Нефть – природное богатство

Нефть и газ относятся к природным богатствам, которые играют важную роль в народном хозяйстве любой страны, являясь основными видами топлива, сжигаемого на электростанциях для выработки электричества, сырьём для химической промышленности и производства широкой гаммы продукции народного потребления. Продукты нефтепереработки широко применяются в промышленности и в быту. Помимо удовлетворения внутренних потребностей часть «чёрного золота» идёт на экспорт, что обеспечивает стране твёрдую валюту, которая, в свою очередь, используется на расширение производства, в том числе нефтегазового. Это влечёт за собой увеличение рабочих мест, улучшение благосостояния населения любой страны, недра которой богаты такими ценнейшими природными ископаемыми, как нефть и газ.

Считается, что за время существования нефтяной промышленности человечеством добыто около 85 млрд. т. нефти и оставлено в недрах отработанных месторождений ещё 80. 90 млрд. т. Кроме того, доказанные запасы нефти в настоящее время составляют около 140 млрд. т. Итого около 300 млрд. т. Что за «фабрика» произвела такое количество нефти?

Вопрос о происхождении нефти имеет не только познавательное, но и большое практическое значение. «Только тогда, когда мы будем иметь правильное представление о тех процессах, в результате которых возникла нефть,. будем знать, каким образом в земной коре образуются её залежи, мы получим. надёжные указания, в каких местах надо искать нефть и как надлежит наиболее целесообразно организовать её разведку», - писал в 1932 г. академик И. М. Губкин.

В процессе разработки и эксплуатации нефтяных месторождений эта теория блестяще подтвердилась.

Почти всё, что мы потребляем в своей жизни: топливо, которое мы сжигаем, дерево и камень, которые мы используем в качестве строительных материалов, пища, которую мы едим, - всё это тем или иным образом мы получаем от нашей Земли. Всё то ценное, что даёт нам Земля, мы называем природными ресурсами.

Земная кора сложена из горных пород, которые по происхождению делятся на три группы: магматические (или изверженные), осадочные и метаморфические (или видоизменённые).

Поскольку основные известные месторождения нефти и газа сосредоточены в осадочных породах, им необходимо уделить особое внимание. Осадочные породы встречаются в пониженных местах континентов и в морских бассейнах. В них часто сохраняются останки животных и растительных организмов, населявших Землю в различные времена в виде отпечатков и окаменелостей. Исчисление возраста горных пород основано на определении возраста тех или иных останков, поскольку определённые виды организмов населяли нашу планету в конкретные промежутки времени. В соответствии с этим исчислением всё время формирования земной коры делится на эры, которые подразделяются на периоды, периоды - на эпохи, эпохи на века. Самыми благоприятными условиями для формирования залежей нефти и газа характеризуется мезозойская эра, т. е. «эра средней жизни». Мезозойская эра относится к меловому периоду. В течение 60-ти миллионов лет происходило формирование и развитие крупных пресмыкающихся, появление флоры покрытосеменных на суше, развитие аммонитов в морях и зарождение нефтяных и газовых залежей.

Нефть и газ относятся к полезным ископаемым, которые называются каустобиолитами. Помимо нефти и газа к ним относятся торф, различные виды улей, горючие углистые сланцы, битумы.

В химическом отношении каустобиолиты относятся к углеводородам, так как углерод и водород являются основными элементами горючих ископаемых, причём, от стадии к стадии происходит постепенный процесс карбонизации продуктов, т. е. увеличивается содержание углерода и уменьшается содержание водорода.

По физическим свойствам нефти и газа можно выделить некоторые общие свойства, а также - специфические, характерные либо только для нефти, либо только для газа.

Из общих свойств выделяются плотность, теплота сгорания, растворимость.

Специфические свойства, характерные только для нефти: вязкость, люминесценция (способность светиться), оптическая активность (способность вращать световой луч, причём, почти всегда вправо), диэлектрические свойства (непроводимость электрического тока), тепловое расширение (способность увеличиваться в объёме при нагревании).

Специфические свойства газа: гидратообразование (образование кристаллогидратов газа), и сорбция (способность поглощаться твёрдыми или жидкими поглотителями).

Нефть известна человечеству с давних времён. Уже за 6000 лет до нашей эры люди использовали нефть для освещения и отопления своего жилища. Наиболее древние промыслы находились на берегах Ефрата, в Керчи, в китайской провинции Сычуань. Упоминание о нефти встречаются во многих древних источниках (например, в Библии упоминаются смоляные ключи в окрестностях Мёртвого моря).

Первым нефтепродуктом, с которым познакомилось человечество, был асфальт, представляющий собой вязкое смолистое вещество, получаемое вследствие длительного выветривания нефти. «Асфальт» - производное от слова «асфалес» (прочный, крепкий, надёжный). Древние называли асфальт горной смолою, а по современным представлениям - это один из видов природного битума.

Современные дороги покрыты асфальтом, изготовленным на базе нефтяных битумов, получаемых в результате окисления воздухом тяжёлых остатков перегонки нефти при температуре 239 - 340° С.

В целях освещения человечество использовало различные средства: лучину, оливковое масло, нефть, животные жиры. Позже для этого стали использовать светлую прозрачную жидкость, получаемую при перегонке нефти (современный керосин).

При производстве керосина образовывались два продукта: мазут и бензин, которые длительное время считались ненужными. Применение мазуту нашлось после изобретения паровой форсунки, где мазут применялся в качестве топлива в топках.

И только почти 100 лет спустя впервые использовали бензин в двигателе внутреннего сгорания. Именно это изобретение Игнатия Костовича открыло дорогу бензину к его широкому применению.

В настоящее время из нефти производят не только топлива (бензин, керосин, дизтопливо), но также масла и смазки, необходимые любому механизму.

Синтетический каучук, вырабатываемый из нефти, является основой для изготовления всевозможных резиновых изделий. Основной потребитель каучука - автомобильная промышленность.

Пластмассы - ещё один широко применяемый продукт переработки нефти. Они используются при изготовлении автомобилей, в самолёто- и ракетостроении, в машиностроении и в быту.

Из нефти получают самые различные моющие вещества, спирты, взрывчатые вещества, медицинские препараты и многое другое.

Нефть является важнейшим энергетическим промышленным сырьём, поэтому с развитием науки и техники возрастает потребность в ней. Однако добыча нефти представляет собой огромный комплекс мероприятий, в реализации которого задействованы специалисты различных направлений, включая геологов-разведчиков, буровиков, разработчиков, технологов, специалистов по электроэнергетики, автоматизации и многих других.

Правильная организация добычи нефти и газа возможна лишь при условии глубокого изучения свойств пласта и заключённых в нём нефти, газа и воды.

Характерный признак осадочных горных пород - их слоистость. Данные породы сложены, в основном, из почти параллельных слоев (пластов), отличающихся друг от друга составом, структурой, твёрдостью и окраской. Поверхность, ограничивающая пласт снизу, называется подошвой, а сверху - кровлей.

Пласты осадочных пород могут залегать не только горизонтально, но и в виде складок, образовавшихся в ходе колебательных, тектонических и горообразовательных процессов

Нефтяная залежь всегда соседствует с пластовыми водами, которые создают давление в пласте. Верхняя часть пласта представляет собой газовую шапку.

Таким образом, компоненты нефтяного пласта распределены по плотности. Самый лёгкий компонент - газ, стремиться занять верхнее положение, нефть находится в центре, а вода, как самый тяжёлый составной элемент - снизу .

Под месторождением нефти и газа понимается совокупность залежей, приуроченных к общему участку земной поверхности.

В настоящее время нефть извлекается на поверхность из добывающей скважины. Скважиной называют горную выработку круглого сечения, сооружаемую без доступа в неё людей, у которой длина во много раз больше диаметра.

При поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений бурят опорные, параметрические, структурные, поисковые разведочные, эксплуатационные, нагнетательные, наблюдательные и другие скважины.

Современным методам добычи нефти предшествовали примитивные способы:

1. сбор нефти с поверхности водоёмов;

2. обработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью;

3. извлечение нефти из ям и колодцев.

Длительное время к добыче нефти посредством бурения скважин в нашей стране относились с предубеждением. Считалось, что раз сечение скважины меньше, чем у нефтяного колодца, то и приток нефти к скважинам существенно меньше. При этом не учитывалось, что глубина скважин значительно больше, а трудоёмкость их сооружения меньше. Тем не менее практические результаты бурения скважин постепенно изменили это мнение.

Сейчас процесс добычи нефти и газа включает три этапа. Первый — движение нефти и газа по пласту к скважинам. Он называется разработкой нефтяных и газовых месторождений.

Второй этап - движение нефти и газа по скважинам на поверхность. Его называют эксплуатацией нефтяных и газовых скважин. Третий этап — сбор продукции скважин и подготовка нефти и газа к транспортированию потребителям. В ходе этого этапа нефть, а также сопровождающие её попутный нефтяной газ и вода собираются, затем газ и вода отделяются от нефти, после чего вода закачивается обратно в пласт для поддержания пластового давления, а газ направляется потребителям. В ходе подготовки природного газа от него отделяются пары воды, сероводород, углекислый газ и механические примеси.

Разработка нефтяного или газового месторождения — это комплекс мероприятий, направленных на обеспечение притока нефти и газа из залежи к скважине, предусматривающих с этой целью определённый порядок размещения скважин на площади, очерёдность их бурения и ввода в эксплуатацию, установление и поддержание определённого режима их работы.

Все известные способы эксплуатации скважин подразделяются на следующие группы:

1. фонтанный, когда нефть извлекается из скважины самоизливом;

2. с помощью энергии сжатого газа, вводимого в скважину извне;

3. насосный - извлечение нефти с помощью насосов различных типов.

Выбор способа эксплуатации нефтяных скважин зависит от величины пластового давления и глубины залегания пласта.

При разработке нефтяной залежи различают четыре стадии:

1. нарастающая добыча нефти;

2. стабилизация добычи нефти;

3. падающая добыча нефти;

4. поздняя стадия эксплуатации залежи.

В течение первых трёх стадий должен быть осуществлён отбор 80 -90 % промышленных запасов нефти.

Добыча нефти и газа в последние десятилетия пополняется открытиями скоплений углеводородов на акваториях морей и океанов. Поисковые работы проводятся в различных частях мира: во внутренних морях и заливах - Каспийском (СНГ), Мексиканском (США, Мексика), Маракаибской лагуне (Венисуэла), Персидском заливе (Саудовская Аравия, Кувейт, Катар, Иран и др. ) , в Северном и Средиземном морях. А также в Тихом, Индийском, Атлантическом и Северном Ледовитом океане.

Особенно значительные открытия морских скоплений получены в Северном море, Маракарибской лагуне, в Персидском заливе, у берегов Аляски.

Поисково-разведочные работы на нефть и газ осуществляются либо со стационарных платформ, либо с плавучих самоходных платформ и специальных судов.

После того, как нефть извлечена из скважины, её необходимо переработать, так как сырая нефть представляет собой только сырье для дальнейшего превращения его в полезную продукцию.

Перегонка нефти была известна ещё в начале нашей эры. Этот способ применяли для уменьшения неприятного запаха нефти при её использовании в лечебных целях. В небольшом количестве нефть перегоняли в колбах, а в большом - в кубах.

Первый в мире нефтеперегонный завод был построен в 1745 году архангельским купцом Фёдором Прядуновым на реке Ухте. Для этого он использовал кубовую установку, применявшуюся ранее для производства дёгтя, скипидара, канифоли и древесной смолы.

В 40-х годах XIX в. нефтеперегонные заводы появляются в других странах.

Совершенствовалась техника перегонки нефти. Первоначально она производилась в кубах периодического действия. Такая технология перегонки не обеспечивала надёжного разделения нефти на фракции, поскольку температурные границы отбираемых фракций определялись «на глазок».

Со временем кубовые установки превратились в кубовые батареи -набор соединявшихся друг с другом кубов, каждый из которых служил для получения определённой нефтяной фракции. К концу XIX в. Были разработаны кубовые батареи непрерывного действия. В них использовался принцип регенерации тепла: получаемые горячие нефтяные фракции отдавали своё тепло нефти, поступающей на переработку. Это позволило резко увеличить производительность установок.

Наряду с перегонкой развивались и другие способы нефтепереработки.

Сейчас нефть разделяют на компоненты с помощью фракционной перегонки.

Сначала её нагревают до высоких температур и образующиеся пары подают в ректификационную колонну. Высота ректификационной колонны может достигать 50 метров. Поднимаясь вверх, пары охлаждаются и вновь превращаются в жидкость. При этом на каждом уровне в колонне образуется свой жидкий компонент — в соответствии с температурой в этом месте колонны. Так из нефти получают бензин, керосин, очищенные газы. На дне колонны собираются самые тяжёлые компоненты - смазочные масла, воск и битум.

Однако ни один завод не может вырабатывать всю номенклатуру нефтепродуктов, в которых нуждаются близлежащие потребители. Это связано с тем, что современные установки и производства проектируются на большую производительность, т. к. в этом случае они более экономичны. Недостающие нефтепродукты заводятся с других регионов.

Использованное природное топливо нельзя употребить в дело повторно или создать заново. Нефть и газ относятся к классу невозобновляемых источников энергии. И хотя учёные стремятся использовать энергию Солнца, ветра, рек, приливов и отливов, энергию атомного ядра, но альтернативы нети и газу до сих пор не найдено, ведь помимо энергетической ценности, нефть - важнейшее сырьё для переработки, поэтому при добыче нефти необходимо соблюдать меры по охране недр и окружающей среды.

Рис. 3. Схема ректификационной колонны.

Правила охраны недр в процессе эксплуатации местонакоплений нефти и газа предусматривают неукоснительное выполнение всех положений технологической схемы и проекта разработки.

В эти правила включается следующее:

1. применение наиболее рациональных и эффективных методов добычи для наиболее полного извлечения нефти и газа;

2. недопущение выборочной разработки наиболее продуктивных участков залежи, что приводит к резкому ухудшению показателей разработки в целом;

3. наиболее полное извлечение из недр попутных полезных ископаемых и компонентов, содержащихся в залежах углеводородов (сера и др. );

4. выбор технологии бурения эксплуатационных, нагнетательных и других скважин, обеспечивающей предупреждение выбросов и поглощений, обвалов и других аварийных ситуаций;

5. выбор конструкции скважин, обеспечивающей безаварийную и эффективную эксплуатацию;

6. обеспечение надёжной изоляции всех поглощающих (нефте- газо-водопроявляющих) горизонтов и герметизации заколонного пространства, т. е. надёжной цементации колонны;

7. с целью предотвращения загрязнения верхних (питьевых) вод необходимо производить захоронение сточных промысловых вод путём закачки в глубокие поглощающие горизонты.

Большую опасность для персонала промысла представляют химические реагенты, включая кислоты, используемые для увеличения производительности скважин и повышения нефтеотдачи пластов, при неудовлетворительном их хранении и употреблении. Поэтому оборудование, которое используется при кислотных обработках, необходимо обрабатывать специальными покрытиями, а также хранить кислоты в ёмкостях из материалов, не взаимодействующих с кислотами, причём хранить кислоты и другие химические реагенты необходимо на специальных базах, откуда они должны доставляться на скважину централизованно.

Важная задача, которая ставится перед разработчиками нефтяных и газовых местонакоплений, заключается в повышении нефтеотдачи недр, и, следовательно, в более эффективном использовании запасов недр на нефтяных и газовых объектах. Для решения этой задачи необходимо применять различные методы повышения нефтеотдачи пластов с самого начала разработки местоскопления.

Вредное влияние на людей и окружающую природу оказывает сжигаемый в факелах попутный газ при разработке нефтяных местонакоплений. При этом образуются вредные химические вещества, которые долго находятся в воздухе и отравляют его. От сжигания нефтяного газа, содержащего сероводород, в воздухе накапливаются ядовитые соединения, которые выпадают с дождём и отравляют всё живое.

Предотвратить вредное влияние сгораемого в факелах природного газа можно, лишь применив современную технологию утилизации газа на всех объектах, где добывают нефть.