книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

В В Е Д Е Н И Е

У нефти всегда есть ж елание под­ няться из земных глубин на поверх­ ность. Человек ей в этом помогает.

Определение нефтегазового дела

П рирода д ает довольно, чтобы удовлетворить наши потребности.

Сенека

П р и написании н астоящ ей книги авто р ы п р и д ер ж и в ал и сь нескольких учебны х программ , по которы м обучаю тся студ ен ты сп е ­ ц и альн остей б акал авр и ата н ап р авл ен и я «Н еф тегазовое дело». В книге рассм отрен ы тех н и ч еск и е, техн ол о ги ч ески е и экологи чески е основы геологии, геохимии, р азвед ки , добы чи, п ереработки , тран сп орти ровки , хр ан ен и я и р асп ред ел ен и я н еф ти , га за и н еф тепродуктов.

Вот у ж е полтора столетия н еф ть обеспечивает ц иви лизации бы строе развитие. П ром ы ш ленная добыча природного газа началась сравнительно недавно, однако и газ у спел зан ять главенствую щ ее полож ение в эконо­ м ике многих стран. П о -настоящ ем у ш ироко н еф ть бы ла востребована, к а к только н ачал ась п р о м ы ш л ен н ая револю ция и обусловленны й ею техн и ческий прогресс. Н а первом этап е появились новы е м аш ины , ко ­ торы е потребовали больш ое коли чество см азочны х м асел. Это п ар о вая м аш ина И. П олзунова (1763 г.), паровой д ви гатель Д. У атта (1784 г.), п а ­ роход Р. Ф ултона (1807 г.), паровоз Д. С теф ен сона (1814 г.).

Во второй половине X IX в. н ач ал ся «керосиновы й период». П о сл е ­ довавш ий д алее н еф тян ой бум и р азви ти е неф тяного д ел а бы ли обус­ ловлены вел ичайш им и изобретен иям и: д ви гатель внутреннего сгора­ н ия Н. О тто (1876 г.), автом обиль Г. Д ай м лера (1883 г.) и К. Б ен ц а (1886 г.), дизельны й двигатель Р. Д и зел я (1897 г.). В 1901 г. п ояви лся первы й т р а к -

тор, в 1903 г. — самолет и теплоход. П оявление моторов стало револю ­ цией на транспорте, в энергетике, в военном деле и потребовало огром­ ного количества продуктов переработки нефти.

Сегодня 90 % добываемой неф ти сгорает в топках электростанций, в городских котельных, в пламени м артеновских печей, в ф орсунках хи ­ мических аппаратов, в двигателях автомобилей, самолетов, граж данс­ ких и боевых судов — всюду, где необходима энергия, свет и тепло. Можно сказать, что именно нефть, стирая границы, полож ила начало процессу глобализации: вначале неф ть объединила лю дей в их стрем ­ лении ж и ть без лучины при более ярком свете керосиновой лампы , з а ­ тем она стала незаменимой при получении моторного топлива и синте­ зе ты сяч новых продуктов и материалов.

И стория происхож дения нефти неразрывно связана с историей Зем ­ ли и представляет собой картину того, как развивался органический мир в целом. Углеводороды и сейчас образую тся в земны х недрах и в дон­ ных отлож ениях М ирового океана. Процесс этот непрерывны й, но очень медленный, а человек извлекает неф ть из недр в миллион р аз интен­ сивнее темпов ее образования. При этом объем остаю щ ейся в недрах нефти на отработанных м есторож дениях, по крайней мере, равен объе­ му извлеченной нефти. Н ельзя рассм атривать м иллиарды тонн остав­ ш ейся в недрах неф ти безвозвратно утерянны ми: следует соверш ен­ с т в о в а т ь технологию добычи той нефти, которая в настоящ ее врем я является недоступной.

В XXI веке в мире ежегодно добывается около 4 млрд т неф ти и око­ ло 3 трлн м3 газа. В России добыча неф ти с газовым конденсатом в 2007 г. составила более 490 млн т, газа — более 650 млрд м3. П риведенны е ц и ф ­ ры свидетельствую т о необходимости соверш енствования технологи­ ческих процессов добычи углеводородов. В этой важ ной области чело­ веческой деятельности использую тся многие прогрессивные реш ения:

• бурятся горизонтально-разветвленны е скваж ины ;

•использую тся вторичны е и третичны е методы повы ш ения н еф те ­ отдачи пластов;

•эксплуатирую тся морские м есторож дения с применением подвод­

ного оборудования и подводных трубопроводов;

• увеличивается добыча тяж елой и сверхтяж елой нефти.

В основу перечисленны х технологий полож ены знания реологичес­ ких особенностей поведения неф ти. В общем объем е добы ваемой н е ­ ф ти доля вы соковязких и вы сокозасты ваю щ их разновидностей н еф ти год от года будет возрастать. Реология объясняет многие ф ак ты и я в ­ ления в технической и технологической деятельности человека. Д ля

неф тяников реология — это сам остоятельны й р азд ел в гидром ехани ­ ческом цикле дисциплин. П оэтому в книге д ается описание ф и зи ч ес ­ ких основ течен ия ненью тоновских ж идкостей в тех средах и тех ус­ ловиях, в которы х находится неф ть, неф тепродукты , буровы е и там ­ понаж ны е растворы .

СО., ф отосинтез —> углеводы и органическое вещ ество (ОВ) в биосф е­ ре —> ОВ в осадочных породах —» м икронеф ть —> зал еж ь углеводородов (УВ) —» добыча и переработка УВ —» сж игание УВ —» СО.,. Для сегодняш ­ него человека-потребителя главными в этом цикле являю тся последние четы ре звена, которые в совокупности и составляю т основу н еф тегазо ­ вого дела. В книге д ается цельное представление о процессах, сопут­ ствую щ их рож дению углеводородов, их добыче, транспортировке и ис­ пользованию .

С т р о и т е л ь с т в о скваж и н ы явл я ется слож ны м м ногоф акторны м процессом. С одной стороны, процесс бурения в значительной степени консервативен и состоит из последовательности обязательны х опера­ ций, с другой стороны, при бурении возникаю т различны е экстрем аль­ ные ситуации, требую щ ие от специалистов-буровиков м астерства и м уж ества.

Э ксперты определили , что сочетание р азл и ч н ы х возм ущ аю щ их ф акторов, влияю щ их на процесс бурения, приводит к возникновению почти миллиона различны х технологических ситуаций. Поэтому в реж и ­ ме реального времени человек не способен осущ ествлять оптимальное управление режимом бурения. Эта особенность требует соверш енство­ вания систем автоматического управления процессом бурения, совер­ ш енствования телем етрических систем контроля, забойных двигателей и разработки долот с высокой стойкостью . В книге приводятся техни ­ ческие и технологические основы строительства глубоких скваж ин на суш е и на море, которыми долж ен владеть специалист-неф тяник.

Н еож иданное возникновение авари й н ы х ситуаций на пром ы слах зачастую связано с недооценкой пространственно-врем енны х изм ене­ ний состояния земны х недр. К настоящ ему времени накоплена уникаль­ ная инф орм ация о современны х вертикальны х и горизонтальны х т е к ­ то н и ч е с к и х д ви ж ен и ях земной коры. Кроме того, инструм ентально доказано, что аномальны е изм енения флю идного реж им а осадочного чехла, аварии на пром ы слах и локализованны е сейсм опроявления п р я ­ мо или косвенно связаны с техногенным изм енением напряж енно -де­ формированного состояния недр. С ерьезны е компании не хотят ставить

на карту собственный престиж , поэтому начинаю т обращ ать внимание на геодинамические исследования, чтобы не допустить аварий на р а з ­ рабатываемых месторождениях. Этим вопросам в книге такж е у д еля ­ ется достаточное внимание.

М аги стральн ы е н е ф т е - и газопроводы — это непреры вны й и са ­ мый эф ф ективны й способ подачи сотен миллионов тонн углеводоро­ дов от мест их добычи до пунктов потребления. Россия им еет п р и м ер ­ но 155 тыс. км м агистральны х газопроводов, 50 тыс. км м агистральны х нефтепроводов и 20 тыс. км нефтепродуктопроводов. Среди них ш ести ­ ниточная тран ско н ти н ен тальн ая систем а газопроводов д и ам етром 1220— 1420 мм от газовы х месторож дений Уренгоя и Ямала в страны Западной Европы общ ей протяж енностью 35 тыс. км. П роектная про­ пускная способность одной только нефтепроводной системы Восточная Сибирь—Тихий океан (ВСТО) составляет 80 млн т н еф ти в год. В насто­ ящем учебном пособии излагаю тся основные ф изические законы, осо­ бенности и расчетны е зависимости, определяю щ ие динамику течения нефти и газа в магистральны х трубопроводах.

Чтобы месторождение поступило в разработку, геологи и геоф изи ­ ки определяю т его параметры , бурильщ ики и специалисты по буровым растворам проходят скваж ины и вскры ваю т продуктивны е горизонты, затем технологи по добыче преодолеваю т множество трудностей, свя­ занных с извлечением углеводородов на поверхность. Д алее неф тепе­ реработчики и неф техимики получаю т из неф ти и газа необходимые технические продукты, а инж енеры -транспортники обеспечиваю т их эф ф ективную подачу к м есту потребления. П ри этом на всех этапах обращ ения с нефтью : от обустройства м есторож дений до бензоколон­ ки — необходимо уделять серьезное внимание вопросам охраны окру­ жаю щ ей среды.

Все перечисленные процессы являю тся составляю щ и м и н е ф т е га ­ зового дела и последовательно рассмотрены в настоящ ей книге. П остав­ ленную авторами задачу можно было реш ить только ш ироким охватом материала, поэтому объем книги получился достаточно солидным. Ус­ воение излож енной информации позволит читателям овладеть базовы ­ ми знаниями и принципами нефтегазовой инж енерии, чтобы в дальней ­ шем получать более тонкие и специальны е знания.

1.1.ОБЪЕМЫ ДОБЫЧИ И ПОТРЕБЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ РЕСУРСОВ

С ч и тается , что н еф т ед о б ы ч а как сам ост оя т ел ьн ая о т р асл ь п р ом ы ш ленности б ер ет свое начало с 1859 г., когда п ер в оотк р ы в ател ь Э двин Д р ей к в ш тате П ен си л ьв ан и я (С Ш А ) и з ск в аж и н ы гл уби н ой 23 м п ол учи л п ер в ую ам ер и к ан ск ую н еф ть . С л е д у е т отм ети ть, что за д о л го д о этого собы тия н еф т ь в отн оси тельн о н ебол ь ш и х к ол и ч ест в ах д о б ы ­ в алась и п ер ер абаты в ал ась в « осв ети тел ьн ое м асло» в Р о сси и , Р у м ы ­ нии и Галиции. П оэтом у н ев о зм о ж н о н азв ать к он к р етн ую д а т у п о я в л е ­ ния н еф т ед о б ы ч и как м ировой отр асли . М ож н о усл ов н о счи тать, что в п ер в ом д еся т и л ет и и X X I в. и сп ол н я ет ся 150 л е т м и р ов ой н е ф т е д о б ы ­ ваю щ ей пром ы ш ленности .

В табл. 1.1 д аю т ся св ед ен и я о м и р ов ой н еф т ед о б ы ч е за годы е е с у ­ щ ествов ан и я, а т а к ж е ср авн и тел ьн ы е д ан н ы е по д в у м основны м н е ф ­ тедобы в аю щ и м странам : Р о сси и и С Ш А . Б о л ее 100 л ет п ер в о е м ест о по годовы м ур овн ям добы ч и зан и м ал и С Ш А . Р о сси я с сам ого н ачал а бы ла второй . В 1974 г. С оветск и й С ою з вы ш ел на п ер в о е м есто по д о б ы ч е н е ­ ф ти . Н а у р ов ен ь д обы ч и в оди н м и л л и он тонн м и р вы ш ел в 1871 г., на ур ов ен ь в од и н м и л л и а р д тон н — в 1960 г. В 1979 г. м и р ов ая н е ф т е д о б ы ­ ча д ости гл а р ек о р д н о вы сок ой отм етк и , п р ео д о л ев ц и ф р у в 3 м л р д т. К 2001 г. ур о в ен ь н еф т ед о б ы ч и п р и б л и зи л ся к 3,4 м л р д т.

Б у р н о е р а зв и т и е м и р ов ой н еф т ед о б ы ч и бы ло вы зван о ст и м у л и р у ­ ю щ и м п рон и к н овен и ем н е ф т еп р о д у к т о в в р азл и ч н ы е о бл асти п р ом ы ш ­ лен н ости , тр ан сп ор т а и бы та. К эт о м у с л е д у е т добав и ть бы стр ы й р о ст чи сл а н еф т ед о б ы в а ю щ и х ст р ан (табл. 1.2). К н ач ал у 1920 г. во в сем м и р е бы ло 24 н еф т едобы в аю щ и х страны , н аи бол ее к р уп н ы е и з к отор ы х С Ш А , М ек си к а, Р осси я , И н д о н ези я , И р ан , Р ум ы н и я . К 2000 г. н асч и ты в ал ось у ж е 93 н еф т ед о б ы в а ю щ и е страны .

Таблица 1.1. Мировая добыча нефти и доля в ней России и США

Таблица 1.2. Годы начала нефтедобычи в некоторых странах

П риблизительно до 1940 г. мировое потребление неф ти увеличива­ лось медленно. Бурны й рост потребления неф ти произош ел в последу­ ющие 20 лет. В настоящ ее врем я мировое потребление неф ти на душ у населения стабилизировалось на уровне 580 кг/ год. Основные потреби­ тели углеводородов — это промыш ленно развиты е страны.

Зап асы неф ти в той или иной стране не являю тся главным ф акто ­ ром, определяю щ им объемы ее добычи. В 1930— 1950 гг. в районе П ер ­ сидского залива было откры то больш ое число крупны х месторож дений неф ти, однако добыча ее велась низкими темпами. Г лавная причина заклю чалась в неготовности мировой индустрии того времени обеспе­ чить бы стры е тем пы освоения ближневосточной нефти. Н еф тяная про­ мыш ленность — это м еталлоем кая отрасль. Больш ое количество м етал­ ла расходуется на строительство скваж ин, трубопроводов, танкеров и оборудования для неф теперерабаты ваю щ их заводов. П отребители не­ ф ти, в особенности транспорт, тож е нуж даю тся в м еталле, а м еталла в ту пору не хватало, что сдерж ивало развитие неф тяной промыш ленно­ сти мира.

В последние десятилетия тем пы роста нефтедобы чи замедлились. П ричин том у несколько. В о -первы х, по всем у м иру стало зам етн о ум еньш ение прироста запасов н еф ти по сравнению с количеством до ­ бываемой неф ти. В о-вторы х, повы ш ение цен на н еф ть заставило с тр а ­ н ы -и м п ортеры п роводить п оли ти ку энергосбереж ен ия. В -тр етьи х , экологические и экономические соображ ения заставили увеличить ис­ пользование природного газа.

В XX в. объем используемы х энергетических ресурсов увеличился в 15 раз, а численность населения вы росла в 3,8 р аза — с 1,7 до 6,3 млрд человек. То есть потребление энергии на душ у населения возросло в четы ре раза, составив 1,5 т нефтяного эквивалента (н. э.) на человека в год. В первы е годы X X I в. уровень ежегодного глобального спроса на энергию превы сил 11 м лрд т н. э. И з 230 стран мира 99 добываю т угле­ водороды. Данные по основным странам приводятся в табл. 1.3.

По п роизводству н еф ти ли дирую т Б л и ж н и й Восток, где из недр и зв л ек ается 26 % общ емирового объем а, и С еверн ая А м ерика — 24 % общ емирового объем а добычи. С тоим ость производства н еф ти в а р ь ­ ируется: на Б л и ж н ем В остоке со ставл яет 4,2 дол л ./б ар р .; в а зи а тс ­ кой части России, СШ А и К анаде — 8,0; в Западной Европе — 9,6; на глубоководном ш ельф е Л атинской А мерики — 10,4 долл./барр.

Впоследние годы значительно увеличилось число месторож дений

искваж ин, введенны х в эксплуатацию на ш ельф е. В 2006 г. в эксплуа­ тацию введено 197 морских месторождений: началось извлечение нефти