География и история тяжелой нефти музея ИХН СО РАН

Реализация идеи экспозиции, научной работы и ее популяризации в Музее нефти была обусловлена плодотворной научной деятельностью Института химии нефти СО РАН в течение почти 50 лет в сфере проблем нефтяной науки – от геохимических, связанных с эволюцией природных углеводородных систем, до проблем увеличения нефтеотдачи, глубины переработки нефти и охраны окружающей среды.

В настоящее время перед нефтегазовым комплексом остро встают вопросы нефтеизвлечения, транспортировки и переработки трудноизвлекаемой нефти (ТИН) с аномальными физико-химическими свойствами и аномальными «нетрадиционными» условиями залегания, что определяет актуальность изучения такой нефти. Как известно, ухудшение структуры углеводородных запасов – общемировая тенденция. В настоящее время в Музее этой проблеме уделяется большое внимание. Нефть на Земле не закончилась, мир продолжает купаться в нефти – планета содержит огромные запасы нефти, но их трудно извлечь из недр, трудно транспортировать в пункты переработки и трудно переработать, т.к. тип «легкой» нефти с низкой вязкостью и плотностью, с малым содержанием серы, смол и асфальтенов почти исчез. Ежегодно в мире добывается около 4 млрд т нефти, а объем добычи ТИН, в частности, вязких и тяжелых, составляет примерно 500 млн т, т.е. 1/8 общемировой добычи. В соответствии с прогнозами при сохранении темпов приращения добычи на существующем уровне производство трудноизвлекаемой нефти увеличится к 2030 г. в 4 раза. Практически вся оставшаяся нефть содержится в труднодоступных условиях – это глубокие морские месторождения, арктические месторождения, битуминозные сланцы. Добыча такой нефти и ее переработка чревата установлением ошеломляющей цены и колоссального ущерба окружающей среде. Далее за нефтью человек готовится двигаться в тающую Арктику, которая, как ожидается, обеспечит значительную долю будущих поставок нефти. В тоже время Арктика является очень экологически чувствительным регионом, экологический ущерб во много раз будет больше, чем на континентальной части Земли.

Для полного понимания значимости и актуальности нефти в современном обществе, а также для популяризации научных результатов в этой проблематике, необходимы знания в области истории нефти, цифры и факты которой отражены в Музее.

С древнейших времен нефть была не только известна, ее добывали и использовали в разных регионах – на Ближнем Востоке, в северной части Черного моря, на Каспии (Апшеронский полуостров), Китае (провинция Сычуань), Индии, Корее, Японии; коренные жители Америки – индейцы за сотни лет до появления там европейцев использовали выходящую на поверхность нефть в лечебных целях.

В районах нефтепроявлений обычно копали колодцы, а в древнем Китае еще за 6 веков до новой эры бурили скважины с использованием бамбуковых труб, поэтому Китай считается старейшей нефтедобывающей страной в мире. В древнем Египте в период правления фараонов (более 5000 лет назад) нефть использовали при бальзамировании, ею пропитывали мумии (персидское слово «мумие» переводится как «смола», «асфальт»); в других местах ее применяли для освещения, в строительстве, медицине, в военных целях. Современными исследованиями установлено использование нефтяных фракций при строительстве Великой Китайской стены. С давних пор нефть использовали в лечебных целях в составе различных лекарственных препаратов наружного и внутреннего употребления; на это указывают многочисленные рецепты, приводимые древнегреческим целителем и ученым Гиппократом еще в IV-V в. до н.э. Издавна нефть использовали для отопления и освещения – в египетских храмах при раскопках были найдены светильники, заполненные застывшей нефтью. Как боевое оружие нефть также известна с далеких времен. Горючую жидкость бросали в сторону неприятеля обычно в «упакованном» виде – в глиняных горшках, выпуская вслед горящие стрелы (обмотанные паклей наконечники пропитывали нефтью и поджигали). В XVI-XVII вв. прикаспийскую нефть доставляли и в центральные районы России, где она применялась в медицине, живописи (растворитель для красок), в военном деле и была достаточно дорогим товаром: по данным 1575-1610 гг. ведро нефти стоило в 3-4 раза дороже ведра вина.

В северных районах России впервые были обнаружены нефтепроявле-ния. В XVI в. при царе Борисе Годунове упоминается о густой «горючей воде», привезенной из Ухты, хотя первые упоминания об ухтинской нефти сохранились в Двинской летописи XV в., где отмечалось, что местное племя «чудь» собирало нефть с поверхности р. Ухты, используя ее в лечебных целях и как смазочный материал.

История о нефти дает некоторое представление о роли «черного золота» в жизни человека с древнейших времен, однако по ним трудно было бы вообра- зить, что спустя тысячелетия и столетия этот «сок земли», «кровь земли», «черное масло» станет главнейшим «хлебом» промышленности, по сути, властелином мира.

Сейчас наш современный мир сидит на нефтяной игле - нефть обеспечила ошеломляющее за последние 60-70 лет расширение мирового богатства, развитие нашего общества и цивилизации в целом.

Основной задачей в просветительской деятельности Музея является декларирование ТИН как будущего мирового нефтересурса. Единые критерии выделения ТИН, официально утвержденные государственными органами, в настоящее время отсутствуют, в научной литературе упоминаются около сорока критериев, определяющих особенности трудноизвлекаемой нефти.

К трудноизвлекаемой относится нефть, заключенная в геологически сложнопостроенных пластах и залежах или представленная малоподвижной нефтью (например, с высокой вязкостью и высоким содержанием твердых парафинов) [1 - 4]:

• •    с аномальными физико-химическими свойствами (высокие вязкость и плотность, высокое содержание парафинов, смол и асфальтенов);

• •  заключенная в слабопроницаемых коллекторах и в водонефтяных и газо

нефтяных зонах;

с низкой (менее 200 м³/т) и высокой (более 500 м³/т) газонасыщенностью либо при наличии в растворенном и/или свободном газе агрессивных компонентов (сероводород, углекислота) в количествах, требующих применения специального оборудования при бурении скважин и добыче нефти;

• •  залегающая на больших глубинах (более 4500 м);

• •    с пластовой температурой 100 °С и выше, либо менее 20 °С (из-за низкой разницы между пластовой температурой и температурой застывания парафина и смол);

• •    с высокой степенью обводненности продукции (более 75-80 %).

Особое внимание в Музее уделяется проблемам добычи, транспорта и нефтепереработки ТИН. Известно, что тяжелая и вязкая нефть обогащена тяжелыми элементами-примесями, многие из которых имеют ярко выраженные токсические свойства. Это резко меняет не только технологические параметры углеводородного сырья, но и увеличивает экологические издержки при его освоении. Установлено, что тяжелая нефть наиболее обогащена металлокомплексами, особенно ванадием и никелем. По экспертной оценке мировые потенциальные ресурсы ванадия в тяжелой нефти и битумах составляют примерно 125 млн. т, а извлекаемые попутно с нефтью - около 20 млн. т. Сейчас ванадий и никель теряются при сжигании нефтепродуктов, нанося большой ущерб окружающей среде. Причем, по мере исчерпания запасов легкой нефти и перехода на массовую разработку тяжелой нефти с высоким содержанием ванадия, никеля и других токсоопасных элементов, объемы металлокомплексов попутно извлекаемых с нефтью будут неизбежно возрастать и без соответствующих мер по их очистке для защиты окружающей среды осваивать их будет недопустимо.

Высокое содержание серы в нефти влияет как на технологию её освоения, транспорта, переработки и утилизации, так и на степень неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Все это вынуждает технологов исследовать содержание серы в нефти более детально. Высокое содержание смол в нефти также является причиной технологических осложнений как при добыче и транс -портировке нефти, так и в процессах их переработки, а именно, способствует образованию кокса в процессе нефтепереработки, что приводит к закоксовыванию поверхности катализаторов, вызывая большой экономический ущерб при нефтепереработке.

Известно, что в объеме добытой в России нефти более 70 % составили нефти с высоким содержанием парафинов. Постоянное увеличение в общем объеме добываемой нефти доли парафинистой нефти ставит перед нефтяниками ряд сложных технических проблем. Повышенное содержание парафинов приводит к образованию устойчивых трудноразрушаемых твердых фракций парафина, ухудшающих не только качество подготовки товарной нефти, но и степень очистки сточных вод, закачиваемых в пласт. Отложения парафинов в призабойной зоне пласта и на поверхности нефтепромыслового оборудования является одним из серьёзных осложнений при эксплуатации скважин и трубопроводного транспорта. Парафиновые отложения снижают фильтрационные характеристики пласта, закупоривают поры, уменьшают полезное сечение насосно-компрессорных труб и, как следствие, значительно осложняют добычу и транспортировку нефти, увеличивают расход электроэнергии при добыче, приводят к повышенному износу оборудования, что несет угрозу возникновения экологических последствий нефтеразливов.

Наличие в нефти химически агрессивного сернистого газа концентрацией более 5 % также осложняет ее добычу, несет коррозийную нагрузку на оборудование, увеличивая тем самым экологическую опасность нефтедобычи, требуя применения специального оборудования при бурении скважин и добыче нефти. Сероводородной коррозии подвергаются как открытые поверхности металлов, так и находящиеся под слоем золовых отложений. Для сероводородной коррозии характерно образование язв на поверхности металла, растрескиваний, а также увеличение хрупкости металлов под действием выделяющегося водорода. Сероводородная коррозия влияет на внутренние поверхности нефтепроводов, как в тонком пленочном слое, адсорбированном на поверхности труб, так и в объеме электролита, образующегося в нижней части трубопровода из скапливающейся воды.

При совместной транспортировке нефти с высоким содержанием сернистого газа и воды в виде водонефтяной эмульсии термодинамические нарушения транспортной среды могут приводить к выделению сернистого газа из нефти и обогащению им попутных вод. В связи с этим возникает острая необходимость организации глубокой дегазации и деэмульсации нефти и глубокой очистки сточных вод с отводом газа в систему газосбора, а сточных вод - в систему технического водоснабжения, снизив интенсивность коррозийных процессов подземного и наземного нефтепромыслового оборудования и создав благоприятные условия для предотвращения экологических рисков.

Знание значения пластовой температуры залежи важно для экологической оценки свойств нефти. Поведение нефти в приповерхностных условиях, т.е. в условиях температур ниже 40-45 °С, остается сравнительно благоприятным - нефть мало растворима, а следовательно, и мало миграционно-подвижна. Но если, к примеру, добыча вязкой нефти сопровождается применением парогенераторов, или методов подземного горения, экологическая ситуация резко меняется. Ее растворимость в нарастающем ряду от метановых к нафтеновым и ароматике увеличивается, причем в 2-3 раза. К примеру, малорастворимые в во- де при нормальных условиях бензол, толуол, бенз (а)-пирены, многие смоло-ас-фальтеновые фракции становятся растворимыми. Они выносятся с горячими водами из зоны добычи, загрязняя тем самым водоносные горизонты. Это же свойство нефти растворяться в «горячих» пластовых водах (более 100 °С) особенно с минерализацией менее 100 г/л следует учитывать и при сбросе нефтяных пластовых вод, попадающих на поверхность при добыче нефти с больших глубин, обычно более 4000 м в бассейнах с высоким тепловым потоком. Аномально низкая пластовая температура (ниже 20 °С) ведет к экологическим последствиям добычи нефти из-за низкой разницы между пластовой температурой и температурой застывания парафинов и смол в нефти.

Месторождения тяжелой нефти (ТН) и природных битумов имеют достаточно широкое распространение в нефтегазовых бассейнах (НГБ) России. Поверхностные нефте- и битумопроявления с древности использовались человеком. На Дальнем Востоке эти органические природные ископаемые использовались в Китае, Японии и на Сахалине. Восточная и Западная Сибирь также являлись источником получения природных битумов в древности, что находит отражение в материалах археологических памятников эпохи неолита и палеометалла [5; 6].

Россия обладает значительными запасами аномально тяжелой нефти. Месторождения тяжелой нефти и поверхностные проявления битумов географически сопоставимы с расположением древних стоянок и памятников архитектуры эпохи неолита на территории Сибири и Дальнего Востока. В связи с этим в настоящее время проявляется повышенный интерес к исследованиям особенностей территориального размещения тяжелой нефти и битумов для их идентификации, установления источников и определения их роли в развитии торговых связей и технологических приемов хозяйствования в древности. Идея работы была высказана ученым археологом Дерюгиным Валерием Алексеевичем.

Всего на территории России выявлено 809 месторождений с тяжелой нефтью. Рассмотрим далее особенности распределения ТН на территории России. Почти во всех нефтегазоносных бассейнах России (кроме Анадырско-Нава-ринского и Пенжинского) встречаются месторождения с тяжелой нефтью. Однако сосредоточены они в трех основных бассейнах - Западно-Сибирском, ВолгоУральском и Тимано-Печорском. Данные о распределении тяжелой нефти по нефтегазоносным бассейнам России приведены в табл. 2, из которой видно, что в Волго-Уральском бассейне сосредоточено 62 % всех российских тяжелых нефтей, в Западно-Сибирском бассейне находится более 14 % ТН России. Меньше всего образцов тяжелой нефти в Балтийском и Енисейско-Анабарском бассейнах.

Таблица 1

Данные из БД о тяжелых нефтях основных НГБ России

Нефтегазоносный бассейн	Количество месторождений с ТН	Объем выборки ТН	Средне-бассейновое значение плотности ТН, г/см3
Балтийский	2	3	0,8945
Волго-Уральский	529	3019	0,9097
Днепровско-Припятский (российская часть)	3	4	0,9084

Енисейско-Анабарский	5	11	0,9233
Западно-Сибирский	146	478	0,9010
Лено-Вилюйский	6	28	0,9111
Лено-Тунгусский	18	47	0,8943
Охотский	33	150	0,9198
Прикаспийский (российская часть)	6	9	0,9260
Северо-Кавказский   (российская часть)	40	139	0,9309
Северо-Крымский	2	3	0,9381
Тимано-Печорский	61	335	0,9364

Из табл. 1 следует, что в среднем самыми тяжелыми в России являются нефти Северо-Крымского и Тимано-Печорского бассейнов (средняя плотность 0,94 г/см³), Северо-Кавказского (0,93 г/см³) и Енисейско-Анабарского (0,923 г/см³). А тяжелые нефти Лено-Тунгусского бассейна имеют наименьшую в среднем плотность (0,894 г/см³).

Распределение разведанных запасов тяжелой нефти по российским нефтегазоносным бассейнам представлено в виде круговой диаграммы на рис. 1, из которого видно, что наибольшие запасы ТН сосредоточены в Западно-Сибирском и Волго-Уральском бассейнах – соответственно более 45 и 36 % всех российских запасов тяжелой нефти. Доля тимано-печорских ТН составила примерно 8,7 % российских запасов ТН. Соответственно основными российскими центрами добычи тяжелой нефти являются субъекты РФ, на территории которых располагаются Волго-Уральский, Западно-Сибирский и Тимано-Печорский неф-

Рис. 1. Распределение запасов тяжелой нефти по нефтегазоносным бассейнам России

В табл. 2 на основе информации базы данных Музея нефти ИХН СО РАН представлены данные о свойствах ТН основных НГБ России. От легкой нефти ТН отличаются повышенным содержанием смолистых компонентов (в среднем от 10 до 21 %), асфальтенов (от 1 до 7 %), высокой плотностью (0,89–

0,94 г/см³), аномальной вязкостью (от 121 до более 2300 мм²/с) и значительным содержанием ванадия до 500 г/т.

Таблица 2

Физико-химические свойства тяжелой нефти основных бассейнов России

Характеристики	Западно-Сибирский НГБ	Волго-Уральский НГБ	Тима-но-Пе-чор-ский НГБ	Лено-Тунгусский НГБ	Охотский НГБ
Плотность, г/см³	0,9001	0,9097	0,9364	0,8943	0,9198
Вязкость, мм²/с	164,43	1037,12	2334,54	121,05	139,17
Содержание серы, мас. %	1,16	2,91	1,99	0,90	0,40
Содержание   парафинов, мас. %	3,37	3,77	2,55	1,13	0,86
Содержание смол, мас. %	10,78	21,15	16,57	17,42	10,21
Содержание  асфальтенов, мас. %	2,59	6,02	6,71	3,30	1,00
Содержание ванадия, мас. %	0,0053	0,0548	0,0078	0,0068	0,0008

Месторождения тяжелой нефти (ТН) и битумов могут быть как пластовыми, так и поверхностными с естественными выходами нефти на земную поверхность. Наибольший интерес представляют последние, так как они могли использоваться и древним человеком. Отдельные залежи, с запасами в десятки миллионов тонн чистого битума, образуют так называемые асфальтовые озера.

В России местами, где с глубокой древности использовался битум, являются Восточная Сибирь и о. Сахалин (рис. 2). Как видно из рис. 2б, на севере острова Сахалин (Охотский НГБ) находится большинство месторождений с ТН, как на шельфе Охотского моря, так и на суше.

Первые нефтяные проявления на Сахалине были открыты около 1880 г., некоторое время спустя стало известно и о месторождениях битумов в районе р. Оха. Кстати, топоним «Оха» происходит от эвенкийского «охэ», означающего «плохо, невкусно», что связывают с загрязнением реки выходами нефти. Судя по различным источникам периода освоения этой земли русскими, коренные жители – нивхи, ульта, эвенки – избегали местностей, в которых имелись поверхностные нефтепроявления [6; 7].

На о. Сахалин наиболее известными являются два месторождения битумов – Охинское и Нутово. На Охинском месторождении расположены два крупных асфальтовых озера площадью 3 тыс. и 5 тыс. м2. В районе нефтяного месторождения Восточно-Эхабинское наиболее крупным является «Большое озеро» площадью 1,5 тыс. м2. На месторождении Нутово асфальтовые озера образуют полосу протяженностью около 6 км, самое крупное озеро – длиной около 400 м, шириной 60 м. В табл. 3 рассмотрены физико-химические свойства ТН месторождений Охинское и Восточно-Эхабинское, информация о нефтях месторождения Нутово в БД, к сожалению, отсутствует. По своему групповому составу охинские ТН соответствуют сверхтяжелой нефти (плотность от 0,92 до 0,96 г/см3), а восточно-эхабинские – классу «нефть с повышенной плотностью» (зна- чение плотности 0,88–0,92 г/см3). Показано, что нефти обоих месторождений являются высоковязкими, обеднены содержанием серы, парафинов и асфальтенов, более высокое содержание смол.

Рис. 2. Размещение месторождений с тяжелой нефтью на территориях Восточной Сибири, Дальнего Востока (а) и о. Сахалин (б)

Таблица 3

Физико-химические свойства тяжелой нефти и битумов месторождений

Охинское и Восточно-Эхабинское

Характеристики	Восточно-Эхабинское	Охинское
Плотность, г/см³	0,8997	0,9250
Вязкость, мм²/с	108,44	87,55
Содержание серы, мас. %	0,57	0,41
Содержание парафинов, мас. %	0,67	0,91
Содержание смол, мас. %	8,26	13,18
Содержание асфальтенов, мас. %	0,97	1,10

Не только месторождения Охинское и Нутово могли являться источниками сырья в древности. Аналогичные поверхностные выходы битумов и тяжелой нефти имеются на Уйглекты, Катангли и в других районах северо-восточной части Сахалина (рис. 2б). На карте вблизи указанных населенных пунктов находится 6 месторождений с ТН: Катанглинское, Лысая Сопка, Набильское, Прибрежное, Уйглекутское и Старонабильское. Рассмотрим в среднем физико-химические свойства данной группы месторождений (табл. 4). Нефти отличаются большой вязкостью и относятся к классу «высоковязкая», обеднены содержанием серы, что может служить для сравнительного анализа битума с древних стоянок и его идентификации.

Таблица 4

Физико-химические свойства тяжелой нефти и битумов месторождений северо-восточной части Сахалина

Характеристики	Месторождения северо-восточной части о. Сахалин
Плотность, г/см³	0,9176
Вязкость, мм²/с	268,39
Содержание серы, мас. %	0,39
Содержание парафинов, мас. %	0,68
Содержание смол, мас. %	9,29
Содержание асфальтенов, мас. %	1,03

Сведения о находках битумов на Сахалине в сообщениях о раскопках стали упоминаться относительно недавно. На древних стоянках и территории археологических памятников встречаются орудия, керамика со следами вещества черного цвета, а также его комья. В настоящее время среди археологов, занимающихся изучением доисторических памятников острова, отсутствует единая точка зрения на использование битумов в древности. Предположительно битум обнаружен при реставрации треснувших сосудов пильтунской и набильской культур. Наиболее древней находкой орудия со следами природного битума на Сахалине можно считать рубящее орудие со стоянки Пугачево-1, датируемой по аналогиям второй половиной периода раннего неолита. Однако наибольшее количество находок битума приходится на памятники культур эпохи палеометалла севера острова в пределах 1-го тыс. до н. э. Например, его остатки были обнару- жены в горшке на поселении Кашкалебагш-2, а на поселении Ясное-8 он использовался при реставрации треснувших сосудов [6; 7].

В Восточной Сибири (на рис. 3) видно, что распространение культур неолита (исаковская и серовская, китойская и сыалахская культуры) и выявленные стоянки географически совпадают c расположением многих месторождений ТН и битумов.

Енисейско-Анабарского, Лено-Тунгусского и Лено-Вилюйского НГБ (рис. 2а). Ареал исаковской и серовской культуры охватывает Даниловское, Марковское, Непское Средне-Непское и Толбинское месторождения с тяжелыми нефтями и битумами, свойства которых представлены в табл. 6. Данные месторождения находятся вблизи берегов р. Лена.

Можно предположить, что нефтепроявления ТН и битумов способствовали развитию торговых, хозяйственных и обменных связей между племенами с использованием речной системы территории. Нефти этой территории отличаются повышенным содержанием смол и асфальтенов (табл. 5).

Таблица 5

Физико-химические свойства тяжелой нефти и битумов месторождений на территории исаковской и серовской культуры

Характеристики	Месторождения на территории исаковской и серовской культуры
Плотность, г/см³	0,8967
Вязкость, мм²/с	205,62
Содержание серы, мас. %	0,88
Содержание парафинов, мас. %	0,98
Содержание смол, мас. %	15,36
Содержание асфальтенов, мас. %	3,19

Как видно из рис. 3, сыалахская неолитическая культура имеет более обширную территорию распространения – от севера Байкала до моря Лаптевых, естественно и месторождений с ТН на этой территории больше – 18 месторождений, самое знаменитое из которых месторождение природных битумов Оле-некское Енисейско-Анабарского НГБ. Наблюдается приуроченность месторождений к рекам Восточной Сибири – Лена, Вилюй и Алдан (рис. 2а). Физико-химические свойства ТН исследуемых месторождений представлены в табл. 6, из которой видно, что на рассматриваемой территории находятся наиболее тяжелые и парафинистые нефти, что будет способствовать идентификации обнаруженных битумов на стоянках неолитических племен.

Рис. 3. Неолитические памятники и культуры Сибири и Дальнего Востока [8]

Таблица 6

Физико-химические свойства тяжелой нефти и битумов месторождений на территории сыалахской неолитической культуры

Характеристики	Месторождения на территории сыа-лахской неолитической культуры
Плотность, г/см³	0,8997
Вязкость, мм²/с	98,19
Содержание серы, мас. %	0,57
Содержание парафинов, мас. %	5,09
Содержание смол, мас. %	14,51
Содержание асфальтенов, мас. %	2,35

В заключение следует указать на перспективность исследований по использованию битумов и их роли в развитии торговых связей, технологических приемов в древности. Нами установлены отличительные особенности тяжелой нефти в рассматриваемых совокупностях месторождений, что будет способствовать идентификации используемого в древности битума. Возможно, потребуется более тонкий анализ образцов для более точного установления их источников. Необходимость в этих исследованиях будет возрастать каждый год, на что указывают следующие данные по о. Хоккайдо: в 1979 г. имелись сведения лишь о 4 памятниках, где были обнаружены находки с битумом, в 1999 г. – 36 памятниках, в 2004 г. – 73 памятниках. В 2010 г. имелась информация уже о 125 памятниках с такими находками [2].