Нефть – черное золото. И совершенно не случайно. В XX веке она приобрела решающее значение для экономического развития государств и индустриального процветания и заняла ключевую позицию в сфере добычи полезных ископаемых. XX век – это век «углеводородного человека».

Нефть – важнейший энергоноситель в современном мире. Это сырье для производства многих продуктов и материалов, без которых уже нельзя представить цивилизованный мир: топливо, составляющие для лекарственных препаратов, хладагент для холодильников, полимерных материалов, электродов для атомной промышленности и т. д.

Что же представляет собой это черное золото?

Нефть – это смесь углеводородов различной структуры и состава, от легких парафинов до сложных гетероатомных соединений. Также в состав углеводородов включены и другие атомы: кислород, сера, азот и некоторые металлы. Компонентный состав нефти представлен на рисунке 1. Однако это лишь приблизительные значения, поскольку нефть может отличаться по своему составу и свойствам на разных месторождениях.

Стоит отметить, что простые углеводороды – это линейные алканы (например, бутан, пропан, октан), а вот гетероатомные соединения – это углеводородные соединения, структура которых включает в себя и другие атомы (серу, азот, кислород). Пример гетероатомных веществ, знакомых каждому: спирт, меркаптаны (то, что придает запах бытовому газу), ацетон и т. д.

Такой сложный состав делает прямое применение нефти невозможным, поэтому для раскрытия потенциала нефти появилась большая отрасль промышленности – нефтепереработка.

Рисунок 1. Элементный состав нефти

В целом нефть представляет собой вязкую жидкость от светло-желтого прозрачного до почти черного цвета. Такой большой градиент связан с компонентным составом: чем более светлая и менее вязкая структура нефти, тем больше в ней легких углеводородов, незначительное содержание сложных циклических соединений, а более вязкая и темная нефть, наоборот, будет содержать в себе сложные гетероатомные соединения. В среднем она представляет собой следующий состав по классу соединений: алканы – около 50 %, непредельные углеводороды – 15 %, циклические соединения – 20 %, гетероатомные соединения – 10 %, прочие примеси – 5 %.

Нефть является органическим веществом, растворимым только в органике, но может образовывать нежелательную в нефтепереработке эмульсию при сочетании с водой. Эту проблему рассмотрим в дальнейшем. Нефть, в зависимости от состава, может также иметь разную плотность, но всегда будет легче воды. Температура застывания нефти около –60 °C, а температура кипения колеблется в районе 60 °C.

Подводя короткий итог, можно сказать, что нефть – вязкая, маслянистая жидкость с резким запахом бензина или гудрона, по цвету чаще всего буро-коричневая и непрозрачная, плотностью около 0,830 кг/м³, растворимая в органических растворителях, имеющая сложный элементный и классовый состав, является главным полезным ископаемым.

Давайте рассмотрим теории происхождения нефти.

Существуют две основные теории происхождения нефти – органическая и неорганическая. Обе имеют место, но однозначного ответа нет до настоящего времени.

Первая теория – органическая, ее сформулировал Михаил Ломоносов, а большой вклад в ее развитие внесли Иван Губкин, Владимир Вернадский и Николай Зелинский. Суть этой теории проста: нефть является результатом преобразования органических соединений под воздействием на них в толще земли высоких температур и давлений. В результате деструктивных процессов органических соединений и образуется нефть. Также большой вклад в доказательство этой теории был внесен английским химиком Ч. Гатчеттом. Он выявил присутствие кислорода, азота, серы в составе битумов, объяснив, что эти элементы также входят в состав растительных масел и животных жиров.

Вторая теория – неорганическая. В 1876 году Дмитрий Менделеев выдвинул гипотезу о неорганической природе нефти. Основой теории послужила реакция карбида кальция с водой, в результате которой получился ацетилен и оксид кальция. Также реакция оксида углерода с водой дает на выходе углеводородное соединение. В качестве противопоставления органической теории были выдвинуты следующие тезисы:

– выходы нефти на поверхность свидетельствуют о стремлении ее к восходящим движениям, т. е. «место образования нефти должно быть ниже тех мест, где она содержится»;

– если бы нефть происходила из организмов, то в местах ее скопления должны были быть «угольные остатки»;

– при горообразовании возникают разломы, через которые вода, проникая вглубь, вступает в реакцию с «углеродистым металлом», в результате чего образуются оксиды и предельные углеводороды (УВ).

Стоит отметить, что были и попытки объединения этих теорий. Например, А. В. Кудельский и К. И. Лукашев, признавая основным источником первичной нефти органоминеральный комплекс пород, допускают возможность участия в образовании нефти глубинных эксгаляций, содержащих углерод, водород и другие элементы и соединения, присущие нефти. А Ш. Ф. Мехтиев утверждал, что процессы нефтеобразования осуществляются в очагах глубокого заложения, исходным веществом одновременно служат и мантийное вещество (газопаровая смесь), и рассеянное ОВ пород. Первое ассимилирует второе, что приводит к образованию значительного количества «первичной нефти». Нефтегазоносные растворы образуются в зонах глубинных разломов, являющихся также путями проникновения «первичной нефти» к местам концентрации ее в осадочных породах.

Но как люди пришли к тому, что нефть надо перерабатывать? Чем объясняется ее важность для современного человека?

Еще до нашей эры люди открыли такое свойство нефти, как горючесть. Раньше нефть находилась достаточно близко к поверхности земли, поэтому сложности с ее добычей не возникало. Этот период длился достаточно долго. Представления современного человека о том, что нефть била фонтаном из-под земли, во многом сформировано массовой культурой и кинематографом. Люди действительно с восторгом кричали: «Нефть! Нефть!», – а залежи находились близко к поверхности земли, но фонтана никакого не было.

Но свойство горючести было открыто давно. Раньше нефть использовали для изготовления факелов, ламп и даже оружия. Один из ярких примеров – греческий огонь. Горючесть – это главное свойство, которое помогло нефти стать топливом в том виде, в котором мы его сейчас представляем.

Но ее использовали не только как топливо для освещения, но и в качестве строительного материала: вязким гидрофобным веществом покрывали крыши и стены домов для защиты от ветра и дождя.

Нефть даже нашла применение в древней медицине: считалось, что она помогает от простудных заболеваний, а отец медицины Гиппократ описал множество лекарств на основе нефти. В Древнем Египте ее широко применяли в бальзамировании тел, а шумеры использовали в качестве мази для суставов.

Применение нефти также нашли в Индии и Китае. Один из бассейнов, построенных в Индии, имел асфальтеновое покрытие, которое не давало воде уйти в землю. Именно в Китае был построен первый аналог нефтепроводов и нефтедобывающих скважин на основе бамбука, а нефть использовали в качестве топлива для выпаривания соли.

Так с давних времен нефть нашла основные способы применения, которые актуальны и сегодня. Конечно, сырую нефть напрямую не используют – из нее ничего не строят, не сжигают просто так и не лечатся ей. Но мы используем асфальтеновую фракцию для покрытия дорог, гудрон – для защиты крыш домов от непогоды, а выделяя из нефти отдельные компоненты, изготавливаем лекарства. Ездим на транспорте, который использует бензин и газ, летаем на самолетах с керосином. Производим пластик, графит для атомной промышленности, моющие средства, технические масла, свечи и многое другое.

С чего же началась нефтепереработка? И когда нефть стала ключевым энергоресурсом для современного человека?

Все началось с ее добычи. Конечно, переработка и добыча – это разные отрасли, но тесно связанные между собой. Даже решения о способах и методах добычи, которые принимают на месторождениях, зависят от того, как в дальнейшем нефть будет доставляться на завод и какие процессы переработки будет проходить. Процессы переработки, в свою очередь, зависят от качественного состава нефти: много ли соединений серы, кислорода, какое пропорциональное соотношение легких и тяжелых фракций и т. д.

Первая нефтяная скважина в мире была открыта на Биби-Эйбатском месторождении вблизи Баку в 1848 году. Однако нефти она не дала. Причина отсутствия нефти заключалась в неблагоприятных геологических условиях. Государство отказалось финансировать бурение следующих скважин.

В 1859 году Эдвин Дрейк (США) пробурил скважину в Пенсильвании, которая дала «фонтан» нефти. С этим событием связывают начало современной нефтяной промышленности.

Так вот, началом нефтяной эпохи можно считать вторую половину XIX века. В России это связано с социально-экономическими реформами Александра II, способствовавшими развитию новой отрасли экономики. И здесь следует отдать должное деятельности гвардии полковника Ардалиона Новосильцева. Весной 1864 года благодаря особому правительственному указу полковник Новосильцев получил монопольные права до 1 мая 1872 года на поиск и добычу нефти на весьма значительной территории Кубанской области: от берегов Черного и Азовского морей до меридиана города Екатеринодара.

После полного провала приглашенной им американской буровой бригады, безуспешно бурившей в течение 1864 года «сухие» скважины, Ардалион Новосильцев обращается к опыту отечественных специалистов. По рекомендации горного инженера Фридриха Кокшуля было принято решение о сосредоточении разведки на нефть в районе притоков Кубани – рек Кудако и Псиф. Руководителем буровых работ был назначен механик Владимир Петерс, опытный бурильщик артезианских колодцев. Его помощником стал Карл Сикорский, имевший квалификацию слесаря.

В августе 1865 года на левом берегу реки Кудако начались работы с использованием механического ударного бурения с приводом от парового локомобиля и с креплением стенок скважин металлическими обсадными трубами. Вначале ход буровых работ не внушал оптимизма. Однако все изменилось 15 февраля (3 февраля по старому стилю) 1866 года, когда из скважины № 1 с глубины 123,5 фута (37,6 метра) ударил первый в России нефтяной фонтан.

В 1873 году, в период очередного нефтяного кризиса (цена на пуд нефти упала с 45 до 2–3 копеек), на Кавказ приехал представитель младшей ветви известного рода Нобелей – Роберт Нобель. Через пять лет братья Роберт и Людвиг Нобели владели семью из 301 общероссийской скважины, нефтеносными участками, нефтепроводом и первым в мире металлическим танкером.

Товариществу принадлежало 150 предприятий по сбыту продукции из нефти. В Бакинском регионе находилось много больших месторождений с относительно легко извлекаемыми запасами, но транспортировка нефти до рынков сбыта была трудной и дорогой. Братья Нобели и семейство Ротшильдов сыграли ключевую роль в развитии нефтяной промышленности в Баку, бывшем в то время частью Российской империи. Нефтяная промышленность получила стремительное развитие. На рубеже веков на долю России приходилось более 30 % мировой нефтедобычи.

Компания «Шелл Транспорт и Трейдинг», позже ставшая частью «Роял Датч/Шелл», начала свой бизнес с перевозок нефти, добываемой Ротшильдами, в Западную Европу. С 1877 года Бакинская нефтяная промышленность встала на твердую почву. Уже в 1879 году насчитывалось 126 отдельных фирм и предпринимателей, которые добывали нефть на площади в 411 десятин (казенных земель было 259 десятин, а частновладельческих – 152).

После революции для отрасли начался новый период развития. В связи с изменениями политической ситуации и взглядов произошли изменения и в топливно-энергетическом комплексе.

Революционные события, которые происходили в стране в начале прошлого века, привели к кризису во всех отраслях экономики. Не стала исключением и добыча углеводородного сырья. Государственный переворот привел к оттоку зарубежных инвестиций и сокращению объема добычи нефти сразу в несколько раз. Проблемы были связаны и с тем, что значительное количество рабочих отрасли стали участниками революционных процессов. Лишь в двадцатых годах, после стабилизации государственной политической системы, развитие добычи и переработки черного золота начало постепенно возвращаться в прежнее русло.

После Первой мировой войны и Гражданской войны произошел спад в нефтедобыче и снизилось производство нефтепродуктов. В конце 1920 года перед правительством СССР стояла задача не только возобновить старые производства, но и разработать новые нефтеносные месторождения.

В 1921–1930 годы огромную роль в развитии нефтяной промышленности в СССР сыграли иностранные компании (английская «Бритиш Петролеум», американские «Стандарт Ойл» и «Барнсдалл», итало-бельгийские, японские, немецкие и др.) и привнесенные ими передовые технологии и оборудование.

В 1938 году нефтяные промыслы Азербайджана давали до 70 % всей добычи нефти в СССР, при этом 83 % всей нефти в республике добывалось на открытых в советский период новых площадях и на новых горизонтах старых площадей.

В 1940 и 1941 годах были достигнуты максимальные уровни добычи за весь более чем столетний период освоения Бакинского нефтяного района – 22,175 и 23,481 млн тонн нефти соответственно. Значительно изменилась и география нефтяной индустрии. Старые месторождения вышли на более глубокие уровни, появились новые мощные буровые установки, начал внедряться прогрессивный турбинный способ бурения и метод наклонно-направленного бурения.

В 1965 году на долю Азербайджана приходилось около 11 % добычи нефти и 46 % производства оборудования для нефтяной промышленности. К середине 70-х годов здесь выпускалось уже более трети всего производимого в СССР нефтепромыслового оборудования, в том числе 70 % техники для добычи нефти. К этому периоду нефтяная промышленность Азербайджана с момента своего возникновения добыла около 900 млн тонн нефти, из них 74 % – за советский период. Основную часть этой нефти дали старейшие промыслы: Раманинский, Сабунчинский, Сураханский, Бинагадинский, Биби-Эйбатский. В дальнейшем с середины 60-х годов на первый план вышли новые месторождения суши и моря (Бакинского и Апшеронского архипелагов), на которых стала применяться современная технология добычи нефти.

«Второй Баку». Сверхинтенсивная эксплуатация и постепенное истощение Бакинского нефтяного района стимулировало поиски новых нефтеносных месторождений на территории бывшего СССР. В конце 20-х – начале 30-х годов началось освоение Волго-Уральского нефтяного региона, получившего название «Второй Баку». В 1929 году были обнаружены первые нефтяные месторождения в Приуралье – у села Верхнечусовские Городки.

В 1932 году было открыто крупнейшее месторождение в Башкирии – Ишимбайский нефтяной промысел, а в 1937 году – Туймазинское месторождение. Нефтяная промышленность Башкирии стала базироваться в двух быстро развивавшихся нефтеносных районах. В первый период освоения башкирских месторождений (1932–1945) было получено 12 млн тонн нефти, в конце второго (1946–1967) – 47,8 млн тонн. В 1943–1948 годах в соседней Татарии были открыты еще более крупные скопления УВ – мощный фонтан Бавлинского месторождения, который давал более 500 тонн нефти в сутки. В 1948 году открыто крупнейшее Ромашкинское месторождение. С середины 50-х годов обнаруживаются значительные запасы нефти в Среднем Поволжье. Куйбышевская область с 1959 года занимает третье место среди нефтедобывающих районов страны. Крупные залежи нефти были обнаружены и в Оренбургской области – в предгорьях Урала, которые интенсивно разрабатывались в 50-е и 60-е годы. В 1965 году 72 % всей советской нефти давали все районы «Второго Баку» – это Башкирия, Татарстан и Куйбышевская область. Благодаря чему в конце 50-х годов СССР перешел на второе место в мировой добыче нефти после США и нарушил монополию крупнейших нефтяных компаний.

«Третий Баку». В середине 1960-х годов появились первые признаки истощения Волго-Уральских месторождений. Нефтяники были вынуждены обратиться к Западно-Сибирскому региону. Первая нефть в его пределах была обнаружена в сентябре 1959 года возле села Шаим Ханты-Мансийского национального округа Тюменской области. В марте 1961 года Сургутская нефтеразведочная экспедиция под руководством геолога Ф. Салманова открыла Мегионское месторождение нефти в 700 километрах от Шаима. Позднее – в 1963–1965 годах – в этом же нефтяном районе Ф. Салмановым было открыто гигантское месторождение – Самотлорское, за десять лет (1969–1979) давшее один млрд тонн нефти. В 1978 году Западная Сибирь давала уже 44 % добываемой в СССР нефти. Открытие этих месторождений создало предпосылки для развития Ханты-Мансийского, Ямало-Ненецкого округов Тюменской области, а также северных районов Томской области. Доля добычи нефти по группам районов СССР в период с 1913 по 1975 год представлена в таблице 1.

Таблица 1. Доля добычи нефти по группам районов СССР

Экономический кризис в период развала Советского Союза вызвал резкое падение добычи и спроса на нефть внутри страны: в 80-е годы объем добычи составлял 550–570 млн тонн в год, а в годы реформ упал до 303–305 млн тонн в год, т. е. в 1,8–1,9 раза.

Но из-за того, что экспортные мощности были все еще ограниченными, компаниям приходилось продавать большую долю нефти некредитоспособным потребителям на внутреннем рынке. Одновременно с этим произошло и падение производительности труда: в 1988 году на одного работника, занятого в нефтедобывающей промышленности, приходилось 4,3 тысячи тонн добытой нефти, а в 1998-м – 1,05 тысячи тонн.

На данный момент нефть все еще пользуется большим спросом, ее добыча продолжает увеличиваться, а цены динамично меняются. Так, к примеру, всего за пять лет добыча нефти увеличилась на 500 млн тонн в год, т. е. на более чем 10 %.

Что касается добычи других полезных ископаемых – газовая отрасль вынуждена адаптироваться к изменяющимся условиям на региональных рынках, усилению конкуренции и технологическим ограничениям в развитии новых проектов СПГ; открываются и новые сланцевые и шельфовые месторождения. А в нефтяной промышленности бурильщики находят новые технологии для извлечения сырья из недр земли; химики и инженеры разрабатывают новые технологии для эффективного прорабатывания нефти с более сложным составом.

Один из ключевых глобальных трендов современности – защита окружающей среды от технологических загрязнений. Поэтому к нефтегазовой отрасли предъявляются жесткие требования: минимизировать отходы от переработки нефти, способствовать снижению выбросов парниковых газов. Компании активно инвестируют в разработку и внедрение технологий использования возобновляемых источников энергии для работы буровых установок, применение технологий улавливания и хранения углерода, а также повышение энергоэффективности производства.

В нефтегазовой отрасли широко внедряются технологии интернета вещей, Big Data и искусственного интеллекта, позволяющие повысить точность бурения, предотвратить производственные аварии и снизить операционные расходы. Автоматизированное оборудование и роботы все чаще используются для выполнения опасных и рутинных задач, что повышает безопасность труда, сокращает время на выполнение работ и уменьшает вероятность влияния человеческого фактора.