специалисты узнали довольно давно. Еще в конце прошлого века известные русские ученые А. Лидов, В. Марковни-ков и В. Оглоблин обнаружили в золе азербайджанской нефти железо, кальций, натрий, алюминий, медь, серебро. Однако долгое время к этому факту относились как к курьезу природы: вот-де намешала в нефть такое множество элементов, что даже не все удается использовать в дело...
Однако уже в 20-е годы нашего столетия такой взгляд на вещи стал меняться. Ученые начали задумываться над вопросом: «А нельзя ли использовать на благо человечества и металлические добавки... содержащиеся в нефти?...» Появились первые научные работы на эту тему.
Впрочем, большинство специалистов продолжало считать, что игра не стоит свеч. К чему разрабатывать и осуществлять сложные технологические процессы извлечения металлов из нефти, когда есть достаточно богатые рудные месторождения и веками отработанные способы получения металлов из них?
И лишь когда в печати последних лет все чаще стали появляться сообщения об истощении тех или иных рудных месторождений, вновь вспомнили о забытых уж было научных работах. Да и как не вспомнить, если подсчитано, например, что только США к 2000 году должны будут затратить на импорт ванадия 1,6 миллиарда долларов! Этой суммы, пожалуй, хватит, чтобы наладить извлечение этого металла из нефти. Ведь в каждой тонне нефти, добываемой, скажем, на полуострове Бузачи
9’
131
в Казахстане, ванадия содержится от 150 до 280 граммов. Это не так мало, если учесть масштабы добычи и потребления нефти в сегодняшнем мире.
Здесь необходимо оговориться, что наибольшим содержанием металлов отличаются так называемые тяжелые и сверхтяжелые нефти. Те самые, добыча которых сегодня ведется ограниченно из-за трудностей переработки.
Так что в будущем столетии, когда по всей вероятности очередь дойдет и до этих месторождений, из них может оказаться одинаково выгодным добывать, как органическое сырье для дальнейшей химической переработки, так и металлы.
Используют наши потомки, вполне возможно, и те шлаки, что сейчас горами лежат возле тепловых электростанций, работающих на мазуте. Как показывает элементный анализ, в этих шлаках содержится около 50 различных металлов, в том числе ванадий и никель.
Сама жизнь подсказывает необходимость комплексного использования замечательного дара природы — нефти, и научные разработки в данном направлении возобновились. В Институте ядерной физики АН Казахской ССР и Институте химии нефти Томского филиала СО АН СССР интенсивно изучают элементный состав нефтей и их фракций с помощью нейтронноактивационного анализа. Благодаря созданию установок экспрессного определения содержания в нефтепродуктах и сырье ванадия, серы и других неорганических примесей, появилась возможность четко определять, какие именно нефти стоит отправлять на извлечение металлов.
В мире есть уже и практический опыт непосредственного извлечения ванадия из нефти. Такие установки работают в Швеции, Венесуэле, Канаде... И на очереди осуществление еще более интересных проектов. Из нефти попутно будут добывать не только ванадий, никель, но и, вероятно, рений, скандий, бериллий, серебро, галлий, германий и другие металлы.
А ВСЕ НАЧАЛОСЬ С РОЖКА!
Есть и еще одна необычная технология получения металлов. Только она связана уже не с нефтью, а с газом. Тем самым, что когда-то использовался и для освещения городов.
Конструкция газового рожка-фонаря была предельно простой: коробка со стеклянными стенками, труба, по которой подавался газ, да сетчатый бронзовый колпачок, который перегораживал трубу в месте ее соединения с фонарем, чтобы пламя не распространилось по всей трубе.
Вот этот колпачок, совместно со светильным газом, и задал естествоиспытателям прошлого века загадку, которая долгое время не поддавалась разгадке. Дело в том, что сетка колпачка через несколько месяцев эксплуатации газового фонаря покрывалась красно-бурым налетом. Эта была обыкновенная ржавчина ЕегОз. Ее появление было бы, конечно, закономерно на стальных колпачках, но откуда ей взяться на поверхности бронзовой сетки?
132
Ответить на этот вопрос удалось в 1889 году английскому ученому Людвигу Монд у. Спектральным анализом он обнаружил в составе газовой смеси комплексные соединения оксида углерода с металлами — тетракарбонил никеля, а затем пентакарбонил железа. При нагревании в пламени эти соединения легко разлагаются на составляющие, оставляя блестящую пленку металла на стенках сосуда, в котором проводился опыт.
Газовые рожки вскоре были заменены более удобными в обращении электрическими фонарями, но история с карбонилами все же не была забыта окончательно.
К сегодняшнему дню синтезированы карбонилы не только никеля и железа, но и других металлов: вольфрама, хрома, молибдена, ванадия, рения и других. Все это весьма летучие соединения, температуры распада которых лежат гораздо ниже температур плавления соответствующих сплавов и металлов. Именно это и дало возможность использовать карбонилы металлов для получения металлических покрытий и изделий ...
Принцип получения металлического покрытия из газа совсем не сложен. Деталь помещают в камеру, подают туда пары карбонила и доводят температуру до точки разложения карбонила. В результате вся поверхность оказывается покрыта тонкой, но прочной пленкой никеля, хрома или молибдена, причем летучие пары проникают во все отверстия и закоулки, так что подобным образом можно металлизировать детали сколь угодно сложной формы, обеспечить им повышенную стойкость к коррозии и красивый внешний вид.
Кроме того, при помощи карбонилов можно металлизировать пластики и даже ткани. А это открывает возможность широкого производства электропроводящих материалов, из которых можно делать самонагревающуюся одежду для полярников и альпинистов, спальные мешки и одеяла с электроподогревом. Делают из такой ткани и специальные неэлектризующиеся костюмы, канаты, накидки, которые используются на танкерах и в помещениях повышенной пожароопасности.
Наконец, новый способ нашел себе применение для изготовления магнитной пленки, для ремонта литьевых форм и для создания микроэлектронных схем.
... Вот как много дел оказалось у летучих соединений, которые поначалу лишь засоряли газовые рожки.
БЕНЗИН С ГРЯДКИ
В годы Великой Отечественной войны довольно часто можно было увидеть такую картину. Автомобиль останавливался возле поленницы, и шофер начинал заправлять машину березовыми или осиновыми чурками. Конечно, топки в обычном понимании на автомашине не было. Просто рядом с кабиной устанавливалась высокая колонка химического реактора, и древесину перегоняли в газообразное или жидкое топливо.
Древесный спирт, он же метиловый или метанол СН3ОН, был впервые обнаружен в продуктах сухой перегонки древесины еще в
133
1661 году. Французский химик М. Бертло в 1857 году получил первый синтетический метанол омылением метилхлорида. В то время этим дело, собственно, и ограничилось. На практике метанол по-прежнему получали из подсмольных вод сухой перегонки древесины. Первый такой завод был построен в США в 1867 году, а к 1910 году таких заводов было уже около 120.
К слову сказать, предполагается, что к 1990 году производство метанола в традиционных странах-производителях достигнет 20 миллионов тонн в год.
Не удивительно, что в странах, где лесов мало, химики старались найти методы синтеза метанола из более доступного сырья, чем древесина. Так, в 1923 году в Германии был получен первый метанол на базе водяного газа (он же синтез-газ СО+Н2) с помощью заводской установки, дававшей до 20 тонн метанола в сутки. И уже год спустя немецкие промышленники начали экспорт синтетического метанола в США, где он продавался в три раза дешевле, чем полученный из древесины. В это время в Германии метанол даже называли иногда «органической водой» (organische Wasser).
В годы второй мировой войны метанол уже использовался в качестве моторного топлива для автомобилей (правда, в смеси с бензином). При почти вдвое меньшей, чем у бензина, теплоте сгорания, у метанола более высокое октановое число. Наличие кислорода в молекуле метанола обеспечивает более полное сгорание и уменьшение объема выхлопных газов. В них меньше оксида углерода, практически нет серы и, конечно, нет свинца.
Но зато при работе на метаноле требуется увеличение объема топливных баков. Больше теплоты нужно подводить во всасывающую систему для испарения топлива, а это значит, что существующие системы для работы на метаноле необходимо переделывать. Постоянная температура кипения метанола затрудняет запуск двигателя при низких температурах, требует применения специальных мер, например, впрыскивания в запускаемый двигатель высоколетучей жидкости (эфира). Метанол разрушает слой полуды в топливных баках, а образующийся при этом гидроксид свинца забивает топливные фильтры и жиклеры карбюраторов. Увеличивается также коррозия двигателя и элементов топливной системы, причем особенно страдают детали из магния, алюминия и их сплавов. Кроме того, в метаноле быстро набухают и теряют герметичность многочисленные прокладки и уплотнения...
Словом, современные автомобили пока еще плохо приспособлены для работы на метаноле. Но конструкторов это не пугает: при желании необходимые изменения в автомобильных конструкциях можно произвести достаточно быстро. Более того, в настоящее время конструкторы вместе с учеными обсуждают более широкие возможности применения «растительного горючего.
Десять тысяч литров топлива с гектара!» — подобные заголовки можно увидеть на страницах научно-популярных изданий. В статьях разных авторов с большей или меньшей обстоятельно
134
стью рассказывается, как можно переработать в моторное топливо спирт или масло, полученные из продуктов растительного происхождения.
Например, практичные японцы в качестве сырья для производства моторного топлива хотят использовать водоросли. Норвежцы считают перспективной для той же цели переработку хвойной древесины — той ее части, которая обычно идет в отходы: опилки, сучья, непосредственно саму хвою ... В Новой Зеландии получены первые тонны горючего из апельсиновых корок, а в Мексике проведены успешные опыты по переработке кактусов!
Словом, выясняется, что, в принципе, мотор можно питать практически любым органическим сырьем. В Бразилии, к примеру, даже самолеты летают «на растительном масле». Однако вся эта экзотика не от хорошей жизни. В той же Бразилии практически нет своих месторождений нефти, вот и приходится выкручиваться... В такой ситуации, конечно, уж мало берутся в расчет и низкая теплота сгорания такого топлива, и его высокая стоимость.
Надо — и синтетический бензин делают из угля. Надо — и автомобиль поедет на воде; придется лишь разложить ее на водород и кислород. Но сколько будет стоить такое разложение?..
Справедливости ради, впрочем, надо отметить, что воду пытались и пытаются добавлять в двигатель и без разложения, так сказать, в натуральном состоянии. Еще на заре автомобилизма было замечено, что в сырую погоду двигатели как будто работают лучше. Проведенные исследования показали: да, в моторное топливо можно добавлять до 10 процентов воды, и двигатель будет работать.
Только вот выйти из строя он может при этом намного раньше срока. Проводившийся не столь давно в Подмосковье эксперимент по заправке автобусов водно-топливной эмульсией пришлось срочно прервать. Поршневые кольца двигателей покрылись толстым слоем нагара уже через десять тысяч километров пробега.
Словом, затолкать в двигатель можно что угодно, даже нафталин — подобные опыты проводились еще в 20-е годы. Весь вопрос, насколько это выгодно и рационально? Поэтому поиски оптимальных способов получения нетрадиционного горючего для двигателей внутреннего сгорания продолжаются.
Некоторые виды растений-каучуконосов имеют сок, который весьма насыщен «нефтеподобными» молекулами.
— А, понятно,— скажете вы.— Про гевейю мы уже слышали...
Вы не угадали. «Нефтяное» растение, о котором идет речь в данном случае, большинство из вас видело своими глазами. Это обыкновенный молочай! Да, молочай циновидный или масличный молочай, как величают это растение ботаники, вполне может служить источником сырья для нефтеперерабатывающего завода. До 10% его сухой массы составляют нефтеподобные углеводороды, а это значит, что при благоприятных условиях с гектара можно собирать в год до 4 тонн бионефти!
Правда, элементарный расчет показывает, что каждому нефтезаводу в таком случае в качестве подшефного хозяйства надо
135
отводить по 15—20 квадратных километров сельскохозяйственных угодий! Это, конечно, совершенно нереально. Но ведь молочай — не единственный источник сырья для нефтепереработчиков. Например, поставщиками биосырья могут быть не поля, а водоемы. Недавно при изучении причин, вызывающих цветение воды в канадском озере Саскачеван, было обнаружено, что эта микрофлора вполне способна вырабатывать нефтеподобные углеводороды.
Правда, цепочка превращений, приводящая к образованию «бактериальной нефти», довольно сложна, в ней участвуют несколько видов бактерий, образующие своеобразное промышленное содружество. Но расчеты показывают, что такой «кооператив» способен дать с гектара поверхности водоема в два-три раза больше «бионефти», чем молочай с гектара пашни. И главное, не надо занимать землю под выращивание промышленных растений.
ГАЗ С ПРИСТАВОКЙ «БИО»
Жители Москвы, Ленинграда и других крупных городов страны уже стали привыкать к грузовикам с красными газовыми баллонами вместо бензобаков. Появились и первые «Волги»-такси, работающие на газе. И как показывает накопленный опыт, природный газ вполне может составить конкуренцию традиционному бензину и дизельному топливу. У газа выше октановое число, он меньше загрязняет воздух токсичными газами при сжигании в цилиндрах мотора, не портит смазочного масла ...
Все это, кстати, было известно довольно давно. На парижской выставке 1878 года Н. Отто и Э. Ланген продемонстрировали газовый автомобиль в действии. Он, правда, оглушал окружающих отчаянным треском, зато потреблял относительно немного топлива.
Так что в данном случае новое — это хорошо забытое старое. И стоит ли удивляться, что к настоящему времени только в нашей стране полмиллиона автомобилей работает на природном газе? Скорее стоит удивляться другому — почему их до сих пор так мало?..
Так размещали газюльдеры иа некоторых автомобилях 30—40-х годов
136
В качестве горючего можно использовать и «биогаз». Источником для его получения служат отходы, в большом количестве — до 500 миллионов тонн в год! — образующиеся на животноводческих фермах, птицефабриках, а то и просто на полях страны.
Производство биогаза весьма несложно. В специальный бак — метантенк загружают органические отходы, добавляют немного воды и специальную анаэробную закваску. Теперь нужно лишь поддерживать в метантенке плюсовую температуру. Все остальное бактерии сделают сами: проведут необходимый процесс ферментации, переработают отходы в биогаз и шлам. Биогаз, как показывает анализ, на 50—70% состоит из обычного метана, а шлам представляет собой прекрасное органическое удобрение.
Сама по себе такая неприхотливая технология, конечно, не представляет собой ничего принципиально нового. Некоторые ученые считают, что примерно такие же процессы превращения органических веществ в метан идут и в недрах Земли.
По подсчетам экономистов, в ближайшие 20—25 лет в Советском Союзе, по уже отработанным технологиям можно производить ежегодно 15—18 миллиардов кубических метров полезного газа. Потенциальные же возможности еще выше. Ведь в СССР сейчас приходится около двух тонн органических отходов на одного человека в год, что соответствует возможности получения 1000 кубических метров биогаза. Для справки добавим, что в настоящее время ежегодно городской житель нашей страны тратит на приготовление пищи 100 кубических метров бытового газа, что эквивалентно 150 кубическим метрам биогаза. Таким образом практически все население страны может быть обеспечено газом!
И это еще не все. Сам процесс получения биогаза, по мнению специалистов, таит в себе немало резервов. В частности, можно ускорить процесс брожения. Например, если часть сброженной в метантенке биомассы вывести из него и смешать с вновь поступающим по трубам сырьем, разложение органических веществ начнется еще до того, как они попадут в метантенк. Это дает возможность сократить основной цикл с пяти суток до одних. А если микробиологи выведут высокоактивные виды микроорганизмов, то весь цикл реакций можно будет, вероятно, довести до нескольких часов.
Биогаз можно получать не только из отходов, но и со специально предназначенных для этого плантаций. А чтобы не занимать полезные площади на суше, такие плантации логично расположить в море.
Ученые полагают: для промышленных плантаций такой энергетической биомассы подходят лиманы Черного моря, Каспийское и Аральское моря и другие водоемы нашей страны. При урожае растений 20 граммов на квадратный метр водной поверхности в сутки, за летний вегетационный период с одного гектара можно собирать до 24 тонн биомассы. Ее переработка в метантенках даст 12 тысяч кубических метров газа. Такие исследования активно ведутся по программе «Биосоляр».
137
Представьте себе узкий бассейн, над которым ослепительно сияют огромные лампы. На поверхности воды плавают притоплен-ные корытца из пластика. В них вода заметно темнее и словно бы гуще, чем вокруг. Во всяком случае, такое складывается впечатление, хотя со слов сопровождающего нас руководителя лаборатории, вода самая обыкновенная — из водопровода, только с добавками питательных солей.
Но вот он наклонился и держась за поручень, зачерпнул пробиркой из корытца. На глаз зеленоватое содержимое пробирки казалось совершенно однородным. Лишь под микроскопом удалось разглядеть, что вода кишит крошечными организмами.
Эти одноклеточные водоросли и есть основной «механизм» установки. Именно они потребляют питательные вещества, содержащиеся в субстрате, и под ярким светом быстро размножаются. Время от времени «бульон» из корытец разреживают, откачивая излишек в уже знакомый нам метантенк. Здесь идут реакции брожения и вот, пожалуйста, из металлического баллона начинает выходить биогаз.
В лаборатории подсчитали: если выстелить подобными корытцами или, как их здесь называют, фотосинтетическими блоками, поверхность Аральского моря, то можно обеспечить всю нашу страну топливом, которое даст тепло и электроэнергию для всех нужд. Фантастика?.. Пока — да. Но фантастика, основанная на точном расчете. Исследователи показывают карту земного шара, где отмечены наиболее выгодные места для создания подобных плантаций. По оценкам, с них можно собирать урожаи более 300 миллиардов тонн условного топлива в год. Это примерно в 15 раз больше, чем понадобится человечеству в 2000 году!
И наконец, бактерии можно использовать и для повышения эффективности обычных нефтепромыслов. Мы уже знаем, что при нынешних методах добычи значительная часть нефти так и остается в земных недрах. А вот если запустить в отработавшую свое скважину работников-невидимок, то они очень быстро переведут оставшуюся нефть в биогаз, и старые месторождения обретут новую жизнь. В Институте микробиологии АН СССР и в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов уже прошли проверку технологии газификации остаточной нефти с помощью метанообразующих бактерий. Полученный таким образом «бактериальный» метан практически не отличается от природного.
Все знают, какой ущерб наносит природе неразумное использование достижений научно-технического прогресса. Классический пример — нерегулируемое развитие биомассы в водоемах за счет стока в них солей, содержащихся в фосфорных, азотных и калийных удобрениях. Но современная наука в силах этот недостаток устранить за счет биотехнологических методов, позволяющих упорядочить и регулировать в нужную сторону рост биомассы и использовать ее для промышленных целей.
138
ТОПЛИВО ИЗ ВОЗДУХА
И наконец, если методов экономии и замены нефтепродуктов, о которых мы только что говорили, вдруг все-таки не хватит для нужд будущего человечества, у него останется еще один проверенный рецепт. Нефть, оказывается, можно добывать прямо из ... воздуха!
Надо сказать, что история этого рецепта тоже достаточно давняя. Еще в 1908 году русский химик Е. И. Орлов обратил внимание на возможность синтеза нефтяных углеводородов из оксида углерода и водорода. Эта смесь называется еще водяным газом (или синтез-газом) и в достаточных количествах содержится в атмосфере.
Спустя несколько лет после первой мировой войны этот способ был опробован на практике. Помните, мы говорили, что кайзеровская Германия оказалась отрезанной от природных источников нефти. И вот немецкие ученые Фишер и Тропш в 1922 году отработали технологию получения синтетических жидких углеводородов на практике. Правда, водяной газ они решили получать не из воздуха, так как это оказалось технически слишком сложно, а из бурого угля. Синтез углеводородов осуществлялся при контакте этого газа с железоцинковыми катализаторами при высокой температуре. В 1936 году были введены в действие первые промышленные установки.
Всего было запущено 14 установок общей мощностью около миллиона тонн в год. Они успешно проработали до конца второй мировой войны. Когда послевоенная Германия получила доступ к дешевой природной нефти, постепенно все европейские и азиатские установки по производству синтетического топлива были остановлены или переведены на выпуск другой продукции. Зато в ЮАР, которая подверглась нефтяному эмбарго со стороны мирового сообщества и где к тому же добыча угля обходится чрезвычайно дешево, в середине 80-х годов производилось около 4 миллионов тонн жидких углеводородов ежегодно.
И все же уже с 1983 года это производство не расширяется по финансовым соображениям. Даже этой стране, разбогатевшей на драгоценных металлах, алмазах и безудержной эксплуатации коренного населения, такое топливо не по карману. Но, возможно, появились лазейки в эмбарго, и нефтепродукты так или иначе в ЮАР поступают.
В наши дни идея получения топлива из воздуха, а точнее из содержащегося в нем диоксида углерода, приобретает особую остроту. Огромное количество сжигаемого на планете топлива грозит образованием так называемого «парникового эффекта». Из-за повышенного содержания СО? часть солнечных лучей, которой полагалось бы отразиться от поверхности планеты и уйти назад в космическое пространство, теперь задерживается в атмосфере. А это в конце концов способно привести к всеобщему потеплению климата на Земле.
На первый взгляд, ничего страшного. Ну станет теплее на градус-другой. Что плохого? Но такое потепление, как показыва-
139
ют расчеты, может привести к таянию льдов на полярных шапках планеты, а это, в свою очередь, оборачивается повышением уровня Мирового океана на 10—13 метров! Представляете, какая часть суши при этом может быть залита?..
Вот ученые и предлагают способ, как зло обратить в благо. Прежде всего из атмосферного воздуха нужно выделить излишний диоксид углерода.
Уже сегодняшняя технология предлагает для этого несколько способов. Составляющие воздуха можно разделять при помощи пористых мембран, вымораживать или соединять в определенных условиях с газообразным аммиаком. Аммиак, реагируя с диоксидом углерода, образует карбонат аммония. Этот белый кристаллический порошок легко отделяется от газообразных компонентов
чисто механическим путем — в аппаратах типа циклонов или центробежных сепараторов. Воздух, уже не содержащий СО2, возвращается в атмосферу. Вслед за этим и карбонат аммония
легко разлагается при нагревании на диоксид углерода и аммиак. Аммиак снова идет в дело, используется для улавливания новых порций СО2. (Эта стадия процесса на схеме не показана.)
Полученный диоксид углерода разлагают на оксид углерода (угарный газ) СО и кислород. Эта реакция требует больших затрат энергии. Поэтому, по всей вероятности, ее будет выгодно
производить лишь при наличии
Воздух
Выделение
СО2 *
Т
со2
В атмос-
О2 ^реру
Конверсия
СО2вСОи О 2
СО+О2
дешевых энергетических источников. Такими источниками могут стать атомные реакторы или термоядерные установки. Здесь при температуре около 5000 °C в присутствии катализаторов и будет получен оксид углерода. Освободившийся кислород опять-таки будет отправлен в атмосферу, а оксид углерода будет соединен с водородом. Полученные углеводороды в дальнейшем могут быть использованы в химическом производстве примерно так же, как сегодня используются производные нефти.
углеводородов
CnHjn + 2
\CnH2ny/
Синтез топливных продуктов и химических веществ
Схема получения «небесного» топлива
140
Глава X
О ЧЕМ НЕ НАДО ЗАБЫВАТЬ
— В хорошее время мы живем,— сказал оптимист.— Люди научились рационально использовать многие силы природы, познали и поставили себе на службу ее законы, научились добывать и использовать полезные ископаемые...
— Ну и что тут хорошего? — возразил пессимист.— Промыслы и карьеры, заводы и комбинаты так изуродовали природу, что она уже превратилась в окружающую среду. Во многих реках, даже в морях не искупайся — измажешься, а то и заболеешь. А в городах уж и глотка чистого воздуха не сделаешь — всюду лишь дымный смог...
Кто прав? Оба... Так давайте попробуем разобраться, всегда ли развитие промышленности должно сопровождаться загрязнением окружающей среды?
ЗЕМЛЯ ОСЕДАЕТ
Поначалу люди мало задумывались над тем, какую опасность таит в себе интенсивная добыча из-под земли нефти и газа. Старались лишь выкачать побольше...
Но ближе к середине нашего века из разных районов планеты стали поступать настораживающие вести. Например, в 1939 году жители Лос-Анджелеса и Лонг-Бича — городов, расположенных в зоне интенсивной нефтедобычи на месторождении Уилмингстон (штат Калифорния) — почувствовали ощутимые сотрясения грунта. Оказалось, что началось проседание почвы над пустотами, образовавшимися в недрах в результате выкачивания из-под земли нефти и газа.
К 60-м годам в районе наиболее интенсивных промыслов почва осела почти на 8 метров! Перемещение грунта привело к разрушению дорог, трубопроводов, городских строений, мостов и самих нефтяных скважин. На восстановительные работы было потрачено около 150 миллионов долларов, но это не помогло. Оседание продолжалось и достигло 80 сантиметров в год. Почва в буквальном смысле уходила из-под ног жителей Калифорнии. Возникла даже угроза затопления некоторых районов. Нужно было срочно что-то предпринимать.
Прежде всего власти Лонг-Бича запретили дальнейшую разработку месторождений до окончательного решения проблемы. Потом стали обсуждать различные варианты борьбы с проседанием. Наиболее эффективным был признан способ «лечить подобное
141
подобным»: под землю взамен выкачанной нефти решили закачать такое же количество воды. Заодно, как мы уже знаем, это сулило повысить эффективность нефтепромыслов.
Действительно, уже первые эксперименты показали: оседание уменьшается. И когда интенсивность закачивания в пласт достигла 120 тысяч кубических метров воды в сутки, проседание практически прекратилось. Более того, в некоторых местах удалось даже добиться некоторого подъема суши.
Подобные случаи были и на территории нашей страны — в районах Грозного и на старых месторождениях Азербайджана. И здесь эффективным лекарством оказалась все та же вода.
Теперь повсюду взято за правило: не хочешь, чтобы нарушились веками сложившиеся геологические условия района, закачивай в пласт вместо нефти такое же количество воды.
К сожалению, пока нет столь же эффективного средства для защиты окружающей среды при разработке битумозных песков. Впрочем, если уж быть точным, то нефтяной концерн США «Сан Ойл», который вот уже несколько десятилетий ведет разработки таких песков в канадской провинции Альберта, не очень-то обеспокоен производимым загрязнением.
А потери природа понесла тут немалые. На месте разработок остаются лишь безжизненные песчаные дюны, на которых вряд ли что-нибудь когда-нибудь вырастет. Жуткими ядовитыми пятнами на канадской земле остаются мертвые озера, наполненные отходами очистных заводов — кислотой, на поверхности которой плавает маслянистая пленка. На дно таких озер оседают частицы тяжелых металлов. Печальными памятниками деятельности «Сан Ойл» и ей подобных корпораций становятся и гигантские отвалы серы — одного из побочных продуктов производства. Продать ее на месте не удается, а вывозить компании считают невыгодным.
Далеко по округе разносится также грохот взрывов, разлетается пыль, ползет смог. Диоксид серы, выносимый через трубы очистных заводов, оборачивается через некоторое время кислотными дождями. Эти агрессивные дожди долетают даже до Европы.
Можно ли хоть как-то исправить положение? Конечно, можно. Было бы желание. Самый простой и радикальный выход — попросту закрыть разработки. Но даже если и продолжать эксплуатацию месторождения, то надо было бы принять ряд природоохранительных мер. Открытые разработки заменить закрытыми; добывать тяжелую нефть при помощи шахт, как это делается в Советском Союзе. Конечно, такая добыча обходится дороже, зато на поверхности легче жить. Надо, конечно, оснастить дымовые трубы фильтрами — при разумном подходе эта мера даже повышает эффективность производства.
Наконец, во всяком деле очень важен комплексный подход. Если бы корпорации пустили в дело не только нефть, но и серу — вред для окружающей среды в значительной мере уменьшился бы.
Однако компании об охране природы и слышать не хотят. Их прежде всего устраивает то, что месторождения битумозных 142
песков находятся не на строптивом Арабском Востоке, а под боком, на территории северного соседа. А на правительство Канады администрация Вашингтона издавна привыкла действовать при помощи грубого нажима.
И так, верно, будет продолжаться до тех пор, пока и здесь не закачается земля — в прямом и переносном смысле — под ногами грабителей природы. Коммунистическая партия Канады уже назвала передачу месторождений Альберты в полное распоряжение американских монополий позорным эпизодом в истории страны.
Человечество уже накопило немалый опыт в восстановлении, рекультивации заброшенных было земель. Например, в нашей стране черные дымящиеся терриконы издавна считались непременной принадлежностью донбасского пейзажа. А вот теперь этот самый пейзаж в значительной мере изменился. Часть терриконов вообще исчезла с лица земли. Порода снова была отправлена туда, откуда в свое время была взята — в разработки старых шахт. Этим же грунтом засыпали некоторые карьеры.
Там же, где сделать этого не удалось, проблему решили по-иному. Терриконы покрыли слоем плодородной почвы, на них разбили террасы, высадили деревья и кустарники — и вот уже шахтерские поселки окружены безобидными зелеными холмами, заметно украсившими — теперь об этом можно говорить без всякой иронии — равнинный пейзаж Донбасса.
Аналогичные работы ведутся во многих районах страны и нефтяниками. Арендуя в целях нефтеразведки у окрестных колхозов землю под установку разведочных вышек, буровики обязуются вернуть ее через некоторое время колхозу в таком же или даже в улучшенном состоянии. И это не фантастика — нефтяникам вполне по силам повысить плодородие земли.
Ведь некоторые побочные продукты нефтехимии и производства пластмасс: пенополистирол, полиэлектролиты, битумные эмульсии — способны дать весомую прибавку урожаю. Каким образом? Ну вот, например, битумные эмульсии, будучи распыленными по поверхности почвы, создают черную пленку, которая весьма эффективно поглощает солнечные лучи. Температура почвы под такой пленкой заметно повышается. Одновременно уменьшается испарение влаги из почвы — пленка препятствует этому. А значит, не происходит и вымывания питательных веществ. В итоге удается вырастить больший урожай, чем обычно.
РАДУЖНЫЙ КОШМАР
Ежегодно в Мировой океан сбрасывается около 10 миллионов тонн нефти. Фотосъемка со спутников, непосредственные наблюдения в морях и океанах дают основания полагать, что примерно треть поверхности воды уже покрыта тончайшей радужной пленкой.
Такое положение чревато многими неприятностями, причем глобального масштаба.
143
Тончайшая пленка нефти на поверхности воды уменьшает испарение с этого участка на 60%. В результате усиливается нагрев водной поверхности. Массы воздуха, соприкасающиеся с нагретыми водными массивами, также сильнее нагреваются и одновременно мало насыщаются водными парами — пленка препятствует и этому. Поэтому, проходя над континентами, такие воздушные массы дадут меньше осадков. Перепад температур также способствует возникновению более частых циклонов.
Немало бед наносит нефть и самому морю. Литр разлитых нефтепродуктов лишает кислорода, столь необходимого рыбам и другим обитателям океана, примерно 40 тысяч литров воды. Или, считая по-другому, тонна нефти может загрязнить около 12 квадратных километров поверхности океана, погубить в нем все живое. Ведь планктон, молодь рыбы и многие взрослые обитатели океана большую часть жизни проводят именно в приповерхностных слоях воды, где встреча с нефтью особенно вероятна.
Влияние нефти же приводит к тому, что из икринок проклевываются мальки-уроды, планктон гибнет и населению океана приходится весьма туго от бескормицы. Нефть же, конечно, им не по вкусу — попадая в жабры, молекулы нефтепродуктов серьезно нарушают работу этого важнейшего органа.
Достается от нефтяных загрязнений даже тем обитателям моря, которые постоянно проживают в глубине. Известный исследователь Жак-Ив Кусто в книге «Жизнь и смерть кораллового рифа» встревоженно указывает на то, что нефть оказывает вредное влияние даже на коралловые полипы. Они, оказывается, могут жить лишь в чистой, прозрачной воде. А вместе с
Карта-схема основных транспортировок нефти морским путем. Толщина стрелки условно соответствует объему перевозок, пприховкой показаны перевозки 1967—1976 годов, когда был закрыт Суэцкий канал
144
кораллами гибнут и те обитатели моря, которые привыкли жить и кормиться в районе рифов.
Нефть досаждает и океанским млекопитающим: китам, дельфинам, тюленям и птице. Если тюлень выныривает в районе нефтяного пятна, его запачканный мех перестает быть надежным теплоизолятором. То же самое происходит и с птичьим оперением. Проникая в глубь перьевого покрова, нефть нарушает его структуру и теплоизолирующие свойства. Кроме того, чистя перья клювом, птицы довольно часто заглатывают капли нефти и отравляются. От нефтяного отравления погибают даже киты. Кроме того, как полагают некоторые исследователи, массовые «самоубийства» китов, когда все стадо по непонятной причине выбрасывается на берег, тоже может быть связано с губительным воздействием нефти на живой организм. (Впрочем, это удивительное явление наблюдалось и в прошлом веке.)
Обследования, проведенные Гидрометеослужбой СССР, показывают, что количество нефти у берегов Европы, как правило, превышает установленные в СССР предельно допустимые концентрации. Особенно страдают от нефти Северное, Ирландское, Тирренское моря и Бискайский залив. Велико и загрязнение Атлантики — массовые количества выносятся на его просторы из Мексиканского залива. Некоторые пятна замечены даже в самых отдаленных районах Тихого и Индийского океанов.
Причин нефтяного загрязнения морей много. Очень часто нефть попадает в воду при разведке и добыче с плавучих или стационарных буровых, работающих на прибрежном шельфе.
Еще одна причина — аварии и катастрофы, случающиеся с морскими танкерами. Еще 30—40 лет назад для танкеров было характерно водоизмещение 5—10 тысяч тонн. Ныне же моря и океаны Земли все чаще бороздят исполины, имеющие полумиллионное водоизмещение. И каждая авария такого супертанкера, независимо от того, был ли ее причиной шторм или небрежность судоводителей, приводит к загрязнению миллионов и миллионов гектаров морских просторов, многих десятков и даже сотен километров побережья.
Зачастую загрязнение происходит просто по алчности судовладельцев. С 1969 года, например, действует международное соглашение, запрещающее сбрасывать в море воду, которой промывали танки или заполняли балластные цистерны. Однако, несмотря на запреты, многие судовладельцы предпочитают сливать эту воду в море. Им оказывается выгоднее платить штрафы, чем тратить время на сдачу балластной воды станциям очистки.
Еще один источник загрязнения морских вод — реки. Некоторые превратились в настоящие сточные канавы. Вода в них грязна настолько, что даже случайно окунуться в нее нельзя — это грозит весьма серьезными заболеваниями. Немалую лепту в загрязнение этих рек вносят химические и нефтеперерабатывающие заводы.
Но индустриализацию жизни не остановишь. Так что же, нам смириться, что в скором будущем и Мировой океан превратится во всемирную помойку? Конечно, нет. Уже сейчас проводятся в
10 — Цыркин
145
жизнь многочисленные мероприятия, направленные на сохранение чистоты океанов, морей и прочих водоемов.
Прежде всего это меры технические. Совершенствование способов и технологии нефтедобычи, уменьшение количества аварий на морских платформах приводит к существенному улучшению чистоты бассейна. Сюда же можно отнести меры, направленные на увеличение безопасности судоходства. Сегодня танкеры пересекают моря и океаны под чутким руководством навигационных спутников, дающих капитанам координаты их судов с точностью до метров!
Найдены и достаточно эффективные способы уберечь морскую поверхность от нефтяных пятен. Вот, к примеру, не так давно разработан эмульсионный способ очистки нефтеналивных судов по замкнутому циклу. Суть его заключается в следующем.
Пустые емкости танкера промывают горячей струей раствора моющего препарата под давлением. В результате ударного, теплового и физико-химического воздействия такой струи нефтяные остатки дробятся на отдельные капли и стенки танков отмываются. Образующаяся подвижная эмульсия, капли которой изолированы друг от друга оболочкой эмульгатора, легко откачивается из танков в бак со специальным раствором. Там она расслаивается на нефтепродукты, которые всплывают кверху, и моющий раствор, который накапливается в нижней части резервуара. После этого нефтепродукты откачиваются в другой резервуар, а моющий раствор перегоняется насосом для мойки последующих отсеков танкера.
Схема очистки танков нефтеналивных судов эмульсионным методом по замкнутому циклу:
1 — танк с раствором моющего препарата и отмытой нефтью из танков, 2—насос подачи моющего раствора, 3— подогреватель; 4 — трубопровод для раствора, 5—моечная машина, 6—очищаемый танк, 7—насос для откачки эмульсии из очищаемого танка, 8—трубопровод, 9—трубы с подогретым паром
146
Таким образом, получается двойная выгода. С одной стороны, с малым расходом моющего вещества танки отмываются столь чисто, что в них затем можно перевозить даже пищевые продукты. А с другой стороны, и собранные остатки нефти не так уж малы: как показали расчеты, с каждого танкера дополнительно «добывают» от 100 до 300 тонн. Такого количества хватает не только на то, чтобы хорошенько отмыть горячей струей данный танкер, но и на многие другие нужды.
В тех случаях, когда нефтяная пленка оказывается разлитой по поверхности моря, используют иные способы очистки. Например, нефть может быть собрана специальным материалом типа губки. Использованные губки служат топливом. Это тем более удобно, что изготовлять их можно, например, из прокаленного торфа. Как показали испытания, таким образом можно поддерживать акваторию в удовлетворительном санитарном состоянии.
Кроме того, созданы специальные вещества — диспергенты, собиратели нефти. Они используются для борьбы с нефтяными пятнами в открытом море. Водные растворы этих препаратов разбрызгиваются с вертолета или со специально приспособленных судов в нужном районе. Происходит химическая реакция, в результате которой нефтепродукты переводятся в твердое состояние и появляется возможность их собрать.
Специально для борьбы с нефтяными загрязнениями в Советском Союзе созданы первые «морские дворники» — суда-нефтесборщики. Один из них «Светломор» — корабль, специально предназначенный для борьбы с аварийными разливами нефти в открытом море.
Оборудованная на нем система насосов по мере движения судна закачивает в его трюмы поверхностный слой воды вместе с нефтяной пленкой. В трюме смесь проходит через систему фильтров и за борт выливается уже чистая вода.
За год эксплуатации «Светломор» приносит около 300 тысяч рублей дохода от сбора нефти. Выгода же от сохранения чистой воды пока не подсчитана, так как до сих пор мы еще не привыкли засчитывать себе в доход те убытки, которые не состоялись. Но они, смеем вас уверить, совсем не маленькие!
И все же, как бы хорошо ни работали чистильщики морей и других водоемов — все это полумеры. По-настоящему чисто не там, где более или менее тщательно убирают, а там, где совсем не сорят. Но может ли не «сорить», то есть не загрязнять окружающую среду тот же танкер, а тем более — огромное нефтеперерабатывающее предприятие? Давайте разберемся.
Недавно внимание мировой общественности привлек советский супертанкер «Крым». Это первый танкер в мире, полностью отвечающий стандартам, установленным Международной конвенцией 1973 года по борьбе с загрязнением моря. Двойное дно и борта танкера надежно предохраняют морские воды от загрязнения даже если судно получит пробоину или сядет на мель. Системы заполнения танков инертными газами гарантируют от взрывов в балластных отсеках — а это тоже благоприятно сказывается на безопасности плавания.
ю*
147
Разрабатываются и перспективные проекты подводных танкеров, которым будут вообще не страшны штормы. Ведь волны бушуют только по поверхности, а на глубине постоянно царствуют тишь и спокойствие. Такие танкеры могут безбоязненно перевозить нефть и сжиженный газ даже в арктических морях, не боясь наткнуться на торосы или айсберги.
Есть хорошие новости и на суше. Не так давно, к примеру, было закончено строительство Первомайского химического комбината— первого в нашей стране предприятия, работающего по бессточной технологии. Правда, на первых порах не обошлось без споров и сомнений.
Место для комбината было выбрано удачное. Рядом Шебелин-ское газовое месторождение, дающее самый дешевый в стране природный газ. Неподалеку и практически неисчерпаемые запасы каменной соли — тоже неплохого сырья для химической промышленности. Только вот как быть с водой?
Единственная крупная река, которая протекает поблизости,— Северный Донец. Но она уже и так питает большой промышленный район. Предприятию такого масштаба, как строящийся комбинат, вместе с городком химиков и другими потребителями воды, необходимо около 175 тысяч кубических метров свежей воды в сутки. «Посадить» на Донец такого потребителя — значило бы загубить реку.
Но это еще не все. Взяв из Донца 175 тысяч кубических метров воды, комбинат в тот же день вернул бы ему 140 тысяч. Но в каком виде?!.. Если оставить стоки без очистки, река очень скоро превратилась бы в зловонную канаву.
Брать воду из Донца, а сбрасывать стоки в Днепр? Тоже не годится. Днепр хоть и полноводен, но тоже не справится.
В конце концов был принят вариант с комплексной очисткой стоков и повторным использованием воды в производстве. Таким образом удалось убить сразу двух зайцев — решить и проблему водоснабжения, и проблему стоков.
Но это ведь легко сказать: создать бессточное, полностью замкнутое производство. Но как сделать из грязной воды вновь чистую?
Во-первых, и это оказалось основным, проектировщики пришли к выводу, что нельзя смешивать между собой стоки разных производств. К таким «коктейлям», порой неопределенного состава, очень трудно бывает подобрать технологию очистки. Поэтому на комбинате не одна, а сразу пять систем канализации. Слабоминерализованные стоки подвергают механической и химической чистке и сбрасывают в буферный пруд. Туда же поступают после раздельной, опять-таки механической и химической, а потом и биологической очистки сточные воды, загрязненные органическими веществами, бытовые стоки города и самого комбината.
В пруду все стоки перемешиваются (теперь, после предварительной очистки, уже можно) отстаиваются и фильтруются. Затем из них с помощью адсорбентов извлекают остатки загрязнений— органические, поверхностно-активные и хлорорганические вещества. И наконец, последняя ступень — умягчение воды при
148
помощи ионообменных фильтров. После этого ее можно использовать вновь.
Превратившись в бессточный, комбинат стал и безотходным. Ведь что такое грязь? Химические соединения в неподходящем для них месте. А здесь при малейшей возможности бывшие отходы пускают в дело. Например, осадки суспензии поливинилхлорида вместе с отходами линолеума служат теперь сырьем для изготовления облицовочных плиток. Около 5000 тонн таких плиток выпускает комбинат ежегодно, и все они находят покупателей.
В конце концов, после всех очисток и повторного использования, на комбинате остается лишь ничтожная доля отходов — высококонцентрированные рассолы и особо токсичные вещества. Рассолы выпаривают, а затем вместе с токсичными веществами отправляют в специальные хранилища. В будущем люди наверняка найдут способы и их использования.
...Вот ведь, оказывается, как можно хозяйствовать: не только не нанося вреда природе, но и с большой пользой для себя. Экономисты подсчитали: около 20 миллионов рублей прибыли в год приносит внедрение бессточного производства. Пусть такими станут все химические комбинаты страны и мира!
ГОРИТ ФАКЕЛ
Вот уже несколько лет горит факел на мысе Харасавэй, где нефтеразведчики проткнули скважиной газовый пласт с чрезвычайно высоким давлением. Джина выпустили на поверхность и теперь не знают толком, как с ним справиться. Часть газа приводит в действие газотурбинную станцию, которая обогревает и освещает поселок буровиков, но большую часть газа все же приходится сжигать.
И сколько таких факелов день и ночь горят еще над нефтепромыслами и нефтеперерабатывающими заводами?.. А ведь это не только впустую израсходованное ценнейшее сырье, но и дополнительное загрязнение атмосферы.
С нею же отношения у современного цивилизованного человечества и так не блестящи. По расчетам некоторых ученых, за время существования цивилизации человечество успело сжечь столько топлива, что израсходовало на это около 300 миллиардов тонн кислорода. Таким образом, с того момента, как загорелся первый костер до настоящего времени атмосфера потеряла около 0,02% кислорода, приобретя взамен около 12% диоксида углерода. К началу следующего века ситуация может измениться лишь к худшему.
О воздействии на климат планеты парникового эффекта мы уже говорили. Но сжигание огромных количеств топлива сопровождается еще и загрязнением атмосферы. Недавно в районе Лос-Анджелеса была закрыта просуществовавшая там многие десятилетия астрономическая обсерватория. «Загрязнение атмосферы, световой фон большого города не дают нам больше возможности работать»,— заявили по этому поводу астрономы.
149
И ладно бы только это. По данным Национального управления США по изучению океана и атмосферы, в среднем начиная с 1964 года количество солнечной радиации, падающей на территорию страны ежегодно, уменьшается примерно на 1,5%, что эквивалентно потерям 10 минут солнечного дня в сутки. Казалось бы, мелочь, но она грозит опять-та^и серьезными климатологическими последствиями. Например, в 1975 году в районе Большого Бостона было обнаружено резкое увеличение содержания озона в атмосфере. А озон в больших количествах еще более ядовит, чем известный всем угарный газ.
Загрязненной атмосферы больших городов не выносят уже зеленые насаждения. Они чахнут и погибают, если время от времени их не вывозить за город, на чистый воздух. В Японии, например, появились фирмы, которые сдают растения напрокат. Аренда одного комнатного растения в горшке стоит примерно 4000 иен (10 рублей) в месяц.
Да что там растения! Осады ядовитого смога не выдерживают статуи и стены домов. В Париже, Лондоне, Риме, Афинах все чаще раздаются тревожные голоса специалистов, утверждающие, что ценнейшие памятники архитектуры, установленные на улицах и площадях скульптуры гибнут прямо на глазах. Доходит до того, что наиболее ценные из них приходится снимать, заменяя пластиковыми копиями. Остальные покрывают специальными составами в надежде, что оболочка защитит памятники от дальнейшего разрушения.
И уж, конечно, больше всех страдают люди. Бронхиальная астма, аллергические раздражения, раковые заболевания — вот только некоторые печальные следствия загрязнения атмосферы. И об этом должны помнить прежде всего химики — люди, умеющие обращать вред на пользу, могущие конструировать комплексные, практически безотходные технологические процессы.
Ну а там, где они все-таки не справляются, надо звать на помощь главного учителя — природу. Вот как это сделали, к примеру, в Нижнекамске. Именно здесь, на двух предприятиях химической промышленности, вот уже несколько лет ведутся работы по проекту «Зеленый фильтр».
Сам по себе проект не несет в себе ничего архинового. И химикам, и геологам, и другим специалистам давно известно, что одно дерево за сутки способно выполнить такую же работу по очистке атмосферы, что проделывают вместе лишь пять кондиционеров, и каждый из них при этом «съедает» электроэнергии на 3000 рублей в год! Плюс расходы на починку, замену фильтров... Растение же такую работу выполняет практически бесплатно.
С учетом этого на Нижнекамском производственном объединении «Нижнекамскшина» заработал дополнительный цех — благоустройства и озеленения. Его работниками только за одну пятилетку в промышленной и жилой зонах города высажено около 6000 деревьев, более 15 000 кустов, разбито свыше 20 гектаров цветников и газонов.
150
У стен основных цехов спланированы полосы зелени двухметровой ширины, которые призваны оградить цеха своеобразным зеленым щитом. Что это дает? В жару обычно выработка в цехе падает на 10—15%. Вот зелень и принимает тепловой удар на себя, помогает сохранить в цехе прохладу.
Всего же в жаркую летнюю пору «зеленый фильтр» способен испарить около 18 000 литров воды, увлажняя воздух в округе. Посчитайте сами, сколько электроэнергии можно сэкономить на кондиционировании.
Кроме того, растительный фильтр, оказывается, способен обезвреживать некоторые канцерогенные вещества. Сотрудники Института биохимии растений АН Грузинской ССР установили, что многие плоды способны усваивать из воздуха бензол и превращать его в диоксид углерода. А это очень важно: ведь ароматические углеводороды, к числу которых относится и бензол, достаточно вредны для здоровья людей. Таким образом, плоды айвы, лимонов и других полезных растений начинают приносить пользу еще до того, как попадают к нам на стол.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧИСТОТА НЕОБХОДИМА И ВОЗМОЖНА
Возвращаясь непосредственно к проблемам добычи нефти и ее последующего использования, заметим, что здесь немало возможностей, реализуя которые человечество может свести негативное воздействие на природу до минимума. Выход — в создании экологически чистых технологий по всему нефтяному тракту.
Например, в нашей стране группа специалистов была удостоена Ленинской премии за создание унифицированной технологии добычи нефти. Теперь нефть и попутный газ транспортируются по одной системе трубопроводов. Раньше же для этого требовались раздельные сооружения, требовавшие больших капитальных затрат и приводившие, как ни странно, и к большим потерям. На каждом промысле, в каждом нефтяном районе строили эти сооружения по-своему, а это не позволяло связать все объекты единой системой телеуправления, приводило к разного рода транспортным «накладкам». В результате большое количество нефтепродуктов испарялось, а то и просто проливалось на землю или в воду во время транспортировки.
В настоящее время специалистам удалось, используя энергию недр и глубинных насосов, обеспечить подачу нефти непосредственно к нефтесборочным пунктам, минуя промежуточные технологические перекачки. Таким образом, число промысловых объектов удалось сократить сразу в 12—15 раз!
Одновременно возросло число полностью автоматизированных нефтепромыслов. Так, скажем, всеми процессами добычи нефти и газа на месторождениях Западной Сибири в настоящее время управляет оператор с диспетчерского пульта. Выгоды такого способа эксплуатации весьма ощутимы. Скажем, уровень проектной нефтедобычи на Самотлоре был достигнут уже через 7 лет после начала разработок, в то время как обычно на это уходило полтора десятилетия. Кроме того, новые технологические процес
151
сы позволяют значительно сократить территорию, занимаемую нефтепромыслами, защитить воздушный океан от факелов.
Активно стали заниматься нефтяники и проблемами рекультивации земель. Возвращение земле былого плодородия позволяет вновь занимать под пашню многие тысячи гектаров плодородной земли. Нынче в старых нефтедобывающих районах Поволжья не редкость и такая картина: промысловая установка с насосом стоит прямо посредине колосящейся нивы.
Горький опыт научил многому и промышленников Запада. Теперь в густонаселенных районах нефтедобывающие промыслы прячут за фасадами обычных домов. Системы сбора и транспорта нефти герметизируют, так что в округе в буквальном смысле слова «нефтью и не пахнет». В прибрежной зоне курортного городка Лонг-Бич нефтяные вышки располагаются на искусственно насыпанных островах. Это намного надежнее плавучих или полупогружных платформ. К тому же все технические объекты — вышки, нефтехранилища, трубопроводы — искусно декорированы, спрятаны в башни из пластика, подсвечиваемые по ночам цветными прожекторами.
Словом, подводя итоги всему выше сказанному, можно добавить следующее: «Нефть — друг человечества. Но она может обратиться в злейшего врага всего живого, если с нею неумело обращаться...» Природу надо не только любить, не только использовать ее богатства, но и бережно охранять. Человек вполне может изменить даже сам облик планеты — и с этим надо считаться. И использовать свою силу осторожно, всем на благо, но не во вред. Давайте в своем отношении к природе руководствоваться идеей Ф. Энгельса, который еще многие десятилетия назад сказал, что человек не властвует над природой, а принадлежит ей, поскольку также находится внутри ее. Не погубить нашу голубую планету, а сделать ее еще более красивой и чистой — вот задача всех и каждого на ближайшие десятилетия. Помните об этом, пожалуйста.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вот и закончена наша книжка. Что сказать вам на прощание, дорогие наши читатели?... Все, что могли, мы уже сказали. Осталось, пожалуй, немного.
В самом начале мы честно сознались в том, что одна из целей этой книжки — привлечь в ряды нефтяников (разведчиков, промысловиков, химиков) новые кадры.
Профессий, так или иначе связанных с нефтью, в настоящее время насчитываются многие десятки, если не сотни. О некоторых из них мы хоть чуть рассказали, о других — упомянули, о третьих — забыли вовсе. «Нельзя объять необъятное»,— об этом говорил еще Козьма Прутков.
Ну а все же, что’ делать молодому человеку или девушке, стоящим на пороге жизни и захотевшим избрать себе одну из множества «нефтяных» профессий? Как узнать о ней подробнее?
Позвольте на этот случай дать вам несколько советов. Во-первых, побольше читайте. Пусть эта книжка будет не единственной, а лишь одной из длинного списка. (А список средней длины вы найдете на следующей странице.) Во-вторых, побольше спрашивайте, не стесняйтесь разговаривать с теми людьми, кто так или иначе имеет отношение к выбираемому вами делу. Живой человек, да еще настоящий знаток, энтузиаст своего дела, может рассказать больше, чем десяток книжек. В-третьих, чтобы понять суть какого-то дела, его все-таки надо испробовать самому. Поэтому лучший путь в нефтяники, на наш взгляд,— через ПТУ. Конечно, можно сразу пойти в техникум или в институт, сэкономить таким образом лет 5—6. Но подумайте, какими потерями и для вас, и для государства обернется эта «экономия», когда вы поймете свою ошибку уже после получения диплома. «Всю жизнь тащить лодку посуху»,— как метко выразился один из наших писателей по поводу неудачников, занимающихся не своей работой,— что может быть горше?...
И потому в рекомендательный список мы позволили себе включить еще одну книжку. Она называется «Стратегия выбора» и не имеет никакого отношения к нефти и газу, но она поможет вам вернее сориентироваться, послужит своеобразным компасом. Написал ее человек, проживший за одну жизнь — несколько, сам не раз ошибавшийся в выборе профессии, поменявший на своем веку немало ремесел. И потому, быть может, указанные им ошибки, не будут повторены другими.
Наконец, правила поступления в учебные страны, программы вступительных экзаменов, адреса учебных заведений и их краткие характеристики вы можете узнать, заглянув в справочники для
153
поступающих. Такие справочники каждый год издаются большими тиражами, они есть во всех более или менее крупных библиотеках.
Крупнейшим же учебным заведением страны данного профиля является Московский институт нефти и газа имени И. М. Губкина. Ежегодно он проводит день «открытых дверей», приглашая в свои стены всех желающих. Кроме того, опять-таки ежегодно этот институт наряду с другими учебными заведениями Москвы проводит Ломоносовские турниры — творческие соревнования для тех, кто хочет проверить свои силы в решении нестандартных задач. Победители этих турниров берутся на заметку преподавателями института.
Кроме Москвы, подобные учебные заведения есть также в Грозном, Ивано-Франковске, Уфе, Тюмени, Ухте и Баку.
Всяческих вам успехов и доброго пути!
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Аврех Г. Л., Цыркин Е. Б., Щукин Е. П. Экономика на уровне молекул. М.: Химия, 1986. 132 с.
Вольфсон С. А. От колбы до реактора. М.: Химия, 1982. 206 с.
Гаврилов В. П. «Черное золото» планеты. М.: Недра, 1978. 192 с.
Гаврилов В. П. Кладовая океана. М.: Наука, 1983. 154 с.
Гаврилов В. П. Происхождение нефти. М.: Наука, 1986. 176 с.
Газарян С. С. Стратегия выбора. М.: Молодая гвардия. 1986. 192 с.
Губкин И. М. Учение о нефти. М.: Наука, 1975. 384 с.
Гужов С. М. Как ищут и добывают нефть и газ? М.: Недра, 1973. 142 с.
Кострин К. В. Почему нефть называют нефтью? М.: Недра, 1967. 132 с.
Кумок Я. Н.^И. М. Губкин. М.: Молодая гвардия, 1968. £85 с.
Нестеров И. И., Рябухин Г. Е. Тайны нефтяной купели. Свердловск: Средне-Уральское книжное издательство, 1984. 176 с.
Проценко А. Н. Энергетика сегодня и завтра. М.: Молодая гвардия, 1987. 240 с.
Судо М, М. Нефть и горючие газы в современном мире. М.: Недра, 1984. 224 с.
Химия нефти / Аксенов В. С., Батуева И. Ю., Гайле А. А. и др.
Л.: Химия, 1984. 356 с.
Хотимский Б. Г. и др. Нефть вчера и сегодня. Л.: Недра, 1977. 175 с.
Шевалье Ж. Нефтяной кризис. М.: Прогресс, 1975. 246 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Вступление......................................................... 3
Г лава I
ДРОВА, УГОЛЬ ИЛИ НЕФТЬ?	5
От перемены мест слагаемых ........................................ 5
Сила «черного золота» ............................................. 8
Сколько нефти в мире? ............................................ 12
Г лава II
РАССКАЗ О ВЕЛИКОЙ ТАЙНЕ	17
Породы твердые, жидкие и газообразные............................. 17
Две точки зрения................................................... 21
Парад неоргаников ................................................. 23
Audiatur et altera pars ........................................... 26
Стоит ли спорить?.................................................. 29
Глава III
КЛЮЧИ К ПОДЗЕМНЫМ КЛАДОВЫМ	31
«Метод дикой кошки» .............................................. 31
О ловушках ....................................................... 32
Разведчики выходят в поле ........................................ 36
«Мне сверху видно все...» ........................................ 37
Геологам помогает физика.......................................... 38
Физика плюс химия ................................................ 43
Почему пустеют подземные сосуды? ................................. 44
«Мастер Долото»................................................... 45
Путешествие в глубь Земли......................................... 48
Телескоп, направленный в недра.................................... 50
Карта «прозрачной земли» ......................................... 52
Глава IV
ВСЕГДА ЛИ БЬЮТ ФОНТАНЫ?	55
Неблагополучная арифметика........................................ 55
Лифты для нефти................................................... 56
Подземные погонщики............................................... 57
Химические хитрости .............................................. 58
Подземные парилки и пожары........................................ 59
А если взорвать в скважине бомбу?................................. 60
156
Вахта на краю Земли................................................ 62
Нефть в море....................................................... 63
Путешествие по трубам ............................................. 68
Глава V
ТОПЛИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ	71
Экскурсия на НПЗ .................................................. 71
Природа пересолила ................................................ 71
Знакомьтесь, перегонка............................................. 74
Керосин, бензин и технический прогресс............................. 75
Плюсы и минусы ректификации ....................................... 76
Чтобы сохранить молекулы........................................... 77
Требуются узкие фракции............................................ 79
«Способ получения керосина из тяжелой	нефти...».................... 79
Потомки колесной» мази ............................................ 80
Для снижения вязкости.............................................. 81
Да здравствуют цеолиты!............................................. 81
Кокс нефтяной — незаменимый........................................ 85
Глава VI
«КРОВЬ» МАШИН	88
Что такое октановое число? ........................................ 88
Свинец-успокоитель................................................. 90
Полезные превращения прямогонных бензинов.......................... 91
Проблемы дизеля.................................................... 96
Дизельный или карбюраторный?....................................... 97
Химики помогают автомобилистам..................................... 98
Переработка газов................................................... 100
Глава VII
СОВРЕМЕННЫЙ РОГ ИЗОБИЛИЯ	103
Не спутайте нефтехимию с нефтепереработкой ....................... 103
Сменим гомологический ряд......................................... 105
Чем пиролиз отличается от крекинга?................................. 106
Алкены и алкадиены из алканов .................................... 109
Глубина конверсии и показатель селективности ....................... НО
Что почем, или какая технология выгоднее?........................... 111
Направо пойдешь—селективность снизится, налево — катализатор подорожает ............................................................. 113
Откуда берутся арены?............................................. 114
Как будто посторонние причины..................................... 116
Скоро сказка сказывается.......................................... 117
Глава VIII
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ	120
Первый химик — природа ............................................. 120
Соревнуясь с природой .............................................. 121
157
Несколько слов о полистироле .................................... 125
История полиэтилена.............................................. 126
Полимерные полупроводники ....................................... 127
Глава IX
ПОГОВОРИМ ОБ ЭКЗОТИКЕ	131
Металлы из нефти................................................. 131
А все началось с рожка!.......................................... 132
Бензин с грядки ................................................. 133
Газ с приставкой «био» .......................................... 136
Топливо из воздуха .............................................. 139
Глава X
О ЧЕМ НЕ НАДО ЗАБЫВАТЬ	141
Земля оседает.................................................... 141
Радужный кошмар.................................................. 143
Горит факел ..................................................... 149
Экологическая чистота необходима и возможна...................... 151
Заключение ...................................................... 153
Рекомендательный библиографический список........................ 155
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНОЕ ИЗДАНИЕ
Ефим Борисович ЦЫРКИН Станислав Николаевич ОЛЕГОВ
О НЕФТИ И ГАЗЕ БЕЗ ФОРМУЛ
Редактор Н. Р. Либерман Технический редактор Д. Д. Некрасова Корректор М. 3. Басина
ИБ № 2338
Сдано в набор 31 05 88 Подписано в печать 16 05 89 М-33673
Формат бумаги 60x90'/)6 Бумага офсетная №1 Гарнитура «Таймс» Печать офсетная Усл печ л 10,0 Усл -кр -отт 37,25
Уч -изд л 10,33 Тираж 50 000 экз Зак 4586 Цена 65 коп
Ордена «Знак Почета» издательство «Химия», Ленинградское отделение
191186, Ленинград, Д-186, Невский пр 28
Набрано в ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая Образцовая типография» Государственного комитета СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 113054, Москва, Валовая, 28
Отпечатано с готовых форм пленок Московской типографией № 6 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул , 24
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
Вниманию читателей!
В 1990 году наше издательство выпускает перевод популярной книги одного из крупнейших американских специалистов по физической химии полимеров:
Г.-Г. Элиас. Мегамолекулы
Это книга об органических и неорганических высокомолекулярных соединениях «вокруг нас и внутри нас». Среди других книг о макромолекулах она выделяется широтой охвата материала: недаром у нее есть шуточный подзаголовок «Сказки о клеях, хлебе, бриллиантах, яйцах, волокнах, пене, желатине, коже, мясе, пластиках, сопротивлениях, релизе ...»— обо всем этом (и о многом другом) в ней, действительно, говорится. Очаровывает стиль изложения— свежий, свободный, не чуждый парадоксов.
Старшеклассникам, студентам, начинающим специализироваться в области химии, физики и технологии полимеров, мы горячо советуем заказать ее заранее (заказы принимают магазины, распространяющие научно-техническую литературу). Но не только им — книга будет, безусловно интересна и специалисту, и широкому кругу читателей.
Предполагаемый объем книги 16 печатных листов, цена — около
1 р. 40 коп.
65 коп.
О нефти и газе без формул
После второй мировой войны, а точнее с середины 50-х годов, нефть играет выдающуюся роль в жизни всех стран и народов. Она стала не только полезным ископаемым номер один, но и предметом особого внимания политиков, широкого круга технических специалистов, экологов, военных. Им всем есть что сказать по поводу нефти и связанных с нею проблем. Общественность с большим интересом следит за их публикациями и выступлениями.
Но и научные, и популярные издания почему-то посвящаются какой-либо одной „нефтяной" проблеме. Поэтому авторы решились на дерзкую попытку охватить в одной книжке весь спектр вопросов: происхождение нефти, добычу, транспорт, переработку, не оставив к тому же в стороне экологию, экономику и политику.
Если читатель, полистав эту книгу у прилавка, купит ее, значит попытка не была напрасной.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ »