ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА

Нефть - это маслянистая темно-коричневая жидкость с красным или зеленоватым отливом, иногда черная, синяя или светлая, иногда почти прозрачная; с характерным резким запахом. Различают легкие и тяжелые нефти (плотность легкой до 0,9 т/м³, тяжелой - до 1.04 т/м³). Из легкой нефти получают бензин, керосин: из тяжелой - разные смазочные материалы, дизельное топливо, битум, мазут. Легкие нефти до­бывают насосами или фонтанным способом, а тяжелые- даже шахтным способом. Температура застывания нефти от +11 до 20°С, температу-ра начала кипение - около 100°С. В отличие от других полезных ископаемых, нефть и газ не образовывают самостоятельных пластов, они заполняют пустоты в породах. По своему составу нефть - смесь углеводов (парафины, нафтены, ароматические углеводы). Основные виды нефти содержат 80-87% углерода, 10-14% во­дорода, 0-5% серы, 0-3% кислорода. 0-2 % азота. Удельная теплообразовательная способность нефти как топлива составляет 37,6-49,3 МДж/кг (чем меньшая плотность,тем большая теплообразовательная способность).В сыром состоянии нефть почти не используют, ее используют после очищения, удалениявредных примесей) и термической перегонки на фракции: при нагревании до 40-180°С выделяются пары авиабензина, при 200-300°С - керосина. 270-350°С - газойль. После светлых нефтепродуктов выделяют сначала мазут,потом гудрон.Все­го из нефти вырабатывают большее 560 разных нефтепро-дуктов. Нефть широко используется в химической промышленности для производства пластмасс, синтетического каучука, синте­тических волокон, жиров, спирта, органических кислот, растворителей, смазочных материа­лов, белка и другого. Известные лечебные качества нефти, богатой нефтяными и ароматиче­скими углеводородами с незначительным содержимым в ней легких фракций.

Газ - наиболее экономичный вид топлива. Его теплообразовательная способность составляет до 41,8 МДж/м³. Он разделяется на природный (добывается само­стоятельно) и попутный (растворенный в нефти (на 1т нефти попутно получают 100-150 м³ газа). Попутный и природный газ состоит из углеводородов с примесями азота, углекислого газа, сероводоро­да, в небольшом количестве аргона и гелия. Газ используется как сырье для производства синтетических воло­кон, каучука, пластмасс, спиртов, жиров, азотных удобрений, аммиака, ацетилена, взрывных веществ, лекарства. Применение газа в энергетике позволяет значительно сократить затраты на транспортирование топлива и использовать более низкокачественные угли. Нефть и газ имеют осадочное происхождение и накапливаются в осадочных породах, которые покрывают постоянные участки Земли - давние и молодые платформы, их плиты, они примы­кают к предгорным впадинам и краевым прогибам. Промышленные месторождения нефти и газа известны в разных отложениях: от докембрия к неогеновым пластам.

Нефть известна че­ловечеству близко 5-6 тыс. лет, газ - несколько десятилетий. Первые сведения о нефти пришли из Ближнего Востока. Давние шумеры использова­ли битум как соединительный раствор при кладке зданий и как клей для закрепления. Биту­мом покрывали дно бассейнов, применяли для предотвращения гниения деревянных балок, дверных и оконных блоков и т.п. Асфальтами уплотняли днища лодок. В Древнем Египте асфальт применяли для бальзамирования мумий.С давних пор люди применяли нефть в медицине как средство для заживления ран и язв. для лечения болезней глаз и дп. В Вави­лоне нефтью освещали улицы. Добыча нефти сперва осуществлялась собиранием из поверхности открытых водое­мов, добыванием из колодцев песка или известняка, пропитанного нефтью. Колодцы рыли специальные мастера. Мастер, спускаясь в колодец, обвязывался веревкой. Работая, он пел песни, а его помощники, стоя наверху, держали конец веревки и прислушивались. Как только прекращалась песня, они тащили мастера наверх. Свежий воздух приводил отравленного человека в чувство, но частые отравления разрушали организм, поэтому нередки были случаи, когда поднятый на поверхность мастер умирал, не приходя в сознание. Сбор нефти в во­доемах проводили в Мидии, Вавилоне, Сирии. Известны природные источники нефти в Италии и Герма­нии. Промышленная добыча нефти началась благодаря ее применению в керосиновых лампах. В Украине, в Прикарпатье добыча нефти началась в XVIII столетии. Первый нефтеперерабатывающий завод был построен в 1745 г. на речке Ухте на севере России промышленником Ф.С. Прядуновим. В середине XIX ст начинается механическое добывание нефти из буровых скважин. Первая нефтяная буровая скважина пробуре­на в США в 1859 г., а в России, на Кубани - в 1864 р. В 1868 г. появилась первая промышленная буровая скважина в Баку. Увеличению добычи неф­ти способствовало появление двигателя внутреннего сгорания и её применение для получения полимерных материалов.

Существует две гипотезы образования нефти: из органических веществ и абиогенным путем. Это во­просы окончательно не выясненное. Нефть и газ образуется в материнских породах (извест­няки и глины), а потом перетекают и накапливаются в промышленных количествах в так на­зываемых коллекторах (пористых и проницаемых породах). Здесь эти ископаемые перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, пока не попадают в так называемые структурные ловушки. В этих ловушках, если коллектор снизу и сверху ограничен водоупор­ными пластами (чаще всего глиняными), происходит накопление нефти и газа, вытесненных снизу подземными водами. В этих ловушках газ,нефть и вода залегают отдельными пластами, поскольку нефть не растворяется в воде и легче воды, а газ размещается над нефтью. 1 м³ песчаника вмещает до 130-250 кг нефти. Доказанные мировые запасы нефти для промышленной разработки, оцениваются в 145 млрд.т, а прогнозируемые ресур­сы - 170 млрд. т. Запасы газа на 1987 год оцениваются в 175 трлн.м³, а прогнозируемые - в 250 трлн. м³. Украина имеет относительно небольшие запасы нефти и газа, которые не могут удовлетворить ее потребностей. Известные три нефтегазовых провин­ции: Днепропетровсько-Донецька впадина, Карпатская и Кримско-Причерноморськая. Пер­вая, открытая еще в 1937 году (Ромны), включает близко 50 нефтегазовых месторождений.

Сегодня наиболее перс­пективная территория – это Крымско-Причерноморская провинция с шельфом Черного и Азовского морей.

Добыча нефти и газа.

Поиск месторождений. Выявление, оценку запасов и подготовку к промышленной разработ­ке залежей нефти и газа ведут с помощью нефтеразведки, которая состоит из двух этапов поискового и разведывательного. В поисковом этапе осуществляются геологическая, аэромагнитная и гравиметрическая съемки местности, геохимическое иссле­дование пород и вод, составление карт. Потом проводится разведывательное бурение по­исковых буровых скважин Результат поискового этапа - есть предварительная оценка запа­сов месторождения. Главной цели разведывательного этапа - обозначить (оконтурить) залежи,определить мощность и нефтегазонасыщеность пластов и горизонтов. После завер­шения разведывательного этапа вычисляются промышленные запасы нефти и разрабатывают­ся рекомендации относительно введения месторождения в эксплуатацию.

Бурение В зависимости от того, как действует буровой инструмент, который дробит и разрыхляет породу, различают ударное и вращательное бурение.

При ударном бурении породу разрушают ударами специального долота, которое поднимают и опускают механической лебедкой. Разрыхленную породу периодически удаляют с помощью желонки - полого стального цилиндра, который имеет вверху дужку для при­соединения к канату или штанге.

При вращательном бурении породу высверливают вращаю­щимся долотом. Различают долота режущего действия и шарошечные долота дробильного действия. Для бурения в твердых породах чаще всего применяют тришарошечные долота. Бурение промышленных нефтяных буровых скважин проводят с помощью стационарных ус­тановок с буровыми станками Сперва в буровую скважину вводят одну бурильную трубу, по мере углубления буровые скважины при-винчивают новые трубы Длина каждой бурильной трубы 6-10 м. Для удаления разбуренной породы буровую скважину промывают циркулирую­щим глинистым раствором. Недостаток этого вида бурения - необходимость вращать всю ко­лонну бурильных труб вместе с долотом. Если глубина буровой скважины достигает 2500-3000 м, лишь незначительная часть затрачиваемой энергии используется на бурение и углуб­ление буровой скважины. Основная энергия расходуется непроизводительно, на трение груб. Более эффективен способ, основанный на применении забойных двигателей. Колона буро­вых труб остается недвижимой, а вращается только долото с помощью электродвигателя или специальной турбины (турбобура), приводимого в действие потоком глинистого раствора, ко торые нагнетают в бурильные трубы. Электродвигатель или турбобур размещают в забое бу­ровой скважины,непосредственно над долотом

Добыча нефти.Добыча нефти из недр земли осуществляется за счет энергии двух видов – ес-тественной энергии пласта и энергии, которая подается в буровую скважину тем ли другим способом. Способ эксплуатации нефтяной буровой скважины, при котором используется энергия пласта, называется фонтанной. Он применяется в начальный период эксплуатации, когда пластовое давление залежи велико. Фонтанный способ наиболее эконо­мичен. Буровые скважины, которые эксплуатируются фонтанным способом, оборудуют спе­циальной арматурой, которая позволяет герметизировать устье буровой скважины, регулировать и контролировать режим ее работы, обеспечивать полное закрытие буровой скважины под давлением. Способы добывания, при которых нефть поднимается на земную поверхность за счет подведенной извне энергии, называют механизированными. Существуют две разновидности механизированного способа эксплуатации - компрессорный и насосный.

При компрессорном или газолифтовом методе в буровую скважину компрессором закачи­вают газ, который смешивается с нефтью. Плотность нефти снижается, забойное давление становится ниже чем в пласте, что вызовет движение жидкости к поверхности. Иногда в буровую скважину подают газ под давлением из расположенных близ газовых пластов (ме­тод безкомпрессорного газлифта). На некоторые старых месторождениях существуют систе­мы аэрлифта, в которых используют воздух. Недостатки этого метода - необходимость сжи­гания попутного нефтяного газа, смешанного с воздухом, повышенная коррозия трубопрово­дов. Газолифтний метод применяется на месторождениях Западного Сибири, Средней Азии.

При насосном способе эксплуатации на определенную глубину спускают насосы, которые приводятся в действие за счет энергии, которая передається разными способами. На больши­нстве нефтедобывающих предприятий приобрели распространение штанговые насосы. Скважинная штанговая насосная установка состоит из станка-качалки 1, оборудования устья 2, колонны 3, подвешенных на планшайбе, колонны насосных штанг 4, штангового насоса вставного 6 или невставного 7 типа. Вставной насос 6 крепится в трубах с помощью замковой опоры 5. Скважинный насос спускается под уровень жидкости. Возвратно-поступательное движение плунжера насоса, подвешенного на штангах, обеспечивает подъем жидкости из скважины на поверхность. При наличии парафина в продукции скважины на штангах устанавливают скребки, очищающие внутренние стенки. Для борьбы с газом и песком на приеме насоса могут устанавливаться газовые или песочные якоря. Возвратно-поступательное движение передается плунжеру от балансира станка-качалки,с которым плунжер соеди­нен системой стальных насосных штанг. Производительность штанговых глубинных насосов при глубине буровой скважины 200-400 м достигает 500 м³ в сутки, а при глубине до 3200 м составляет не более 20 м³ в сутки.

Существуют также способы добывания нефти с применением безштанговых насосов. В этих случаях к насосу подводят через ствол буровой скважины электрическую энергию (по специальному кабелю) или иную энергонесщей жидкости (сжа­тый газ, теплоноситель). Наиболее распространенные установки с центробежными электрона­сосами. С их помощью добывают около 1/3 общего количества нефти. Установка с погруж­ным электронасосом состоит из погружного электродвигателя, многоступенчатого насоса и кабельной линии, которые опускают с помощью насосных труб в буровую скважину. На зем­ле устанавливают станцию управления и трансформатор

Сбор и подготовка нефти к транспортированию. Нефть, которая поступает из недр на по­верхность земли, содержит попутный газ (50-100 м³/т), воду (200-300 кг/т), минеральные со­ли (до 10-15 кг/т) и механические примеси. Перед транспортированием и подачей на перера­ботку газы, механические примеси, основная часть воды и солей долж-ны быть удалены из нефти. Существуют разные системы внутрипромышленного сбора и транспортирования неф­ти. Самая старая - самотечная система, при которой перемещение нефти происходит по счет превышения отметки устья буровой скважины над отметкой замерной установки. Нефть, газ и вода от буровой скважины поступают на индивидуальную замерную установку (ИЗУ), распо­ложенную вблизи от буровой скважиньг. В ИЗУ от газа отделяют нефть и воду, которые по са­мотечных линиям транспортируются в резервуары, а затем по коллектору на установку подготовки нефти. Воду после отстоя сливают в канализацию. Ес­ли разрешает рельеф местности коллектор представляет собой са­мотечный трубопровод. Газ, который выделился в ИЗУ. передают на газоперерабатывающий завод (ГПЗ). Самотечные системы сбора нефти имеют ряд важных недостатков: из-за низкой скорости движения потока жидкости в них получаются отложение механических примесей, солей, парафина; через наличие открытых измерителей и резервуаров большие потери газа и легких фракций, которые достигают 3% от общего объема нефти. Эти системы тяжело авто­матизируются и требуют многочисленного обслуживающего персонала. На новых месторождениях эксплуатируются герметизованые высоконапорные системы сбора нефти, газа и воды, технологическая схема которых определяется величиной и формой площади ме­сторождения, рельефом местности, физико-химическими свойствами нефти. Сырая нефть от устья буровой скважины под собственным давлением двигается по линиям длиной 1 -3 км к групповым замерным установкам (ГЗУ). На ГЗУ происходит отделение нефтяного газа от жидкости и автоматическое измерение количества полученных продуктов. Потом газ снова смешивают с водой и нефтью; смесь по коллектору перемещается на насос­ную станцию с сепараторами первой ступени для отделения газа от неф­ти. Газ из сепараторов под собственным давлением поступает на ГПЗ, а частично дегазиро­ванная нефть подается на установку подготовки нефти (УПН). На УПН осу-ществляются вто­рая и третья стадии сепарации газа от нефти, обезвоживание и обессоливание нефти. Газ с УПН подают на ГПЗ, а воду - на установку очищения воды. Очищенную воду насосами кус­товой насосной станции закачують через нагнетательные буровые скважины в пласт. Обезвоженную и обессоленную на УПН нефть подают в герметизованые резервуары, а потом насосами - на автоматизированную установку "Рубин" 23, предназначенную для оценивания качества и количества нефти. Из установки "Рубин" нефть подают в товарные резервуары, из которых насосами направляют в магистральный нефтепровод, который транспортирует нефть к нефтеперерабатывающим заводам. С помощью герметизованих систем устраня­ют потери легких фракций нефти, создают возможность транспортирования нефти по всей площади месторождения за счет давления на устья буровых скважин. Во избежание возможных потерь углеводородов, исключения опасности загрязнения воздуха газами и легкими фракциями, нефть на многих промыслах подвергают стабилизации в специальных ректификационных колонах.

Добыча природного газа.Месторождения горючих газов разделяют на:

• газовые, в которых наличие газов не связано с другими полезными ископаемыми;

• газонефтяные, где газообразные углеводы растворены в нефти или находятся над нефтяной залежью в виде так называемой газовой шапки;

• газоконденсатные, в которых газ обогащен легкими углеводородами.

Добыча горючих газов включает их добычу из земли через сеть буровых скважин, сбор, учет, подготовку к транспортиро­ванию потребителю. Пос­кольку газ находится в земных недрах под высоким давлением, для его добывания применяют, как правило, фонтанный способ. Чтобы газ начал поступать на поверхность, достаточно от­крыть буровую скважину, пробуренную в газоносном пласте. При свободном истечении газа нерационально расходуется энергия пласта, возможное разрушение буровой скважины. По­этому на головке буровой скважины устанавливают штуцер (местное сужение трубы), огра­ничивая поступления газа. Разработка газовой залежи длится 15-20 лет, за это время добыва­ется 80-90% запасов. Газ на про­мысле подготавливают к транспортированию. Из него удаляют механические примеси, вод­ные пары, тяжелые углеводы,в случае необходимости очищают от серосодержащих соединений.

Добыча нефти из морских месторождений. Если в середине 60-х лет из морских месторождений было получено лишь 3% мировой добычи нефти, то прогнозировалось, что до 2000 года приблизится до 50 %. Когда существование подводных мес-торождений доказано, в заводях и мелких заливах начали устанавливать стационарные свайные платформы, которые шаг за шагом отходили все дальше от берега в поисках нефти. Это при­вело к развитию современной мощной индустрии морких нефтепромыслов. Недра континентального шельфа принадлежат приморским странам, и они получают от концессий 50 % прибыли. Чтобы обнаружить нефть, нефтяные компании держат на­учных работников, которые постоянно изучают за геологическими картами и непосредствен­но на месте обширные участки суши и морского дна. Бурение длится до четверых месяцев, строительство платформы стоит до 10 миллионов долларов. Ежедневные затраты во время бурения составляют 40 тыс.долларов. Капиталовложение в одну нефтеразработку в открытом море достигает 1,5 млрд.долларов.

Методы разделения компонентов нефти и газа. Для очистки нефти и нефте­продуктов используют различные химические и физиче­ские методы разделения их как по моле­кулярной массе, так и химическому составом. Химические методы основаны на неодинаковой реакционной способности разде­ляемых компонентов, а физические (или физико-химические) - на отличии концентраций компонентов в сосуществующих равновесных фазах.

Физические методы разделения компонентов нефти

Простыми условно названы методы разделения, при которых изменение концентрации от­деляемых компонентов в сосуществующих фазах достигается лишь благодаря предоставле­нию системе энергии, а сложными - методы с применением дополнительных разделяющих агентов (селективных растворителей, адсорбентов и т.п.), которые увеличивают отличие со­ставов фаз. К физико-химическим методам разделения относят также разнообразные виды хроматогра­фии, которые отличаются агрегатным состоянием подвижной и недвижимой фаз.

Перегонка -древнейший метод разделения нефти на фракции, которые содержат компоненты с близкими молекулярными массами, которым удалось выделить из нефти ряд индивидуаль­ных соединений. Она исполь­зуется и сегодня - ни одна схема анализа нефти не обходится без фракционирования при атмо­сферном давлении или под вакуумом. При этом оценивают выход фракций, которые выкипают до 300°С; перегонять более высококипящие нефтяные фракции и нефтепродукты при атмосферном давлении не рекомендуется, так как они при этом могут разлагаться. Обезвоженную нефть разделяют ректификацией при атмосферном давле­нии на унифицированных аппаратах на стандартные фрак­ции: температура кипения - 60, 60-95, 95-122, 122-150, 150-200°С. Затем при остаточном давлении до 1 мм рт.ст.) отбирают средние фракции: 200-250. 250-300 и 300-350°С. Для фракционирования масляных фракций при­меня-ют колонки с вращающимся ротором, которые обеспечивают получение фракций без разложения вплоть до 550°С. Для выделения высококипящих масляных фракций возможное использование молекулярной перегонки. Роторные пле­ночные аппараты позволяют отгонять фракции с температурой кипения до 650°С прак­тически без разложения.

Ректификация при разных давлениях используется для выделения индивидуальных углеводородов из бензиновых фракций - азеотропная и экстрактивная ректификация, абсорбция, экстракция. Общим для всех этих процессов есть использование селективных растворителей, энергия взаимодействия ко­торых с отделяемыми компонентами разная. Чем большее отличаются энергии взаимодействия отделяемых компонентов с молекулами растворителей, тем выше селективность растворителя. Азеотропная ректификация с использованием сравнительно низкокипящих растворителей, таких как метанол, ацетон применяется для выделения бензола, толуо­ла, ксилолов из смесей с насыщенными углеводородами и имеет ограниченное применение при выделении углеводородов вслед­ствие присущий ей недостатков - узкого выбора растворителей, ограниченного условием, сравнительно низкой селективности компонентов и дополнительной затраты теплоты на их выпарывание. Азеотропная ректификация остается экономически выгодным процессом раз­деления при очистке целевого продукта от примесей, которые могут быть отогнаны при до­бавлении небольшого количества азеотропотворного компонента.

Экстрактивная ректификация отличается использованием сравнительно высококипящих рас­творителей. Одно из преимуществ экстрактивной ректификации сравнительно с азеотропной состоит в возможности создания высокой концентрации растворителя в колонне (75-90 %), что повы­шает селективність и эффективность разделения. Растворители, которые применяют при экс­трактивной ректификации, характеризуются более высокой селективностю, чем азеотропотворные компоненты.Для селективной очистки нефтяных масел как экстрагенты применяют фенол, фурфурол.

Абсорбция селективными растворителями использует в промышленности для выделения аце­тилена из продуктов окислительного пиролиза природного газа. Преимущество низкотемпературной абсорбции состоит в возможности приме­нения более низкомолекулярных бензиновых фракций с меньшей вязкостью, которая повы­шает эффективность процесса разделение и снижает затрату абсорбента.