1.1. Кероген, бажен, сланцевая нефть

Керогены — это полимерные органические материалы, которые расположены в существующих породах, таких как нефтеносные сланцы и являются одной из форм нетрадиционной нефти (нефть, получаемая при переработке нефтяных (битуминозных) песчаников, залегающих практически на земной поверхности). Они нерастворимы в обычных органических растворителях благодаря своей высокой молекулярной массе (более 1000 ^г⁄_моль).

Остатки растений и морских организмов под воздействием высоких температур и давления преобразуются в кероген, затем в битум, а потом в нефть и газ.

Кероген подразделяется на несколько типов ( I, II и III) в зависимости от соотношений водород-углерод и кислород-углерод.

Типы керогена: I типа, состоит, в основном, из водорослей и аморфного (водорослевого) керогена, и вероятно, приводит к генерации нефти; тип II, смешанный наземный и морской исходный материал, который может генерировать вязкую нефть; и тип III, древесный материал наземного происхождения, который обычно генерирует газ.

Баженовская свита — группа нефтематеринских горных пород (свита), выявленная на территории около миллиона квадратных километров в Западной Сибири. Образована осадочными породами морского дна в Титонском-Берриасском ярусах (на границе между меловым и юрским периодами, около 145 млн лет назад). Свита залегает на глубинах двух-трех километров и имеет небольшую толщину: обычно двадцать-тридцать метров, не более 60 метров.

В баженовской свите содержится твердое органическое вещество (кероген) и жидкая легкая нефть низкопроницаемых коллекторов (сланцевая нефть). Запасы углеводородов в баженовской свите являются трудноизвлекаемыми. Для увеличения нефтеотдачи при разработке нефти низкопроницаемых коллекторов может применяться наклонно-горизонтальное бурение. Содержание нефти в свите может достигать 2 триллионов баррелей.

Свита по большей части сложена из карбонатных глинистых и кремнистых пород, источником органического вещества в которых стали останки планктона с кремневым скелетом: радиолярии и диатомеи. Общее содержание органического вещества — около 14 % (до 2,7 % жидкого, около 12 % кероген типа II), минеральное вещество (кремнезём, гидрослюда, кальцит, и др) — 85 %.

Сланцевая нефть (керогеновая нефть) — нетрадиционная нефть, получаемая из горючих сланцев в результате пиролиза (термическое разложение органических и многих неорганических соединений), гидрирования или термического растворения, при которых твердые остатки органической материи из горной породы (сланцев, богатых керогеном) преобразуются в синтетические углеводороды (синтетическую нефть и газ). Получаемая нефть может использоваться в качестве топлива, либо подвергаться переработке на НПЗ (нефтеперерабатывающем заводе), в ходе которой удаляются примеси серы и азота, а к углеводородам добавляется водород.

2. Геотермическое поле

Геотермальная энергия — это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.

Геотермический градиент —повышение температуры в земной коре на единицу глубины (рис. 2.).

Повышение температуры горных пород с глубиной характеризуется геотермическим градиентом (величиной приращения температуры на 100 м глубины, начиная от пояса постоянной температуры):

где – температура горных пород на глубине , м (в ); – средняя температура на уровне пояса постоянной годовой температуры в данном районе, ; – глубина пояса постоянной годовой температуры, м (на нефтегазовых месторождениях = 25 30 м).

Рис. 2. Изменение температуры грунта с глубиной.

Разогрев глубинных слоёв Земли связывают с распадом находящихся там радиоактивных элементов, другие источники тепла: физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. На глубине 1 км тридцатиградусная жара — нормальное явление, а глубже температура ещё выше.

Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик — в среднем его мощность составляет 0,03–0,05 Вт/м², или примерно 350 Вт·ч/м² в год.

Рис. 3 Рост температуры термальных вод и вмещающих их сухих пород с глубиной.

Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения — места, где тепловой поток велик. Это зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.

Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.

Рис. 4 Извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль — иллюстрация бурных вулканических процессов, протекающих в активных тектонических и вулканических зонах с мощным тепловым потоком из земных недр.

В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной — явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.

В среднем температура с глубиной растёт на 2,5–3°C на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.

Обратная величина — геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1°C.

Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.

В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°C на 1 км, а в Южной Африке — 6°C на 1 км.

Рис. 5 Изменение температуры с глубиной в разных регионах.

При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250–300°C. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.

Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10°C/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2–2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°C, на 10 км — 180°C, а на 12 км — 220°C.

Другой пример — скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42°C, на 1,5 км — 70°C, на 2 км — 80°C, на 3 км — 108°C.

Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20–30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300–1500°C, на глубине 400 км — 1600°C, в ядре Земли (глубины более 6000 км) — 4000–5000°C.

На глубинах до 10–12 км температуру измеряют через пробуренные скважины; там, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на больших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.

Вода в глубинах разогрета до состояния пара. Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей — это гидротермальная энергия.

Петротермальная энергия - тепло сухих горных пород.

Тепловое поле определяется внутренними и внешними источниками тепла и тепловыми свойствами горных пород. При терморазведке регистрируют радиотепловое и инфракрасное излучение земной поверхности, измеряют температуру, ее вертикальный градиент или тепловой поток. Распределение этих параметров в плане и по глубине несет информацию о термических условиях и геологическом строении изучаемого района.

Основными методами терморазведки являются: радиотепловые (РТС) и инфракрасные (ИКС) съемки; региональные термические исследования на суше и акваториях; поисково-разведочные термические исследования, направленные на выявление и изучение месторождений полезных ископаемых; инженерно-гидрогеологические термические исследования, предназначенные для изучения мерзлотных условий и движения подземных вод; термический каротаж, который служит для документации разрезов скважин по теплопроводности вскрытых горных пород; лабораторные измерения термических свойств горных пород; методы искусственных тепловых полей при работах на акваториях и в скважинах.

Источниками теплового поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах. К внутренним источникам тепла относят радиогенное тепло, которое создается благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоактивных элементов, и тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с выделением или поглощением тепла).

Ниже нейтрального слоя температура пород повышается в среднем на 3,3°С при погружении на каждые 100 м. Это объясняется наличием регионального теплового потока от источников внутреннего тепла Земли, поднимающегося к поверхности. Его величину принято характеризовать плотностью теплового потока (или просто тепловым потоком) q. Среднее значение теплового потока составляет 0,06 Вт/м2. Тепловой поток, поднимающийся из недр Земли, является важным физическим полем, которое позволяет судить не только о строении, но и о возрасте Земли. Тепловой поток мы можем наблюдать только на поверхности планеты. Он зависит от температурного градиента в измеряемой точке и определяется формулой:

где - теплопроводность горных пород, - геотермический градиент. Для положительного теплового потока температура горных пород должна убывать.

Постоянство средних тепловых потоков суши и океанов при резком изменении мощностей и строения земной коры свидетельствует о различии в тепловом строении верхней мантии. Поэтому аномалии тепловых потоков, т. е. отклонения от установленных средних потоков, несут информацию о строении и земной коры, и верхней мантии. Установлено, что основным источником тепла на континентах является энергия радиоактивного распада. Это объясняется большей концентрацией радиоактивных элементов в земной коре, чем в мантии. В океанах, где мощность земной коры мала, основным источником тепла являются процессы в мантии на глубинах до 700—1000 км. Тепловой поток определяется не только природой и мощностью источников тепла, но и его переносом через горные породы. Тепло передается посредством молекулярной теплопроводности горных пород, конвекции и излучения. На больших глубинах (свыше 10 км) передача тепла осуществляется в основном за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции, обусловленной движением блоков земной коры, магматических расплавов и деятельности гидротермальных систем. На меньших глубинах перенос тепла связан с молекулярной теплопроводностью и конвекцией подземных вод.