Нефть – это природная смесь углеводородов с примесью сернистых, азотных и кислородных соединений и представляет собой маслянистую жидкость обычно черного или темно-коричневого, иногда красноватого, желтого цвета (редко–бесцветная). При солнечном освещении цвет нефти изменяется (нефть флюоресцирует) и приобретает то синеватый, то зеленоватый отлив. Нефти свойствен характерный запах. Удельный вес нефти 0,83–0,97. Очень редко встречается нефть, имеющая меньший удельный вес (до 0,7) и удельный вес, больший единицы.
Одним из важнейших физических свойств нефти является ее вязкость, влияющая на качество получаемых из нефти продуктов, особенно смазочных масел.
Температура кипения и застывания у различных сортов нефти и нефтепродуктов различна и колеблется от +30 …35 º до -11…-19 º , а некоторые сорта не застывают при самых сильных морозах (Сахалинская).
Легко застывающая нефть очень затрудняет ее перекачку и транспортировку по трубам, а застывающие нефтепродукты (топливо, масла) затрудняют эксплуатацию двигателей в условиях низких температур.
Нефть и топливные нефтепродукты занимают первое место среди других видов топлива по теплотворной способности. Нефтяное топливо очень удобно в использовании; подачу его в топки и двигатели легко механизировать; оно сгорает полностью и не образует золы.
Экономическая эффективность использования нефтяного топлива обусловлена не только его свойствами, но и относительной дешевизной, что объясняется сравнительно малой трудоемкостью процесса добычи нефти, которая в несколько раз ниже трудоемкости добычи угля.
Наиболее ценными видами топлива являются некоторые продукты переработки нефти – бензин, керосин, газойль, соляровое масло, причем все они используются в двигателях внутреннего сгорания, имеющих относительно высокий коэффициент полезного использования топлива. Получаемый при перегонке нефти мазут является высокоценным котельным топливом.
Нефть известна людям с древнейших времен, но ее применение очень долгое время было крайне ограничено. Расцвет нефтяной промышленности начался со времени появления и широкого применения двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе. Постоянно растущий спрос на нефтепродукты вызывал усиленные поиски нефти, совершенствование способов ее добычи, переработки и транспортировки. В результате изучения ее физических и химических свойств открылись широчайшие возможности использования нефти и продуктов ее переработки не только как .топлива, но и как ценнейшего сырья для химической промышленности, для производства сотен и тысяч веществ с самыми различными свойствами.
Из нефти и ее продуктов в настоящее время кроме топливной группы (бензина, керосина и др.) и смазочных масел получают также парафин, нафталин, вазелин, вещества для пропитки древесины от гниения, дезинфицирующие вещества, сажу для резиновой промышленности и для изготовления типографской краски, красители для текстильной промышленности, взрывчатые вещества, фармацевтические препараты, душистые вещества, смолы, которые в свою очередь служат исходным материалом для производства различных пластмасс, фотопленок, синтетического волокна и т. д. Из нефтепродуктов получают жирные кислоты, которые в производстве мыла заменяют натуральные жиры, получают также спирты, синтетический каучук, асфальт и др.
Нефть представляет собой сложную смесь различных химических соединений. Она состоит из 84-85% углерода и 12-15% водорода. Углерод и водород образуют в нефти многочисленные соединения–углеводороды. В незначительном количестве нефть содержит и другие элементы, например, кислород, азот, серу, образующие ряд сложных соединений.
Условия залегания нефти и бурение скважин
В благоприятных условиях нефть скапливается в соответствующих горных породах (коллекторах), отличающихся трещиноватостью или пористостью и способных вмещать огромные ее количества. Единичное скопление нефти в коллекторе называют залежью нефти, а их совокупность в каком-либо участке земной коры образует нефтяное месторождение. По трещинам и порам горных пород нефть может перемещаться, что создает возможность ее притока к местам добычи.
Нефть добывают из скважин – узких отверстий, пробуренных в горных породах до нефтеносного пласта.
Для прохождения скважины вращательным (роторным) бурением, строят специальные буровые вышки (рис. 6.1). На вышке устанавливают двигатель, сообщающий вращательное движение ротору – тяжелому стальному диску с квадратным отверстием в центре.
Рис. 6.1. Схема установки для вращательного бурения
1 – стальные обсадные трубы: 2 – лебедка: 3 – двигатель лебедки; 4 – вертлюг: 5 – талевый канат; 6 – талевый блок; 7 – крюк; 8 – гибкий шланг; 9 – ведущая труба (квадрат); 10 – ротор; 11 – вышка; 12 – буровой насос; 13 – двигатель насоса; 14 – приемный чан; 15 – бурильные замки (соединения бурильных труб); 16 – бурильные трубы; 17 – цементная оболочка вокруг обсадных труб; 18 – турбобур (при роторном бурении он не устанавливается); 19 – шарошка.
Ротор вращает пропущенную через квадратное отверстие такого же сечения трубу, подвешенную одним концом на вертлюге. Вертлюг висит на крюке, прикрепленном к стальному канату, пропущенному через талевую систему блоков (подъемный механизм). Ротор вращает подвешенную бурильную трубу, на нижнем конце которой укреплен буровой инструмент – долото, шарошка, коронка (рис. 6.2) – диаметром, несколько превышающим диаметр бурильной трубы. Буровой инструмент изготовляют из особо твердых сталей и сплавов. Для бурения очень твердых пород используют также алмазные насадки.
Рис. 6.2. Бурильные инструменты
1 – коронка; 2 – долото; 3 – шарошка
По мере прохождения скважины ее укрепляют, опуская в неё обсадные трубы, которые тоже постепенно наращивают.
Разрушаемую в процессе бурения породу извлекают на поверхность нагнетанием в скважину через колонну бурильных труб под давлением специального глинистого раствора. Омывая буровой инструмент, глинистый раствор поднимается на поверхность, проходя между колонной бурильных труб и стенками скважины. Постоянно циркулируя, глинистый раствор охлаждает буровой инструмент, который при работе (особенно в твердых породах) сильно нагревается, и одновременно смачивает дно скважины и размягчает породы, облегчая тем самым бурение. Затем, поднимаясь вверх, глинистый раствор увлекает с собой со дна скважины частицы разрушенной породы и выносит их на поверхность. Соприкасаясь со стенками скважины и проникая в ее поры, он отлагает на них слой глины, покрывает их как бы слоем штукатурки, что способствует их укреплению.
При бурении в твердых породах вместо глинистого раствора можно применять чистую воду.
Техника роторного бурения позволила проходить скважины глубиной в сотни и даже тысячи метров. Однако с нарастанием глубины скважин все более проявляется весьма существенный недостаток этого способа – вращающаяся колонна бурильных труб с углублением скважины становится все тяжелее и требует больших усилий для ее вращения. При этом значительная часть мощности двигателя расходуется не на вращение собственно бурового инструмента, а на вращение тяжелой колонны труб. Чтобы трубы не обрывались, необходимо их выполнять из очень прочного металла.
Широко применяется относительно новый метод бурения скважин, состоящий в том, что двигатель непосредственно соединен с буровым инструментом и опущен в скважину. В качестве двигателя применена малогабаритная многоступенчатая турбина, приводимая в движение глинистым раствором. Новая буровая машина получила название турбобура. При этом способе бурения колонна бурильных труб, опускаемая в скважину, не вращается, она только поддерживает турбобур и осуществляет поступательные движения его вниз и вверх по скважине. Следовательно, бурильные трубы могут быть менее прочными и более легкими.
Применяется также электробур, в котором вместо турбины с буровым инструментом непосредственно опускается в скважину особой конструкции электромотор. Электроэнергия к нему подается по проводникам, вмонтированным в разборную колонну бурильных труб.
Способы бурения при помощи турбобура и электробура, позволяющие проходить скважины глубиной до 5 тыс. м и более, уже широко применяются в нефтяной промышленности. Они высоко оценены и применяются также в зарубежных странах.
В настоящее время большую актуальность приобретает задача сверхглубокого бурения, так как, по новейшим представлениям нефтяной геологии, на глубинах от 5 до 10 тыс. м концентрируются наиболее значительные запасы нефти.
Благодаря совершенствованию техники скорость бурения скважин чрезвычайно выросла. Роторное бурение позволило увеличить скорость бурения до 4000 м и более в год. Применяя новейшие способы бурения, буровые мастера-скоростники проходят скважину в 2000 м менее чем за месяц
После того как скважину доведут до нефтяного пласта и вскроют его, ее окончательно закрепляют цементацией: все промежутки между обсадными трубами и стенками скважины заполняют цементным раствором.
Современная техника бурения позволяет бурить не только вертикальные и прямые скважины, но также наклонные и кривые. Это имеет очень важное значение в тех случаях, когда непосредственно над местом залегания нефти невозможно заложить скважину. В результате проходки наклонных или кривых скважин создается возможность для извлечения нефти, расположенной под важными постройками, удаление которых нецелесообразно, и даже под морским дном..
Применение наклонных скважин позволяет из одной буровой вышки проходить до 10-12 скважин (кустовое бурение), что удешевляет буровые работы.
Для получения нефти, залегающей под морским дном, бурение скважин производят и в открытом море с искусственно сооружаемых на сваях островков. На них располагают не только буровые вышки, но и благоустроенные поселки нефтяников. Такие островки созданы, например, на Каспийском море в районе Баку (Азербайджан).
На бурение скважин расходуется значительная часть капиталовложений в нефтяную промышленность. Снижение себестоимости нефти требует прежде всего снижения затрат на проходку скважин. Главным путем удешевления буровых работ является уменьшение диаметра скважин. До последнего времени диаметр буровых скважин обычно достигал 25-35 см, а сейчас бурят и скважины диаметром 15-18 см. Бурение скважин уменьшенного диаметра дает большой экономический эффект; мощность буровой установки снижается примерно в 1,5 раза; сокращается расход труб, цемента, глинистого порошка, реагентов и др. Вдвое уменьшается вес буровой установки, что дает экономию металла и облегчает транспортировку этих установок. Все это способствует ускорению как разведочного, так и эксплуатационного бурения, ускоренному развитию добычи нефти и снижению ее себестоимости.
Извлечение нефти на поверхность
При наличии в нефтяном пласте достаточного давления, создаваемого нефтяными газами и пластовой водой, нефть поднимается по скважине и изливается на поверхность. При сильном давлении скважина фонтанирует, причем фонтаны нефти иногда отличаются огромной силой и выбрасывают в сутки тысячи тонн нефти. Если фонтан укротить и направить нефть по трубам в резервуары, то эксплуатация такой фонтанирующей скважины оказывается наиболее дешевой, так как в этом случае необходимо только регулировать поступление нефти из скважины. Такая технология добычи наиболее широко применяется в странах Ближнего Востока.
Когда давление в пласте падает, и скважина перестает выбрасывать нефть, то в таких случаях используют глубинонасосный способ. В скважину опускают поршневой или электрический насос до погружения его в нефть (рис. 6.3).
Приводимый в вертикально-поступательное движение поршень (плунжер) при помощи системы всасывающих 1 и нагнетательных клапанов 2 засасывает нефть в цилиндр насоса и выталкивает ее вверх в насосную трубу, по которой она поступает на поверхность. Движение поршня осуществляется при помощи насосной штанги3, которая соединена с балансиром6 станка-качалки. Когда станок-качалка работает, его балансир совершает движения вверх-вниз; вместе с балансиром такие же движения совершает и насосная штанга, двигающая поршень насоса. Станок-качалка и насос работают автоматически, качая нефть круглосуточно в течение нескольких месяцев, до очередного ремонта. Таким способом добывается наибольшее количество нефти в странах СНГ.
Рис. 6.4. Схема компрессорной добычи нефти
Для принудительного подъема нефти из скважины применяют наименее распространенный компрессорный или эрлифтный метод. Сущность его заключается в том, что в скважину опускают две трубы (одну в другую), через одну из которых в скважину нагнетают нефтяной газ. Устремляясь вверх по другой трубе, нагнетаемый газ создает дополнительную подъемную силу, под действием которой нефть изливается из скважины и направляется к резервуарам (рис. 6.4).
Когда нефтяной пласт частично выработан, пластовое давление падает, и нефть перестает притекать к скважине, применяют так называемые вторичные методы добычи – методы оживления скважин. Сущность их заключается в искусственном повышении пластового давления, в сообщении нефтяному пласту дополнительной энергии, под действием которой вновь начинается приток нефти к скважине и даже ее фонтанирование. Для этой цели по старым скважинам или по скважинам, специально заложенным, в нефтяной пласт под большим давлением закачивают воду. Если воду закачивают в пласт через скважины, расположенные по внешним границам нефтяной залежи, то метод называют законтурным заводнением. В этом случае создаваемое давление (12-13 МПа) направлено к центру залежи и оживляет скважины, расположенные в ее центральной части. Если же закачку воды ведут через скважины центральной части нефтяной залежи, т. е. методом внутриконтурного заводнения, вода разделяет залежь на части и создает ряд изолированных очагов высокого пластового давления, обеспечивающих приток нефти к расположенным на них скважинам. Такой метод применяют на месторождениях, занимающих большие площади.Как уже отмечалось, приток нефти к скважине и ее фонтанирование являются результатом существующего пластового давления.
Применение вторичных методов добычи нефти экономически чрезвычайно эффективно. Они резко повышают производительность (дебит) скважин, а также степень извлечения нефти из залежи и, следовательно, использования нефтяных ресурсов. При естественном фонтанировании скважин можно использовать не свыше одной трети содержащейся в залежи нефти. Применение насосного и компрессорного методов повышает отбор нефти из пласта. Применение же новейших, наиболее прогрессивных методов законтурного и внутриконтурного заводнения позволяет извлекать до 70% содержащейся в залежи нефти. При этом во много раз сокращается продолжительность эксплуатации залежи.
Искусственное поддержание пластового давления, обеспечивающее фонтанирование скважин, не только повышает отбор нефти из пласта, но и требует для этого значительно меньшего числа скважин. Там, где вторичные методы добычи не применяют, эксплуатационные скважины располагают очень часто на расстоянии 100-150 м одна от другой; при этом на одну скважину приходится только 2-3 га нефтяной площади. При искусственном поддержании пластового давления скважины располагают на расстоянии в несколько сотен метров одна от другой, а эксплуатируемая одной скважиной нефтеносная площадь возрастает в десять раз. При высокой стоимости и длительности буровых работ сокращение числа скважин дает огромную экономию средств и ускоряет разработку месторождений нефти.
На законтурное и внутриконтурное заводнение расходуется огромное количество воды. Таким образом, большую актуальность приобрела проблема водоснабжения нефтяных промыслов. Искусственное поддержание пластового давления путем закачки в пласт воды практически может широко применяться лишь в районах, хорошо обеспеченных водой. Там, где местные источники водоснабжения недостаточны, приходится использовать водные ресурсы других районов, что усложняет и удорожает водоснабжение.
В отдельных случаях, когда нефть залегает сравнительно неглубоко и отличается большой вязкостью, препятствующей подъему ее по трубам, добычу производят при помощи шахт, вскрывающих нефтеносный пласт. При этом нефть скапливается в шахте и оттуда ее извлекают на поверхность. В подобных случаях практикуется также комбинированная добыча при помощи шахты и скважин: из заложенной шахты в разные стороны проходят скважины, облегчающие приток нефти в шахту. Условия, требующие шахтной добычи нефти, часто встречаются в районах вечной мерзлоты (способствующей увеличению вязкости нефти), например в Ухтинском нефтепромысловом районе (Россия).
Хранение и транспортировка нефти и нефтепродуктов
Техника хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов имеет большое значение в экономике и географии нефтяной промышленности.
Для хранения нефти и жидких нефтепродуктов в настоящее время применяют резервуары емкостью до 10 тыс. т, изготовленные из листовой стали. Такие резервуары различных размеров применяют на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих заводах, на нефтебазах у железнодорожных станций и пристаней, в крупных автомобильных хозяйствах, совхозах.
Крупные резервуары – это не простые сооружения. Они оборудованы клапанами, поддерживающими в них нормальное давление, оросителями холодной водой для охлаждения в летнее время, снабжены противопожарным оборудованием и различными контрольно-измерительными приборами. Особые требования предъявляются к резервуарам для хранения бензина; они должны выдерживать внутреннее давление до 0,6 МПа, так как бензин во избежание испарения хранят под давлением.
Нефть и жидкие нефтепродукты транспортируют различными средствами. Наиболее дешевый способ транспортировки нефти – в наливных судах – танкерах, которые составляют уже более 36% тоннажа мирового морского флота. Тоннаж отдельных танкеров достигает сотен тысяч тонн. По рекам нефть перевозят в самоходных и буксируемых наливных баржах.
Второе место по дешевизне транспортировки нефти и ее жидких продуктов занимают трубопроводы (нефтепроводы и продуктопроводы), имеющие протяженность в десятки, сотни и тысячи километров. Транспортировку нефти по магистральным трубопроводам осуществляют непрерывным перекачиванием ее от одной насосной станции к другой. Насосные станции располагают через каждые 50-100 км. Диаметр магистральных трубопроводов свыше 1000 мм, а давление при перекачке – до 5 МПа и более. Скорость движения нефти в трубопроводе обычно 1-1,5 м/с; она зависит от технического состояния трубопровода, вязкости и удельного веса перекачиваемой нефти. По продуктопроводу возможна последовательная перекачка различных нефтепродуктов.
Немалое количество жидких нефтепродуктов перевозят и по железным дорогам в специальных цистернах. Такая перевозка обходится значительно дороже из-за сравнительно небольшой емкости цистерн и, кроме того, из-за того, что в обратном направлении цистерны всегда следуют порожняком.
Для снабжения нефтепродуктами мелких потребителей используют специальные автомобильные цистерны.