книги / Технология глубокой переработки нефти и газа

залежах в давние времена, в частности в Азербайджане, возникла колодезная добыча нефти. Практикой геологических работ установ­ лено, что не все выявленные ловушки содержат скопления нефти и газа. Существование таких «пустых» ловушек значительно снижа­ ет эффективность поисковых работ. На заре развития нефтяной про­ мышленности геолого-поисковые работы велись, в сущности, всле­ пую, методом проб и ошибок, следовательно, с большим риском об­ наружения нефтегазовых залежей. Так, если раньше нефть давала в лучшем случае одна скважина из 10 - 20, то из скважин, пробурен­ ных с учетом предсказаний современной геологической науки, ока1 зались продуктивными, например в США, 85%.

Высокая эффективность современной геологической науки дос­ тигается комплексным исследованием тектонического строения гор­ ных пород и на основе накопленных знаний о процессах образова­ ния полезных ископаемых. Геологи-нефтеразведчики вооружены новейшими техническими средствами, вычислительной техникой и разнообразными инструментальными методами поиска залежей не­ фти, начиная с геологического молотка до аэроили космической фоторазведок.

Основные наиболее информативные методы нефтеразведки - геологические, геофизические и геохимические. Геологический ме­ тод заключается в изучении структуры и характера залегания гор­ ных пород в местах выхода их на поверхность или с помощью шур­ фов и скважин. Геофизические методы базируются на измерении точнейшими высокочувствительными приборами таких явлений и физических параметров, как гравиметрические и магнитные анома­ лии, электропроводимость горных пород, особенности отражения сейсмических колебаний, возникающих при искусственных взрывах в неглубоких скважинах. Применяются также акустические и радио­ метрические методы с использованием нейтронной бомбардировки скважин. По полученным результатам составляют структурные кар­ ты, на которых указывается состав и возраст горных пород и особен­ ности рельефа пластов. Комплексное применение геологических и геофизических методов разведки позволило расширить возможнос­ ти изучения структуры пород, нахождения ловушек, установления глубины и габаритов перспективных нефтяных пластов. Геохими­ ческие методы основаны на газовой съемке, химическом и микроби­ ологическом анализе проб подземных вод и грунтов. Далее бурят поисковые скважины для обнаружения нефтегазовых ловушек. После

31

подтверждения нефтегазоносное™ залежей начинают разведочное бурение, чтобы установить размеры нефтеносной площади, запасы и состав нефти и газа. Геологопоисковые работы на твердые горю­ чие ископаемые по технике и методике разведки примерно анало­ гичны нефтегазоразведке, но в некоторой степени проще и сопряже­ ны с меньшим риском. Для твердых горючих ископаемых не обяза­ тельно наличие пород —коллекторов и ловушек, поскольку они не обладают подвижностью и способностью к миграции, как нефть и газ. Нередки случаи, когда месторождения их обнаруживают по при­ знакам загораний или по выходу угольных пластов непосредствен­ но на земную поверхность и т.д. Тогда геологам остается лишь буре­ нием и отбором проб установить запасы, характер залегания, мощ­ ности пластов и другие эксплуатационные параметры месторожде­ ний твердых горючих ископаемых.

1.5.2. Бурение нефтяных скважин

При геолого-поисковых работах и разработке нефтегазовых ме­ сторождений бурят скважины в вертикальном направлении, а также под некоторым углом (наклонное или кустовое бурение).

По историческим сведениям, первые скважины были пробурены в Китае за 200 лет до н.э. с помощью бамбуковых труб. Первые сква­ жины с использованием стальных труб так называемым ударным способом были пробурены в середине XIX в. Именно с этим событи­ ем связывают зарождение нефтяной промышленности в мире. Пер­ вая промышленная нефть была получена в США в 1824 г. (штат Кен­ тукки), в России в 1847 г. вблизи Баку, затем в 1855 г. в районе Ухты. Естественно, глубины и скорости проходки (=1 м/сут.) ранних сква­ жин были незначительными. В 1895 г. самой глубокой в мире счита­ лась скважина глубиной 360 м. В России и Азербайджане глубина нефтяных скважин не превышала 400 - 500 м. К началу 70-х гг. сред­ ние глубины составили 2 км. В настоящее время в мире пробурена не одна тысяча скважин на глубину более 5 км. Из них несколько десятков имеют глубину более 7 км. Самая глубокая в мире Кольс­ кая скважина перешагнула глубину 11 км. В настоящее время при проходке буровых скважин используют только способ вращатель­ ного бурения с помощью мощных механизированных буровых уста­ новок. Углубление скважины достигается путем разрушения горных

32

пород с помощью долота. Скважина углубляется благодаря одновре­ менному воздействию на долото нагрузки и крутящего момента. На скорость проходки существенное влияние оказывает качество доло­ та. Чем быстрее оно изнашивается, тем чаще приходится его менять, а для этого необходимо поднимать все бурильные трубы с затратой времени. Поэтому в последние годы преимущественно применяют долота, армированные синтетическим алмазом.

Разрушение горных пород долотом может производиться по все­ му кольцевому сечению или только по периферии скважины. В пос­ леднем случае в центре скважины остается цилиндрическая колон­ ка пород, называемая керном. Керн периодически поднимается с определенных глубин на поверхность, затем подвергается лабора­ торному анализу.

По мере углубления долота в стволе скважины скапливаются частицы размолотой породы. С целью их удаления скважина посто­ янно промывается жидкостью - глинистым раствором. Он нагнета­ ется буровыми насосами в бурильную колонну и через нее поступа­ ет к долоту. Проходя через отверстия в долоте, раствор вместе с по­ родой по кольцевому пространству между бурильной колонной и скважиной возвращается на поверхность. После очистки от породы она вновь подается в скважину. Таким образом происходит непре­ рывная циркуляция глинистого раствора.

Вращательное бурение различают двух видов: с двигателем на поверхности - роторное и с двигателем у забоя - турбо, или электро­ бурение. При роторном бурении долото вращается вместе со всей колонной бурильных труб. При бурении с забойным двигателем вра­ щается только долото при помощи электромотора или турбины с использованием гидравлической энергии промывочной жидкости. По мере проходки скважины необходимо наращивать бурильные тру­ бы. Отдельная бурильная труба диаметром 150-250 мм имеет длину 6-10 м. На обоих концах трубы имеется винтовая нарезка для соеди­ нения с другими трубами. Кроме бурильных труб, в скважину вво­ дят также обсадные трубы большего диаметра (до 426 мм) для креп­ ления ствола. Когда скважина доходит до проектной глубины или продуктивного пласта, в нее опускают эксплуатационную колонну труб, снабженную наверху системой труб, задвижек и штуцеров для предотвращения внезапного фонтанирования. Такая фонтанная «елка» выдерживает давление до 25 МПа и выше. Она позволяет регулировать дебит нефти из скважины, Далее глинистый раствор в

скважине заменяют водой. Чтобы вызвать приток нефти к скважи­ не, обсадные трубы у пласта простреливаются пулевыми или тор­ педными перфораторами.

Для бурения скважин в морских месторождениях нефти и газа в настоящее время применяются:

1) сварные стационарные платформы (при глубинах моря до

40 м). Примером такого морского нефтепромысла служат Нефтяные Камни близ Баку (построен в 1950 г.), где пробурено свыше 1500 сква­ жин и извлечено сотни миллионов тонн нефти;

2)нестационарные буровые платформы различных типов: само­ подъемные, полупогружные, погружные, гравитационные, ледостой­ кие и др., позволяющие бурить скважины при глубинах моря до 200 м;

3)специализированные плавучие буровые суда и баржи, с кото­ рых можно вести бурение (например, поисковые) при глубинах моря до 600 м.

1.5.3. Методы разработкиместорожденийгорючих ископаемых

После завершения разведки и установления промышленной зна­ чимости открытых месторождений горючих ископаемых приступа­ ют к их разработке.

Разработка нефтегазовых месторождений осуществляется эксп­ луатационными скважинами, пробуренными по определенной опти­ мальной системе. Основными элементами в системе разработки за­ лежи являются схема размещения добывающих скважин и их коли­ чество. От этого при прочих равных условиях зависят темп отбора нефти и срок разработки залежи.

Выбор наиболее рационального способа разработки месторож­ дений нефти и газа зависит от многих факторов, в частности, от энер­ гетического режима залежи, меняющегося по мере эксплуатации залежи, геологического строения и размеров площади, физико-хи­ мических свойств пластовой нефти, физико-механических свойств пород-коллекторов и др.

Эксплуатация нефтяных скважин осуществляется следующими способами: фонтанным, компрессорным и глубинно-насосным. В на­ чальный период эксплуатации применяется фонтанный способ. Из скважины нефть под давлением пласта поступает в трап (газоотделитель), где из нее выделяется попутный газ, направляемый на газо­

34

перерабатывающие заводы, Далее нефть направляется на промыс­ ловую подготовку (обезвоживание, обессоливание и стабилизация).

Если давление в пласте низковато для фонтанирования нефти, то применяется компрессорная (газлифтная) эксплуатация скважин. При этом способе в кольцевое пространство между эксплуатационной ко­ лонной и насосно-компрессорными трубами при помощи компрессо­ ра нагнетается сжатый природный газ под давлением до 5 МПа.

Третьим наиболее распространенным способом добычи нефти яв­ ляется глубинно-насосный. Он применяется при большом падении дав­ ления в пласте. В скважину на штангах опускаются плунжерные насо­ сы, приводимые в действие станком-качалкой, соединенной приводом с электродвигателем. В последнее время стали применять центробежные глубинные насосы с электродвигателем по типу электробура.

Разработка нефтяных месторождений подразделяется на четыре стадии: 1) стадия промышленного освоения - характеризуется ростом добычи нефти до максимального проектного уровня (и при малой об­ водненности нефти); 2) стадия поддержания высокого и стабильного уровня добычи нефти и перехода скважин с фонтанной добычи на механизированную (при нарастающей их обводненности); 3) стадия значительного снижения добычи нефти - наблюдается прогрессиру­ ющее обводнение продукта; 4) завершающая стадия характеризуется низкими дебитами и высокой обводненностью нефти.

Несмотря на все предпринимаемые усилия, более половины не­ фти, содержащейся в пласте, остается не извлеченной вследствие при­ липания (адгезии) нефти к нефтеносной породе, забивки и снижения проницаемости коллектора, наличия подземных лабиринтов, ловушек и т.д. Для обеспечения наиболее рациональной разработки залежи и повышения коэффициента нефтеотдачи раннего периода ее эксплу­ атации обычно применяют так называемые вторичные методы добы­ чи нефти: искусственное поддержание пластового давления, механи­ ческое воздействие на призабойную зону, термохимическая обработ­ ка скважин и пласта и др. Наиболее полное извлечение нефти из за­ лежи обеспечивает водонапорный режим. Поэтому широкое распрос­ транение получили методы разработки с законтурным или внутриконтурным заводнением. В первом случае через скважины, пробурен­ ные за контуром нефтяной залежи, называемых нагнетательными, про­ изводится закачка воды, тем самым искусственно поддерживается пла­ стовое давление и водонапорный режим. По мере эксплуатации зале­ жи крайние по периферии нефтедобывающие скважины обводняют-

ся, и их начинают использовать для нагнетания воды, и, таким обра­ зом, нефть постепенно вытесняется к центру контура. Этот способ при­ меняется обычно на малых и средних по размерам нефтяных место­ рождениях. На больших залежах, как правило, применяется внутриконтурное заводнение вытеснением нефти не из всего большого кон­ тура, а из нескольких малых участков залежи.

Для поддержания пластового давления и увеличения дебита сква­ жин также часто используют попутный нефтяной газ, нагнетаемый компрессором в сводовую часть залежи. Дебит скважин может умень­ шиться и вследствие «засорения» призабойной зоны частицами по­ роды или отложения в порах пласта асфальто-смолистых веществ нефти или солей из пластовой воды и т.д. В таких случаях для увели­ чения проницаемости пласта применяют методы гидравлического разрыва (при 50 МПа) или торпедирования пласта, организации под­ земных ядерных взрывов, а также химической (соляной или серной кислотой, поверхностно-активными веществами) и термической (по­ дачей горячего газа или перегретого водяного пара) обработкой при­ забойной зоны. Для борьбы с парафиноотложением на нефтепро­ мысловом оборудовании стали применять специальные (депрессорные) присадки, препятствующие росту кристаллов парафина.

Эксплуатация газовых скважин по технологии разработки ана­ логична фонтанному способу нефтедобычи. Газ из отдельных сква­ жин после отделения влаги и твердых примесей направляется в га­ зосборный пункт.

Разработка месторождений твердых горючих ископаемых осVществляется открытым или шахтным способом. При неглубоком за­ легании пластов угля (чаще всего это бывает в месторождениях бу­ рого угля) их разрабатывают открытым способом: посредством эк­ скаваторов или взрывными работами удаляется слой горных пород, покрывающих пласт, после чего уголь вынимают экскаваторами. Этот способ значительно производительнее и безопаснее, чем бо­ лее распространенный способ добычи в шахтах, применяемый при глубоком залегании пластов. В ш ахтах твердые горючие иско­ паемые добывают посредством угольных комбайнов, стругов и вру­ бовых машин и вывозят их на поверхность электровозами. Сейчас внедряют более экономичный способ добычи угля в шахтах - гид­ равлический: пласт разбивают, измельчают и зерна угля транспор­ тируют струей воды на поверхность, затем отделяют от воды и пу­ стой породы.

36

1.5.4. Транспортирование нефти, газа и других горючих ископаемых

Твердые горючие ископаемые перевозятся к местам их пере­ работки или потребления преимущественно железнодорожным (в открытых вагонах), а также морским, речным, иногда автомобиль­ ным транспортом.

Объективно сложилось так, что большинство нефтегазопромыслов находится, как правило, на больших расстояниях от нефтегазо­ перерабатывающих заводов. Так, длина маршрута доставки нефти из Персидского залива в США или Японию составляет около 13 тыс. км, а газа из районов Крайнего Севера нашей страны, например Уренгоя, в страны Западной Европы - почти 5 тыс. км. Объемы внут­ ренних и международных (и межконтинентальных) перевозок нефти

игаза за последние годы увеличивались быстрыми темпами и исчис­ лялись соответственно сотнями миллионов тонн и миллиардами ку­ бометров. К тому же следует особо отметить, нефть и газ в открытой или негерметичной таре нельзя перевозить - улетучивается часть продукта, да и это исключительно опасно. Летом на солнце закры­ тый сосуд с нефтью нагревается, что может привести к взрыву, а зимой - застывает. При случайной искре нефть и газ загораются. При пожаре нельзя их тушить водой. Известны десятки трагедий, возникших при транспортировке нефтегазогрузов с тяжелыми по­ следствиями для людей и окружающей природы (например, УлуТелякская на границе Челябинской обл. и Башкирии в 1989 г.). По­ этому транспортировка нефти, особенно природного газа, по срав­ нению с твердыми видами горючих ископаемых, предъявляет поми­ мо экономической эффективности особо повышенные требования по обеспечению высокой надежности, герметичности, противопожарной

иэкономической безопасности транспортных средств.

Одним из наиболее дешевых, экономичных и технически со­ вершенных видов транспорта нефти и газа на расстояния, измеряе­ мые тысячами километров, является морской нефтеналивной флот, особенно когда речь идет о транспортировке их с одного континента на другой. В послевоенный период мирового нефтяного бума объе­ мы морских перевозок возрастали интенсивно - пропорционально темпам роста нефтедобычи, затем стабилизировались. Вводились в эксплуатацию во все возрастающих количествах крупнотоннажные танкеры - нефтевозы с грузоподъемностью 100-250 тыс. т и гигант­

37

ские супертанкеры водоизмещением до 750 тыс. т. Создан также флот танкеров-газовозов, например, для перевозки метана из Ал­ жира в США. У них на борту работают специальные компрессор­ ные и холодильные установки, обеспечивающие жидкофазное со­ стояние метана (-80°С и давление 5-6 МПа) в многочисленных («тер­ мосах».

На суше наиболее экономична и надежна транспортировка не­ фти и газа по трубопроводам. Перевозка нефти и газа по трубопро­ водам в нашей стране по темпам роста грузооборота намного опере­ дила другие виды транспорта. Доля их в общем объеме перевозок быстро росла и достигла почти трети общего грузооборота страны, а

вперевозке нефти - до 85%. Столь стремительные темпы объясня­ ются исключительно высокой экономичностью трубопроводного транспорта. Так, на доставку каждой тонны нефти по трубам требу­ ется в 10 с лишним раз меньше трудовых затрат, чем для ее перевоз­ ки по железным дорогам.

Трубопроводный транспорт, однако, не так прост, как кажется внешне. Необходимо уложить в сложных геологических и геогра­ фических условиях в траншеи герметичный тысячекилометровый трубопровод большого диаметра через болота, горы, реки и леса, построить промежуточные нефтеперекачивающие станции, обеспе­ чить высокую надежность и безопасность, оснастить средствами кон­ троля и авторегулирования и т.д. При эксплуатации трубопроводов возникают трудности, связанные с парафиноотложением или кор­ розионной агрессивностью перекачиваемых нефтей или газоконден­ сатов (например, высокопарафинистых мангышлакских или орен­ бургских нефтей и карачаганакских газоконденсатов, содержащих

ваномально высоких концентрациях меркаптаны). Поэтому нефте­ проводы часто сопровождают «спутники» - трубы, по которым пода­ ют горячую воду или печи нагрева на перекачивающих станциях. Для борьбы с коррозией синтезированы и применяются при пере­ качке нефти специальные химические реагенты - ингибиторы кор­ розии. Большое распространение в перевозке нефти в мире и нашей стране получил железнодорожный транспорт, уступающий по объе­ мам перевозок трубопроводному. Организация нефтеперевозок этим способом не требует особо сложных технических решений. Для этой цели используются специальные цилиндрические сосуды, укреплен­ ные на рамах железнодорожных вагонов, - нефтеналивные цистер­ ны. Этот вид транспорта удобен для доставки нефти в районы, уда­ ленные от трубопроводных магистралей.

38

1.6. Краткий исторический обзор развития топливной промышленности

1.6.1. Развитие нефтяной <* газовой промышленности

До середины XIX в. нефть добывалась в небольших количествах

восновном из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на поверхность. Со второй половины XIX в. спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием на их основе промышленности. На рубеже XIX - XX вв. были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания, положившие начало бурному развитию нефтедобываю­ щей промышленности. Этому способствовало изобретение в сере­ дине XIX в. механического бурения скважин. Первую в мире нефтя­ ную скважину пробурил знаменитый американский полковник Дрейк в 1859 г. на окраине маленького городка Тайтесвилл в шта­ те Пенсильвания. В России первые скважины были пробурены на Кубани в долине р. Кудако в 1864 г. А.Н. Новосильцевым, и в 1866 г. одна из скважин дала нефтяной фонтан с начальным дебитом в 190 т

всутки. В начале XIX в. нефть в промышленных масштабах до­ бывали в 19 странах мира. В 1900 г. в мире было добыто почти 20 млн т нефти, в т.ч. в России - более половины мировой добычи.

Вразвитии нефтяной промышленности царской России, затем бывшего СССР можно выделить 3 этапа. Первый - довоенный этап связан с добычей нефти в Азербайджане. Второй этап - послевоен­ ный до начала 70-х гг. - связан с открытием, освоением и интенсив­ ным введением в разработку крупных нефтяных месторождений Волго-Уральской нефтегазоносной области. Датой рождения нефтя­ ного второго Баку считается 16 мая 1932 г., когда из скважины №702 у д. Ишимбаево ударил первый фонтан восточной нефти. После Ишимбая последовали нефти Туймазы, Ш капово, Большого Арла­ на в Баш кирии, нефти Татарии, Волгоградской, Саратовской, Куйбышевской, Пермской, Астраханской и Оренбургской областей

идр. До ввода в эксплуатацию нефтяных месторождений Запад­ ной Сибири Волго-Уральская провинция давала 75% ежегодной

добычи нефти в стране. Только одна Татария два десятилетия да­ вала более 100 млн т нефти ежегодно, а Башкирия - более 40 млн т.

39

Так, в 1960 г. в общесоюзной добыче нефти (150 млн т) доля УралоПоволжья и Кавказа составила соответственно 104 и 30 млн т. На­ чиная с 1958 г. прирост добычи нефти в стране за каждые 5 лет со­ ставлял 100 млн т. Третий - наиболее интенсивный период разви­ тия нефтяной промышленности бывшего СССР, который ох­ ватывает начало 70-х - конец 90-х гг., связан с открытием уникаль­ ного нефтегазоносного бассейна в Западной Сибири (Тюменской обл.). Открытие этой провинции началось с фонтана газа, получен­ ного в 1953 г. на Березовской площади, а первая нефть была уста­ новлена в 1961 г. на Шаимской структуре. В дальнейшем здесь вы­ явлен целый ряд крупных нефтяных месторождений, таких, как Усть-Балыкское, Самотлорское, Мамонтовское, Правдинское и др., а также газовых гигантов Уренгоя, Медвежья, Ямбурга, Заполярья и др. К концу 90-х гг. Западная Сибирь вышла на рубеж миллион­ ной добычи нефти в сутки и обеспечивала более половины общесо­ юзной ее добычи. В 1987 г. в бывшем СССР было добыто рекордное количество нефти - 624 млн т. Однако в последующие годы добыча нефти в бывшем СССР и России сильно упала (см. табл. 1.13).

Таблица 1.13

Динамика добычи нефти, газа и угля в России после распада СССР

В бывшем СССР нефть добывается в настоящее время, кроме перечисленных выше регионов, на Сахалине, в Казахстане, Тур­ кмении, Украине, Белоруссии и Узбекистане. Добыча газа в быв­ шем СССР в послевоенные годы развивалась, как и в мире, более быстрыми темпами по сравнению с нефтяной промышленностью. До открытия сибирских газовых гигантов газодобыча в стране обеспечивалась старыми месторождениями Ставрополя, Туркме­ нистана (Ш атлыкское), Узбекистана (Газли), Украины (Шебелинское)и др.

40