Уже в первом десятилетии 20-го 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, позволяющая судить не только о поверхностном рельефе местности, но и о характере залегания горных пластов под ней.
Ключевые слова: углеводороды, разведка, эксплуатация, глубоководные и технологии. В этой работе представлен обзор глубоководных месторождений в мире, особенно тех, которые находятся в эксплуатации. Ключевые слова: углеводороды, разведка, бурение, глубоководные и технологии.
Эта статья предлагает краткую экспозицию глубоководных полей в мире. Не стремясь охватить все аспекты этого сегмента нефтяной промышленности, он исследует новые разведочные бассейны и особенно действующие месторождения. Наша гипотеза заключается в том, что перфорации в частности эксплуатации в глубоких морях получили такой значительный импульс в текущем росте цен, которые можно было бы утверждать, чтобы быть сопутствующими явлениями.
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 чтобы повысить цену земли. Например, на глазах у покупателя из скважины начинали качать нефть, маслянистые пятна встречались по всей территории… И лишь опытный взгляд специалиста мог определить, что эти пятна сделаны специально, а нефть в скважину налита накануне.
Одна из целей наших исследований - выявить хотя бы некоторые из нововведений, которые были сделаны во время нынешнего бума, особенно те, которые направлены на сокращение цикла между открытием и вводом в эксплуатацию глубоких месторождений. Некоторые технологические достижения будут применены к месторождениям в Мексике, с зловещими последствиями осаждения мексиканского производства.
Мы представляем этот документ, когда страна обсуждает энергетическую реформу, и мы намерены внести свой вклад в более обоснованные дебаты. Исследование представлено в 21 статистической таблице со списком открытых месторождений и разработок в глубоководных водах мира. В случае с Соединенными Штатами мы исключаем дезагрегированную информацию, поскольку в этой стране насчитывается более половины глубинных полей в мире; в том числе детали, дублируют длину нашего текста, следовательно, информация о нем обобщается.
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 страны 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. Так было установлено, что большое нефтяное месторождение находится под (в буквальном смысле) Парижем – столицей Франции.
Некоторые соображения относительно критериев поиска информации. В нефтяной промышленности нет международной конвенции для определения того, что должно быть понято глубокими полями. В Соединенных Штатах, где эти виды деятельности были начаты, глубоководные называют 1000-футовыми слоями, или около 300 метров.
После устранения вопроса о определениях наши статистические таблицы в этом тексте включали только поля с глубиной более 500 метров. Количество доказанных запасов или другие оценки потенциала всегда были предметом бесконечных вопросов. При рассмотрении статистических таблиц о запасах в мире вывод заключается в том, что, за немногими исключениями, открытия и начало глубоких полевых операций, по крайней мере, до сих пор не повлияли на мировую статистику; то есть увеличение доказанных запасов глубоководных вод было незначительным.
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 романтичная, но и очень сложная. 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 есть исключения. В двух или трех странах на западном побережье Африки одно из полей в Малайзии, другое в Норвегии, не вызывает сомнений в том, что глубокие воды предлагают важные открытия, даже гигантские и удивительно сверхгигантные поля, поскольку они, как представляется, недавно были обнаружены в Бразилии. В связи с интересом вышесказанного, в нынешней ситуации с проблемами снабжения в этих случаях мы отметим соответствующие данные.
Граф включал всю вселенную: девять бассейнов: Мексиканский залив, Бразилию и бассейн дельты Нигера на побережье Западной Африки, западное побережье Австралии, юг Китая, побережья Японии и Индии; Средиземноморье и Атлантический край против Норвегии и северной Шотландии. Поля распределены в 22 странах, включая Мексику.
Но такая работа очень нужна. Ведь на основании собранных данных, по результатам последующей камеральной обработки, геологи составляют геологическую карту, на которой отмечаются все возможные 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.
Министерство энергетики США объяснило, что, хотя исследования и оценки начались в начале 1990-х годов, и было сделано несколько открытий, эксплуатация была отложена из-за высоких издержек, связанных с глубоководной эксплуатацией. Баррелей сырой нефти ежедневно. Ангола, похоже, была страной, где крупные нефтяные компании разработали лучшие и самые многочисленные проекты. Возможно, эти крупные компании нашли политические условия менее неблагоприятными, чем в Нигерии, и, возможно, геология более великолепна.
Было обнаружено три гигантских поля: подсолнечник; производство Сакса и Батука семь лет назад, которые едва вступили в строй в августе. Количество глубоких полей у берегов этой нации уже составляет почти 30, а эксплуатируемых больше, чем в Бразилии. Не менее важны технические инновации, которые развиваются перед этим сегментом африканских побережий.
«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.
Первые три глубоководных месторождения были пробурены во второй половине 1990-х годов, и все они начали свою деятельность в следующем году. Как мы можем объяснить эту остроту, которую мы не нашли ни в одном другом случае в те годы? У нас есть только неполная и разбросанная информация.
Возможно, это отложило развитие деятельности у берегов этой страны. Было обнаружено два новых поля, последнее из которых было опубликовано в июне. В этой стране мы также находим глубокие морские поля, которые, несмотря на то, что были обнаружены с 1990-х годов, практически не начали операции. Ожидается, что производство вырастет до 90 000 баррелей в день, преувеличенная цифра, учитывая скромный объем запасов, оцененный для двух месторождений, теперь унифицированных для морской эксплуатации, 240 миллионов баррелей.
Какую пользу это может принести 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 корабля «союз-22». Встреча прошла успешно, но когда Макаров преподнес хозяевам свой подарок, прозвучал неожиданный вопрос:
Возможно, это страна, которая недавно была включена в гонку за освоение глубоких месторождений. Это небольшой депозит, который можно увидеть за его скромное производство в 15 тысяч баррелей в день. Как и в Мавритании, эта страна только начинает бурить и эксплуатировать свои глубокие поля.
Одно из исследований объясняет, что некоторые открытия газа были сделаны, когда нехватка рынка сжиженного газа препятствовала его развитию. В настоящее время ведется строительство оборудования для Эскдейла и Горгоны. В настоящее время он эксплуатирует более 20 скважин и производит 40 000 баррелей в день. В этой области была построена комбинированная система морских платформ с наземным оборудованием. Он включает в себя платформу с натянутыми ножками, двумя плавучими блоками и трубопроводами, которые ведут углеводороды к земле, к терминалу, называемому Сантан, где они обрабатываются.
Сколько стоит этот снимок?
Макаров удивился:
Нисколько. Это подарок.
Однако спрашивающий (это был один из 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:
Также в этой стране началось вторжение в глубокие воды. Через год были обнаружены расширения того же места. Проект состоит из 20 скважин и включает 20 других инжекторов. Глубоководные мероприятия в этой стране недавно. Перед островами Хоккайдо был открыт единственный лагерь; производственные испытания были успешными, но новые отверстия для разграничения депозита не удались.
Индия также начала деятельность в своих глубоких водах в Ха, открыла четыре месторождения, но никто не работает. Возможно, потому, что он испытывает проблемы, о чем сообщает международная нефтяная пресса. Вся продукция предназначена для Соединенного Королевства.
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 сделать.
«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 или нет? Чтобы «прощупать» недра получше, используют геофизические методы поиска полезных ископаемых.
Ормен Ланге не встречается в Северном море, а в северных водах побережья Норвегии, недалеко от Полярного круга. При температурах вблизи точки замерзания в производственных токах образуются гидраты; чтобы они не устанавливали то, что было сказано, это «самая большая антифризная система в мире». Но главной задачей, по-видимому, было строительство трубопровода, идущего от станции обработки, расположенной в Норвегии и на побережье Соединенного Королевства.
С первой половины 90-х годов эта страна открыла в своих глубоких водах свои первые поля в районах Атлантического края. После почти 15 лет никто из них не произвел. Наши исследования позволяют сделать вывод о том, что в Северном море не обнаружено ни одного поля на глубине 500 метров и более, только три глубоких поля расположены к северо-западу от Шотландии, недалеко от Фарерских островов.
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 ренгеновским просвечиванием человеческого тела, а точнее – с ультразвуковой диагностикой. В тело Земли запускают пучок колебаний и по отражению волн от слоев горной породы судят о геологическом строении данного района.
Сразу после развала социализма эта страна открыла свой сектор Адриатического моря международным тендерам. Само правительство заявило, что открытие не является коммерческим, оно никогда не может быть использовано. Первоначально считавшийся «невыгодным» из-за его отдаленного местоположения и ограниченного запаса, около 20 миллионов баррелей, он был разработан с горизонтальными перфорациями, филиалом, в котором итальянцы добились важных подводных разработок. В этой стране обнаружены три глубоких поля.
Ничего не работает. Недавно американская Благородная Энергия открыла поле, которое, по-видимому, является самым важным из этой нации - Мари-Б, с неглубокими и глубокими местами. Как уже предполагалось, в этой стране были построены системы эксплуатации, которые объединяют морские добывающие установки с оборудованием для обработки земли, а также включают месторождения и глубокие поля на мелководье. Таким образом, поля Сиена, Симиан, Скараб, в глубине и другие, мелкие, как Сапфир, относятся к проекту совместной разработки, очень близкому к Дельте Нила; расстояние между полями и газоперерабатывающими объектами, на суше, недалеко от Александрии, составляет 120 километров.
В настоящее время используется 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.
Эта страна является примером, аналогичным ситуации в Соединенных Штатах, вызванной нехваткой, десятилетие продвигалось в глубоководном бурении, и с начала 1990-х годов она смогла начать использовать свои месторождения, как видно из следующей таблицы, дело Марлима.
Мы подчеркиваем технологическую составляющую в результатах: три месторождения находятся в старом бассейне, где уже пробурено около 100 скважин, то есть оно является «повторным», с сейсмическими инструментами с лучшим разрешением, что позволило улучшить изображения, преодолевающие проблемы солевых тел в недрах.
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 и уходит в недра глубже – до новой поверхности раздела. И так до тех пор, пока окончательно не затухнут.
Он утверждает, что без вклада новых месторождений в упомянутой области неизбежно произойдет еще более резкое падение мексиканского производства. В этой области уже обнаружены общие запасы в 4 триллиона кубических футов в день. Десять в Бразилии, четыре в бассейне Нигера в Африке, один в Италии и один на Филиппинах. То есть эксплуатация нефти в глубоких морях, за исключением Соединенных Штатов и Бразилии, была редкостью. Большой толчок к глубоководной эксплуатации является следствием текущего роста цен на нефть.
Западная Африка, похоже, является местом величайшего динамизма открытий и новых эксплоатаций. Только в Анголе сейчас 30 глубоких полей, меньшее число, но их можно сравнить с Бразилией, которая имеет 38 глубоких полей. Проблема восстановления цен - это особый вопрос, который требует специального анализа, мы не знаем, в какой мере в нем вмешиваются предложения и политические проблемы, что является фактом, что в отрасли возникает новая отрасль или специальность нефтяной промышленности.
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 в практике сейсморазведочных работ и другие способы.
Раньше в качестве источника упругих колебаний чаще всего использовали взрывы. Теперь их стали заменять вибраторами.
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.
Гравиметрический метод основан на изучении измене7ния 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 устанавливает 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.
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 – магнитомерами. 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 и по сей день. Собственно, это разновидность магнитной разведки с той лишь разницей, что фиксируется 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 велико. 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 применяться еще один 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.
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 МГД-установки была проверена в конце 70-х годов в Таджикистане. Тогда в районе хребта Петра 1 ученые провели первые опыты по МГД-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 определить наличие нефтегазоносных слоев, но и четко оконтуривать месторождения. А ведь обычно для этого приходится бурить несколько дорогостоящих скважин.
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.
Цель нефтеразведки – выявление, геолого-экономическая оценка и подготовка к разработке залежей нефти. Нефтеразведка производится с помощью геологических, геофизических, геохимических и буровых работ в рациональном сочетании и последовательности.
На первой стадии поискового этапа в бассейнах с не установленной нефтегазоносностью либо для изучения слабо исследованных тектонических зон или нижних структурных этажей в бассейнах с установленной нефтегазоносностью проводятся региональные работы. Для этого осуществляются аэромагнитная, геологическая и гравиметрическая съемки, геохимические исследования вод и пород, профильное пересечение территории электро- и сейсморазведкой, бурение опорных и параметрических скважин. В результате устанавливаются районы для дальнейших поисковых работ.
На второй стадии производится более детальное изучение нефтегазоносных зон путем детальной гравиразведки, структурно-геологической съемки, электро- и сейсморазведки, структурного бурения.
Производится сравнение снимков масштабов 1:100.000 – 1:25.000. уточняется оценка прогнозов нефтегазоносности, а для структур с доказанной нефтегазоносностью, подсчитываются перспективные запасы.
На третьей стадии производится бурение поисковых скважин с целью открытий месторождений. Первые поисковые скважины бурятся на максимальную глубину. Обычно первым разведуется верхний этаж, а затем более глубокие. В результате дается предварительная оценка запасов.
Разведывательный этап – завершающий в геологоразведочном процессе. Основная цель – подготовка к разработке. В процессе разведки должны быть оконтурены залежи, определены литологический состав, мощность, нефтегазонасыщенность. По завершению разведочных работ подсчитываются запасы и даются рекомендации о вводе месторождения в разработку. Эффективность поиска зависит от коэффициента открытий месторождений – отношением числа продуктивных площадей к общему числу разбуренных поисковым бурением площадей.
Добыча нефти
Почти вся добываемая в мире нефть, извлекается посредством буровых скважин, закрепленных стальными трубами высокого давления. Для подъема нефти и сопутствующих ей газа и воды на поверхность скважина имеет герметичную систему подъемных труб, механизмов и арматуры, рассчитанную на работу с давлениями, соизмеримыми с пластовыми. Добыче нефти при помощи буровых скважин предшествовали примитивные способы: сбор ее на поверхности водоемов, обработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью, посредством колодцев.
Сбор нефти с поверхности водоемов – это, очевидно, первый по времени появления способ добычи, который до нашей эры применялся в Мидии, Вавилонии и Сирии. Сбор нефти в России, с поверхности реки Ухты начатФ.С. Прядуновым в 1745 г. В 1858 на полуострове Челекен нефть собирали в канавах, по которым вода стекала из озера. В канаве делали запруду из досок с проходом воды в нижней части: нефть накапливалась на поверхности.
Разработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью , и извлечение из него нефти, впервые описаны итальянским ученым
Ф. Ариосто в 15 веке. Недалеко от Модены в Италии такие нефтесодержащие грунты измельчались и подогревались в котлах. Затем нефть выжимали в мешках при помощи пресса. В 1833 –1845 г.г. нефть добывали из песка на берегу Азовского моря. Песок помещали в ямы с покатым дном и поливали водой. Вымытую из песка нефть собирали с поверхности воды пучками травы.
Добыча нефти из колодцев производилась в Киссии, древней области между Ассирией и Мидией в 5 веке до нашей эры при помощи коромысла, к которому привязывалось кожаное ведро. Подробное описание колодезной добычи нефти в Баку дал немецкий натуралистЭ. Кемпфер . Глубина колодцев достигала 27 м, их стенки обкладывались камнем или укреплялись деревом.
Добыча нефти посредством скважин начала широко применяться с 60-х г. 19 века. Вначале наряду с открытыми фонтанами и сбором нефти в вырытые рядом со скважинами земляные амбары добыча нефти осуществлялась также с помощью цилиндрических ведер с клапаном в днище. Из механизированных способов эксплуатации впервые в 1865 в США была внедренаглубоконасосная эксплуатация , которую в 1874 г применили на нефтепромыслах в Грузии, в 1876 в Баку. В 1886 гВ.Г. Шухов предложилкомпрессорную добычу нефти , которая была испытана в Баку в 1897г. Более совершенный способ подъема нефти из скважины –газлифт – предложил в 1914 гМ.М. Тихвинский .
Процесс добычи нефти, начиная от притока ее по пласту к забоям скважин и до внешней перекачки товарной нефти с промысла, можно разделить условно на 3 этапа.
ü Движение нефти по пласту к скважинам благодаря искусственно создаваемой разности давлений в пласте и на забоях скважин.
ü Движение нефти от забоев скважин до их устьев на поверхности – эксплуатация нефтяных скважин.
ü Сбор нефти и сопровождающих ее газа и воды на поверхности, их разделение, удаление минеральных солей из нефти, обработка пластовой воды, сбор попутного нефтяного газа.
Под разработкой нефтяного месторождения понимается осуществление процесса перемещения жидкостей и газа в пластах к эксплуатационным скважинам. Управление процессом движения жидкостей и газа достигается размещением на месторождении нефтяных, нагнетательных и контрольных скважин, количеством и порядком ввода их в эксплуатацию, режимом работы скважин и балансом пластовой энергии. Принятая для конкретной залежи система разработки предопределяет технико-экономические показатели. Перед забуриванием залежи проводят проектирование системы разработки. На основании данных разведки и пробной эксплуатации устанавливают условия, при которых будет протекать эксплуатация: ее геологическое строение, коллекторские свойства пород (пористость, проницаемость, степень неоднородности), физические свойства жидкостей в пласте (вязкость, плотность), насыщенность пород нефти водой и газом, пластовые давления. Базируясь на этих данных, производят экономическую оценку системы, и выбирают оптимальную.
При глубоком залегании пластов для повышения нефтеотдачи в ряде случаев успешно применяется нагнетание в пласт газа с высоким давлением.
Извлечение нефти из скважин производится либо за счет естественного фонтанирования под действием пластовой энергии, либо путем использования одного из нескольких механизированных способов подъема жидкости. Обычно в начальной стадии разработки действует фонтанная добыча, а по мере ослабления фонтанирования скважину переводят на механизированный способ: газлифтный или эрлифтный, глубинонасосный (с помощью штанговых, гидропоршневых и винтовых насосов).
Газлифтный способ вносит существенные дополнения в обычную технологическую схему промысла, так как при нем необходима газлифтная компрессорная станция с газораспределителем и газосборными трубопроводами.
Нефтяным промыслом называется технологический комплекс, состоящий из скважин, трубопроводов, и установок различного назначения, с помощью которых на месторождении осуществляют извлечение нефти из недр Земли.
На месторождениях, разрабатываемых с помощью искусственного заводнения, сооружают систему водоснабжения с насосными станциями. Воду берут из естественных водоемов с помощью водозаборных сооружений.
В процессе добычи нефти важное место занимает внутрипромысловый транспорт продукции скважин, осуществляемый по трубопроводам. Применяются 2 системы внутрипромыслового транспорта: напорные и самотечные. При напорных системах достаточно собственного давления на устье скважин. При самотечных движение происходит за счет превышения отметки устья скважины над пометкой группового сборного пункта.
При разработке нефтяных месторождений, приуроченных к континентальным шельфам, создаются морские нефтепромыслы.
Очистка нефти
Первый завод по очистке нефти был построен в России в 1745 г., в период правления Елизаветы Петровны, на Ухтинском нефтяном промысле. В Петербурге и в Москве тогда пользовались свечами, а в малых городах – лучинами. Но уже тогда во многих церквях горели неугасаемые лампады. В них наливалось гарное масло, которое было не чем иным, как смесью очищенной нефти с растительным маслом. Купец Набатов был единственным поставщиком очищенной нефти для соборов и монастырей.
В конце XVIII столетия была изобретена лампа. С появлением ламп возрос спрос на керосин.
Очистка нефти – удаление из нефтепродуктов нежелательных компонентов, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства топлив и масел.
Химическая очистка производится путем воздействия различных реагентов на удаляемые компоненты очищаемых продуктов. Наиболее простым способом является очистка 92-92% серной кислотой и олеумом, применяемая для удаления непредельных и ароматических углеводородов.
Физико-химическая очистка производится с помощью растворителей, избирательно удаляющих нежелательные компоненты из очищаемого продукта. Неполярные растворители (пропан и бутан) используются для удаления из остатков переработки нефти (гудронов), ароматических углеводородов (процесс деасфальтации). Полярные растворители (фенол и др.) применяются для удаления полициклических ароматических углеродов с короткими боковыми цепями, сернистых и азотистых соединений из масляных дистиллятов.
При адсорбционной очистке из нефтепродуктов удаляются непредельные углеводороды, смолы, кислоты и др. адсорбционную очистку осуществляют при контактировании нагретого воздуха с адсорбентами или фильтрацией продукта через зерна адсорбента.
Каталитическая очистка – гидрогенизация в мягких условиях, применяемая для удаления сернистых и азотистых соединений.
Перегонка нефти
Братья Дубинины впервые создали устройство для перегонки нефти. С 1823 г. Дубинины стали вывозить фотоген (керосин) многими тысячами пудов из Моздока внутрь России. Завод Дубининых был очень прост: котел в печке, из котла идет труба через бочку с водой в пустую бочку. Бочка с водой – холодильник, пустая – приемник для керосина.
В Америке впервые опыты по перегонке нефти осуществил в 1833 г. Силлиман.
На современном заводе вместо котла устраивается ложная трубчатая печь. Вместо трубки для конденсации и разделения паров сооружаются огромные ректификационные колонны. А для приёма продуктов перегонки выстраиваются целые городки резервуаров.
Нефть состоит из смеси различных веществ (главным образом углеводородов) и потому не имеет определённой точки кипения. На трубчатках нефть подогревают до 300-325 о. При такой температуре более летучие вещества нефти превращаются в пар.
Печи на нефтеперегонных заводах особые. С виду они похожи на дома без окон. Выкладываются печи из лучшего огнеупорного кирпича. Внутри, вдоль и поперёк, тянутся трубы. Длина труб в печах достигает километра.
Когда завод работает, по этим трубам с большой скоростью – до двух метров в секунду – движется нефть. В это время из мощной форсунки в печь устремляется пламя. Длина языков пламени достигает нескольких метров.
При температуре 300-325 о нефть перегоняется не полностью. Если температуру перегонки увеличить, углеводороды начинают разлагаться.
Нефтяники нашли способ перегонки нефти без разложения углеводородов.
Вода кипит при 100 о тогда, когда давление равно атмосфере, или 760 мм. рт. ст. Но она может кипеть, например, и при 60 о. Для этого надо лишь понизить давление. При давлении в 150 мм термометр покажет всего 60 о.
Чем меньше давление, тем скорее закипает вода. То же самое происходит с нефтью. Многие углеводороды в условиях атмосферного давления кипят только при 500 о. Следовательно, при 325 о эти углеводороды не кипят.
А если снизить давление, то они закипят и при более низкой температуре.
На этом законе основана перегонка в вакууме, т. е. при пониженном давлении. На современных заводах нефть перегоняется или под атмосферным давлением, или под вакуумом, чаще всего заводы состоят из двух частей – атмосферной и вакуумной. Такие заводы так и называются атмосферно-вакуумные. На этих заводах получаются одновременно все продукты: бензин, лигроин, керосин, газойль, смазочные масла и нефтяной битум. Неиспарившихся частей при такой перегонки остаётся гораздо меньше, чем при атмосферной.
Дружнее происходит испарение нефти, когда в установку вводится пар.
Сложна и интересна работа ректификационной колонны. В этой колонне происходит не только разделение веществ по их температурам кипения, но одновременно производится дополнительное многократное кипячение конденсирующейся жидкости.
Колонны делаются очень высокими – до 40 м. Внутри они разделяются горизонтальными перегородками – тарелками – с отверстиями. Над отверстиями устанавливаются колпачки.
Смесь углеводородных паров из печи поступает в нижнюю часть колонны.
Навстречу неиспарившемуся остатку нефти снизу колонны подаётся перегретый пар. Этот пар прогревает неиспарившийся остаток и увлекает с собой все лёгкие углеводороды вверх колонны. В нижнюю часть колонны стекает освобождённый от лёгких углеводородов тяжёлый остаток – мазут, а пары одолевают тарелку за тарелкой, стремясь к верху колонны.
Сначала превращаются в жидкость пары с высокими температурами кипения. Это будет соляровая фракция, которая кипит при температуре выше 300 о. Жидкий соляр заливает тарелку до отверстий. Парам, идущим из печи, теперь приходится пробулькивать через слой соляра.
Температура паров выше температуры соляра, и соляр снова кипит.
Углеводороды, кипящие при температуре ниже 300 о, отрываются от него и летят вверх колонны, на секцию керосиновых тарелок.
В соляре, выходящем из колонны, поэтому нет бензина или керосина.
В колоннах бывает 30-40 тарелок, разделённых на секции. Через все тарелки проходят пары, на каждой они пробулькивают через слой сконденсировавшихся паров и в промежутках между ними встречают падающие с верхней тарелки капли лишнего, не убравшегося на верхнюю тарелку конденсата.
Принципиальная технологическая схема установки для атмосферно-вакуумной перегонки нефти. Аппараты 1, 3 – атмосферные ректификационные колонны; 2 - печи для нагрева нефти и мазута; 4 - вакуумная ректификационная колонна; 5 – конденсаторы – холодильники; 6 – теплообменники.
Линии: I – нефть; II – легкий бензин; III – отбензиненая нефть; IV – тяжелый бензин; V – керосин и газойль; VI – водяной пар; VII – мазут; VIII – газы разложения;
IX – масляные фракции; Х – гудрон.
В колонне непрерывно идёт сложная, кропотливая работа. Углеводороды собираются в секциях по температурам кипения. Для каждой группы углеводородов в колонне имеются свои секции и свой выход.
Углеводороды сгруппируются в своей секции только тогда, когда в них не будет углеводородов других температур кипения.
Когда они соберутся вместе, они из колонны выходят в холодильник, а из холодильника – в приёмник.
Из самых верхних секций колонны идёт не бензин, а пары бензина, так как температура вверху колонны выше температуры легко кипящих частей бензина. Пары бензина идут сначала в конденсатор.
Здесь они превращаются в бензин, который направляется также в холодильник, а затем в приёмник.
Крекинг нефтепродуктов
Выход бензина из нефти можно значительно увеличить (до 65-70 %) путем расщепления углеводородов с длинной цепью, содержащихся, например, в мазуте, на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой. Такой процесс называется крекингом (от англ. Crack- расщеплять).
Крекингом называется процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле.
Крекинг изобрел русский инженер В.Г. Шухов в 1891 г. В 1913 г изобретениеШухова начали применять в Америке. В настоящее время в США 65% всех бензинов получается на крекинг - заводах.
Историческая справка . Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939). Строитель и механик, нефтяник и теплотехник, гидротехник и судостроитель, ученый и изобретатель. По проектам Шухова было построено более 500 стальных мостов. Шухов впервые предложил использовать вместо сложных шарниров простые соединения на заклепках. Чрезвычайно интересны работы Шухова по сооружению металлических сетчатых оболочек. Изобрел крекинг нефти. Нефтепроводы, по которым нефть перекачивается, также сделаны по его формулам. Резервуары для хранения нефти также его заслуга.
Наши нефтяники часто рассказывают о судебной тяжбе двух американских фирм. Около 25 лет назад американская фирма «Кросса» обратилась в суд с жалобой на то, что фирма «Даббса» присвоила себе ее изобретение – крекинг. Фирма «Кросса» требовала с другой большую сумму денег за «незаконное» использование изобретения. Суд встал на сторону «Кросса». Но на суде адвокат фирмы «Даббса» заявил, что крекинг изобретен не той и не другой фирмой, а русским инженером Шуховым .Шухов тогда был жив. Приехали к нему в Москву американцы и спросили, чем он может доказать, что крекинг изобретен им.Шухов вынул из стола документы, из которых было ясно, что свой крекингШухов запатентовал еще 35 лет назад до тяжбы этих двух фирм.
Аппаратура крекинг – заводов в основном та же, что и для перегонки нефти. Это – печи, колонны. Но режим переработки другой. Сырье тоже другое. Процесс расщепления ведется при более высоких температурах (до 600 0 С), часто при повышенном давлении. При таких температурах крупные молекулы углеводородов раздробляются на более мелкие.
Мазут густ и тяжел, его удельный вес близок к единице. Это потому, что он состоит из сложных и крупных молекул углеводородов. Когда мазут подвергается крекингу, часть составляющих его углеводородов распадаются на более мелкие, а из мелких углеводородов как раз и составляются легкие нефтяные продукты – бензин, керосин.
При крекинге нефть подвергается химическим изменениям. Меняется строение углеводородов. В аппаратах крекинг – заводов происходят сложные химические реакции. Эти реакции усиливаются, когда в аппаратуру вводят катализаторы.
Одним из таких катализаторов является специально обработанная глина. Эта глина в мелком раздробленном состоянии – в виде пыли – вводится в аппаратуру завода. Углеводороды, находящиеся в парообразном состоянии, соединяются с пылинками глины и раздробляются на их поверхности. Такой крекинг называется крекингом с пылевидным катализатором. Этот вид крекинга широко распространен.
Катализатор потом отделяется от углеводородов. Углеводороды идут своим путем на ректификацию и в холодильники, а катализатор – в свои резервуары, где его свойства восстанавливаются.
Процесс крекинга происходит с разрывом углеводородных цепей и образованием более простых предельных и непредельных углеводородов, например:
С 16 Н 34 С 8 Н 18 + С 8 Н 16
гексадекан октан октен
образовавшиеся вещества могут разлагаться далее:
С 8 Н 18 С 4 Н 10 + С 4 Н 8
октан бутан бутен
С 4 Н 10 С 2 Н 6 + С 2 Н 4
бутан этан этилен (этен)
Выделившийся в процессе крекинга этилен широко используется для производства полиэтилена и этилового спирта.
Расщепление молекул углеводородов протекает по радикальному механизму. Вначале образуются свободные радикалы:
СН 3 – (СН 2) 6 – СН 2:СН 2 – (СН 2) 6 – СН 3 t
T CН 3 – (СН 2) 6 – СН 2 . + . СН 2 – (СН 2) 6 – СН 3
Свободные радикалы химически очень активны и могут участвовать в различных реакциях. В процессе крекинга один из радикалов отщепляет атом водорода (а), а другой – присоединяет (б):
а) CН 3 – (СН 2) 6 – СН 2 . СН 3 – (СН 2) 5 – СН=СН 2 + Н О
б)CН 3 – (СН 2) 6 – СН 2 . + СН 3 – (СН 2) 6 – СН 3
Различают 2 вида крекинга: термический и каталитический.
Термический крекинг
Расщепление молекул углеводородов протекает при более высокой температуре (470-550 0 С). Процесс протекает медленно, образуются углеводороды с неразветвленной цепью атомов углерода.
В бензине, полученном в результате термического крекинга, наряду с предельными углеводородами, содержится много непредельных углеводородов. Поэтому этот бензин обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки.
В бензине термического крекинга содержится много непредельных углеводородов, которые легко окисляются и полимеризуются. Поэтому этот бензин менее устойчив при хранении. При его сгорании могут засориться различные части двигателя. Для устранения этого вредного действия к такому бензину добавляют окислители.
Каталитический крекинг
Расщепление молекул углеводородов протекает в присутствии катализаторов и при более низкой температуре (450-500 0 С).
Главное внимание уделяют бензину. Его стараются получить больше и обязательно лучшего качества. Каталитический крекинг появился именно в результате долголетней, упорной борьбы нефтяников за повышение качества бензина. По сравнению с термическим крекингом процесс протекает значительно быстрее, при этом происходит не только расщепление молекул углеводородов, но и их изомеризация, т.е. образуются углеводороды с разветвленной цепью атомов углеродов.
Бензин каталитического крекинга по сравнению с бензином термического крекинга обладает еще большей детонационной стойкостью , ибо в нем содержатся углеводороды с разветвленной цепью углеродных атомов.
В бензине каталитического крекинга непредельных углеводородов содержится меньше, и поэтому процессы окисления и полимеризации в нем не протекают. Такой бензин более устойчив при хранении.
Риформинг
Риформинг – (от англ. Reforming – переделывать, улучшать) промышленный процесс переработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью получения высококачественных бензинов и ароматических углеводородов. При этом молекулы углеводородов в основном не расщепляются, а преобразуются. Сырьем служит бензинолигроиновая фракция нефти.
До 30-х годов 20 века риформинг представлял собой разновидность термического крекинга и проводился при 540 0 С для получения бензина с октановым числом 70-72.
С 40-х годов риформинг – каталитический процесс, научные основы которого разработаны Н.Д. Зелинским, а также В.И. Каржевым, Б.Л.
Молдавским. Впервые этот процесс был осуществлен в 1940 г в США.
Его проводят в промышленной установке, имеющей нагревательную печь и не менее 3-4 реакторов при t 350-520 0 С, в присутствии различных катализаторов: платиновых и полиметаллических, содержащих платину, рений, иридий, германий и др. во избежание дезактивации катализатора продуктом уплотнения коксом, риформинг осуществляется под высоким давлением водорода, который циркулирует через нагревательную печь и реакторы. В результате риформинга бензиновых фракций нефти получают 80-85 % бензин с октановым числом 90-95, 1-2% водорода и остальное количество газообразных углеводородов. Из трубчатой печи под давлением нефть подается в реакционную камеру, где и находится катализатор, отсюда она идет в ректификационную колонну, где разделяется на продукты.
Большое значение имеет риформинг для производства ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола и др.). Ранее основным источником получения этих углеводородов была коксовая промышленность.
