О нефти и газе доступным языком

Какое топливо лучше?

Еще наши далекие пещерные предки обогревались у костров. Пламя служило также для освещения и для приготовления пищи. Огонь поддерживали дровами, и именно они, эти куски дерева, долгое время были основным видом топлива для человечества.

При помощи дров жители Земли решали многие проблемы: обогревались, готовили пищу, даже начали плавить металлы (правда, для этого дрова сначала превращали в древесный уголь). Дерево играло столь решающую роль в жизни общества, что в истории остались упоминания о «блуждающих» городах. Например, столица Эфиопии – Аддис-Абеба – в прошлые времена постоянно кочевала с места на место по мере того, как жители вырубали окрестные леса.

Но проходили столетия, людей на планете становилось все больше, а лесов – все меньше. И в XIX веке Англию – самую передовую промышленную страну того времени – постиг топливный кризис. Дров на острове перестало хватать для нужд населения и промышленности. Нужно было срочно искать им замену.

Поиски, впрочем, были недолгими. О том, что прекрасно могут гореть также уголь и нефть, люди знали издавна. Правда, одно дело знать, а другое – использовать эти знания на практике. Ведь уголь и нефть надо искать, добывать. Да и топить ими тоже надо уметь. Скажем, уголь просто от спички как хворост не загорится. А обычные печи для нефти так и вообще не годятся.

Но нужда всему научит. В той же Англии, а затем и в других странах мира со временем научились топить углем еще лучше, чем дровами. Конечно, это вовсе не значило, что о дровах тотчас забыли. Они ведь нужны даже для того, что бы разжечь уголь. А в тех местах, где лесов было в достатке, дрова по-прежнему широко использовались. Так, в России начала 20 века дрова давали более половины всей энергии, одну четвертую часть уголь, шестую - нефть.

«Один сумасшедший предлагает освещать Лондон – чем бы вы думали? Представьте себе – дымом!...» - так писал Вальтер Скотт в письме одному из своих друзей, не подозревая, что освещение дымом, а точнее газом, вполне возможно, и вслед за Лондоном рожки появятся вскоре в Париже, Нью-Йорке, Берлине, Петербурге и Москве.

В те времена светильный газ получали переработкой каменного угля. Но уже в начале 20 века поняли, что тот газ, который выходит из недр Земли, горит не чуть не хуже. Лишнее тому доказательство – газовые плиты, стоящие во многих домах и по сей день.

В 1910 году, как свидетельствует статистика, большую часть топлива в мире составлял уже уголь – 65%. За ним шли дрова и на последнем месте стояла нефть. Ее доля в мировом топливном балансе составляла всего 3%, а природный газ вообще не использовался.

Еще через четверть века доля каменного угля снизилась до половины, в то время как доля нефти в топливном балансе возросла до 15%. Во многих странах мира начали использовать и природный газ.

Еще более разительные перемены произошли в России. Уже в годы первых пятилеток страна начала стремительно наращивать темпы угледобычи. «Хлебом промышленности» назвал уголь В.И.Ленин, и страна не хотела держать на голодном пайке свою развивающуюся индустрию. Ежегодно угольная промышленность давала прирост более 100%. С 1930 по 1940 год добыча угля возросла в три раза: с 70 до 220 миллионов тонн в год. Подобные темпы сохранились и в первые послевоенные годы. За пятилетку с 1950 по 1955 годы был достигнут прирост в 170 миллионов тонн.

И все же, невзирая на столь бурный рост угольной промышленности, она постепенно теряла лидирующее положение.

В 70-е годы первое место в топливном балансе уверенно заняла нефть – около 35%. Доля каменного угля снизилась до 30%. На третьем месте оказался природный газ – около 20%. Затем шли дрова – 10%. Прочие источники энергии, в том числе электростанции на воде и на атомной энергии, давали всего 5% энергии.

В наши дни первые места занимают нефть и газ – они обеспечивают более две трети топливного баланса.

Почему так получилось? Ведь угля и сегодня предостаточно: его разведанные запасы составляют 1075 миллиардов тонн – 87,5% всех топливных запасов планеты. А все дело в том, что нефть и газ более удобны в эксплуатации. Вот только один пример: уголь в топку бросали лопатами чумазые кочегары; жидкое же и газообразное топлива легко подавать при помощи насосов по трубам, а жечь – форсунками и горелками.

Эти удобства особенно видны на транспорте. На сегодняшний день практически вся потребность в топливе судов и тепловозов, самолетов и автомобилей, тракторов и мотоциклов обеспечивается за счет нефти и газа.

И такая тенденция, по всей вероятности, сохранится еще долго. Потому что нефть с газом горят лучше любого другого топлива. Так при сгорании 1 кг нефти выделяется 46 тыс кДж, при сгорании 1м3 газа – около 38 тыс. кДж, в то время как 1 кг угля дает в лучшем случае только 29 тыс. кДж. Говоря другими словами, теплота сгорания нефти примерно в 1,5 раза выше, чем у угля, и в два с лишним раза превышает теплоту сгорания дров. И с этим тоже приходится считаться.

Так что, как видите, в отличие от арифметики, в топливном балансе от перемены мест слагаемых общая картина может измениться разительно.

Сколько нефти в мире?

Анекдот: Американцы выяснили, что у них очень большие запасы нефти. Правда на поверхности над этими запасами располагается арабская страна.

В современном обществе роль нефти возросла неимоверно. Военная техника, мирный транспорт, электростанции, оборудование на заводах и фабриках, системы отопления – все это приводится в действие за счет нефти и газа.

Волей-неволей возникает некоторое беспокойство: «А хватит ли нефти на все нужды?». Беспокойство это усиливают воспоминания о нефтяном кризисе 70-х годов, когда миру вдруг перестало хватать нефти и газа. Взвинтились цены на бензин, дизельные топлива и другие нефтепродукты. В Японии, во многих странах Западной Европы и даже в США были введены различные энергетические ограничения.

Некоторые эксперты объяснили создавшееся положение так. «Чего же вы хотите? – говорили они. – Стремительное увеличение потребностей в энергетическом сырье привело к столь же быстрому росту добычи нефти и газа. Если, например в 1920 году на планете добывалось 95 млн тонн нефти, то к началу второй мировой войны – уже около 300 миллионов тонн, а в 1950 году – 523 миллиона тонн. И так возрастание темпов немалое, а с начала 60-х годов так и вообще произошел «взрыв» нефтедобычи. В 1960 году во всем мире было добыто уже 1052 миллиона тонн нефти, а в 1970 году – 2336 миллионов тонн! Кладовые же Земли не беспредельны…»

Однако, такое объяснение далеко от правды. Нет, все цифры, которые приводили специалисты, были точны – действительно во второй половине 20 века темпы нефтедобычи стали расти, как в сказке. Но дело было не только и не столько в них.

Запасы нефти, выявленные специалистами к настоящему времени, составляют порядка 230 миллиардов тонн. Так что хватит на наш век и потомкам. Перестало ее хватать по другим причинам – экономическим и политическим.

По капризу природы наибольшее количество «черного золота» сконцентрировано в недрах Аравийского полуострова. Здесь обнаружено более 50 миллиардов тонн нефти, причем лежит она на небольшой глубине, отличного качества, и большинство пробуренных скважин сразу же начинают фонтанировать. Словом, рай для нефтедобытчиков, да и только.

Наиболее богата нефтью Саудовская Аравия, на ее долю приходится чуть меньше половины всех запасов Аравийского полуострова. За ней идут Кувейт, Иран, Ирак, ОАЭ. Все это сравнительно небольшие страны, которые долгое время находились под контролем англо-американского капитала. Если где-то и объявлялся вдруг непослушный эмир, то в стране тут же организовывался государственный переворот или со строптивцем вдруг происходил «несчастный случай».

Но вот в 1960 году правительства Ближнего и Среднего Востока сумели объединиться, образовав организацию стран – экспортеров нефти – ОПЕК. В нее впоследствии вошли также и некоторые другие нефтедобывающие страны (Нигерия, Венесуэла, Индонезия) – всего в ОПЕК входят 14 стран. До 70-х годов это объединение никто всерьез не воспринимал. Один из западных нефтяных магнатов даже счел возможным пошутить: «Эти парни годятся только для гонок на верблюдах…».

А в 1970 году вдруг выяснилось, что «парни» способны и на гораздо более серьезные дела. Ливия выступила с требованием резко увеличить отчисления в свою пользу. А когда западные компании, добывающие нефть в стране, заупрямились, правительство Ливии заявило, что на 25% снизит добычу нефти и полностью прекратит отгрузку за рубеж сжиженного газа.

Требования ливийцев поддержали правительства других стран – членов ОПЕК.

Полгода длилась борьба американских нефтяных компаний с правительством Ливии, и в конце концов нефтепромышленники были вынуждены уступить.

Страны ОПЕК почувствовали свою силу, и в 1971 году в Тегеране состоялись переговоры между ОПЕК и «семью сестрами» - крупнейшими нефтекомпаниями, которые вели разработки недр Аравийского полуострова. ОПЕК потребовала увеличить налог в пользу стран-экспортеров, предъявила еще некоторые экономические требования. А когда компании хотели было припугнуть ближневосточников военной силой, те, в свою очередь приняли ответные меры. Американцам было заявлено, что в случае военного вторжения все нефтепромыслы будут взорваны. Восток – дело тонкое!

Такая тактика оказалась вполне успешной. Через 33 дня после начала переговоров американские нефтяные магнаты все-таки сдались.

В 1972 году был сделан следующий шаг по освобождению стран ОПЕК из-под власти иностранного капитала. В Ираке начала работать национальная нефтедобывающая компания, а несколько месяцев спустя было объявлено о национализации британской, американской и голландских компаний, ведущих разработки в стране. Во главе данных действий стоял Садам Хусейн, и американцы так и не простили ему такой дерзкой выходки. Вслед за Ираком подобные перемены были произведены в Алжире и некоторых других странах-производителях нефти.

В результате таких событий перед капиталистическими странами и встала проблема топливного дефицита. Цены на нефть резко подскочили. В США, например, они повысились в 6-7 раз! Из-за нехватки горючего, как в США, так и в Западной Европе пришлось снизить число авиарейсов, резко сократились заказы на строительство танкеров, уменьшилось число выпускаемых автомобилей. Тогда и возникли разговоры о «нефтяном голоде».

Но имели ли они под собой реальную почву? Как оказалось, нет. Прежде всего виновниками недостачи топлива в США оказались те же «семь сестер» - ведущие нефтекомпании страны. Потеряв некоторую долю барышей при добыче нефти, они тут же постарались вернуть потерянное на продаже. Взвинчивая цены на топливо, искусственно придерживая танкеры в море, замораживая запасы в нефтехранилищах бизнесмены от нефти в конце концов добились своего: в период с 1972 по 1974 годы, то есть в самый разгар нефтяного кризиса, их доходы возросли втрое.

Сразу скажем, что такое увеличение цен на нефть оказалось лишь началом последующих событий. Скачки продолжались после некоторого затишья, и в 1978-1979 годах справочные цены на нефть достигли потолка. Если в благополучном предкризисном 1972 году нефть в районе Персидского залива предлагалась по 25-30 долларов за тонну, то в 1979 году страны ОПЕК подняли цены до 250-300 долларов. Индекс роста цен довольно долго оставался на уровне 10.

Эти события были порождены политическими и экономическими причинами, имеющими достаточно давние и глубокие корни. Совершенно очевидно, что в течение долгих лет хозяйничания нефтяных монополий на Ближнем Востоке и в других нефтедобывающих районах имел место самый классический грабеж. С месторождений «снимались сливки», не соблюдались ни технологические, ни экологические нормы. Цель была одна – добыть как можно больше и как можно дешевле. В результате такой деятельности многие запасы, которые можно было освоить в начале разработки месторождений переходили в запасы, добыча которых становилась экономически неоправданной. (В следующих выпусках будет более подробно рассказано о таких явлениях). Таким образом достигались низкие цены на нефть. В самом деле, 25 долларов за тонну нефти, то есть 2,2 цента за литр – это в десять раз дешевле прохладительных напитков. Нелепость!

Однако и безудержная гонка цен ничего хорошего не дала ни странам потребителям, ни производителям нефти. Началась галопирующая инфляция, подскочили цены на все. Началась настоящая война цен. Джеймс Картер, бывший в конце 1970-х годов президентом США, провозгласил воинственный лозунг: «Бушель зерна за баррель нефти». (Бушель – 25,34 литра, баррель – 159 литров.). В результате нефтедобывающие страны, традиционно ввозящие продукты питания, вынуждены были тратить больше на приобретение продовольствия.

Еще круче были взвинчены цены на нефтепромысловое оборудование, которое производится в основном в США и в нескольких развитых странах Западной Европы. Был во время этой войны цен период, когда доход США от поставок за рубеж нефтяного оборудования доходил до половины затрат на импорт нефти. Были и другие примеры экономического хаоса – различного рода торговые эмбарго, квоты на добычу и поставку нефти странами-членами ОПЕК, согласование уровня цен, а потом односторонние нарушения всех договоренностей и запретов. Доходило дело и до угроз, политического шантажа. Конечно, так не могло продолжаться долго. Мир един, хозяйственные связи существуют объективно, их нарушение не проходит безнаказанным. И если человечество сегодня не в состоянии прожить без нефти, то следует искать и находить взаимовыгодные или по крайней мере взаимоприемлемые решения спорных вопросов.

После 1981 года началось практически регулярное снижение мировых цен на нефть. И здесь не обошлось без скачков, но в целом процесс протекал относительно спокойно, без кризисов. Может возникнуть вопрос: а сегодняшняя ситуация на мировом рынке не является ли кризисной ? Ведь цена нефти пересекла границу 350 долларов за тонну. Хотя, еще в 1999 году за «черное золото» давали не больше 100 долларов. Мое мнение, что в настоящий момент нет ни какого кризиса. По крайне мере, это не нефтяной кризис, а кризис американского доллара. В последующих выпусках мы поговорим об этом подробнее.

К благоприятным последствиям нефтяного кризиса 1970-х годов нужно отнести резкое ускорение работ по поиску и добыче нефти в Северном море. Норвегия и особенно Великобритания очень быстро перешли из разряда импортеров в экспортеры. Тем самым они существенно изменили ситуацию на мировом рынке, лишив монополии стран ОПЕК. Но самым главным результатом следует считать прогресс в мировом энергетическом хозяйстве. Началось быстрое совершенствование всех потребителей топлива и энергии – от крупных электростанций до транспортных двигателей. Экономия энергии превратилась в новый и очень мощный источник энергии. За десять лет примерно на 30% снизилась энергоемкость самой нефтеперерабатывающей промышленности, хотя глубина переработки возросла. В целом энергоемкость единицы валового продукта в США снизилась за 1973-1983 годы на 24%. За это же время среднегодовое потребление бензина в 21 стране, входящей в Международное агентство по энергетике и производящей почти все количество автомобилей в западном мире, увеличилось всего на 5,9%, а численность автомобильного парка возросла на 34,7%. В чем же дело? И автомобилей стало больше, и ездят не меньше (те же 18 000 км годового пробега на легковой автомобиль в США), а потребность в топливе практически не увеличилась. А это результат реализации тех резервов экономии, которые раньше в следствии дешевизны нефти оставались невостребованными. Ну кому придет в голову удорожать двигатель, чтобы сэкономить дешевый бензин? Иные резоны выдвигает разумное удорожание топлива.

Короче говоря, польза нефтяного шока в том, что все осознали уникальность и экономическое значение нефти как невозобновимого природного ресурса, осознали необходимость ее всемирной экономии. Второй урок – в понимании необходимости решать все международные нефтяные проблемы спокойно и конструктивно, в режиме не конфронтации, а диалога. И третье – стало меньше спекуляций в части ресурсов, запасов нефти, их распределения по регионам. Установлено, что при разумном хозяйствовании и даже при существующих темпах прироста разведанных запасов нет основания для паники.

Нужно отметить, что все нефтяные кризисы относительно стороной прошли мимо СССР. В стране Советов все было подконтрольно партии и ни о каких спекуляциях внутри страны речи быть не могло. Бум открытия новых месторождений в Западной Сибири пришелся на середину 60-х годов и к началу 70-х СССР не нуждался в закупках нефти из-за рубежа. Однако, как мы увидели: у кризиса были не только отрицательные стороны. СССР, в свою очередь не получил от мирового кризиса ничего – ни плохого, ни хорошего.

Нефти и газа хватит не только нам, но и многим последующим поколениям жителей Земли. И даже если они вдруг начнут испытывать ее недостаток, уже в настоящее время есть немало рецептов получения синтетических топлив. Их оказывается можно делать не только из угля, которого, как мы говорили, на планете несметное количество, но даже из воздуха.

Химический состав нефти и газа

Что такое нефть и газ известно всем. И в то же время даже специалисты не могут договориться между собой о том, как образуются нефтяные залежи. Такая ситуация покажется не столь уж странной, если начать знакомиться с «биографией» этого полезного ископаемого.

В лучшем сорте угля – антраците, например, на углерод приходится 94%. Остальное достается водороду, кислороду и некоторым другим элементам.

Конечно, чистого угля в природе практически не бывает: его пласты всегда засорены пустой породой, различными вкраплениями и включениями… Но в данном случае мы говорим не о пластах, месторождениях, а лишь об угле как таковом.

В нефти содержится почти столько же углерода, сколько и в каменном угле – около 86%, а вот водорода побольше – 13% против 5-6% в угле. Зато кислорода в нефти совсем мало – всего 0,5%. Кроме того, в ней есть также азот, сера и другие минеральные вещества.

Такая общность по элементному составу, конечно, не могла пройти незамеченной для ученых. И потому нефть вместе с газом относят к тому же классу горных пород, что уголь (антрацит, каменный и бурый), торф и сланцы, а именно – к классу каустобиолитов.

Это замысловатое слово составлено из трех греческих слов: kaustikos – жгучий, bios – жизнь и lithos – камень. Можете теперь перевести сами.

Такое название может показаться не совсем точным. Как это к классу камней, пусть органического происхождения, пусть даже и горючих, можно отнести жидкую нефть, а тем более природный газ?...

Замечание вполне резонное. Однако, наверное, Вы удивитесь еще больше, когда узнаете, что нефть специалисты относят к минералам (хотя латинское слово minera означает «руда»). Вместе с газом она относится к числу горючих полезных ископаемых. Так уж сложилось исторически, и не нам с Вами эту классификацию менять. Просто давайте иметь ввиду, что минералы бывают не только твердыми.

В химическом отношении нефть – сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы – тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато соответственно, большее количество водорода и кислорода.

Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов – алканы, нафтены и арены.

Алканы (в литературе Вы можете также столкнуться с названиями предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) химически наиболее устойчивы. Их общая формула СnH(2n+2). Если число атомов углерода в молекуле не более четырех, то при атмосферном давлении алканы будут газообразными. При 5-16 атомах углерода это жидкости, а свыше – уже твердые вещества, парафины.

К нафтанам относят алициклические углеводороды состава CnH2n, CnH(2n-2) и CnH(2n-4). В нефтях содердится преимущественно циклопентан С5Н10, циклогексан С6Н10 и их гомологи. И наконец, арены (ароматические углеводороды). Они значительно беднее водородом, соотношение углерод/водород в аренах самое высокое, намного выше, чем в нефти в целом. Содержание водорода в нефтях колеблется в широких пределах, но в среднем может быть принято на уровне 10-12% тогда как содержание водорода в бензоле 7,7%. А что говорить о сложных полициклических соединениях, в ароматических кольцах которых много ненасыщенных связей углерод-углерод! Они составляют основу смол, асфальтенов и других предшественников кокса, и будучи крайне нестабильными, осложняют жизнь нефтепереработчикам.

Посмотрите, как устроены молекулы пентана С5Н10, циклогексана С6Н12 и бензола С6Н6 – типичных представителей каждого из этих классов:

Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть.

Асфальто-смолистая часть – темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворяющуюся, понятно, смолой.

Порфирины – особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

Серы в нефти бывает довольно много – до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.

И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе, обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ. Об их использовании мы поговорим в дальнейшем.

К сказанному, пожалуй, можно добавить, что геологический сосед нефти – природный газ – тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего – до 95% по объему – в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутаны и другие алканы – от С5 и выше. Более тщательный анализ, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.

Использование природного газа началось давно, но осуществлялось поначалу лишь в местах его естественных выходов на поверхность. В Дагестане, Азербайджане, Иране и других восточных районах с незапамятных времен горели ритуальные «вечные огни», рядом с ними процветали за счет паломников храмы.

Позже отмечены случаи применения природного газа, получаемого из пробуренных скважин или колодцев и шурфов, сооружаемых для разных целей. Еще в первом тысячелетии нашей эры в китайской провинции Сычуань при бурении скважин на соль было открыто газовое месторождение Цзылюцзынь. Практичные люди из Сычуаня довольно скоро научились использовать этот газ для выпаривания соли из рассола. Вот Вам пример типично энергетического применения.

В течение многих столетий человек использовал такие подарки природы, но промышленным освоением эти случаи не назовешь. Лишь в середине 19 века природный газ становится технологическим топливом, и одним из первых примеров можно привести стекольное производство, организованное на базе месторождения Дагестанские огни. Кстати, в настоящее время более 60% стекольного производства базируется на использовании в качестве технологического топлива именно природного газа.

Вообще говоря, преимущества газового топлива стали очевидны довольно давно, пожалуй, с момента появления промышленных процессов термической (без доступа воздуха) деструкции твердых топлив. Развитие металлургии привело к замене примитивных смолокурен коксовыми печами. Коксовому газу быстро нашлось бытовое применение – появились газовые рожки для освещения улиц и помещений. В 1798 году в Англии было устроено газовое освещение главного корпуса мануфактуры Джеймса Уатта, а в 1804 году образовалось первое общество газового освещения. В 1818 году газовые фонари осветили Париж. И очень скоро коксование стали применять для получения не столько металлургического кокса, сколько сначала светильного, а потом и бытового газа. Газификация быта стала синонимом прогресса, процессы газификации топлива совершенствовались, а получаемый газ стали все чаще называть «городским газом».

Интересно отметить, что совершенствование пирогенетической технологии шло по пути более полного использования топливного потенциала. При сухой перегонке типа коксования в газ переходит не более 30-40% теплоты топлива. При окислительной газификации с добавлением кислорода, воздуха, водяного пара можно добыить перевода в газ до 70-80% и более потенциальной теплоты. Практически при газификации твердого топлива в зольном остатке органических соединений не остается.

Однако у газа, получаемого при окислительной газификации, теплота сгорания ниже, чем у газа при коксовании. Поэтому при производстве городского газа комбинировали процессы коксования с газификационными. Впоследствии, уже в 20 веке, появилась возможность повысить калорийность бытового газа, включив в схему газификации операцию каталического метанирования – превращения части оксида углерода и водорода, содержащихся в газе окислительной газификации, в метан. Тем самым удалось достичь необходимой для нормальной работы горелок теплоты сгорания получаемого бытового газа не менее 16,8 Мдж/м3 (4000 ккал/м3).

Итак, газ заменил другие виды топлива сначал для освещения, затем для приготовления пищи, отопления жилищ. Но почти столетие для этих целей использовался практически только искусственный газ, полученный из твердых топлив. А что же природный газ?

Дело в том, что всерьез стали искать и разрабатывать месторождения природного газа в 20-х годах 20 века. И лишь в 30-х годах техника бурения на большие глубины (до 3000 метров и более) позволила обеспечить надежную сырьевую базу газовой промышленности.

Развитию новой отрасли помешала вторая мировая война. Тем не менее уже в 1944 году начались изыскательские работы по прокладке первого промышленного газопровода Саратов-Москва. Это был первенец, за которым в 50-х годах последовали Дашава-Киев, Шебелинка-Москва. В следующие десятилетия весь СССР пересекали мощные трассы, по которым в настоящее время передаются огромные количества природного газа. Именно поэтому газ становится постепенно энергоносителем номер один для коммунально-бытовых нужд и промышленных энергетических установок. Доля природного газа превысила 60-процентный рубеж в энергетике производства цемента, стекла, керамики, других строительных материалов, приближается к 50 % в металлургии и машиностроении. Применение природного газа в стационарных энергетических установках позволяет с учетом снижения расхода на собственные нужды электростанций увеличить их КПД на 6-7%, повысить производительность на 30% и более.

Теории возникновения нефти. Часть 1

Про уголь, вы, наверно, уже знаете. Точка зрения на этот счет довольно устоявшаяся: он образовался (и продолжает образовываться) из остатков буйной вечнозеленой растительности, покрывавшей некогда всю планету, включая даже нынешние районы вечной мерзлоты, и занесенной сверху обычными горными породами, под воздействием давления недр и при недостатке кислорода.

Логично предположить, что и нефть была изготовлена по аналогичному рецепту на той же кухне природы. К 19 веку споры, в основном, сводилось к вопросу, что послужило исходным материалом, сырьем для образования нефти: остатки растений или животных?

Немецкие ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400 С и давлении порядка 1 МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.

Позднее, в 1919 году, академик Н.Д.Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения – сапропель – из озера Балшах. При его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан…

Так опытным путем была доказана теория органического происхождения нефти. Какие же тут могут быть еще сложности ?...

Но с другой стороны, в 1866 году французский химик М.Бертло высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей теории он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ.

Десять лет спустя, 15 октября 1876 года, на заседании Русского химического общества выступил с обстоятельным докладом Д.И.Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования нефти. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь поступает вода. Просачиваясь в недра, она в конце концов встречается с карбидами железа, под воздействием окружающих температур и давления вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные вещества по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и насыщают пористые породы. Так образуются газовые и нефтяные месторождения.

В своих рассуждениях Менделеев ссылается на опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов путем воздействия серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.

Правда, идеи «чистого химика» Менделеева поначалу не имели успеха у геологов, которые считали, что опыты, проведенные в лаборатории, значительно отличаются от процессов, происходящих в природе.

Однако неожиданно карбидная или, как ее еще называют, абиогенная теория о происхождении нефти получила новые доказательства – от астрофизиков. Исследования спектров небесных тел показали, что в атмосфере Юпитера и других больших планет, а также в газовых оболочках комет встречаются соединения углерода с водородом. Ну, а раз углеводороды широко распространены в космосе, значит в природе все же идут и процессы синтеза органических веществ из неорганики. Но ведь именно на этом и построена теория Менделеева.

Итак, на сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна – биогенная. Согласно ей, нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория – абиогенная. Подробно разработал ее Д.И.Менделеев, предположивший, что нефть в природе может синтезироваться из неорганических соединений.

И хотя большинство геологов придерживается все-таки биогенной теории, отзвуки этих споров не затихли и по сей день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа… Словом, все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться.

Давайте посмотрим, какие доводы приводят в защиту своих точек зрения сторонники одной и другой гипотез.

Но прежде несколько слов о строении Земли. Это поможет нам быстрее разобраться в логических построениях ученых. Упрощенно говоря, Земля представляет собой три сферы, расположенные внутри друг друга. Верхняя оболочка – это твердая земная кора. Глубже расположена мантия. И наконец, в самом центре – ядро. Такое разделение вещества, начавшееся 4,5 миллиарда лет тому назад, продолжается и по сей день. Между корой, мантией ядром осуществляется интенсивный тепло- и массообмен, со всеми вытекающими отсюда геологическими последствиями – землетрясениями, извержениями вулканов, перемещениями материков...

ПАРАД НЕОРГАНИКОВ

Первые попытки объяснить происхождение нефти относится еще ко временам античности. Сохранилось, например, высказывание древнегреческого ученого Страбона, жившего около 2000 лет тому назад: «В области аполлонийцев есть место под названием Нимфей, - писал он, - это скала, извергающая огонь, а под ней текут источники теплой воды и асфальта, вероятно, от сгорания асфальтовых глыб под землей...».

Страбон объединил в целое два факта: извержение вулканов и образование асфальтов (так он называл нефть). И... ошибся! В упомянутых им местах нет действующих вулканов. Не было их и двадцать столетий назад. То, что Страбон принял за извержения, на самом деле – выбросы, прорывы подземных вод (так называемые грязевые вулканы), сопровождающие выходы нефти и газа на поверхность. И в наши дни подобные явления можно наблюдать на Апшероне и Таманском полуострове.

Впрочем, несмотря на ошибку, в рассуждениях Страбона было здравое зерно - его толкование происхождения нефти имело под собой материалистическую почву. Эта линия прервалась надолго. Лишь в 1805 году, основываясь на собственных наблюдениях, сделанных в Венесуэле, на описаниях извержения Везувия, известный немецкий естествоиспытатель А.Гумбольд снова возвращается к материалистической точке зрения. «...Мы не можем сомневаться в том, - пишет он, - что нефть представляет продукт перегонки на громадных глубинах и происходит из примитивных горных пород, под которыми покоится энергия всех вулканических явлений.»

Неорганическая теория происхождения нефти выкристаллизовывалась постепенно, и к тому моменту, когда Менделеев выдвинул свою теорию карбидного происхождения нефти, неорганики накопили достаточное количество фактов и рассуждений. И последующие годы добавляли в их копилку новые сведения.

В 1877-1878 годах французские ученые, воздействуя соляной кислотой на зеркальный чугун и водяными парами на железо при белом калении, получили водород и значительное количество углеводородов, которые даже по запаху напоминали нефть.

Кроме вулканической гипотезы у сторонников абиогенного происхождения нефти есть еще и космическая. Геолог В.Д.Соколов в 1889 году высказал предположение, что в тот далекий период, когда вся наша планета еще представляла собой газовый сгусток, в составе этого газа присутствовали и углеводороды. По мере охлаждения раскаленного газа и перехода его в жидкую фазу, углеводороды постепенно растворялись в жидкой магме. Когда же из жидкой магмы стала образовываться твердая земная кора, она, согласно законам физики, уже не могла удержать в себе углеводороды. Они стали выделяться по трещинам в земной коре, поднимались в верхние ее слои, сгущаясь и образуя здесь скопления нефти и газа.

Уже в наше время обе гипотезы – вулканическая и космическая – были объединены в единое целое новосибирским исследователем В.Сальниковым. Он использовал предположение, что планетка, имевшая в своем составе большое количество углеводородов, находясь на чересчур низкой орбите, постепенно тормозилась о верхние слои атмосферы и в конце концов упала на Землю, как это происходит с искусственными спутниками. Резкий толчок активизировал вулканическую и горообразовательную деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла, мощнейшие грязевые потоки завалили принесенные из космоса углеводороды, похоронили их в глубоких недрах, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.

В качестве обоснования своих выводов Сальников указывает на необычное расположение месторождений нефти и газа. Соединив между собой крупные зоны обнаруженных месторождений, он получил систему параллельных синусоидальных линий, которая, по его мнению, весьма напоминает проекции траекторий искусственных спутников Земли.

Рассказ о неорганических гипотезах нельзя будет считать полным, если не упомянуть известного геолога-нефтника Н.А.Кудрявцева. В 50-е годы он собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным и газовым месторождениям мира.

Прежде всего Кудрявцев обратил внимание на то, что многие месторождения нефти и газа обнаруживаются под зонами глубинных разломов земной коры. Сама по себе такая мысль не была новой: на это обстоятельство обратил еще Д.И.Менделеев. Но Кудрявцев намного расширил географию применения таких выводов, глубже обосновал их.

Например, на севере Сибири, в районе так называемого Мархининского вала, очень часто встречаются выходы нефти на поверхность. На глубину до двух километров все горные породы буквально пропитаны нефтью. В то же время, как показал анализ, количество углерода, образовавшегося одновременно с породой чрезвычайно невелико – 0,02-0,4%. Но по мере удаления от вала количество пород, богатых органическими соединениями, возрастает, а вот количество нефти резко уменьшается.

На основании этих и других данных Кудрявцев утверждает, что нефтегазоносность Мархининского вала скорее всего связан не с органическим веществом, а с глубинным разломом, который и поставляет нефть из недр планеты.

Подобные же образования имеются в других регионах мира. Скажем, в штате Вайоминг (США) жители издавна отапливают дома кусками асфальта, который они берут в трещинах горных город соседних Медных гор. Но сами по себе граниты, из которых состоят те горы, не могут накапливать нефть и газ. Эти полезные ископаемые могут поступить только из земных глубин по образовавшимся трещинам.

Более того, найдены следы нефти в кимберлитовых трубках – тех самых, в которых природа осуществила синтез алмазов. Такие каналы взрывного разлома земной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы, могут оказаться вполне подходящим местом и для образования нефти и газа.

Обобщив эти и множество других фактов, Кудрявцев создал свою магматическую гипотезу происхождения нефти. В мантии Земли под давлением и при высокой температуре из углерода и водорода сначала образуются сначала углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Они движутся в веществе мантии от области высокого к области низкого давления. А так как в зоне разломов перепад давлений особенно ощутим, углероды и направляются в первую очередь именно сюда. Поднимаясь в слои земной коры, углеводороды в менее нагретых зонах реагируют друг с другом и с водородом, образуя нефть. Затем образовавшаяся жидкость может перемещаться как вертикально, так и горизонтально по имеющимся в породе трещинам, скапливаясь в ловушках.

Исходя из теоретических представлений, Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается, и глубина бурения с каждым годов возрастает.

В середине 60-х годов удалось ответить на такой важный вопрос: «Почему столь «нежные» углеводородные соединения, из которых состоит нефть, не распадаются в недрах Земли на химические элементы при высокой температуре?» Действительно, такое разложение вполне можно наблюдать даже в школьной лаборатории. На подобных реакциях зиждется деструктивная переработка нефти. Оказалось, что в природе дело обстоит как раз наоборот – из простых соединений образуются сложные... Математическим моделированием химических реакций доказано, что подобный синтез вполне допустим, если к высоким температурам мы добавим еще и высокие давления. То и другое, как известно, в избытке имеется в земных недрах.

Теории возникновения нефти. Часть 2

В ученом споре о возникновении нефти другая сторона – это адепты биогенной теории.

Биогенной теории придерживались многие серьезные отечественные и зарубежные ученые. Академик В.И.Вернадский, основоположник современной геохимии нефти, еще в начале века писал: «Организмы, несомненно, являются исходным веществом нефтей».

Академик И.М.Губкин в своей книге «Учение о нефти», впервые увидевшей свет в 1932 году, наиболее обстоятельно и полно подвел научный итог тогдашней истории нефтяного и газового дела.

В качестве исходного вещества для образования нефти Губкин рассматривал уже знакомый нам сапропель – битуминозный ил растительно-животного происхождения. В прибрежной полосе моря, где жизнь особенно активна, происходит сравнительно быстрое накапливание этих органических остатков. Через какое-то время они перекрываются более молодыми отложениями, которые предохраняют их от окисления. Дальнейшие процессы идут уже без доступа кислорода под воздействием анаэробных бактерий.

По мере погружения пласта, обогащенного органическими остатками, под воздействием последующего наноса и тектонических перемещений в глубину, в нем возрастают температуры и давления. Эти процессы, которые впоследствии получили название катагенеза, и приводят в конце концов к преобразованию органики в нефть.

Взгляды Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы ее органического происхождения. В наше время многие ее положения расширены и дополнены. Так, скажем, долгое время считалось, что первоначальное накопление органического вещества обязательно должно идти в океане. Но, видимо, нефть может формироваться и в континентальной обстановке, ведь в болотах, озерах, реках достаточно органического вещества.

Детально рассмотрен и сам процесс формирования нефтяных месторождений. Выделяют пять основных стадий осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.

Первая стадия: в осадок, образующийся в море или в пресном водоеме, вносятся органические вещества с небольшим количеством углеводородного нефтяного ряда, синтезированных живыми организмами.

Вторая стадия: накопленный на дне осадок преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается. При этом часть вещества разлагается с выделением диоксида углерода, сероводорода, аммиака и метана. Словом, получается картина, частенько наблюдаемая на болотах.

Третья стадия: биохимические процессы постепенно затухают. Сравнительно небольшая температура земных недр на данной глубине (порядка 50 С) определяет низкую скорость реакций. Концентрация битумов и нефтяных углеводородов возрастает слабо, в составе газовых компонентов преобладает диоксид углерода.

Четвертая стадия: осадок погружается на глубину 3-4 километров, окружающие температуры возрастают до 150 С. Происходит отгонка нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества в пласт. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь, образует промышленные залежи.

И наконец, пятая стадия: на глубине 4,5 километра и более при температурах свыше 180 С органическое вещество прекращает выделение нефти и продолжает генерировать лишь газ.

Кроме температуры и давления в природных процессах принимает участие и электричество. Член-корреспондент АН СССР А.А.Воробьев выдвинул предположение, что в развитии нашей планеты немалую роль играли именно электрические процессы. По его мнению, горные породы обладают гораздо большими диэлектрическими свойствами, чем атмосфера. А если так, то грозы могут бушевать не только над, но и под землею.

В результате сильных электрических разрядов возникают частицы плазмы, которые обладают высокой химической активностью. Это обстоятельство, в свою очередь, создает предпосылки для протекания таких реакций, которые невозможны при обычных условиях. По мнению Воробьева, метан, выделяющийся из органических соединений, при воздействии подземного электрического разряда может подвергнуться частичному дегидрированию, образуются свободные углеводородные радикалы СН, СН2, и СН3. Соединяясь между собой, они образуют ацетилен, этилен и другие углеводороды, входящие в состав нефти.

Одним из основных механизмов электризации горных пород, согласно рассуждениям Воробьева, является трение в месте контакта горных пород при взаимном перемещении в ходе тектонических процессов. Таким образом, процессы трещинообразования в земной коре могут способствовать превращению механической энергии в электрическую.

И представьте себе, эти весьма неожиданные рассуждения нашли подтверждение в геологической практике. Еще в 1933 году было отмечено, что формы облаков в зонах разломов земной коры резко отличаются от облаков в тех местах, где трещин нет. Современные геофизические приборы указывают, что в приземном слое воздуха над зонами разломов земной коры увеличена электропроводимость.

Есть и еще одна интересная гипотеза. В соответствии с ней, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил подвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказаться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков в зону подвига жестких плит аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися жесткими деталями в различных технических устройствах и машинах.

Ну а дальше образовавшаяся нефть может подвергаться различным воздействиям. Например, под тяжестью литосферного выступа, наползающий с материка плиты углеводороды могут быть «выжаты» из осадочных пород и активно мигрировать в сторону надвига. Этим эффектом «горячего утюга» может быть объяснено формирование больших залежей нефти на сравнительно небольшой площади, как в районе Персидского залива.

В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей переработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.

Такая теория, учитывающая глобальную тектонику плит земной коры, оказалась весьма продуктивной и с практической точки зрения. В США, к примеру, ведется бурение в так называемых поднаддвиговых зонах Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам, их здесь не должно было быть.

В 1980 году в штате Вайоминг поисковая скважина на глубине 1888 метров вошла в докембрийский фундамент, сложенный из гранита. Затем в скальных породах геонефтеразведчики прошли еще 2700 метров и обнаружили осадочные отложения мелового периода. Необъяснимое, казалось бы, чередование пород разного геологического возраста объяснялось весьма просто: на осадочные породы в свое время была надвинута плита гранита.

Бурение было продолжено, и на глубинах 5,5 километров разведчики обнаружили промышленные залежи газа. К настоящему времени в Скалистых горах ведется промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива. Это уникальное месторождение.

Круговорот углерода в природе

Итак, как видите, обе точки зрения достаточно продуктивны, обе опираются не только на логические заключения, но и на реальные факты. Что же, надо спорить дальше? Вряд ли... Интересную точку зрения на этот счет высказал известный геолог В.П.Гаврилов.

«Спор можно разрешить, - пишет он, - если проследить круговорот углерода в природе. Одним из первых, кто предпринял успешную попытку представить глобальный процесс круговорота углерода в природе, был В.И.Вернадский. Он считал, что углерод и его соединения, которые участвуют в строении нефти, газа, каменного угля и других пород, являются частью глобальной геохимической системы круговорота в земной коре….»

Что же, давайте проследим путь, который проделывают углерод и его соединения в природе.

Наиболее распространенным из таких соединений является диоксид углерода. Масса этого вещества в атмосфере оценивается астрономической цифрой 400 000 000 000 тонн! В процессе выветривания и фотосинтеза ежегодно из атмосферы поглощается более 800 000 000 СО2. Если бы не было механизма кругооборота, то за несколько тысяч лет углерод полностью исчез бы из атмосферы, оказался «захороненным» в горных породах. По современным оценкам, масса диоксида углерода, «спрятанного» в горных породах, примерно в 500 раз превышает его запасы в атмосфере.

Еще одним переносчиком углерода является метан. Его в атмосфере тоже немало – около 5 000 000 000 тонн. Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далее в космическое пространство. Кроме того, метан расходуется и в результате фотохимических реакций. Продолжительность существования молекулы метана в атмосфере в среднем составляет 5 лет.

Следовательно, что бы пополнить его запасы, в атмосферу ежегодно должно поступать около 1 000 000 000 тонн метана из подземных запасов. И он, действительно, поступает в виде метанового испарения или, как говорил Вернадский, «газового дыхания Земли».

Если ограничиться традиционными рамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океана и биомассы исчерпался бы в довольно короткий срок – за 50-100 тысяч лет. Однако этого не происходит. Приходится допустить, что запасы углерода на поверхности планеты непрерывно пополняются. Основными источниками поступления углерода ученые считают космос и мантию Земли.

Космическое пространство поставляет нам углерод вместе с метеоритным веществом. Точнее будет сказать: поставляло. В настоящее время поступление космического углерода на планету незначительно – всего 0,000 000 001 от общего количества ежегодно «складируемого» в процессе осадконакопления. Но, как полагают многие специалисты, так было далеко не всегда: в прошлые геологические эпохи количество метеоритов и космической пыли было намного больше.

Второй и на сегодняшний день основной поставщик углерода – мантия планеты, причем не только во время извержения вулканов, как считалось ранее, но и при дегазации недр, за счет уже упоминавшегося газового дыхания планеты. Поскольку и здесь углеродные запасы не безграничны, то они, естественно, должны как-то пополняться. И такой механизм пополнения исправно функционирует и по сей день. Это затягивание осадков океанической коры в мантию при надвигании плит друг на друга.

Таков широкий взгляд на круговорот углерода в природе. Он должен примирить органиков и неоргаников. В самом деле: органики считают, что углерод при образовании нефти обязательно должен пройти через живой организм. И это, скорее всего, действительно так. Исследования, выполненные межпланетными автоматическими станциями, показывают, что на Венере и Марсе углеводородных газов не обнаружено – по всей вероятности потому, что на этих планетах отсутствует биосфера и земной цикл превращения углерода в углеводороды там невозможен.

Правы и неорганики: ведь сами по себе все органические вещества, составляющие жизненные циклы, когда-то образовывались из неорганических. Пока, правда, нет полной ясности, как именно это произошло, но в конце концов наука это узнает.

И стало быть, в практических поисках нефти и газа надо использовать весь арсенал теорий и гипотез, которыми располагает современная наука, не ограничивать свой взгляд какими-то искусственными шорами. И тогда успех придет. Как сказал известный американский геолог М.Хэлбути: «Я твердо убежден, что в будущем мы откроем в глобальном масштабе столько же нефти и значительно больше газа, чем открыто сегодня. Я полагаю, что нас ограничивает только недостаток воображения, решительности и технология.»

Места скопления нефти

На заре развития нефтяной промышленности поиск месторождений нефти и газа велся по существу вслепую. В США, например, в те годы возник даже специальный термин – «метод дикой кошки»: искали по чутью, иногда шарахаясь в сторону, как это делает испуганная кошка.

Вот как английский геолог К. Крэг описывал закладку скважины:

«Для выбора места съехались заведующие бурением и управляющие промыслами и сообща определили ту площадь, в пределах которой должна быть заложена скважина. Однако с обычной в таких случаях осторожностью ни кто не решался указать ту точку, где следовало начинать бурение. Тогда один из присутствующих, отличавшийся большей смелостью, сказал, указывая на кружившую над ними ворону:

- Господа, если нам все равно, давайте начнем бурить там, где сядет эта ворона... Предложение было принято. Скважина оказалась необыкновенно удачной. Но если бы ворона пролетела на сотню ярдов дальше к востоку, то встретить нефть не было бы ни какой надежды...»

В России в середине 19 века продавался прибор – угадыватель нефти системы Менсфилда. Он состоял из стрелки и шкалы, которые устанавливались на деревянном колу, втыкаемом в землю. По мысли изобретателя, близкое залегание нефти должно было вызвать отклонение стрелки, которая как будто бы реагировала на протекание электрического тока между землей и атмосферой. Идея сама по себе была здравой, но вот надежность прибора... О ней достаточно красноречиво говорит тот факт, что проверка прибора до его покупки не разрешалась.

Впрочем, справедливости ради надо сказать, что большинство исследователей все-таки уповало не на слепую удачу или чудо-приборы, а на элементарный здравый смысл. В 70-е годы 19 века скважины чаще всего закладывались там, где нефть выступала на поверхность земли. «Раз уж она показывается на поверхности, - рассуждали поисковики, - то она наверняка есть и в глубине...»

Правда, и здравый смысл мог иногда подвести. В особенности если лужа нефти оказывалась следствием ее небрежной транспортировки или если ее «создали» нарочно.

В конце 19-го века был разработан еще один перспективный способ поиска. Скважины стали закладывать на «нефтяной линии», то есть на прямой, соединяющий две скважины, дающие нефть. Ход рассуждений при этом был прост. Если скважины А и В дают нефть, то вполне возможно, что будет продуктивной и скважина С, расположенная между ними.

Наблюдательные люди стали присматриваться и к геологическим условиям района, в котором расположены наиболее удачные скважины. Скажем, для районов Северного Кавказа – Майкопа, Грозного, Баку – направление нефтяных линий принималось параллельным направлению Главного Кавказского хребта. А когда в США однажды пробурили очень удачную скважину в низине, возникло правило, распространившееся затем по всему миру: скважины надо закладывать в низинах. Дескать, нефть, как жидкость, стекает именно сюда.

Однако вслед за этим кто-то случайно обнаружил нефть, пробурив скважину на склоне холма, и правило тут же поменялось на противоположное – искать нефть надо на возвышенности…

Таким методом (теперь его называют методом проб и ошибок, а в просторечии – методом «тыка»), конечно, невозможно было руководствоваться долго: слишком дорого обходилась каждая ошибка. Нефтепромышленники все чаще стали обращаться за помощью к геологам, умеющим по косвенным признакам, видимым на поверхности, угадывать, какое именно строение имеют недра в данном районе.

О ловушках

Прежде всего, нужно было выяснить, при каких именно геологических условиях может образовываться залежь – скопление нефти и газа в горных породах.

Геологи стали размышлять: сочетание каких природных условий способно привести к скоплению нефти? Прежде всего, в районе должны иметься так называемые коллекторы – горные породы, способные впитывать, а потом и отдавать жидкости и газы.

Среди каких пород искать коллекторы?

Надо сказать, что к тому времени все горные породы были уже поделены на три большие группы: осадочные, магматические и метаморфические.

Осадочные – как говорит само их название – образовались из осадка, опускавшегося когда-то на дно моря. Иногда, правда, подобные процессы могут наблюдаться и на суше: скажем, ветер может переносить мелкий песок и пыль на значительные расстояния и осаждать его за сотни, а то и тысячи километров от мест первоначального образования. К таким породам относятся пески, песчаники, глины, известняки, доломиты и некоторые другие.

Вторая группа – магматические породы. И тут название подсказывает, что к этой группе относятся породы, образовавшиеся из магмы. Остывая, выброшенная вулканами магма превращалась в граниты, базальты, порфириты.

Наконец, третья группа – породы, которые при своем рождении претерпели метаморфозы преобразования. Они могли образоваться как из осадочных, так и из магматических пород под воздействием высоких подземных температур и давлений. К метаморфическим породам относятся сланцы, мрамор, яшмы и др.

Как Вы сами теперь понимаете, нефть имеет смысл искать, прежде всего среди осадочных пород. Именно они обладают наилучшими коллекторскими свойствами.

Правда, коллектор коллектору рознь. Со временем их стали различать по пористости, то есть суммарному объему всех пор в данной породе, и по проницаемости – способности пропускать сквозь себя жидкость и газ. В принципе, пористость и проницаемость – взаимозависящие величины.

Но в природе бывают и трещиноватые коллекторы: порода сама по себе имеет мало пор – она достаточно плотна, зато покрыта сетью трещин, которые связаны в единую сеть и могут создавать каналы протяженностью в десятки километров. Скажем, какая-то порода обычно обладает плохими коллекторскими свойствами, но если она пронизана сетью макро- и микротрещин, то вполне может стать хранилищем нефти.

Впрочем, если бы вся толща осадочных пород состояла только из коллекторов, вряд ли в них могла образоваться сколько-нибудь крупная залежь. Ведь коллекторы не только накапливают, но с той же легкостью и отдают накопленное. Нефть и газ уходили бы наверх, к земной поверхности и испарялись, не успев сконцентрироваться в месторождение.

Следовательно, необходимо еще одно условие образования залежи – сверху она должна быть прикрыта каким-нибудь плотным экраном, то есть слоем пород, непроницаемых для нефти и газа. Такими породами-покрышками обычно бывают глины, каменная соль или известняки, если они не пронизаны трещинами.

И, наконец, для полноты счастья необходимо, чтобы в данном районе присутствовала антиклиналь. Так геологи называют изгиб пласта, направленного выпуклостью вверх. Под ним, словно в ловушке, скапливаются запасы нефти и газа.

Антиклинали очень часто образуются при пластическом течении каменной соли. В каком-то месте чересчур сдавили вышележащие горные породы. Снизу соляной пласт тоже подпирают твердые породы. И вот в поисках выхода из создавшихся тисков соляной пласт начинает смещаться в сторону. В том месте, где сверху давление ослабевает, соль тут же устремляется вверх, образуя антиклинальную складку.

К антиклинальным ловушкам относится подавляющее большинство обнаруженных месторождений нефти и газа в мире – почти 90% в России и около 70% за рубежом. Размеры залежей могут быть различны: от небольших - порядка 5 километров в длину и 2-3 в ширину, с высотой 50-70 метров, до гигантских – на сотни километров в длину, десятки в ширину и высотой в сотни метров. Скажем, одно из крупнейших в мире месторождений Гхавар в Саудовской Аравии имеет размеры 225 х 25 х 0,4 километра!

Встречаются и ловушки других типов. Например, тектонические экраны возникают при разрыве пластов во время тектонических подвижек. Вместе с антиклиналями их относят к ловушкам структурного типа (образовавшимися при изменении структуры земных недр).

Кроме них изредка встречаются ловушки и неструктурного типа. Характерный пример такой ловушки – погребенные рифы. Когда-то, в иные геологические эпохи, это в самом деле были рифы на дне первобытного моря. Но со временем они были перекрыты более поздними непроницаемыми породами, оказались в глубинах Земли и стали ловушками для нефти и газа, поскольку коралловый риф представляет собой цепь холмов или даже гор из пористого известняка, в которых могут быть даже пещеры-каверны.

Размеры таких горных цепей могут быть весьма внушительными. Правда, самые крупные месторождения, связанные с подземными рифами, которые к сегодняшнему дню обнаружены в Мексике, имеют протяженность всего около 200 километров при ширине 2-3 километра, но кто знает, какие новости преподнесут нам геологи завтра. Ведь далеко не все тайны подземных кладовых раскрыты.

Ну и полноты ради надо, видимо, сказать несколько слов о ловушках неструктурного типа, которые образуются в результате литологического выклинивания. В толще Земли слои горных пород могут размещаться под разными углами. И вот когда два горных пласта встречаются, при стыковке может образоваться клин-ловушка, заполненный коллекторными породами.

Иногда, такие залежи образуются по руслам погребенных рек. Подобные месторождения за их вид острые на язык американцы окрестили «шнурками для ботинок».

Надо добавить, что все сказанное о коллекторах, ловушках, погребенных рифах, антиклиналях относится не только к материковым месторождениям, но и к морскому дну, в первую очередь шельфу Мирового океана. Именно здесь в последнее десятилетие сделаны сенсационные геологические открытия. Они-то и стали основой новой отрасли промышленности – морской добычи нефти и газа. Но об этом поговорим позже.

Разведчики

Конечно, мы с вами перебрали далеко не все известные науке типы ловушек, не все способы их образования. Но и этих сведений достаточно, чтобы понять простую мысль: на поиск подземных кладовых должен отправляться человек, вооруженный знаниями о строении Земли.

Уже в первом десятилетии 20-го века никто не рисковал бурить разведочную скважину без предварительного геологического обоснования. Так наряду с нефтедобытчиками появилась новая профессия – нефтеразведчик.

Большинство крупных нефтедобывающих фирм и концернов обзавелись собственными геологическими службами или всякий раз обращались за помощью к геологам-консультантам. Широкое распространение получила геологическая съемка. Человек с молотком и рюкзаком проходил по местности, собирал образцы горных пород, описывал характерные выходы горных пластов на поверхность… А потом на основании полученных данных составлялась геологическая карта района, позволяющая судить не только о поверхностном рельефе местности, но и о характере залегания горных пластов под ней.

И результаты не замедлили сказаться. Если раньше нефть давала в лучшем случае одна скважина из 10 или даже из 20, то из скважин, пробуренных с учетом геологических предсказаний, в США, к примеру, оказались продуктивными 85%.

Авторитет геологов возрос настолько, что всякий уважающий себя американец обязательно консультировался со специалистом при покупке земельного участка. И это было далеко не лишним: землевладельцы частенько пускались на разного рода махинации чтобы повысить цену земли. Например, на глазах у покупателя из скважины начинали качать нефть, маслянистые пятна встречались по всей территории… И лишь опытный взгляд специалиста мог определить, что эти пятна сделаны специально, а нефть в скважину налита накануне.

И в наши дни, несмотря на развитие новых методов геологической разведки, полевая работа геологов не потеряла своего практического значения. Из года в год каждую весну в разные страны планеты отправляются геологические экспедиции. В поисках полезных ископаемых они «прочесывают» пядь за пядью самые отдаленные уголки.

Впрочем, и здесь бывают исключения. Новые месторождения могут быть открыты и там, где, казалось, и искать нечего. Так было установлено, что большое нефтяное месторождение находится под (в буквальном смысле) Парижем – столицей Франции.

Но такие случаи, конечно, редки. Чаще геологи отправляются все-таки в «поле». Так по традиции называется выезд в необжитую местность, хотя «полем» может оказаться и тайга, и тундра, и пустыня…

День за днем выходят геологи на маршруты, тщательно изучают горные породы, выходящие на поверхность, окаменевшие остатки доисторических животных и растений, копают шурфы и расчищают поисковые канавы, чтобы виднее было строение пластов. Работа эта не только романтичная, но и очень сложная. Хлеб романтики часто оказывается черным: только со стороны кажется, что ночевать в палатках, обедать у костра - очень веселое занятие. Одно дело – выход на природу, на пикник, на день-два, от силы на неделю, и совсем другое – жить такой жизнью долгие месяцы. И не просто жить, а напряженно работать, переносить большие физические нагрузки.

Но такая работа очень нужна. Ведь на основании собранных данных, по результатам последующей камеральной обработки, геологи составляют геологическую карту, на которой отмечаются все возможные залегания полезных ископаемых. Затем, как это часто бывает, по следам геолога-первопроходца идут люди многих других специальностей – буровики и дорожники, монтажники и промысловики… В безлюдном месте вырастает лес вышек, поселок, а то и город.

Сверху видно все

«Лицом к лицу лица не увидать – большое видится на расстоянии», – сказал поэт и попал, что называется, в самую точку. Уже первые космические полеты показали: поднявшись ввысь на несколько сотен километров удается увидеть то, чего мы никогда не можем разглядеть у себя под ногами – строение земных недр, обычно скрытых под покровом почвы, под верхними рыхлыми слоями.

Какую пользу это может принести говорит хотя бы такой факт. Летчик-космонавт СССР Олег Макаров, выезжая на встречу с жителями Салехарда, прихватил с собой в качестве сувенира фотографию окрестностей этого города, снятую с борта корабля «Союз-22». Встреча прошла успешно, но когда Макаров преподнес хозяевам свой подарок, прозвучал неожиданный вопрос:

- Сколько стоит этот снимок?

Макаров удивился:

- Нисколько. Это подарок.

Однако спрашивающий (это был один из геологов) не унимался:

- А фотографию можно дешифровать?

- Да, - ответил Макаров. – Если хотите, можно точно установить, когда и при каких обстоятельствах она была сделана…

Тут геолог облегченно вздохнул и улыбнулся:

- Спасибо. Вы только что подарили нашему городу двадцать миллионов рублей!

Именно в эту сумму обошлись бы аэрофотосъемка и последующая дешифровка фотографий данного района, которую геологи только собирались сделать.

Геологам помогает физика

Конечно, и полевая, и космическая съемка помогают специалистам узнать много нового о подземном строении горных пород. Но этих знаний зачастую все же оказывается недостаточно, чтобы с уверенностью судить, есть здесь нефть или нет? Чтобы «прощупать» недра получше, используют геофизические методы поиска полезных ископаемых.

Геофизики словно бы видят сквозь землю на глубину 5-6 километров. Как им это удается? В какой-то мере геофизические методы исследования недр можно сравнить с ренгеновским просвечиванием человеческого тела, а точнее – с ультразвуковой диагностикой. В тело Земли запускают пучок колебаний и по отражению волн от слоев горной породы судят о геологическом строении данного района.

В настоящее время используется четыре основных геофизических метода: сейсмический, гравиметрический, магнитный и электрический. Рассмотрим их по порядку.

Сейсморазведка основана на изучении особенностей распространения упругих колебаний в земной коре. Упругие колебания (или, как их еще называют, сейсмические волны) чаще всего вызываются искусственным путем.

Сейсмические волны распространяются в горных породах со скоростью от 2 до 8 км/с - поистине космические скорости! – в зависимости от плотности породы: чем она выше, тем больше скорость распространения волны.

На границе раздела двух сред с различной плотностью часть упругих колебаний отражается и возвращается к поверхности Земли. Другая же часть преломляется, одолевает границу раздела и уходит в недра глубже – до новой поверхности раздела. И так до тех пор, пока окончательно не затухнут.

Отраженные сейсмические волны, достигнув земной поверхности, улавливаются специальными приемниками и записываются на самописцы. Расшифровав графики, сейсморазведчики устанавливают потом границы залегания тех или иных пород. По этим данным строят карты подземного рельефа.

Такой метод отраженных волн был предложен советским геологом В.С.Воюцким в 1923 году и получил широкое распространение во всем мире. В настоящее время, наряду с этим методом, используют также и корреляционный метод преломленных волн. Он основан на регистрации преломленных волн, образующихся при падении упругой волны на границу раздела под некоторым, заранее рассчитанным критическим углом. Используются в практике сейсморазведочных работ и другие способы.

Раньше в качестве источника упругих колебаний чаще всего использовали взрывы. Теперь их стали заменять вибраторами.

Вибратор можно установить на грузовик и за рабочий день обследовать достаточно большой район. Кроме того, вибратор позволяет работать в густонаселенных районах. Взрывы наверняка потревожили бы жителей близлежащих домов, а вибрации можно подобрать такой частоты, что они не воспринимаются человеческим ухом.

Единственный недостаток этого способа – малая глубина исследований, не более 2-3 километров. Поэтому для более глубинных исследований применяют преобразователь взрывной энергии. Источником волн здесь по существу остается тот же взрыв. Но происходит он уже не в почве, как раньше, а в специальной взрывной камере. Взрывной импульс передается на грунт через стальную плиту, а вместо взрывчатки часто используют смесь пропана с кислородом. Все это, конечно, позволяет намного ускорить процесс зондирования недр.

Гравиметрический метод основан на изучении изменения силы тяжести в том или ином районе. Оказывается, если под поверхностью почвы находится горная порода малой плотности, например каменная соль, то и земное тяготение здесь несколько уменьшается. А вот плотные горные породы, такие, как, например, базальт или гранит, напротив, увеличивают силу тяжести.

Эти изменения устанавливает специальный прибор – гравиметр. Один из его простейших вариантов – грузик, подвешенный на пружине. Тяготение увеличивается – пружина растягивается; это фиксируется указателем на шкале. Тяготение уменьшается, пружина соответственно сокращается.

Ну, а каким образом на земное тяготение влияют залежи нефти и газа? Нефть легче воды, и породы, насыщенные нефтью или ее непременным спутником – газом, имеют меньшую плотность, чем если бы в них помещалась вода. И это, естественно, отмечает гравиметр.

Правда, подобные гравитационные аномалии могут быть вызваны и другими причинами, например залеганием пластов каменной соли, как мы уже говорили. Поэтому гравиразведку обычно дополняют магниторазведкой.

Наша планета, как известно, представляет собой огромный магнит, вокруг которого расположено магнитное поле. И на это поле могут эффективно влиять среди всего прочего и горные породы, залегающие в данном районе. Быть может, вы слышали или читали, как месторождения железной руды бывали открыты вследствие того, что пилоты пролетавших здесь самолетов удивлялись странному поведению магнитной стрелки? Ныне этот принцип используется и для поисков других видов полезных ископаемых, в том числе нефти и газа.

Дело в том, что в нефти очень часто содержатся примеси металлов. И, конечно, присутствие металла ощущается, правда не «магнитной стрелкой», а современными высокочувствительными приборами – магнитомерами. Они позволяют прощупать земные недра на глубину до 7 километров.

Еще один геофизический метод поиска полезных ископаемых – электроразведка – разработан в 1923 году во Франции и находит применение и по сей день. Собственно, это разновидность магнитной разведки с той лишь разницей, что фиксируется изменения не магнитного, а электрического поля.

Поскольку естественное электрическое поле на Земле практически отсутствует, то его создают искусственно, при помощи специальных генераторов и зондируют с их помощью нужный район. Обычно горные породы представляют собой диэлектрики, то есть их электрическое сопротивление велико. А вот нефть, как мы уже говорили, может содержать металлы, которые являются хорошими проводниками. Снижение электрического сопротивления недр и служит косвенным признаком присутствия нефти.

В последние годы все шире стал применяться еще один способ – электромагнитная разведка при помощи магнитогидродинамических (МГД) генераторов. Электромагнитным волнам стали доступны глубины от нескольких километров, когда ведутся поиски полезных ископаемых; до сотен километров, если речь заходит об общих исследованиях земной коры.

Сердцем современного МГД-генератора является ракетный двигатель, работающий на порохе. Но порох этот не совсем обычный: электропроводимость создаваемой им плазмы по сравнению с обычным ракетным топливом в 16000 раз выше. Плазма проходит через МГД-канал, расположенный между обмотками магнита. По законам магнитодинамики в движущейся плазме возникает электрический ток, который, в свою очередь, возбуждает электромагнитное поле в специальном излучателе – диполе. С помощью диполя и происходит зондирование Земли.

Всего за несколько секунд МГД-установка развивает мощность в десятки миллионов ватт. И при этом обходится без громоздких систем охлаждения, которые были бы неизбежны при использовании традиционных источников излучения. Да и сама установка в несколько раз легче других видов электрогенераторов.

Впервые эффективность МГД-установки была проверена в конце 70-х годов в Таджикистане. Тогда в районе хребта Петра I ученые провели первые опыты по МГД-зондированию, стараясь уловить признаки приближающегося землетрясения. Сигналы мощной 20-мегаваттной установки «Памир-1» регистрировались на расстоянии до 30 километров от нее.

Немного позднее МГД-установки были использованы для поиска нефтяных и газовых месторождений. Для начала был выбран достаточно известный нефтяной район – Прикаспийская низменность. Благодаря МГД-зондированию появилась еще одна возможность не только определить наличие нефтегазоносных слоев, но и четко оконтуривать месторождения. А ведь обычно для этого приходится бурить несколько дорогостоящих скважин.

Получив первые достоверные сведения о надежности МГД-способа, ученые не стали ограничиваться только разведкой в Прикаспийской низменности. Новый способ геофизической разведки недр был использован на Кольском полуострове, на шельфе Баренцева моря – в районах, имеющих мощные пласты осадочных пород, в которых обычно и прячется нефть. Анализ полученных данных показал, что залегание нефти здесь вполне вероятно.

Геохимические и гидрогеологические исследования

Вы обратили внимание, сколько геофизических методов имеют на вооружении нефтеразведчики? Действительно, много. Однако, ни один из методов не дает стопроцентного указания на присутствие нефти. Вот и приходится использовать их в комплексе.

Для начала обычно проводят магнитную разведку. Потом дополняют ее данными гравиметрии. Затем в ход идут методы электро- и сейсморазведки. Но даже этого зачастую бывает недостаточно для точного ответа. Тогда геофизические методы дополняют геохимическими и гидрогеологическими исследованиями.

Среди геохимических методов в первую очередь надо отметить газовую, люминисцентно-битуминологическую и радиоактивную съемки.

Газовая съемка была разработана в 1930 году. Было замечено, что вокруг любой залежи образуется как бы легчайший туман – так называемый ореол рассеяния. Углеводородные газы по порам и трещинам пород проникают из глубины Земли к поверхности, при этом растет их концентрация в почвенных водах и верхних слоях породы. Взяв пробу грунта и почвенных вод, нефтеразведчик с помощью чувствительного газоанализатора устанавливает повышенное содержание углеводородных газов, что и является прямым указателем близкого местоположения залежи.

Правда, чтобы такой способ работал достаточно надежно, необходимы приборы высочайшей чувствительности – они должны надежно обнаруживать один атом примеси среди десяти или даже ста миллионов других! Кроме того, как показывает практика, газовые аномалии могут быть смещены по отношению к залежи или же просто указывать на мелкие месторождения, не имеющей промышленной ценности.

Поэтому данный метод стараются дополнять, например, люминисцентно-битуминологической съемкой. Ее принцип основан вот на каком природном явлении. Над залежами нефти увеличено содержание битумов в породе. И если пробу породы подставить под источник ультрафиолетового света, то битумы тотчас начинают светиться. По характеру свечения, его интенсивности определяют тип битума и его возможную связь с залежью.

Радиационная съемка основана на другом природном феномене. Известно, что в любом районе имеется так называемый радиоактивный фон – небольшое количество радиации, обусловленное воздействием на нашу планету космического излучения, наличием в ее недрах радиоактивных трансурановых элементов и т.д. Так вот, специалистам удалось обнаружить интересную закономерность: над нефтяными и газовыми залежами радиоактивный фон понижается. Например, для месторождений Южного Мангышлака такое понижение равно 1,5 – 3,5 микрокюри за час. Такие изменения достаточно уверенно регистрируются существующими приборами.

Однако этот метод находит пока ограниченное применение поскольку радиоактивные аномалии могут быть связаны не только с наличием промышленных залежей, но и с местным изменением состава пород, поверхностной геохимической обстановкой. Другими словами, у геохимиков пока нет надежных критериев позволивших бы им отличать, по каким именно причинам в данном регионе регистрируется аномалия. Но работы в этом направлении ведутся.

Почему пустеют подземные сосуды?

Ну вот, кажется, все необходимые обследования района проведены. Они показали его перспективность в смысле содержания в недрах запасов нефти и газа. Можно закладывать первую разведочную скважину? Нет, пожалуй, сначала нужно провести кое-какие расчеты.

Суть их сводится к следующему. Каждый знает разницу между сосудом и его содержанием. Граница между ними обычно четко определена. Ну а если «сосуд» не искусственный, а природный, и его не мыли несколько миллионов лет? Тогда определить разницу, а значит, и количество нефти и газа в таком сосуде не так-то просто.

Вот как решили эту задачу ученые.

Природа сама позаботилась собрать нефтегазосодержащие породы в гигантские «пиалы», состоящие из плотных непроницаемых пород. Правда, что бы сохранить содержимое, ей пришлось перевернуть их вверх дном. Глубинное давление вытесняет углеводороды, которые упираются в куполообразный потолок и оказываются в ловушке. Купол, хотя и находится глубоко под землей, легко улавливается геофизической аппаратурой. Остается вроде бы немного – пробурить в куполе скважину, подсчитать запасы залежи и нанести на геологическую карту новое месторождение. Но очень скоро геологи столкнулись с такими сюрпризами – стали попадаться ловушки заполненные лишь наполовину, а то и вовсе пустые.

Выяснить какую-то закономерность, объяснить феномен долгое время не удавалось. Ученые разных стран приложили немало усилий, чтобы решить задачу, заданную природой. И вот внимание геологов в конце концов сосредоточилось на конструкции самой ловушки. Оказалось, что и камни не вечны. Сосуд от старости стал не так уж надежен: микроскопические трещины, образовавшиеся в покрышке, дают части запасов улетучиться. И потери тут не маленькие – лишь одна трещина шириной всего в десятую долю миллиметра при обычном для глубин давлении выпускает из ловушки триста миллионов кубометров газа каждый миллион лет. Так что за прошедшие сотни тысячелетий «сосуд», действительно, мог основательно опустеть.

Но всегда ли нефть и газ уходят из ловушки? Все ли природные чаши имеют дефекты? Ответить на эти вопросы в общем-то означало создать новый метод локального прогноза запасов нефти и газа на том или ином месторождении. Исследования ученых показали: ловушки полностью сохраняют свои запасы лишь в том случае, если толщина промежуточного слоя достаточно велика, но все же меньше высоты всего поднятия, то есть если ловушка все-таки сохраняет свою куполообразность.

Так что теперь на геофизических картах специалисты указывают толщину каждого из трех слоев ловушки. При помощи современной техники это удается сделать с достаточно высокой точностью. Ну а дальше в дело вступает простая арифметика. От высоты купола нужно отнять высоту промежуточной прослойки. В итоге получается число, определяющее размер промышленной залежи.

Новый метод определения прогнозных запасов нефти и газа уже получил практическую проверку на нефтепромыслах. Знание законов геологической арифметики позволило сэкономить многие миллионы рублей, затрачиваемые раньше на напрасно закладываемые скважины.

Разведочное бурение

Да, теперь никто не закладывает скважину наобум, однако, как ни странно, определенная доля риска все-таки остается. Не удивляйтесь: и по сей день при закладке первой скважины немалую роль играет «госпожа Удача», а окончательный приговор всем прогнозам и расчетам выносит «мастер Долото».

То, что мы сейчас называем разведочным бурением, практикуется достаточно давно, хотя до поры до времени корректнее было бы назвать это действие разведочным долблением.

В 20-е годы 19-го столетия во Франции скважины бурили для поиска воды. В 1845 году французский инженер Фовель сделал фундаментально открытие – он нашел способ, как извлекать из скважины раздолбленную породу. «Ларчик открывался просто» - для этого нужно было использовать ту же воду, для поисков которой и проделывались первые скважины.

В конце 50-х годов 19-го века начали бурить нефтяные скважины. Скорость проходки в это время составляла не более метра в сутки, а глубина скважины редко превышала полкилометра.

Лишь в начале 20-го века скважины действительно начали бурить. Пионерами нового способа стали Бакинские промышленники, первыми опробовавшие роторное бурение. При вращении долота в скважине порода крошилась, истиралась, и ее обломки поднимали наверх при помощи водных растворов. Скорость проходки возросла до 400-500 метров в сутки! Скважины стали в 3-4 раза глубже.

Современные скважины бурят с учетом опыта всех предшественников. Порода разрушается буровым долотом, которое присоединено к бурильным трубам. По мере бурения долото изнашивается и его необходимо заменять. Это очень трудоемкая операция, ведь для смены долота нужно поднять всю колонну бурильных труб, снять изношенное долото, накрутить новое и снова произвести спуск всей колонны. Диаметр долота больше диаметра бурильных труб и после того, как долото проходит пласт породы, остается пространство между бурильной трубой и пробуренной породой. Буровой раствор с помощью мощных насосов подают в бурильные трубы, он опускается вниз, а потом поднимается вверх по затрубному пространству, т.е. пространству между бурильными трубами и пробуренной породой. Вверху буровой раствор очищается от выбуренной породы (шлама) и снова закачивается в скважину. Ротор – специальное устройство, которое на поверхности приводит во вращение бурильные трубы, которые в свою очередь придают вращательное движение долоту.

Сам по себе роторный инструмент весьма громоздкий и требует частой смены. Все это, конечно, сдерживало развитие роторного бурения. Действительно, куда это годилось, если при глубине скважины в 4 километра колонна бурильных труб, на которое насаживалось долото, весила уже более 200 тонн! Большая часть энергии тратилась уже не на углубление скважины, а на вращение самих труб.

В 1922 году советский инженер М.А.Капелюшников предложил новый оригинальный метод бурения – турбинный. Двигатель, вращавший долото, был опущен на дно скважины. Таким образом отпала необходимость во вращении всех колонны труб, а это, естественно, способствовало большей экономии энергии.

В дальнейшем метод турбинного бурения неоднократно усовершенствовался. Современный турбобур – это сложнейшая машина, длинной около 10 метров. Каждая ступень турбобура – всего их может быть около сотни – имеет два диска с профилированными лопатками. Один из дисков - статор - неподвижно закреплен в корпусе турбобура. Второй - ротор - вращается. А приводит турбобур во вращение буровой раствор, который под давлением нагнетается в скважину для вымывания остатков разбуренной породы и обтекает при этом роторные лопатки.

Каждая секция турбобура развивает относительно небольшое усилие. Однако их много, и суммарная мощность оказывается достаточной, чтобы пробурить и самую твердую породу.

В последние годы получили распространение и электрические турбобуры. Они приводятся в действие специальными электромоторами малого диаметра, опять-таки помещаемыми в нижнем конце колонны. Энергия подводится к двигателю по специальному кабелю, расположенному внутри бурильной трубы. Такой способ позволяет развивать на долоте значительные усилия, легко поддается автоматизации.

По существу, современная буровая установка представляет собой небольшое промышленное предприятие. Здесь есть и своя силовая подстанция, и установка для получения бурового раствора, и сама буровая вышка, на которой монтируются мощные лебедки, и другое оборудование, необходимое для спуска и подъема бурильных и обсадных труб.

Особое внимание при бурении уделяют буровому раствору. Он должен выполнять несколько задач. О некоторых мы уже говорили: поднимать на поверхность обломки выбуренной породы, приводить во вращение турбобур. Также буровой раствор охлаждает долото, которое при трении значительно нагревается. Почему в современном бурении в качестве бурового раствора не используют простую воду, как это делали раньше? Оказывается, что вода не очень удачно вписывается в эту роль. Да, вода действительно может выносить выбуренную породу. Но что произойдет, если вдруг процесс бурения неожиданно остановится? Такое вполне может произойти, хотя это нежелательное явление на буровой. В этом случае вся выбуренная порода, которая находится в воде, и которая уже направлялась наверх, начнет оседать вниз и через некоторое время с определенной глубины засыплет межтрубное пространство, по сути, похоронив на всегда долото, турбобур и, возможно, бурильную колонну. А это очень дорогостоящий инструмент. В настоящий момент есть долота, стоимость которых превышает полмиллиона рублей (2005 год). А стоимость колонны бурильных труб может превышать десять миллионов рублей. Для того, что бы такое не происходило применяют не воду, а специальный буровой раствор. Чаще всего глинистый раствор на основе глинопорошка. Такой раствор не дает оседать выбуренной породе, и при возобновлении бурения снова продолжить подъем шлама на поверхность.

К буровому раствору предъявляют еще одно требование. При бурении глубокой скважины на ее пути могут встречаться различные пласты различного характера (водные, нефтяные, газовые). Одним из главных условий бурения является обеспечение неприкосновенности пластов. Буровики должны пробурить скважину, а там уже другие специалисты разберутся какой пласт им нужен. Представьте себе пустое отверстие диаметром 30 сантиметров, глубиной 4 километра. Что произойдет, если такое отверстие загерметизировать сверху и оставить на произвол судьбы? Сначала из разных пластов различные смеси заполнят это пространство, а потом из пласта с наибольшим давлением жидкость или газ вытеснит остальные фракции и начнет проникать в другие пласты. А этими пластами могут оказаться водные пласты, близкие к поверхности земли и нефть или газ может появиться в реках и озерах, а потом и в городских водопроводах. Этого, конечно, допускать ни в коем случае нельзя. Поэтому пока идет процесс бурения весь ствол скважины заполнен буровым раствором, который не дает содержимому встречающихся пластов проникнуть в скважину. Для этого у бурового раствора должна быть определенная плотность, при этом он сам не должен убегать в пласты. Подобрать нужную плотность бурового раствора является не простой задачей, ведь на пути скважины как правило встречается много разных пластов. И, к сожалению, иногда невозможно подобрать нужную плотность, чтобы держать в равновесии все пласты. В этом случае, как правило, в скважине предусматривается так называемая промежуточная колонна обсадных труб. Скважина бурится до определенной глубины с одним параметром бурового раствора, затем спускаются металлические обсадные трубы, пространство между обсадными трубами и пробуренной породой цементируется так называемым тампонажным раствором. После чего продолжают бурение с другим буровым раствором. Понятно, что установленные выше обсадные трубы должны быть большего диаметра чем, бурильная колонна и обсадные трубы, которые будут спущены ниже. Иногда требуется устанавливать несколько промежуточных колонн и тогда конструкция скважины может принять такой вид:

Последняя колонна, которая спускается ниже остальных, называется эксплуатационной колонной. Часто первую промежуточную колонну называют кондуктором.

Однако к буровому раствору предъявляется еще одно требование, которому глинистые растворы соответствуют не в полной мере. Когда долото вскрывает покрышку и начинает проходку в коллекторе, в коллектор также попадает буровой раствор. Помимо того, что он подается под большим давлением в скважину, на коллектор давит весь столб жидкости. Ведь столб бурового раствора высотой 3-5 километров тоже создает значительное давление. В итоге может получиться, что часть бурового раствора попадет в коллектор возле скважины и забьет его поры. В итоге возле самой скважины коллектор окажется загрязненным и нефть не сможет легко просачиваться в скважину. Как правило, это сказывается на так называемом дебите скважины, т.е. объеме добычи. Если при правильном вскрытии пласта дебит мог составить одно значение, то при неправильном объем добычи скважины может уменьшится в несколько раз, а иногда и вообще быть равен нулю. Правда, это проблема больше касается эксплуатационных скважин, однако и в разведочных скважинах важно узнать показатели пластов. Что бы избежать таких неприятностей в последнее время используют различные буровые растворы, основанные не на глине. Большое распространение получили так называемые биополимерные растворы. Через некоторое время после вскрытия пласта данные растворы разлагаются и не оставляют после себя засоров в коллекторе.

Как правило, разведочные скважины бурят вертикальными. Т.е. без значительного отклонения от места забуривания. Наклонно-направленное бурение встречается в эксплуатационном бурении, о чем мы поговорим позднее.

Сверхглубокие скважины

Зачем нужны сверхглубокие?.. Признаемся сразу: это скважины дальней разведки; конечно, с их помощью специалисты не надеются обнаружить в данном месте залежи нефти, газа или других полезных ископаемых. Главная задача другая — исследование геокосмоса!

Ведь на сегодняшний день мы сравнительно много знаем о том, что происходит над нашими головами, в глубинах космоса, а вот что творится в каких-нибудь нескольких десятках километров у нас под ногами — представляем весьма слабо.

При сверхглубоком бурении трудности возрастают не пропорционально глубине скважины, а так сказать, по экспоненте. Обратимся к примерам.

Эпоха сверхглубокого бурения началась в 1961 году реализацией американского проекта «Мохол». Скважину заложили на дне Тихого океана, вблизи острова Гуадалупе, под четырехкилометровым слоем морской воды. Ожидалось, что буровой снаряд, пройдя 150 метров рыхлых донных пород, погрузится в 5,5-километровый слой твердых пород. А затем, пройдя и их, предоставит в руки исследователей вещество мантии — следующего после коры слоя недр нашей планеты.

Однако на практике все получилось совсем по-другому. Бурение остановилось после первых же 36 метров. Когда на борт бурового судна подняли колонну труб с первым керном, то потом уже не смогли отыскать устье начатой скважины. Не помогли ни системы динамической стабилизации, ни сложнейшие пеленгационные комплексы, расположенные вокруг судна на специальных заякоренных буях.

Все же соблазн вскрыть мантию именно на морском дне был очень велик. Как-никак, тут земная кора наиболее тонка: каких-нибудь 5 километров — и вот она, мантия! Поэтому семь лет спустя после первого опыта в море вышел «Челленджер» — специально оборудованное буровое судно грузоподъемностью свыше 10 тысяч тонн. Еще семь лет с него велось глубинное бурение. На сей раз дело завершилось сравнительно благополучно — скважину не потеряли. Но и добиться поставленной цели не смогли. В 1975 году бурение прекратили из-за технических сложностей, когда были вскрыты верхние базальтовые слои океанского дна.

Дальнейшая атака на мантию продолжалась уже на суше. Среди семейства сверхглубоких скважин, пожалуй, стоит отметить «Берту Роджерс», пробуренную в Оклахоме. Эта разведочная скважина впервые перешагнула 9-километровую глубину. Правда, победа далась нелегкой ценой. Для проходки ствола в молодых осадочных породах использовали мощнейшую технику — буровые установки грузоподъемностью 1000 тонн, которые ранее использовались военными для закладки пусковых шахт межконтинентальных баллистических ракет.

Столь большой запас мощности позволил разведчикам особо не церемониться, брать недра штурмом в лоб, не прибегая к особым техническим хитростям. Но и супермощное, сверхтяжелое буровое оборудование не смогло противостоять повышенному давлению: с глубины 9583 метров рассерженные недра в один момент «выплюнули» все приспособления, а вслед ударил мощный фонтан расплавленной серы.

В СССР в начале восьмидесятых годов прошлого века была заложена СГ-3 — Кольская сверхглубокая. Ее предшественницами среди отечественных сверхглубоких были СГ-1 и СГ-2 — АралСорская и Биикжальская.

Для очередной попытки проникнуть в глубины геокосмоса не случайно было выбрано место именно на Кольском полуострове. Словно бы для облегчения доступа к нижним этажам планеты, разрушительной силой льда, ветра и воды за последние сотни миллионов лет напрочь стесана 15-километровая толща континентальной коры. В некоторых районах прямо на поверхность выходят древние кристаллические породы Балтийского щита. Специалисты говорят, что здесь можно споткнуться о камешек возрастом в два миллиарда лет! Так что мантия как бы рядом.

Не надо думать, что здесь все шло как по маслу. Проблем хватало. Одна из главных — чтобы скважина не отклонялась от вертикали больше, чем это предусмотрено. (Для СГ-З было предусмотрено отклонение не более градуса на каждый из 15 километров глубины). Заметим попутно, что у американцев на «Берта Роджерс» забой ушел в сторону на 25 градусов.

Первые два километра буровикам удалось продержаться «в норме», надевая на турбобур специальные кольца с победитовыми наконечниками, которые жестко упирались в стенки ствола. Но когда забой попал в кавернозную зону, когда вокруг то и дело стали встречаться пустоты, центраторам стало не на что опираться, и они «повисли в воздухе».

Вновь вывести скважину на прямую дорогу удалось с помощью турбинного отклонителя. Это устройство снабдили телеметрической системой, которая мгновенно улавливала малейшие отклонения от вертикали, помогла буровикам удержаться «на курсе».

Так им удалось сравнительно спокойно нарастить колонну труб еще на несколько километров. И вдруг новое происшествие: на большой глубине вся связка труб с турбобуром на конце повела себя как сверхдлинная пружина, потерявшая жесткость из-за непомерной длины. На поворот колонны в устье, что по идее должно было бы исправить кривизну, «пружина» изгибалась лишь в своей верхней части, оставаясь в нижней неподвижной.

Что делать? Специалисты испробовали несколько безуспешных вариантов, пока не остановились, наконец, на одном. Клин решили выбивать клином, как советует русская пословица. А точнее, один эффект решили компенсировать другим: пружинный — маятниковым. Под турбобуром была смонтирована тяжеленная, залитая свинцом труба, которая, действуя подобно отвесу, старалась оттянуть бур по вертикали к центру Земли...

День за днем, год за годом крутилось и крутилось буровое долото. Время от времени его останавливали. Не только затем, чтобы сменить выкрошенные твердейшими породами алмазные зубья, но и чтобы поднять на поверхность драгоценную добычу — керн, аккуратно выпиленный кусочек древнего Балтийского щита.

Конечно, всем хочется потрогать его руками — кусочек камня, только что лежавший на многокилометровой глубине. Но сразу делать это опасно. Можно обжечься. Там, внизу, недра хранили камень при 200-градусной температуре. И все-таки, чуточку выждав, трогают. Велико нетерпение: вот она, желанная добыча! Крупицы знаний, которые с таким трудом добываются со столько огромной глубины. О чем они говорят?

В настоящее время в России работает специальное предприятие «Кольская сверхглубокая», которое продолжает работы по проведению исследований в этой уникальной скважине.

Промыслово-геофизические исследования в скважинах

Годы упорного труда, миллионы рублей тратятся, конечно, вовсе не для того, чтобы потрогать неостывшие кусочки породы, лежавшие на многокилометровой глубине. Керны исследуют всеми имеющимися в распоряжении науки физико-химическими методами.

В скважину также опускают десятки чутких датчиков, приборов, которые рассказывают исследователям о самочувствии земной коры. Промыслово-геофизические исследования, которые с легкой руки французских специалистов во всем мире называют каротажными или каротажем, дают возможность по всей длине скважины определить литологический состав, мощность пород, выделить интервалы залегания продуктивных горизонтов, установить коллекторские свойства горных пород... Словом, каротаж дает возможность ответить на сотни вопросов, интересующих специалистов.

Наверное, поэтому в настоящее время насчитывается свыше 40 различных методов каротажа - электрические, радиоактивные, акустические, индукционные... Но хороший результат дает только их оптимальное сочетание.

Например, по электрическому сопротивлению пород довольно четко можно выявить продуктивные горизонты, на которых стоит искать нефть и газ. Эти исследования дополняются акустическими и индукционными измерениями, позволяющими по тому, как распространяются вокруг скважины акустические колебания, как изменяется индуктивность близлежащих пород, оценивать их нефтенасыщенность.

Термометрический каротаж позволяет изучать изменение температуры вдоль ствола скважины. Эти данные позволяют расшифровать температурный режим недр, выделить газовые залежи, которые отмечаются по минимальным температурам. Дело в том, что адиабатическое расширение газа, согласно законам физики, приводит к понижению его температуры.

На СГ-3 (см. предыдущую статью «Сверхглубокие скважины»), кстати, температурный каротаж задал немало загадок. Поначалу температуры росли так медленно, что многие геофизики даже обозвали Балтийский щит «булыжником».

- Температурный режим в нем нарушен, говорили они, - щит пассивен, поэтому бесполезно искать тут рудообразования или какие-то другие залежи полезных ископаемых...

И действительно, поначалу температура возрастала очень медленно: на глубине 4 километра она составляла всего лишь 40° С, хотя по расчетам, давно должна была составлять градусов пятьдесят-шестьдесят... Потому случилось непредвиденное - температура, напротив стала нарастать ускоренными темпами и к 11-километровому рубежу достигла 200° С против ожидаемой сотни с небольшим. Что это - следствие древнего выветривания пород? Или ледяного «компресса», который длительное время прикрывал своей шапкой землю в данном районе?.. Пока геофизики разбираются в температурном феномене.

«Велико есть дело достигать во глубину земную разумом, куда рукам и оку досягнуть возбраняет натура; странствовать измышлениями в преисподней, проникать рассуждениями сквозь тесные расселины, и вечной ночью помраченные вещи и деяние выводить на солнечную ясность...»

Так писал в свое время М. В. Ломоносов, и его слова не потеряли своего значения за прошедшие два с лишним века. Все, о чем мы говорили в этой главе - не более, чем технические средства проникновения в тайны природы. Главный же ключ к познанию этих тайн - человеческий разум.

С помощью этого универсального инструмента был открыт еще один способ, позволяющий подвести итоговую черту под всеми другими методами исследования недр. Речь идет о возможности «сделать недра прозрачными».

Конечно, эти слова нё надо понимать буквально. Речь идет о новом способе комплексного использования всех тех данных, о которых вы прочли ранее.

- С переходом к познанию глубоких горизонтов земной коры, - сказал по этому поводу известный советский геолог Н. И. Хитаров, - показ результатов геологических исследований на одной плоскости недостаточен. Нужны «объемные» геологические карты...

Что же должна, представлять собой такая карта? Метод инжнеров-конструкторов, которые изображают объем на плоскости при помощи трех проекций одной детали, в данном случае не подходит; строение геологических структур подчас настолько сложно, что в трех проекциях немудрено запутаться. Тогда геологи решили воспользоваться опытом географов.

Как всем хорошо известно, что на обычных географических картах всегда присутствует и третье измерение - высота или глубина. Чем коричневый цвет горного массива, тем, значит, выше здесь горы. По тому же пути пошли и картографы подземных горизонтов. В качестве базы они берут определенную глубину, например 100 метров или 100 километров, - это зависит от масштаба карты и от того, для каких именно целей она предназначена. И дальше все как на обычной географической карте - цветом выделяется понижение или повышение данного района относительно уровня моря.

Если мы, например, будем рассматривать подобную карту Восточно-Европейской низменности, то увидим, что на ней преобладает зеленый цвет. Им выделены самые древние образования - архейские и протерозойские. Поверх него слой за слоем лежат более поздние, осадочные породы.

Чем глубже под осадочными породами находится поверхность кристаллического фундамента, тем темнее зелень на карте. В тех же местах, где фундамент поднялся выше уровня моря, вышел на дневную поверхность, цвет карты становится светло-оранжевым. Так выделены Тиманский кряж, Украинский и уже знакомый нам Балтийский щит.

Такая карта обобщает огромное количество сведений, накопленных геологией, в наглядном виде. На ней нашли отражение все методы исследования земных недр и в первую очередь, разведочное бурение - как источник самых достоверных сведений.

Ну, а чтобы не нагромождать на одну карту чересчур много сведений, стали делать послойные разрезы. Их можно сравнить, пожалуй, с поэтажными планами огромного небоскреба. Бессмысленно ведь показывать расположение комнат каждого этажа на одном общем плане - никто, наверняка, ничего не поймет. Вот так и послойные геологические карты. Для той же Восточно-Европейской платформы их будет издано около тридцати.

Возможно, из них когда-нибудь синтезируют и общую карту, использовав для этого методы голографии и помощь современной вычислительной техники. И тогда геологи действительно увидят своими глазами прозрачную Землю, смогут до тонкостей понять ее строение, досконально определят запасы полезных ископаемых.

Эксплуатационное бурение

О многих вопросах, связанных с техническими проблемами при разведочном бурении, мы говорили ранее. В этом выпуске я хотел бы немного осветить отличия между бурением разведочных и эксплуатационных скважин.

Условно процесс СТРОИТЕЛЬСТВА скважины (по всем классификациям такой вид деятельности, как бурение, относится к строительству) делится на такие этапы: подготовительные работы, вышкомонтажные работы, бурение и крепление, испытание. Эти этапы выделяются при строительстве как разведочной, так и эксплуатационной скважины. Но в чем их отличие, давайте посмотрим внимательнее.

Подготовительные работы - это строительство основания, на котором будет установлена буровая установка, прокладка подъездных дорог. Как правило, разведочные скважины бурятся одиночными. Задача разведочной скважины - "пощупать" внутренности в пределах конкретной местности. Когда же принимается решение о бурении на месторождении эксплуатационных скважин, уже известно, что можно ожидать и бурением одной скважины не ограничиваются. Но строить под каждую скважину площадку и бурить скважину без отклонения от места забуривания очень накладно. Поэтому при эксплуатационном бурении поступают следующим образом: с одной площадки бурится несколько скважин и применяется так называемое наклонно-направленное бурение. При таком бурении ствол скважины значительно отклоняется от того места, где начиналось бурение и такое отклонение может достигать от сотен метров до нескольких километров. Так как на одном основании нужно размещать несколько скважин, соответственно площадка должна быть большего размера. Кроме того, если скважины бурятся с одной площадки, то было бы неплохо не разбирать буровую установку после бурения очередной скважины, а перетаскивать ее для бурения следующей скважины. В настоящее время такое перемещение производят по специально проложенным рельсам.

По сути дела при бурении разведочных и эксплуатационных скважин применяются различные типы буровых установок. Во многом из-за этого различается второй этап строительства скважин - вышкомонтажные работы. На этом этапе выполняется транспортировка буровой установки, ее монтаж, проверка работы, проведение необходимых коммуникаций (трубопроводов, ЛЭП). Также транспортируется и монтируется необходимое дополнительное оборудование, дизельные станции, жилой городок, в котором потом будут жить буровики.

Зачастую, когда на участке начинается эксплуатационное бурение, это участок уже обустроен: проведены все коммуникации, проложены дороги. Разведчикам же приходится добираться до места работ на вертолетах и по зимним дорогам, которые тают летом. В таких условиях ни о каких линиях электропередачи речи не идет. В основном все буровые станки, предназначенные для разведочного бурения, работают от установок дизельного привода, чем отличаются от установок эксплуатационного бурения, которые больше ориентированы на привод от электричества. Хотя бывают исключения, когда на участке ведется эксплуатационное бурение, но электричество туда не проведено. В этом случае на площадке ставят мощные дизельные электростанции, вырабатывающие электроэнергию, от которой работают буровые установки.

В Западной Сибири в настоящее время самыми распространенными буровыми установками для эксплуатационного бурения являются буровые установки БУ-3000 ЭУК, выпускаемые екатеринбургским предприятием "Уралмаш".

Процесс бурения эксплуатационных скважин так же отличается от бурения "разведок". Самое главное отличие состоит в том, что практически все эксплуатационные скважины являются наклонно-направленными, а разведочные - вертикальными.

Существуют еще и горизонтальные скважины. Они тоже относятся к эксплуатационным скважинам. У горизонтальных скважин последняя колонна входит в продуктивный пласт под углом и затем проходит горизонтально по пласту. Это позволяет достичь большей площади соприкосновения обсадной трубы и продуктивного пласта.

На этапе испытания скважины обсадная труба пробивается в районе соприкосновения с продуктивным пластом. У горизонтальных скважин дебит намного превышает дебит обычных скважин.

Отклонение в процессе бурения достигается за счет включения в компоновку бурящей части (между бурильной трубой и турбобуром) так называемого кривого переводника.

Он просто соединяет бурильную трубу и турбобур, но при этом концы переводника находятся под небольшим углом (1-2 градуса) относительно друг друга, что позволяет придавать скважине отклонение в процессе бурения. В этом процессе очень велика роль технолога, который должен правильно сориентировать компоновку при сборке и спуске. Однако, каким бы классным специалистом не был технолог, никто не ограничивается доверием к его мастерству. При бурении наклонно-направленных скважин (и тем более горизонтальных) применяют специальные навигационные системы, которые позволяют отслеживать местоположение долота. В состав компоновки низа бурильной колонны включают специальный прибор, который замеряет необходимые параметры и передает их наверх, где они регистрируются и расшифровываются. Интересен способ передачи их наверх - через буровой раствор. Прибор, находящийся внизу производит толчки, которые передаются через весь столб бурового раствора наверх.

Испытание эксплуатационной скважины тоже отличается от испытания разведочной скважины. Чаще даже у эксплуатационных скважин этот этап называется освоением. Как правило, у разведочных скважин испытывают несколько продуктивных объектов, начиная с самого нижнего. Потом испытанный объект изолируется путем установки так называемого цементного моста и производится испытание следующего объекта.

Самой главной операцией при испытании является перфорация - пробивание обсадной трубы в интервале соприкосновения с продуктивным пластом. Для проведения этой операции в скважину спускают перфоратор, в который заложены специальные заряды. Перфоратор устанавливается на уровне продуктивного пласта в скважине и на него подается сигнал, который генерирует взрыв направленных зарядов. Заряды пробивают обсадную колонну, цемент за ней, и создают дополнительные трещины в нефтеносной породе. Чем лучше перфорационные заряды, тем больше проникающих трещин они создают в продуктивном пласте. Но часто в эксплуатационных скважинах проведением перфорации не ограничиваются и проводят так называемый гидроразрыв пласта (ГРП). Суть этой операции состоит в закачке под большим давлением в скважину жидкости, которая создает дополнительные трещины в продуктивном пласте. Глубина таких трещин может достигать нескольких метров.

Еще одним отличием разведочного и эксплуатационного бурения является объем проводимых промыслово-геофизических исследований в скважинах. В разведочных скважинах проводят большой объем всевозможных исследований, в эксплуатационных же стараются ограничиться только самыми необходимыми. Стоимость промыслово-геофизических исследований в разведке может в десятки раз превышать затраты на геофизиков по эксплуатационной скважине.

Фонтанный и газлифтный способы добычи нефти

После того как скважина пробурена и освоена, необходимо начать добывать из нее нефть. Хотя нужно отметить, что не из всех даже эксплуатационных скважин добывается нефть. Существуют так называемые нагнетательные скважины. В них наоборот закачивается, только не нефть, а вода. Это необходимо для эксплуатации месторождения в целом. Об этом мы поговорим попозже.

Наверное, у многих из Вас отложились в памяти кадры из старых советских фильмов о первых добытчиках сибирской нефти: буровая установка, сверху бьет фонтан, кругом бегают радостные люди и умываются первой нефтью. Нужно отметить, что с того времени много что изменилось. И если сейчас возле буровой вышки появится фонтан нефти, то возле нее будет бегать много людей, но только они не станут радоваться, а больше будут озабочены тем, как предотвратить этот экологически вредный выброс. В любом случае то, что было показано на экране – это нефтяной фонтан. Нефть находится под землей под таким давлением, что при прокладке к ней пути в виде скважины она устремляется на поверхность. Как правило, фонтанируют скважины только в начале своего жизненного цикла, т.е. сразу после бурения. Через некоторое время давление в пласте снижается и фонтан иссякает. Конечно, если бы на этом прекращалась эксплуатация скважины, то под землей оставалось бы более 80% нефти.

В процессе освоения скважины в нее опускается колонна насосно-компрессорных труб (НКТ). Если скважина эксплуатируется фонтанным способом, то на поверхности устанавливают специальное оборудование – фонтанную арматуру.

Не будем разбираться во всех деталях этого оборудования. Отметим только, что это оборудование необходимо для управления скважиной. С помощью фонтанной арматуры можно регулировать добычу нефти – уменьшать или совсем остановить.

После того, когда давление в скважине уменьшится, и скважина начнет давать совсем мало нефти, как посчитают специалисты, ее переведут на другой способ эксплуатации.

При добыче газа фонтанный способ является основным.

Газлифтный способ добычи нефти

После прекращения фонтанирования из-за нехватки пластовой энергии переходят на механизированный способ эксплуатации скважин, при котором вводят дополнительную энергию извне (с поверхности). Одним из таких способов, при котором вводят энергию в виде сжатого газа, является газлифт.

Газлифт (эрлифт) — система, состоящая из эксплуатационной (обсадной) колонны труб и опущенных в нее НКТ, в которой подъем жидкости осуществляется с помощью сжатого газа (воздуха). Иногда эту систему называют газовый (воздушный) подъемник. Способ эксплуатации скважин при этом называется газлифтным.

По схеме подачи от вида источника рабочего агента — газа (воздуха) различают компрессорный и безкомпрессорный газлифт, а по схеме действия — непрерывный и периодический газлифт.

Рисунок 13.2.

В затрубное пространство нагнетают газ высокого давления, в результате чего уровень жидкости в нем будет понижаться, а в НКТ — повышаться. Когда уровень жидкости понизится до нижнего конца НКТ, сжатый газ начнет поступать в НКТ и перемешиваться с жидкостью. В результате плотность такой газожидкостной смеси становится ниже плотности жидкости, поступающей из пласта, а уровень в НКТ будет повышаться. Чем больше будет введено газа, тем меньше будет плотность смеси и тем на большую высоту она поднимется. При непрерывной подаче газа в скважину жидкость (смесь) поднимается до устья и изливается на поверхность, а из пласта постоянно поступает в скважину новая порция жидкости.

Дебит газлифтной скважины зависит от количества и давления нагнетаемого газа, глубины погружения НКТ в жидкость, их диаметра, вязкости жидкости и т.п.

Конструкции газлифтных подъемников определяются в зависимости от числа рядов насосно-компрессорных труб, спускаемых в скважину, и направления движения сжатого газа. По числу спускаемых рядов труб подъемники бывают одно- и двухрядными, а по направлению нагнетания газа — кольцевыми и центральными (см. рис. 13.2).

При однорядном подъемнике в скважину спускают один ряд НКТ. Сжатый газ нагнетается в кольцевое пространство между обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами, а газожидкостная смесь поднимается по НКТ, или газ нагнетается по насосно-компрессорным трубам, а газожидкостная смесь поднимается по кольцевому пространству. В первом случае имеем однорядный подъемник кольцевой системы (см. рис. 13.2,а), а во втором — однорядный подъемник центральной системы (см. рис. 13.2,б).

При двухрядном подъемнике в скважину спускают два ряда концентрически расположенных труб. Если сжатый газ направляется в кольцевое пространство между двумя колоннами НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по внутренним подъемным трубам, то такой подъемник называется двухрядным кольцевой системы (см. рис. 13.2,в). Наружный ряд насосно-компрессорных труб обычно спускают до фильтра скважины.

При двухрядном ступенчатом подъемнике кольцевой системы в скважину спускают два ряда насосно-компрессорных труб, один из которых (наружный ряд) ступенчатый; в верхней части — трубы большего диаметра, а в нижней — меньшего диаметра. Сжатый газ нагнетают в кольцевое пространство между внутренним и наружным рядами НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по внутреннему ряду.

Если сжатый газ подается по внутренним НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по кольцевому пространству между двумя рядами насосно-компрессорных труб, то такой подъемник называется двухрядным центральной системы (см. рис. 13.2,г).

Недостатком кольцевой системы является возможность абразивного износа соединительных труб колонн при наличии в продукции скважины механических примесей (песок). Кроме того, возможны отложения парафина и солей в затрубном пространстве, борьба с которыми в нем затруднительна.

Преимущество двухрядного подъемника перед однорядным в том, что его работа происходит более плавно и с более интенсивным выносом песка из скважины. Недостатком двухрядного подъемника является необходимость спуска двух рядов труб, что увеличивает металлоемкость процесса добычи. Поэтому в практике нефтедобывающих предприятий более широко распространен третий вариант кольцевой системы — полуторарядный подъемник (см. рис. 13.2,д), который имеет преимущества двухрядного при меньшей его стоимости.

Использование газлифтного способа эксплуатации скважин в общем виде определяется его преимуществами.

1. Возможность отбора больших объемов жидкости практически при всех диаметрах эксплуатационных колонн и форсированного отбора сильнообводненных скважин.

2. Эксплуатация скважин с большим газовым фактором, т.е. использование энергии пластового газа.

З. Малое влияние профиля ствола скважины на эффективность работы газлифта, что особенно важно для наклонно-направленных скважин, т.е. для условий морских месторождений и районов освоения Севера и Сибири.

4. Отсутствие влияния высоких давлений и температуры продукции скважин, а также наличия в ней мехпримесей (песка) на работу скважин.

5. Гибкость и сравнительная простота регулирования режима работы скважин по дебиту.

6. Простота обслуживания и ремонта газлифтных скважин и большой межремонтный период их работы при использовании современного оборудования.

7. Возможность применения одновременной раздельной эксплуатации, эффективной борьбы с коррозией, отложениями солей и парафина, а также простота исследования скважин.

Указанным преимуществам могут быть противопоставлены недостатки

1. Большие начальные капитальные вложения в строительство компрессорных станций

2. Сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) газлифтной системы.

З. Возможность образования стойких эмульсий в процессе подъема продукции скважин.

Исходя из указанного выше, газлифтный (компрессорный) способ эксплуатации скважин, в первую очередь, выгодно использовать на крупных месторождениях при наличии скважин с большими дебитами и высокими забойными давлениями после периода фонтанирования.

Далее он может быть применен в наклонно направленных скважинах и скважинах с большим содержанием мехпримесей в продукции, т.е. в условиях, когда за основу рациональной эксплуатации принимается межремонтный период (МРП) работы скважин.

При наличии вблизи газовых месторождений (или скважин) с достаточными запасами и необходимым давлением используют безкомпрессорный газлифт для добычи нефти.

Эта система может быть временной мерой — до окончания строительства компрессорной станции. В данном случае система газлифта остается практически одинаковой с компрессорным газлифтом и отличается только иным источником газа высокого давления.

Газлифтная эксплуатация может быть непрерывной или периодической. Периодический газлифт применяется на скважинах с дебитами до 40—60 т/сут или с низкими пластовыми давлениями. Высота подъема жидкости при газлифте зависит от возможного давления ввода газа и глубины погружения колонны НКТ под уровень жидкости.

Технико-экономический анализ, проведенный при выборе способа эксплуатации, может определить приоритет использования газлифта в различных регионах страны с учетом местных условий. Так, большой МРП работы газлифтных скважин, сравнительная простота ремонта и возможность автоматизации предопределили создание больших газлифтных комплексов на Самотлорском, Федоровском, Правдинском месторождениях в Западной Сибири. Это дало возможность снизить необходимые трудовые ресурсы региона и создать необходимые инфраструктуры (жилье и т.д.) для рационального их использования.

Добыча нефти с помощью насосов

В предыдущем выпуске мы поговорили о фонтанном и газлифтном способе добычи нефти. Но по статистике только чуть более 13% всех скважин в России эксплуатируются этими способами (хотя эти скважины дают более 30% всей российской нефти). В целом статистика по способам эксплуатации выглядит так:

Эксплуатация скважин штанговыми насосами

У обывателя при разговоре о нефтяном деле возникает образ двух станков – буровой вышки и станка-качалки. Изображения этих устройств встречаются всюду в нефтегазовой отрасли: на эмблемах, плакатах, гербах нефтяных городов и так далее. Внешний вид станка-качалки известен всем. Вот как он выглядит.

Станок-качалка и есть один из элементов эксплуатации скважин штанговым насосом. По сути, станок-качалка является приводом штангового насоса, расположенного на дне скважины. Это устройство по принципу действия очень похоже на ручной насос велосипеда, преобразущий возвратно-поступательные движения в поток воздуха. Нефтяной насос возвратно-поступательные движения от станка-качалки преобразует в поток жидкости, которая по насосно-компрессорным трубам (НКТ) поступает на поверхность.

Если по порядку описать происходящие процессы при данном виде эксплуатации, то получится следующее. На электродвигатель станка-качалки подается электричество. Двигатель вращает механизмы станка-качалки так, что балансир станка начинает двигаться как качели и подвеска устьевого штока получает возвратно-поступательные движения. Энергия передается через штанги – длинные стальные стержни, скрученные между собой специальными муфтами. От штанг энергия передается штанговому насосу, который захватывает нефть и подает ее наверх.

При эксплуатации скважины штанговыми насосами к добываемой нефти не предъявляются строгие требования, которые имеют место при других способах эксплуатации. Штанговые насосы могут качать нефть, характеризующуюся наличием механических примесей, высоким газовым фактором и так далее. К тому же, данный способ эксплуатации отличается высоким КПД.

В России изготавливаются станки-качалки 13 типоразмеров по ГОСТ 5688-76. Штанговые насосы производят ОАО «Элкамнефтемаш» г.Пермь и ОАО «Ижнефтемаш» г.Ижевск.

Эксплуатация скважин бесштанговыми насосами

Для отбора из скважин больших объёмов жидкости применяется лопастный насос с рабочими колесами центробежного типа, обеспечивающий высокий напор при заданных подачах жидкости и габаритах насоса. Наряду с этим, в нефтяных скважинах некоторых районов с вязкой нефтью необходима большая мощность привода относительно подачи. В общем случае эти установки носят название погружные электронасосы. В первом случае — это установки центробежных электронасосов (УЗЦН), во втором — установки погружных винтовых электронасосов (УЗВНТ).

Скважинные центробежные и винтовые насосы приводятся в действие погружными электродвигателями. Электроэнергия подводится к двигателю по специальному кабелю. Установки ЭЦН и ЭВН довольно просты в обслуживании, так как на поверхности имеются станция управления и трансформатор, не требующие постоянного ухода.

При больших подачах УЭЦН имеют достаточный КПД, позволяющий конкурировать этим установкам со штанговыми установками и газлифтом.

При этом способе эксплуатации борьба с отложениями парафина проводится достаточно эффективно с помощью автоматизированных проволочных скребков, а также путем нанесения покрытия на внутреннюю поверхность НКТ.

Межремонтный период работы УЭЦН в скважинах достаточно высок и достигает 600 суток.

Скважинный насос имеет 80—400 ступеней. Жидкость поступает через сетку в нижней части насоса. Погружной электродвигатель маслозаполненный, герметизированный. Во избежание попадания в него пластовой жидкости устанавливается узел гидрозащиты. Электроэнергия с поверхности подается по круглому кабелю, а около насоса — по плоскому. При частоте тока 50 Гц частота вращения вала двигателя синхронная и составляет 3000 мин(-1).

Трансформатор (автотрансформатор) используют для повышения напряжения тока от 380 (напряжение промысловой сети) до 400— 2000 В.

Станция управления имеет приборы, показывающие силу тока и напряжение, что позволяет отключать установку вручную или автоматически.

Колонна НКТ оборудуется обратным и сливным клапанами. Обратный клапан удерживает жидкость в НКТ при остановках насоса, что облегчает запуск установки, а сливной освобождает НКТ от жидкости перед подъемом агрегата при установленном обратном клапане.

Для повышения эффективности работы для извлечения вязких жидкостей используется скважинные винтовые насосы с погружным электродвигателем. Установка скважинного винтового насоса, подобно установке ЭЦН, имеет погружной электродвигатель с компенсатором и гидрозащитой, винтовой насос, кабель, обратный и сливной клапаны (встроенные в НКТ), оборудование устья, трансформатор и станцию управления. За исключением насоса, другие части установки идентичны.

Подземные погонщики. Заводнение

Если вы думаете, что нефть так же легко поддается перекачке, как, скажем, вода, то глубоко ошибаетесь. Во-первых, нефть гораздо сложнее воды по составу. Во-вторых, она может быть весьма вязкой. В-третьих, нефтяное месторождение - это не колодец. Нефть может прятаться в бесчисленных подземных лабиринтах, протоках, ловушках, линзах. Чтобы извлечь ее из всех подземных закоулков, промысловики используют своеобразных «погонщиков».

Чаще всего для этой цели используют обыкновенную воду. Ее закачивают в пласт взамен такого же количества добытой нефти. Для этого за контуром месторождения бурят нагнетательные скважины, в которые и подается вода. Таким образом, давление в пласте остается все время постоянным. Это дает возможность увеличить нефтеотдачу пласта до 70%.

В тех случаях, когда площадь месторождений велика и законтурное обводнение уже не помогает, используют другую разновидность этого способа - внутриконтурное обводнение.

Воздействие на пласт в этом случае осуществляется через систему нагнетательных скважин, расположенных по той или иной схеме внутри контура нефтеносности. Это более интенсивная система воздействия на залежь нефти, позволяющая сократить сроки выработки запасов и быстро наращивать добычу нефти.

Различают несколько разновидностей внутриконтурного заводнения: разрезание залежи линиями нагнетательных скважин на полосы, кольца, создание центрального разрезающего ряда с несколькими поперечными рядами и в сочетании с приконтурным заводненном...

Выбор схемы расположения нагнетательных скважин определяется конкретными геологическими условиями, экономически целесообразными сроками выработки запасов и величиной необходимых капвложений.

Если же и этого недостаточно число скважин еще увеличивают. Получается так называемое площадочное обводнение.

Обводнение позволяет не только увеличить отдачу нефтяного пласта, но и сократить сроки нефтедобычи, использовать месторождение более интенсивно. Поэтому вода используется в качестве «погонщика» почти на всех месторождениях страны.

Тем временем ученые ищут новые способы повышения КПД месторождений. А что если закачивать под землю не воду, а углеводородный газ? Ведь известно, что нефть и эти газы взаимно растворимы извлечь же из подземной кладовой газожидкостную смесь намного легче, чем жидкость... Провели опыты. И что же? Оказалось, что таким способом можно извлечь до 90% нефти! При этом вовсе не обязательно, чтобы газ поступал во все пространство, занимаемое нефтью. Достаточно заполнить газом всего 1,5—2% от общего объема, нефтеотдача пласта резко возрастает.

Однако есть у этого способа и весьма существенный недостаток: закачивать в недра под большим давлением только что добытый газ — довольно дорогое удовольствие. Поэтому этот способ используют лишь на месторождениях с наиболее ценной, легкой нефтью.

На тех же месторождениях, где преобладает тяжелая, густая нефть используют другие способы повышения эффективности добычи.

Химические хитрости

Чтобы густая нефть с большей легкостью поднималась по трубам, надо, конечно, прежде всего, сделать ее более жидкой.

В последнее время на нефтедобывающих промыслах стали использовать особые вещества, имеющие довольно сложное название - мицеллярные дисперсии. Основными составляющими этих композиций являются нефтерастворимые поверхностно-активные вещества, спирт, углеводородный растворитель типа керосина или легких фракций нефти. Добавляют сюда и воду.

Именно поэтому по внешнему виду мицеллярные дисперсии практически неотличимы от обычной воды - такая же светлая, прозрачная жидкость. Но главную роль здесь играют уже не молекулы H2O, а молекулы поверхностно-активных веществ. Попав в пласт, они и образуют с нефтью эмульсию, дисперсную фазу которой составляют сложного состава частицы - мицеллы. При этом нефть как бы отрывается от породы, и ее удается выкачать из коллектора практически всю.

Еще одно неоценимое свойство возникающих эмульсий - они являются обратимыми системами. То есть достаточно на дневной поверхности добавить в поступающую из скважины эмульсию еще немного воды, как из нее выделяется свободная нефть, а поверхностно-активные вещества оказываются снова готовыми к работе.

Вообще, надо признать, что химики оказывают нефтяникам и ряд других важных услуг.

Известно, например, что бурение невозможно без специальных бурильных растворов. Обычно глинистые бурильные растворы готовят прямо на месте, доставляя в район бурения сухую глину. Однако приготовление раствора - вещь достаточно тонкая: кроме глины в воду добавляют и другие вещества, состав и количество которых зависит от применяемой техники, давления в пласте, геологического строения недр...

В настоящее время существует по крайней мере два десятка специальных ингредиентов, улучшающих качество бурильных растворов и снижающих затраты на бурение. В некоторых случаях даваемая ими экономия в 10-15 раз превосходит затраты на изготовление самой добавки!

Еще одна проблема, в решении которой неоценимую помощь промысловикам оказывает химия - защита оборудования от отложения парафинов. Часто при добыче высокопарафинистых нефтей специалисты сталкиваются с неприятным явлением. Пока нефть находится в залежи под давлением, температура ее достаточно высока. Но по мере продвижения к забою и дальше по скважине и давление, и температура падают. Тяжелые парафиновые углеводороды начинают выделяться из жидкости и откладываться на всех поверхностях, с которыми соприкасается нефть. Очистка оборудования от налипшего парафина связана с огромными затратами и техническими трудностями.

Но уже разработаны вещества, добавка которых в нефть препятствует образованию скоплений парафина, способствует их смыванию с металлических поверхностей оборудования на всем пути нефти к потребителю. Такие вещества недешевы, но, тем не менее, их применение окупает все затраты.

Нефть в море

О том, что запасы нефти есть не только на суше, но и под морским дном, известно довольно давно. Вот уже, считай, полвека существуют «Нефтяные камни» — промысел в Каспийском море. Сегодня нефтяные вышки появились и на других морях. Нефть добывают в Северном море, в Охотском, на Балтике...

На платформу можно попасть на вертолете или на катере. Семь миль от берега, и вот вы уже у цели. Остов искусственного острова, который издали казался сложенным из спичек, вблизи оказывается переплетением толстенных труб. Сорок восемь из них уходят в толщу воды и еще на полсотни метров - в дно. Эти ноги и держат все сооружение.

Сама платформа состоит из двух площадок, каждая из которых - в четверть футбольного поля. На одной площадке уходят в поднебесье фермы буровой вышки, другая представляет собой административно-жилую зону. Здесь с трех сторон по краям площадки стоят уютные домики, в которых разместились каюты бригадиров, прорабов и мастеров, а также красный уголок, столовая с кухней, бытовые помещения...

Подобные платформы могут иметь разную конструкцию. Ведь одно дело добывать нефть на южном Каспийском море, другое на мелководной Балтике, где платформу можно укрепить на дне, и третье - на севере или востоке страны. Здесь большие глубины, частые штормы, ледяные поля... В таких условиях гораздо лучше стационарных платформ — полупогружные. Их буксируют к месту бурения как большие баржи. Здесь они опускают вниз свои «ноги» - опоры. И опираясь ими в дно, платформа приподнимается над поверхностью моря с таким расчетом, чтобы волны ее не захлестывали. По окончании буровых работ такая платформа без особых хлопот может быть переведена в другой район.

Проектируются и строятся суда обеспечения морских нефтяных промыслов. В начале января 1987 г. в финском городе Турку спущено на воду уникальное судно «Трансшельф». Оно предназначено для транспортировки морских буровых самоподъемных установок.

Новый гигант длиной 173 метра и шириной 40 метров имеет ряд особенностей. Судно полупогружное, да и как иначе взгромоздить на палубу тысячетонные буровые платформы? «Трансшельф» набирает в танки забортную воду и с этим балластом погружается. Палуба площадью 5100 квадратных метров уходит на 9 метров под воду. Платформа затаскивается или заталкивается на борт. Балласт откачивается, и судно к походу готово.

«Трансшельф» - это еще и судоремонтный док с мощной судостроительной техникой. Управляется он с помощью бортовой ЭВМ, которая контролирует все эксплуатационные секторы сложного судового хозяйства, в том числе и размещение груза на палубе.

Еще один способ морского бурения — непосредственно со специализированного бурового судна. В предыдущих выпусках мы упоминали о «Челленджере», с борта которого вели глубинное бурение американцы. Но сейчас у нас есть возможность познакомиться с одним из таких судов поближе. Для этого, правда, придется отправиться на север, в город моряков и полярников Мурманск, а уж оттуда — дальше, знакомиться с особенностями бурения с плавучего основания и с людьми уникальной профессии — нефтяниками-акванавтами.

Итак, в путь.

Сюрпризы погоды в арктических морях непредсказуемы даже коротким полярным летом. Небольшой пассажирский пароходик с трудом раздвигает носом тяжелые свинцовые валы. Ветер срывает с волн грязно-серые клочья пены, и порою кажется, что именно из этой пены и состоят низкие косматые облака. Потом ветер неожиданно стих, и над морем повисла плотная пелена тумана. А когда она раздвинулась, мы увидели буровое судно «Виктор Муравленко» уже совсем рядом. Несмотря на качку, оно неподвижно стояло на месте, как будто его удерживала неведомая сила.

Немного погодя мы узнали, в чем тут секрет: судно стояло на месте, благодаря системе динамического позиционирования, носовым и кормовым подруливающим устройствам. Иначе и нельзя. Помните, как потеряли устье скважины американские геологоразведчики?

Экипаж в большинстве своем имеет вполне земные профессии: буровики, электрики, машинисты дизельных и газотурбинных силовых установок... Но есть все же в морском бурении и своя специфика, с какой не встретишься на суше.

При бурении в океане, например, приходится принимать специальные меры, в которых земные буровики просто не нуждаются. Здесь есть райзер — колонна стальных труб, тянущаяся от судна до дна. Толщина их стенок — около 20 миллиметров; таков необходимый запас прочности, чтобы предохранить буровой инструмент от воздействия окружающей среды. И наоборот - чтобы защитить океан от загрязнения нефтепродуктами.

Такие взаимоотношения людей и океана вполне рабочие, обыденные. А вот устройство под названием превентер рассчитано как раз на исключительные ситуации. Если говорить попросту, это пробка, которой можно быстро заткнуть скважину при аварийной ситуации, когда, скажем, ураган станет срывать буровое судно с намеченной точки. Но поскольку земные недра все-таки не термос, то и превентер значительно сложнее обыкновенной пробки. Судите сами: длина этого устройства 18 метров, а весит оно без малого 150 тонн!

Когда шторм закончится, вернуться на то же самое место с точностью до сантиметров буровому судну помогут сверхточные навигационные приборы. Превентер поднимут на борт, и буровые работы будут продолжены.

Приборам доверена большая часть подводных операций. Они «прощупывают» и «прослушивают» дно моря, где должна быть заложена скважина, потом обследуют саму скважину... И кажется, чем могут помочь сверхбыстрым электронным приборам, могучим стальным механизмам слабые человеческие руки? Да еще там, на большой глубине, где царят тьма и огромные давления?..

Но представьте себе ситуацию: где-то в глубине откажут вдруг те самые сверхразумные и сверхточные датчики, которые позволяют судну с такой точностью находить свое место. Что делать?.. Тут уж не люди от приборов, а приборы от людей будут ждать помощи. И эта помощь обязательно придет.

Спуск под воду водолазы глубоководники начинают, еще находясь на судне. Они читают, слушают музыку, смотрят видеофильмы совсем рядом с другими членами экипажа, и в то же время как бы на морском дне! Во всяком случае, давление в барокамере, где они находятся - такое же. Это сделано не случайно.

Чтобы подняться с двухсотметровой глубины на поверхность, водолазам физически надо всего несколько минут. А вот, чтобы привыкнуть к смене «климата», порой — несколько суток. Поэтому на протяжении всей вахты они дышат гелиокислородной смесью под строго определенным давлением и даже во время сна находятся под присмотром врачей - специалистов по физиологии глубоководных погружений. Иначе нельзя. Если на глубине люди будут дышать газовой смесью при обычном давлении, океан их попросту раздавит. Поэтому давлению снаружи надо противопоставить давление изнутри. Если при поднятии вверх резко сбросить давление, неизбежна кессонная болезнь, резкие перепады давлений могут привести к тяжелым травмам легких.

Поэтому во время рабочего цикла акванавты все время находятся в мире высоких давлений. А вверх-вниз перемещаются с помощью особого лифта — водолазного колокола. Эта кабина, открытая снизу. Воде не дает проникнуть внутрь давление газовой смеси. Таким образом, прибыв на морское дно, акванавт может тотчас выйти в воду без особых затруднений. Покинув колокол, он работает под водой, а дыхание, тепло и связь осуществляются через пуповину шланг-кабеля.

За акванавтами с поверхности моря следят приборы, врачи и коллеги. И все же, прежде всего они сами ведут диалог с океаном. Они - это «тройка»: оператор колокола, номер первый и номер второй. Они понимают друг друга с полуслова, а порой даже без слов. Они работают вместе столь же согласованно, как пальцы одной руки.

Шаг за шагом, не торопясь, как будто медленно, а на самом деле — в хорошем рабочем темпе, сообщая наверх о каждом своем движении, терпеливо дожидаясь следующей команды, люди внимательно осматривают узлы буровой установки, проверяют датчики системы позиционирования... Словом, работают.

Впрочем, эти водолазы работают точно так же, как, например, при подъеме затонувших судов, по давно известной технологии. В то же время развитие морской добычи нефти и газа привело к появлению новых профессий. Поскольку 80% водолазных работ на морских месторождениях составляют осмотр, техническое обслуживание и ремонт, большим спросом пользуются водолазы-осмотрщики. В колледже подводно-технических работ — коммерческой школе водолазов, расположенной в гавани Лос-Анджелеса, с 1982 года организован курс подготовки водолазов к проведению осмотров и неразрушающего контроля подводного оборудования. Этот курс официально одобрен и Британским агентством аттестации персонала, проводящего контроль сварных соединений.

В обязанности водолаза-осмотрщика входят визуальный контроль сварных соединений, подводная фотография и видеозапись (первая ступень подготовки); ультразвуковой и магнитный неразрушающий контроль сварных соединений (вторая ступень).

Это специалисты высокого класса. Прежде чем подать заявление о сдаче экзаменов на вторую ступень, водолазу необходимо не менее года проработать с квалификацией первой ступени. Его суммарное время выполнения визуального контроля под водой должно составить не менее 30 часов.

После прохождения второй части курса водолаз допускается к выполнению работ на месторождениях.

Как представителям большинства современных профессий, осмотрщикам приходится работать со сложной аппаратурой. Здесь и ультразвуковой детектор повреждений со встроенным осциллографом, и установка для магнитного контроля, и даже комбинированная система, включающая полиэкранную ультразвуковую аппаратуру и дисплей.

Мы видим, что кроме завидного здоровья, современному буровику-водолазу нужна куча технических знаний. Ведь от его работы зависит сохранность немыслимо дорогого сооружения. Платформа для бурения на шельфе со 100-метровой глубиной стоит столько же, что и супертанкер грузоподъемностью 200 000 тонн. А вообще стоимость платформ растет с рабочей глубиной шельфа в геометрической прогрессии.

Промысловый сбор и подготовка нефти, газа и воды

Поступающая из нефтяных и газовых скважин продукция не представляет собой соответственно чистые нефть и газ. Из скважин вместе с нефтью поступают пластовая вода, попутный (нефтяной) газ, твердые частицы механических примесей (горных пород, затвердевшего цемента).

Пластовая вода - это сильно минерализованная среда с содержанием солей до 300 г/л. Содержание пластовой воды в нефти может достигать 80%. Минеральная вода вызывает повышенное коррозионное разрушение труб, резервуаров; твердые частицы, поступающие с потоком нефти из скважины, вызывают износ трубопроводов и оборудования. Попутный (нефтяной) газ используется как сырье и топливо.

Технически и экономически целесообразно нефть перед подачей в магистральный нефтепровод подвергать специальной подготовке с целью ее обессоливания, обезвоживания, дегазации, удаления твердых частиц.

На нефтяных промыслах чаще всего используют централизованную схему сбора и подготовки нефти (рис.18.1). Сбор продукции производят от группы скважин на автоматизированные групповые замерные установки (АГЗУ). От каждой скважины по индивидуальному трубопроводу на АГЗУ поступает нефть вместе с газом и пластовой водой. На АГЗУ производят учет точного количества поступающей от каждой скважины нефти, а также первичную сепарацию для частичного отделения пластовой воды, нефтяного газа и механических примесей с направлением отделенного газа по газопроводу на ГПЗ (газоперерабатывающий завод). Частично обезвоженная и частично дегазированная нефть поступает по сборному коллектору на центральный пункт сбора (ЦПС). Обычно на одном нефтяном месторождении устраивают один ЦПС. Но в ряде случаев один ЦПС устраивают на несколько месторождений с размещением его на более крупном месторождении. В этом случае на отдельных месторождениях могут сооружаться комплексные сборные пункты (КСП), где частично производится обработка нефти. На ЦПС сосредоточены установки по подготовке нефти и воды. На установке по подготовке нефти осуществляют в комплексе все технологические операции по ее подготовке. Комплект этого оборудования называется УКПН - установка по комплексной подготовке нефти.

Рисунок 18.1.

Схема сбора и подготовки продукции скважин на нефтяном промысле:

1 - нефтяная скважина;

2 - автоматизированные групповые замерные установки (АГЗУ);

3 - дожимная насосная станция (ДНС);

4 - установка очистки пластовой воды;

5 - установка подготовки нефти;

6 - газокомпрессорная станция;

7 - центральный пункт сбора нефти, газа и воды;

8 - резервуарный парк

Обезвоженная, обессоленная и дегазированная нефть после завершения окончательного контроля поступает в резервуары товарной нефти и затем на головную насосную станцию магистрального нефтепровода.

Обезвоживание нефти затруднено тем, что нефть и вода образуют стойкие эмульсии типа "вода в нефти". В этом случае вода диспергирует в нефтяной среде на мельчайшие капли, образуя стойкую эмульсию. Следовательно, для обезвоживания и обессоливания нефти необходимо отделить от нее эти мельчайшие капли воды и удалить воду из нефти. Для обезвоживания и обессоливания нефти используют следующие технологические процессы: гравитационный отстой нефти, горячий отстой нефти, термохимические методы, электрообессоливание и электрообезвоживание нефти. Наиболее прост по технологии процесс гравитационного отстоя. В этом случае нефтью заполняют резервуары и выдерживают определенное время (48 ч и более). Во время выдержки происходят процессы коагуляции капель воды, и более крупные и тяжелые капли воды под действием сил тяжести (гравитации) оседают на дно и скапливаются в виде слоя подтоварной воды.

Однако гравитационный процесс отстоя холодной нефти - малопроизводительный и недостаточно эффективный метод обезвоживания нефти. Более эффективен горячий отстой обводненной нефти, когда за счет предварительного нагрева нефти до температуры 50 -70°С значительно облегчаются процессы коагуляции капель воды и ускоряется обезвоживание нефти при отстое. Недостатком гравитационных методов обезвоживания является его малая эффективность.

Более эффективны методы химические, термохимические, а также электрообезвоживание и обессоливание. При химических методах в обводненную нефть вводят специальные вещества, называемые деэмульгаторами. В качестве деэмульгаторов используют ПАВ. Их вводят в состав нефти в небольших количествах от 5-10 до 50-60 г на 1 т нефти. Наилучшие результаты показывают так называемые неионогенные ПАВ, которые в нефти не распадаются на анионы и катионы. Это такие вещества, как дисолваны, сепаролы, дипроксилины и др. Деэмульгаторы адсорбируются на поверхности раздела фаз "нефть-вода" и вытесняют или заменяют менее поверхностно-активные природные эмульгаторы, содержащиеся в жидкости. Причем пленка, образующаяся на поверхности капель воды, непрочная, что отмечает слияние мелких капель в крупные, т.е. процесс коалесценции. Крупные капли влаги легко оседают на дно резервуара. Эффективность и скорость химического обезвоживания значительно повышается за счет нагрева нефти, т.е. при термохимических методах, за счет снижения вязкости нефти при нагреве и облегчения процесса коалесценции капель воды.

Наиболее низкое остаточное содержание воды достигается при использовании электрических методов обезвоживания и обессоливания. Электрообезвоживание и электро-обессоливание нефти связаны с пропусканием нефти через специальные аппараты-электродегидраторы, где нефть проходит между электродами, создающими электрическое поле высокого напряжения (20-30 кВ). Для повышения скорости электрообезвоживания нефть предварительно подогревают до температуры 50-70°С. При хранении такой нефти в резервуарах, при транспортировке ее по трубопроводам, в цистернах по железной дороге или водным путем значительная часть этих углеводородов теряется за счет испарения. Легкие углеводороды являются инициаторами интенсивного испарения нефти, так как они увлекают за собой и более тяжелые углеводороды.

В то же время легкие углеводороды являются ценным сырьем и топливом (легкие бензины). Поэтому перед подачей нефти из нее извлекают легкие низкокипящие углеводороды. Эта технологическая операция и называется стабилизацией нефти. Для стабилизации нефти ее подвергают ректификации или горячей сепарации. Наиболее простой и более широко применяемой в промысловой подготовке нефти является горячая сепарация, выполняемая на специальной стабилизационной установке. При горячей сепарации нефть предварительно подогревают в специальных нагревателях и подают в сепаратор, обычно горизонтальный. В сепараторе из подогретой до 40-80°С нефти активно испаряются легкие углеводороды, которые отсасываются компрессором и через холодильную установку и бензосепаратор направляются в сборный газопровод. В бензосепараторе от легкой фракции дополнительно отделяют за счет конденсации тяжелые углеводороды.

Вода, отделенная от нефти на УКПН, поступает на УПВ, расположенную также на ЦПС. Особенно большое количество воды отделяют от нефти на завершающей стадии эксплуатации нефтяных месторождений, когда содержание воды в нефти может достигать до 80%, т.е. с каждым кубометром нефти извлекается 4 м3 воды. Пластовая вода, отделенная от нефти, содержит механические примеси, капли нефти, гидраты закиси и окиси железа и большое количество солей. Механические примеси забивают поры в продуктивных пластах и препятствуют проникновению воды в капиллярные каналы пластов, а следовательно, приводят к нарушению контакта "вода-нефть" в пласте и снижению эффективности поддержания пластового давления. Этому же способствуют и гидраты окиси железа, выпадающие в осадок. Соли, содержащиеся в воде, способствуют коррозии трубопроводов и оборудования. Поэтому сточные воды, отделенные от нефти на УКПН, необходимо очистить от механических примесей, капель нефти, гидратов окиси железа и солей, и только после этого закачивать в продуктивные пласты. Допустимые содержания в закачиваемой воде механических примесей, нефти, соединений железа устанавливают конкретно для каждого нефтяного месторождения. Для очистки сточных вод применяют закрытую (герметизированную) систему очистки.

В герметизированной системе в основном используют три метода: отстой, фильтрования и флотацию. Метод отстоя основан на гравитационном разделении твердых частиц механических примесей, капель нефти и воды. Процесс отстоя проводят в горизонтальных аппаратах - отстойниках или вертикальных резервуарах-отстойниках. Метод фильтрования основан на прохождении загрязненной пластовой воды через гидрофобный фильтрующий слой, например через гранулы полиэтилена. Гранулы полиэтилена «захватывают» капельки нефти и частицы механических примесей и свободно пропускают воду. Метод флотации основан на одноименном явлении, когда пузырьки воздуха или газа, проходя через слой загрязненной воды снизу вверх, осаждаются на поверхности твердых частиц, капель нефти и способствуют их всплытию на поверхность. Очистку сточных вод осуществляют на установках очистки вод типа УОВ-750, УОВ-1500, УОВ-3000 и УОВ-10000, имеющих пропускную способность соответственно 750, 1500, 3000 и 10000 м3/сут. Следует отметить, что установка УОВ-10000 состоит из трех установок УОВ-3000. Каждая такая установка состоит из четырех блоков: отстойника, флотации, сепарации и насосного.

Вместе с очищенной пластовой водой в продуктивные пласты для поддержания пластового давления закачивают пресную воду, полученную из двух источников: подземных (артезианских скважин) и открытых водоемов (рек). Грунтовые воды, добываемые из артезианских скважин, отличаются высокой степенью чистоты и во многих случаях не требуют глубокой очистки перед закачкой в пласты. В то же время вода открытых водоемов значительно загрязнена глинистыми частицами, соединениями железа, микроорганизмами и требует дополнительной очистки. В настоящее время применяют два вида забора воды из открытых водоемов: подрусловый и открытый. При подрусловом методе воду забирают ниже дна реки - "под руслом". Для этого в пойме реки пробуривают скважины глубиной 20-30 м диаметром 300 мм. Эти скважины обязательно проходят через слой песчаного грунта. Скважину укрепляют обсадными трубами с отверстиями на спицах и в них опускают водозаборные трубы диаметром 200 мм. В каждом случае получают как бы два сообщающихся сосуда - "река-скважина", разделенных естественным фильтром (слоем песчаного грунта). Вода из реки профильтровывается через песок и накапливается в скважине. Приток воды из скважины форсируется вакуум-насосом или водоподъемным насосом и подается на кустовую насосную станцию (КНС). При открытом методе воду с помощью насосов первого подъема откачивают из реки и подают на водоочистную станцию, где она проходит цикл очистки и попадает в отстойник. В отстойнике с помощью реагентов-коагуляторов частицы механических примесей и соединений железа выводятся в осадок. Окончательная очистка воды происходит в фильтрах, где в качестве фильтрирующих материалов используют чистый песок или мелкий уголь.

Все оборудование системы сбора и подготовки нефти и воды поставляют в комплектно-блочном исполнении в виде полностью готовых блоков и суперблоков.

Магистральные нефтепроводы. Часть 1

Помните пословицу: «За морем телушка — полушка, да рубль перевоз...» Она как нельзя лучше характеризует важность транспортной проблемы. Можно, используя последние достижения науки и техники, добыть очень дешевое сырье. Но не забывайте: большинство нефтепромыслов в настоящее время находится далеко от нефтеперерабатывающих предприятий.

Можно, конечно, использовать традиционные виды транспорта. На море грузить добываемую нефть в танкеры, на суше в железнодорожные цистерны. Но выгодно ли это?

Даже на море, где современные супертанкеры забирают в трюмы сразу сотни тысяч тонн топлива, такое решение транспортной проблемы нельзя назвать наилучшим. Ведь подобная транспортировка не так уж дешева. Вдобавок, частые аварии танкеров приводят к загрязнению окружающей среды, уничтожают все живое на сотни миль вокруг, да и регулярность такого сообщения могла бы быть лучшей: как известно, и по сию пору скорость движения морского транспорта во многом зависит от погоды.

Еще хуже дела обстоят на суше. Для перевозки топлива нам понадобилось бы с каждым годом строить все новые и новые железные дороги, по которым сновали бы бесчисленные составы цистерн. А уж с газом еще хуже: вместо цистерн пришлось бы заводить целый парк специальных «термосов», в которых бы постоянно поддерживалась температура минус 80 градусов Цельсия и ниже при давлении 5—б МПа — только так можно перевозить газ в жидком состоянии.

Собственно так и поступают, например, при транспортировке метана из Алжира в США. Создан целый флот танкеров-метановозов. У них на борту работают специальные компрессорные и холодильные установки, поддерживающие нужный режим в танкерах, с тем, чтобы метан был в нужном (жидком) агрегатном состоянии. Во время рейса часть перевозимого метана расходуется на работу холодильных установок.

Число таких плавучих «термосов» исчисляется десятками. В то же время трудно представить себе такую транспортную технологию в сухопутном исполнении.

По счастью, мы можем обо всем этом говорить в сослагательном наклонении. Специалисты нашли другое решение транспортной проблемы. По всей стране и за ее рубежи проложена мощная и разветвленная сеть трубопроводов, и развитие этой сети продолжается.

Трубопроводы в нашей стране по темпам роста грузооборота намного опередили другие виды транспорта. Доля их в общем объеме перевозок быстро росла и достигла почти трети общего грузооборота страны. Столь стремительные темпы объясняются исключительно высокой экономичностью трубопроводов. Достаточно сказать, что на доставку каждой тонны нефти по трубам требуется в 10 с лишним раз меньше трудовых затрат, чем для ее перевозки по железным дорогам. Этот прогрессивный вид транспорта экономит ежегодно труд примерно 750 тысяч человек!

В настоящее время трубопроводный транспорт становится средоточием новейших достижений отечественной науки и техники. Казалось бы, что тут хитрого: труба она и есть труба... Но само по себе изготовить трубу, да еще большого диаметра — достаточно сложная инженерно-техническая задача. Тем не менее, в короткий срок производство таких труб было налажено на предприятиях нашей страны.

Другая проблема при строительстве нефтегазопровода — все трубы необходимо герметично сваривать в единую нитку, и притом довольно длинную: тот же газопровод Уренгой — Помарьи — Ужгород имеет протяженность около 4500 километров!

А общая протяженность сварных швов, как показывают расчеты, в 1,5 раза превышает длину самого трубопровода.

Систематическое сооружение нефтепроводов в районах добычи нефти — в Урало-Поволжье и Закавказье было начато в середине 60-х годов, прошлого века В этот период, в частности, были построены трансконтинентальные нефтепроводы Туймазы—Омск (впервые применены трубы диаметром 530 мм), Туймазы — Омск — Новосибирск — Иркугск диаметром 720 мм и длиной 3662 км, нефтепроводы Альметьевск — Горький (первая нитка) Альметьевск — Пермь, Ишимбай — Орск, Горький — Рязань, Тихорецк — Туапсе, Рязань — Москва и др. Необходимо особо отметить, что в 1955 г. был введен в эксплуатацию первый «горячий» нефтепровод Озек-Суат — Грозный диаметром 325 мм и протяженностью 144 км; по нему впервые в нашей стране стали транспортировать нефть после предварительного подогрева в специальных печах.

В 1964 г. был введен в эксплуатацию крупнейший в мире по протяженности (5500 км вместе с ответвлениями) трансевропейский нефтепровод «Дружба», соединяющий месторождения нефти в Татарии и Куйбышевской области с восточно-европейскими странами (Чехия, Словакия, Венгрия, Польша, Германия).

Открытие крупнейших месторождений нефти в Западной Сибири в корне изменило приоритеты трубопроводного строительства. Транспортировка нефти из данного региона до существовавших промышленных центров была крайне затруднена. Расстояние от месторождений до ближайшей железнодорожной станции составляло более 700 км. Единственная транспортная магистраль — река Обь и впадающая в нее река Иртыш — судоходны не более 6 мес. в году. Обеспечить транспортировку все возрастающих объемов нефти мог только трубопроводный транспорт.

В декабре 1965 г. было завершено строительство и введен в эксплуатацию первый в Сибири нефтепровод Шаим — Тюмень диаметром 529— 720 мм и протяженностью 410 км. В ноябре 1965 г. начато и в октябре 1967 г. завершено строительство нефтепровода Усть-Балык — Омск диаметром 1020 мм и протяженностью 964 км (в США трубопроводов такого диаметра еще не было) Осенью 1967 г. начато и в апреле 1969 г. завершено строительство нефтепровода Нижневартовск — Усть-Балык диаметром 720 мм и протяженностью 252 км. В последующие годы на базе Западно-Сибирских месторождений были построены трансконтинентальные нефтепроводы Усть-Балык — Курган — Уфа — Альметьевск (1973 г.), Александровское — Анжеро-Судженск — Красноярск — Иркутск (1973 г.), Нижневартовск — Курган — Куйбышев (1976 г.), Сургут — Горький — Полоцк (1979 г.) и др.

Продолжалось строительство нефтепроводов и в других регионах. В 1961 г. на месторождениях Узень и Жетыбай (Южный Мангышлак) были получены первые фонтаны нефти, а уже в апреле 1966 г. вступил в строй нефтепровод Узень — Шевченко длиной 141,6 км. В дальнейшем он был продлен сначала до Гурьева (1969 г.), а затем до Куйбышева (1971 г.). Ввод в эксплуатацию нефтепровода Узень — Гурьев — Куйбышев диаметром 1020 мм и протяженностью 1750 км позволил решить проблему транспорта высоковязкой и высокозастывающей нефти Мангышлака. Для этого была выбрана технология перекачки с предварительным подогревом в специальных печах. Нефтепровод Узень — Гурьев — Куйбышев стал крупнейшим «горячим» трубопроводом мира.

Были продлены нефтепроводы Альметьевск — Горький и Туймазы — Омск — Новосибирск на участках соответственно Горький — Ярославль — Кириши и Новосибирск — Красноярск — Иркутск.

На других направлениях в 1971 — 1975 гг. были построены нефтепроводы Уса — Ухта — Ярославль — Москва, Куйбышев — Тихорецкая — Новороссийск и другие. В 1976— 1980 гг. — нефтепроводы Куйбышев — Лисичанск — Одесса, Холмогоры — Сургут, Омск — Павлодар, Каламкас — Шевченко, Самгори — Батуми и другие, в 1981— 1985 гг. — нефтепроводы Холмогоры — Пермь — Альметьевск — Клин, Возей — Уса — Ухта, Кенкияк — Орск, Павлодар — Чимкент — Чардар — Фергана, Прорва — Гурьев, Красноленинский — Шаим, Тюмень — Юргамыш, Грозный — Баку.

В настоящее время все магистральные нефтепроводы России эксплуатируются ОАО «АК Транснефть», которое является транспортной компанией и объединяет 11 российских предприятий трубопроводного транспорта нефти, владеющих нефтяными магистралями, эксплуатирующих и обслуживающих их. При движении от грузоотправителя до грузополучателя нефть проходит в среднем 3 тыс. км. ОАО «АК Транснефть» разрабатывает наиболее экономичные маршруты движения нефти, тарифы на перекачку и перевалку нефти с утверждением их в Федеральной энергетической комиссии (ФЭК).

Взаимоотношения ОАО АК «Транснефть» с грузоотправителями регулируются «Положением о приеме и движении нефти в системе магистральных нефтепроводов», утвержденным Минэнерго РФ в конце 1994 г. Этот документ включает методику определения оптимальных объемов поставки нефти и газового конденсата на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) России, квот нефтеперерабатывающих предприятий для поставки на экспорт, порядок составления ежеквартальных графиков транспортировки нефти для каждого из производителей (с разбивкой по месяцам). Документ провозглашает равнодоступность всех грузоотправителей к системе трубопроводного транспорта.

По состоянию на 2002 г. ОАО АК «Транснефть» эксплуатировала 48,6 тыс. км магистральных нефтепроводов диаметром от 400 до 1220 мм, 322 нефтеперекачивающие станции, резервуары общим объемом по строительному номиналу 13,5 млн м3. 32% нефтепроводов имели срок эксплуатации до 20 лет, 34% — от 20 до 30 лет и свыше 30 лет эксплуатируется 34% нефтепроводов. Компания выполняет собственными силами и средствами практически весь комплекс профилактических и ремонтно-восстановительных работ на всех объектах магистральных нефтепроводов. В состав нефтепроводных предприятий входят 190 аварийно-восстановительных пунктов, 71 ремонтно-строительная колонна для выполнения капитального ремонта линейной части, 9 центральных (региональных) без производственного обслуживания и ремонта и 38 баз производственного обслуживания. В мае 1991 г. в компании создан Центр технической диагностики, ОАО ЦТД «Диаскан», который обеспечивает проведение диагностики магистральных нефтепроводов.

К настоящему времени нефть различных месторождений поступает на отечественные нефтеперерабатывающие заводы и экспорт по системе нефтепроводов ОАО «Транснефть».

Магистральные нефтепроводы. Часть 2

Нефтепроводом принято называть трубопровод, предназначенный для перекачки нефти и нефтепродуктов (при перекачке нефтепродукта иногда употребляют термин нефтепродуктопровод). В зависимости от вида перекачиваемого нефтепродукта трубопровод называют также бензино-, керосин-, мазутопроводом и т.д.

По своему назначению нефте- и нефтепродуктопроводы можно разделить на следующие группы:

промысловые — соединяющие скважины с различными объектами и установками подготовки нефти на промыслах;

магистральные (МН) — предназначенные для транспортировки товарной нефти и нефтепродуктов (в том числе стабильного конденсата и бензина) из районов их добычи (от промыслов) производства или хранения до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, пунктов налива в цистерны, нефтеналивных терминалов, отдельных промышленных предприятий и НПЗ). Они характеризуются высокой пропускной способностью, диаметром трубопровода от 219 до 1400 мм и избыточным давлением от 1,2 до 10 МПа;

технологические — предназначенные для транспортировки в пределах промышленного предприятия или группы этих предприятий различных веществ (сырья, полуфабрикатов, реагентов, а также промежуточных или конечных продуктов, полученных или используемых в технологическом процессе и др.), необходимых для ведения технологического процесса или эксплуатации оборудования.

Согласно СНиП 2.05.06 — 85 магистральные нефте- и нефтепродуктопроводы подразделяются на четыре класса в зависимости от условного диаметра труб (в мм): 1 — 1000—1200 включительно: II — 500—1000 включительно; III — 300—500 включительно; IУ — 300 и менее

Наряду с этой классификацией СНиП 2.05.07 — 85 устанавливает для магистральных нефтепроводов категории, которые требуют обеспечения соответствующих прочностных характеристик на любом участке трубопровода:

Приведенная классификация и категории трубопроводов определяют в основном требования, связанные с обеспечением прочности или неразрушимости труб. В северной природно-климатической зоне все трубопроводы относятся к категории III. Исходя из этих же требований в СНиП 2.05.06 — 85 определены также и категории, к которым следует относить не только трубопровод в целом, но и отдельные его участки. Необходимость в такой классификации объясняется различием условий, в которых будет находиться трубопровод на тех или иных участках местности, и возможными последствиями в случае разрушения трубопровода на них. Отдельные участки нефтепроводов могут относиться к высшей категории В, категории I или II. К высшей категории В относятся трубопроводные переходы через судо- и несудоходные реки при диаметре трубопровода 1000 мм и более. К участкам категории I относятся под- и надводные переходы через реки, болота типов II и III, горные участки, вечномерзлые грунты.

К участкам категории II относятся под- и надводные переходы через реки, болота типа и, косогорные участки, переходы под дорогами и т.д.

Прокладку трубопроводов можно осуществлять одиночно и параллельно действующим или проектируемым магистральным трубопроводам в техническом коридоре. Под техническим коридором магистральных трубопроводов согласно СНиП 27.05.06—85 понимают систему параллельно проложенных трубопроводов по одной трассе. В отдельных случаях допускается прокладка нефте- и газопроводов в одном коридоре.

Технологические трубопроводы в зависимости от физико-химических свойств и рабочих параметров (давления Р и температуры Т) подразделяются на три группы (А, Б, В) и пять категорий. Группу и категорию технологического трубопровода устанавливают по параметру, который требует отнесения его к более ответственной группе или категории. Класс опасности вредных веществ следует определять по ГОСТ 12.1.005—76 и ГОСТ 12.01.007—76, взрывопожароопасность — по ГОСТ 12.1.004—76. Нефти имеют класс опасности II, масла минеральные нефтяные — III, бензины — IV.

Для технологических трубопроводов нефтеперекачиваюших станций важное значение имеет правильный выбор параметров транспортируемого вещества. Рабочее давление принимается равным избыточному максимальному давлению, развиваемому насосом, компрессором или другим источником давления, или давлению, на которое отрегулированы предохранительные устройства. Рабочую температуру принимают равной максимальной или минимальной температуре транспортируемого вещества, установленной технологическим регламентом или другим нормативным документом (СНиП, РД, СН п т.д.).

Состав сооружений магистральных нефтепроводов

рис 20.1.

В состав магистральных нефтепроводов входят: линейные сооружения, головные и промежуточные перекачивающие и наливные насосные станции и резервуарные парки (рис. 20.1). В свою очередь линейные сооружения согласно СНиП 2.05.06 — 85 включают: трубопровод (от места выхода с промысла подготовленной к дальнему транспорту товарной нефти) с ответвлениями и лупингами, запорной арматурой, переходами через естественные и искусственные препятствия, узлами подключения нефтеперекачивающих станций, узлами пуска и приема очистных устройств и разделителей при последовательной перекачке, установки электрохимической защиты трубопроводов от коррозии, линии и сооружения технологической связи, средства телемеханики трубопровода, линии электропередачи, предназначенные для обслуживания трубопроводов, и устройства электроснабжения и дистанционного управления запорной арматурой и установками электрохимической защиты трубопроводов; противопожарные средства, противоэррозионные и защитные сооружения трубопровода; емкости для хранения и разгазирования конденсата, земляные амбары для аварийного выпуска нефти, здания и сооружения линейной службы эксплуатации трубопроводов; постоянные дороги и вертолетные площадки, расположенные вдоль трассы трубопровода, и подъезды к ним, опознавательные и сигнальные знаки местонахождения трубопровода; пункты подогрева нефти указатели и предупредительные знаки.

Основные элементы магистрального трубопровода — сваренные в непрерывную нитку трубы, представляющие собой собственно трубопровод. Как правило, магистральные трубопроводы заглубляют в грунт обычно на глубину 0,8 м до верхней образующей трубы, если большая или меньшая глубина заложения не диктуется особыми геологическими условиями или необходимостью поддержания температуры перекачиваемого продукта на определенном уровне (например для исключения возможности замерзания скопившейся воды) Для магистральных трубопроводов применяют цельнотянутые илы сварные трубы диаметром 300—1420 мм. Толщина стенок труб определяется проектным давлением в трубопроводе, которое может достигать 10 МПа. Трубопровод, прокладываемый по районам с вечномерзлыми грунтами или через болота, можно укладывать на опоры или в искусственные насыпи.

На пересечениях крупных рек нефтепроводы иногда утяжеляют закрепленными на трубах грузами или сплошными бетонными покрытиями закрепляют специальными анкерами и заглубляют ниже дна реки. Кроме основной, укладывают резервную нитку перехода того же диаметра. На пересечениях железных и крупных шоссейных дорог трубопровод проходит в патроне из труб, диаметр которых на 100—200 мм больше диаметра трубопровода.

С интервалом 10—30 км в зависимости от рельефа трассы на трубопроводе устанавливают линейные задвижки для перекрытия участков в случае аварии или ремонта.

Вдоль трассы проходит линия связи (телефонная, радиорелейная), которая в основном имеет диспетчерское назначение. Ее можно использовать для передачи сигналов телеизмерения и телеуправления. Располагаемые вдоль трассы станции катодной и дренажной защиты, а также протекторы защищают трубопровод от наружной коррозии, являясь дополнением к противокоррозионному изоляционному покрытию трубопровода.

Нефтеперекачивающие станции (НПС) располагаются на нефтепроводах с интервалом 70—150 км. Перекачивающие (насосные) станции нефтепроводов и нефтепродуктопроводов оборудуются, как правило, центробежными насосами с электроприводом. Подача применяемых в настоящее время магистральных насосов достигает 12500 м3/ч. В начале нефтепровода находится головная нефтеперекачивающая станция (ГНПС), которая располагается вблизи нефтяного промысла или в конце подводящих трубопроводов, если магистральный нефтепровод обслуживают несколько промыслов или один промысел разбросанный на большой территории, ГНПС отличается от промежуточных наличием резервуарного парка объемом, равным двух-, трехсуточной пропускной способности нефтепровода. Кроме основных объектов, на каждой насосной станции имеется комплекс вспомогательных сооружений: трансформаторная подстанция, снижающая подаваемое по линии электропередач (ЛЭП) напряжения от 110 или 35 до 6 кВ, котельная, а также системы водоснабжения, канализации, охлаждения и т.д. Если длина нефтепровода превышает 800 км, его разбивают на эксплуатационные участки длиной 100—300 км, в пределах которых возможна независимая работа насосного оборудования. Промежуточные насосные станции на границах участков должны располагать резервуарным парком объемом, равным 0,3—1,5 суточной пропускной способности трубопровода. Как головная, так и промежуточные насосные станции с резервуарными парками оборудуются подпорными насосами. Аналогично устройство насосных станций магистральных нефтепродуктопроводов.

Тепловые станции устанавливают на трубопроводах, транспортирующих высоко застывающие и высоковязкие нефти и нефтепродукты иногда их совмещают с насосными станциями. Для подогрева перекачиваемого продукта применяют паровые или огневые подогреватели (печи подогрева) для снижения тепловых потерь такие трубопроводы могут быть снабжены теплоизоляционным покрытием.

По трассе нефтепровода могут сооружаться наливные пункты для перевалки и налива нефти в железнодорожные цистерны.

Конечный пункт нефтепровода — либо сырьевой парк нефтеперерабатывающего завода, либо перевалочная нефтебаза, обычно морская, откуда нефть танкерами перевозится к нефтеперерабатывающим заводам или экспортируется за границу.

Краткое описание основных технологических процессов топливного производства

Сущность нефтеперерабатывающего производства

Процесс переработки нефти можно разделить на 3 основных этапа:

1. Разделение нефтяного сырья на фракции, различающиеся по интервалам температур кипения (первичная переработка) ;

2. Переработка полученных фракций путем химических превращений содержащихся в них углеводородов и выработка компонентов товарных нефтепродуктов (вторичная переработка);

3. Смешение компонентов с вовлечением, при необходимости, различных присадок, с получением товарных нефтепродуктов с заданными показателями качества (товарное производство).

Продукцией НПЗ являются моторные и котельные топлива, сжиженные газы, различные виды сырья для нефтехимических производств, а также, в зависимости от технологической схемы предприятия - смазочные, гидравлические и иные масла, битумы, нефтяные коксы, парафины. Исходя из набора технологических процессов, на НПЗ может быть получено от 5 до более, чем 40 позиций товарных нефтепродуктов.

Нефтепереработка - непрерывное производство, период работы производств между капитальными ремонтами на современных заводах составляет до 3-х лет. Функциональной единицей НПЗ является технологическая установка - производственный объект с набором оборудования, позволяющего осуществить полный цикл того или иного технологического процесса.

В данном материале кратко описаны основные технологические процессы топливного производства - получения моторных и котельных топлив, а также кокса.

Поставка и приём нефти

В России основные объёмы сырой нефти, поставляемой на переработку, поступают на НПЗ от добывающих объединений по магистральным нефтепроводам. Небольшие количества нефти, а также газовый конденсат, поставляются по железной дороге. В государствах-импортёрах нефти, имеющих выход к морю, поставка на припортовые НПЗ осуществляется водным транспортом.

Принятое на завод сырьё поступает в соответствующие емкости товарно-сырьевой базы (рис.1), связанной трубопроводами со всеми технологическими установками НПЗ. Количество поступившей нефти определяется по данным приборного учёта, или путём замеров в сырьевых емкостях.

Подготовка нефти к переработке (электрообессоливание)

Сырая нефть содержит соли, вызывающие сильную коррозию технологического оборудования. Для их удаления нефть, поступающая из сырьевых емкостей, смешивается с водой, в которой соли растворяются, и поступает на ЭЛОУ - электрообессоливащую установку (рис.2). Процесс обессоливания осуществляется в электродегидраторах - цилиндрических аппаратах со смонтированными внутри электродами. Под воздействием тока высокого напряжения (25 кВ и более), смесь воды и нефти (эмульсия) разрушается, вода собирается внизу аппарата и откачивается. Для более эффективного разрушения эмульсии, в сырьё вводятся специальные вещества - деэмульгаторы. Температура процесса - 100-120°С.

Первичная переработка нефти

Обессоленная нефть с ЭЛОУ поступает на установку атмосферно-вакуумной перегонки нефти, которая на российских НПЗ обозначается аббревиатурой АВТ - атмосферно-вакуумная трубчатка. Такое название обусловлено тем, что нагрев сырья перед разделением его на фракции, осуществляется в змеевиках трубчатых печей (рис.6) за счет тепла сжигания топлива и тепла дымовых газов.

АВТ разделена на два блока - атмосферной и вакуумной перегонки.

1. Атмосферная перегонка

Атмосферная перегонка (рис. 3,4) предназначена для отбора светлых нефтяных фракций - бензиновой, керосиновой и дизельных, выкипающих до 360°С, потенциальный выход которых составляет 45-60% на нефть. Остаток атмосферной перегонки - мазут.

Процесс заключается в разделении нагретой в печи нефти на отдельные фракции в ректификационной колонне - цилиндрическом вертикальном аппарате, внутри которого расположены контактные устройства (тарелки), через которые пары движутся вверх, а жидкость - вниз. Ректификационные колонны различных размеров и конфигураций применяются практически на всех установках нефтеперерабатывающего производства, количество тарелок в них варьируется от 20 до 60. Предусматривается подвод тепла в нижнюю часть колонны и отвод тепла с верхней части колонны, в связи с чем температура в аппарате постепенно снижается от низа к верху. В результате сверху колонны отводится бензиновая фракция в виде паров, а пары керосиновой и дизельных фракций конденсируются в соответствующих частях колонны и выводятся, мазут остаётся жидким и откачивается с низа колонны.

2. Вакуумная перегонка

Вакуумная перегонка (рис.3,5,6) предназначена для отбора от мазута масляных дистиллятов на НПЗ топливно-масляного профиля, или широкой масляной фракции (вакуумного газойля) на НПЗ топливного профиля. Остатком вакуумной перегонки является гудрон.

Необходимость отбора масляных фракций под вакуумом обусловлена тем, что при температуре свыше 380°С начинается термическое разложение углеводородов (крекинг), а конец кипения вакуумного газойля - 520°С и более. Поэтому перегонку ведут при остаточном давлении 40-60 мм рт. ст., что позволяет снизить максимальную температуру в аппарате до 360-380°С.

Разряжение в колонне создается при помощи соответствующего оборудования, ключевыми аппаратами являются паровые или жидкостные эжекторы (рис.7).

3. Стабилизация и вторичная перегонка бензина

Получаемая на атмосферном блоке бензиновая фракция содержит газы (в основном пропан и бутан) в объёме, превышающем требования по качеству, и не может использоваться ни в качестве компонента автобензина, ни в качестве товарного прямогонного бензина. Кроме того, процессы нефтепереработки, направленные на повышение октанового числа бензина и производства ароматических углеводородов в качестве сырья используют узкие бензиновые фракции. Этим обусловлено включение в технологическую схему переработки нефти данного процесса (рис.4), при котором от бензиновой фракции отгоняются сжиженные газы, и осуществляется её разгонка на 2-5 узких фракций на соответствующем количестве колонн.

Продукты первичной переработки нефти охлаждаются в теплообменниках, в которых отдают тепло поступающему на переработку холодному сырью, за счет чего осуществляется экономия технологического топлива, в водяных и воздушных холодильниках и выводятся с производства. Аналогичная схема теплообмена используется и на других установках НПЗ.

Современные установки первичной переработки зачастую являются комбинированными и могут включать в себя вышеперечисленные процессы в различной конфигурации. Мощность таких установок составляет от 3 до 6 млн. тонн по сырой нефти в год.

На заводах сооружается несколько установок первичной переработки во избежание полной остановки завода при выводе одной из установок в ремонт.

Продукты первичной переработки нефти

Фотографии установок первичной переработки различной конфигурации

Рис.3. Установка ЭЛОУ-АВТ-6 Саратовского НПЗ. В центре - атмосферная колонна (показаны точки отбора фракций), справа - вакуумная.

Рис.4. Установки вторичной перегонки бензина и атмосферной перегонки на НПЗ "Славнефть-ЯНОС" (слева направо).

Рис.5. Установка вакуумной перегонки мощностью 1,5 млн. тонн в год на Туркменбашинском НПЗ по проекту фирмы Uhde.

Рис. 6. Установка вакуумной перегонки мощностью 1,6 млн. тонн в год на НПЗ "ЛУКОЙЛ-ПНОС". На переднем плане - трубчатая печь (жёлтого цвета).

Рис.7. Вакуумсоздающая аппаратура фирмы Graham. Видны 3 эжектора, в которые поступают пары с верха колонны.

Вторичная переработка (начало)

Продукты первичной переработки нефти, как правило, не являются товарными нефтепродуктами. Например, октановое число бензиновой фракции составляет около 65 пунктов, содержание серы в дизельной фракции может достигать 1,0% и более, тогда как норматив составляет, в зависимости от марки, от 0,005% до 0,2%. Кроме того, тёмные нефтяные фракции могут быть подвергнуты дальнейшей квалифицированной переработке.

В связи с этим, нефтяные фракции поступают на установки вторичных процессов, призванные осуществить улучшение качества нефтепродуктов и углубление переработки нефти.

Приведённые в статье параметры технологических режимов, размеров аппаратов, выходов продуктов в целом приводятся справочно, так как в каждом конкретном случае могут варьироваться в зависимости от качества сырья, заданных параметров продуктов, выбранного аппаратурного оформления, типов применяемых катализаторов и других факторов.

Углеводороды, входящие в состав нефти и нефтепродуктов

Поскольку при описании процессов вторичной переработки используются наименования групп углеводородов, входящих в состав нефти и нефтепродуктов, приведём краткие описания данных групп и влияние углеводородного состава на показатели качества нефтепродуктов.

Парафины - насыщенные (не имеющие двойных связей между атомами углерода) углеводороды линейного или разветвлённого строения. Подразделяются на следующие основные группы:

1. Нормальные парафины, имеющие молекулы линейного строения. Обладают низким октановым числом и высокой температурой застывания, поэтому многие вторичные процессы нефтепереработки предусматривают их превращение в углеводороды других групп.

2. Изопарафины - с молекулами разветвленного строения. Обладают хорошими антидетонационными характеристиками (например, изооктан - эталонное вещество с октановым числом 100) и пониженной, по сравнению с нормальными парафинами, температурой застывания.

Нафтены (циклопарафины) - насыщенные углеводородные соединения циклического строения. Доля нафтенов положительно влияет на качество дизельных топлив (наряду с изопарафинами) и смазочных масел. Большое содержание нафтенов в тяжёлой бензиновой фракции обуславливает высокий выход и октановое число продукта риформинга.

Ароматические углеводороды - ненасыщенные углеводородные соединения, молекулы которых включают в себя бензольные кольца, состоящие из 6 атомов углерода, каждый из которых связан с атомом водорода или углеводородным радикалом. Оказывают отрицательное влияние на экологические свойства моторных топлив, однако обладают высоким октановым числом. Поэтому процесс, направленный на повышение октанового числа прямогонных фракций - каталитический риформинг, предусматривает превращение других групп углеводородов в ароматические. При этом предельное содержание ароматических углеводородов и, в первую очередь, бензола в бензинах ограничивается стандартами.

Олефины - углеводороды нормального, разветвлённого, или циклического строения, в которых связи атомов углерода, молекулы которых содержат двойные связи между атомами углерода. Во фракциях, получаемых при первичной переработке нефти, практически отсутствуют, в основном содержатся в продуктах каталитического крекинга и коксования. Ввиду повышенной химической активности, оказывают отрицательное влияние на качество моторных топлив.

Рис.8. Структурные формулы молекул углеводородов, относящихся к различным группам

1. Каталитический риформинг

Каталитический риформинг предназначен для повышения октанового числа прямогонных бензиновых фракций путём химического превращения углеводородов, входящих в их состав, до 92-100 пунктов. Процесс ведётся в присутствии алюмо-платино-рениевого катализатора. Повышение октанового числа происходит за счёт увеличения доли ароматических углеводородов. Научные основы процесса разработаны нашим соотечественником - выдающимся русским химиком Н.Д.Зелинским в начале ХХ века.

Выход высокооктанового компонента составляет 85-90% на исходное сырьё. В качестве побочного продукта образуется водород, который используется на других установках НПЗ, которые будут описаны ниже.

Мощность установок риформинга составляет от 300 до 1000 тыс. тонн и более в год по сырью.

Оптимальным сырьём является тяжёлая бензиновая фракция с интервалами кипения 85-180°С. Сырьё подвергается предварительной гидроочистке - удалению сернистых и азотистых соединений, даже в незначительных количествах необратимо отравляющих катализатор риформинга.

Установки риформинга существуют 2-х основных типов - с периодической (рис. 9,10) и непрерывной (рис.11) регенерацией катализатора - восстановлением его первоначальной активности, которая снижается в процессе эксплуатации. В России для повышения октанового числа в основном применяются установки с периодической регенерацией, но в 2000-х гг. в Кстово и Ярославле введены установки и с непрерывной регенерацией, которые эффективнее технологически (возможно получения компонента с октановым числом 98-100), однако, стоимость их строительства выше.

Процесс осуществляется при температуре 500-530°С и давлении 18-35 атм (2-3 атм на установках с непрерывной регенерацией). Основные реакции риформинга поглощают существенные количества тепла, поэтому процесс ведется последовательно в 3-4 отдельных реакторах, объёмом от 40 до 140 м3, перед каждым из которых продукты подвергаются нагреву в трубчатых печах. Выходящая из последнего реактора смесь отделяется от водорода, углеводородных газов и стабилизируется. Полученный продукт - стабильный риформат охлаждается и выводится с установки.

При регенерации осуществляется выжиг образующегося в ходе эксплуатации катализатора кокса с поверхности катализатора с последующим восстановлением водородом и ряд других технологических операций. На установках с непрерывной регенерацией катализатор движется по реакторам, расположенным друг над другом, затем подаётся на блок регенерации, после чего возвращается в процесс.

Каталитический риформинг на некоторых НПЗ используется также в целях производства ароматических углеводородов - сырья для нефтехимической промышленности. Продукты, полученные в результате риформинга узких бензиновых фракций, подвергаются разгонке с получением бензола, толуола и смеси ксилолов (сольвента).

Фотографии установок каталитического риформинга

Рис.10. Установка каталитического риформинга с периодической регенерацией на Омском НПЗ. Аппараты желтого цвета - реакторы, справа на переднем плане - блок воздушных холодильников.

Рис.11. Установка каталитического риформинга с непрерывной регенерацией по технологии фирмы UOP на НПЗ компании ExxonMobil. Реакторы расположены на этажерке вертикально, друг над другом.

2. Каталитическая изомеризация

Изомеризация также применяется для повышения октанового числа легких бензиновых фракций. Сырьём изомеризации являются легкие бензиновые фракции с концом кипения 62°С или 85°C. Повышение октанового числа достигается за счёт увеличения доли изопарафинов. Процесс осуществляется в одном реакторе при температуре, в зависимости от применяемой технологии, от 160 до 380°C и давлении до 35 атм.

На некоторых заводах, после ввода новых установок риформинга крупной единичной мощности, старые установки мощностью 300-400 тыс. тонн в год перепрофилируют на изомеризацию. Иногда риформинг и изомеризация объединяются в единый комплекс по производству высокооктановых бензинов.

3. Гидроочистка дистиллятов

Задача процесса - очистка бензиновых, керосиновых и дизельных фракций, а также вакуумного газойля от сернистых и азотсодержащих соединений. На установки гидроочистки (рис. 12) могут подаваться дистилляты вторичного происхождения с установок крекинга или коксования, в таком случае идет также гидрирование олефинов. Мощность установок составляет от 600 до 3000 тыс. тонн в год. Водород, необходимый для реакций гидроочистки, поступает с установок риформинга.

Сырьё смешивается с водородсодержащим газом (далее - ВСГ) концентрацией 85-95% об., поступающим с циркуляционных компрессоров, поддерживающих давление в системе. Полученная смесь нагревается в печи до 280-340°C, в зависимости от сырья, затем поступает в реактор (рис. 13). Реакция идет на катализаторах, содержащих никель, кобальт или молибден под давлением до 50 атм. В таких условиях происходит разрушение сернистых и азотсодержащих соединений с образованием сероводорода и аммиака, а также насыщение олефинов. В процессе за счет термического разложения образуется незначительное (1,5-2%) количество низкооктанового бензина, а при гидроочистке вакуумного газойля также образуется 6-8% дизельной фракции. Продуктовая смесь отводится из реактора, отделяется в сепараторе от избыточного ВСГ, который возвращается на циркуляционный компрессор. Далее отделяются углеводородные газы, и продукт поступает в ректификационную колонну, с низа которой откачивается гидрогенизат - очищенная фракция. Содержание серы, например, в очищенной дизельной фракции, может снизиться с 1,0% до 0,005-0,03%. Газы процесса подвергаются очистке с целью извлечения сероводорода, который поступает на производство серы, или серной кислоты.

Фотографии установок гидроочистки дистиллятов

Рис.12. Установка гидроочистки дизтоплива на заводе British Petroleum в Грандмуте. Слева видна печная труба, посередине - отгонная колонна.

Рис.13. 130-ти тонный реактор гидроочистки дизельного топлива, изготовленный фирмой ISGEC для завода Indian Oil в Гуджарате.

Вторичная переработка (продолжение)

4. Каталитический крекинг

Каталитический крекинг - важнейший процесс нефтепереработки, существенно влияющий на эффективность НПЗ в целом. Сущность процесса заключается в разложении углеводородов, входящих в состав сырья (вакуумного газойля) под воздействием температуры в присутствии цеолитсодержащего алюмосиликатного катализатора. Целевой продукт установки КК - высокооктановый компонент бензина с октановым числом 90 пунктов и более, его выход составляет от 50 до 65% в зависимости от используемого сырья, применяемой технологии и режима. Высокое октановое число обусловлено тем, что при каткрекинге происходит также изомеризация. В ходе процесса образуются газы, содержащие пропилен и бутилены, используемые в качестве сырья для нефтехимии и производства высокооктановых компонентов бензина, легкий газойль - компонент дизельных и печных топлив, и тяжелый газойль - сырьё для производства сажи, или компонент мазутов.

Мощность современных установок в среднем - от 1,5 до 2,5 млн тонн, однако на заводах ведущих мировых компаний существуют установки мощностью и 4,0 млн. тонн.

Ключевым участком установки является реакторно-регенераторный блок. В состав блока входит печь нагрева сырья, реактор, в котором непосредственно происходят реакции крекинга, и регенератор катализатора. Назначение регенератора - выжиг кокса, образующегося в ходе крекинга и осаждающегося на поверхности катализатора. Реактор, регенератор и узел ввода сырья связаны трубопроводами (линиями пневмотранспорта), по которым циркулирует катализатор.

Наиболее удачная, хотя и не новая, отечественная технология используется на установках мощностью 2 млн. тонн в Уфе, Омске, Москве. Схема реакторно-регенераторного блока представлена на рис.14. На рис.15 приведена фотография аналогичной установки по технологии компании ExxonMobil.

Мощностей каталитического крекинга на российских НПЗ в настоящее время явно недостаточно, и именно за счёт ввода новых установок решается проблема с прогнозируемым дефицитом бензина. При реализации декларируемых нефтяными компаниями программ реконструкции НПЗ, данный вопрос полностью снимается.

За последние несколько лет в Рязани и Ярославле реконструированы однотипные сильно изношенные и устаревшие установки, введенные в советский период, а в Нижнекамске построена новая. При этом использованы технологии компаний Stone&Webster и Texaco.

Рис.14. Схема реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга

Сырьё с температурой 500-520°С в смеси с пылевидным катализатором движется по лифт-реактору вверх в течение 2-4 секунд и подвергается крекингу. Продукты крекинга поступают в сепаратор, расположенный сверху лифт-реактора, где завершаются химические реакции и происходит отделение катализатора, который отводится из нижней части сепаратора и самотёком поступает в регенератор, в котором при температуре 700°С осуществляется выжиг кокса. После этого восстановленный катализатор возвращается на узел ввода сырья. Давление в реакторно-регенераторном блоке близко к атмосферному. Общая высота реакторно-регенераторного блока составляет от 30 до 55 м, диаметры сепаратора и регенератора - 8 и 11 м соответственно для установки мощностью 2,0 млн тонн.

Продукты крекинга уходят с верха сепаратора, охлаждаются и поступают на ректификацию.

Каткрекинг может входить в состав комбинированных установок, включающих предварительную гидроочистку или легкий гидрокрекинг сырья, очистку и фракционирование газов.

Фотографии установок каталитического крекинга

Рис.15. Установка каталитического крекинга на Ярославнефтеоргсинтезе, пущена в 2000 году после коренной реконструкции. Аппарат большого диаметра на этажерке - регенератор.

Рис.16. Реакторный блок каталитического крекинга по технологии Exxon Mobil. В правой части - реактор, слева от него - регенератор.

Рис.17. Идёт монтаж реактора (сепаратора) каталитического крекинга на установке по проекту компании International Alliance Group.

5. Гидрокрекинг

Гидрокрекинг - процесс, направленный на получение высококачественных керосиновых и дизельных дистиллятов, а также вакуумного газойля путём крекинга углеводородов исходного сырья в присутствии водорода. Одновременно с крекингом происходит очистка продуктов от серы, насыщение олефинов и ароматических соединений, что обуславливает высокие эксплуатационные и экологические характеристики получаемых топлив. Например, содержание серы в дизельном дистилляте гидрокрекинга составляет миллионные доли процента. Получаемая бензиновая фракция имеет невысокое октановое число, её тяжёлая часть может служить сырьём риформинга. Гидрокрекинг также используется в масляном производстве для получения высококачественных основ масел, близких по эксплуатационным характеристикам к синтетическим.

Гамма сырья гидрокрекинга довольно широкая - прямогонный вакуумный газойль, газойли каталитического крекинга и коксования, побочные продукты маслоблока, мазут, гудрон.

Установки гидрокрекинга, как правило, строятся большой единичной мощности - 3-4 млн. тонн в год по сырью.

Обычно объёмов водорода, получаемых на установках риформинга, недостаточно для обеспечения гидрокрекинга, поэтому на НПЗ сооружаются отдельные установки по производству водорода путём паровой конверсии углеводородных газов.

Технологические схемы принципиально схожи с установками гидроочистки - сырьё, смешанное с водородосодержащим газом (ВСГ), нагревается в печи, поступает в реактор со слоем катализатора, продукты из реактора отделяются от газов и поступают на ректификацию. Однако, реакции гидрокрекинга протекают с выделением тепла, поэтому технологической схемой предусматривается ввод в зону реакции холодного ВСГ, расходом которого регулируется температура. Гидрокрекинг - один из самых опасных процессов нефтепереработки, при выходе температурного режима из-под контроля, происходит резкий рост температуры, приводящий к взрыву реакторного блока.

Аппаратурное оформление и технологический режим установок гидрокрекинга различаются в зависимости от задач, обусловленных технологической схемой конкретного НПЗ, и используемого сырья.

Например, для получения малосернистого вакуумного газойля и относительно небольшого количества светлых (лёгкий гидрокрекинг), процесс ведётся при давлении до 80 атм на одном реакторе при температуре около 350°С.

Для максимального выхода светлых (до 90%, в том числе до 20% бензиновой фракции на сырьё) процесс осуществляется на 2-х реакторах. При этом, продукты после первого реактора поступают в ректификационную колонну, где отгоняются полученные в результате химических реакций светлые, а остаток поступает во второй реактор, где повторно подвергается гидрокрекингу. В данном случае, при гидрокрекинге вакуумного газойля давление составляет около 180 атм, а при гидрокрекинге мазута и гудрона - более 300. Температура процесса, соответственно, варьируется от 380 до 450°С и выше.

В России до последнего времени процесс гидрокрекинга не использовался, но в 2000-х годах введены мощности на заводах в Перми (рис. 16), Ярославле и Уфе, на ряде заводов установки гидроочистки реконструированы под процесс лёгкого гидрокрекинга. Идёт монтаж установки в ООО "Киришинефтеоргсинтез", планируется строительство на заводах ОАО "Роснефть".

Совместное строительство установок гидрокрекинга и каталитического крекинга в рамках комплексов глубокой переработки нефти представляется наиболее эффективным для производства высокооктановых бензинов и высококачественных средних дистиллятов.

Фотографии установок гидрокрекинга

Рис.16. Установка гидрокрекинга T-Star мощностью 3,5 млн. тонн на НПЗ "ЛУКОЙЛ-ПНОС".

Рис.17. Установка гидрокрекинга на НПЗ компании YPF-Repsol. Реакторный блок - в центре.

Коксование и товарное производство

6. Коксование

Назначение процесса - квалифицированная переработка тяжёлых нефтяных остатков, как первичной, так и вторичной переработки, с получением нефтяного кокса, применяемого для производства электродов, используемых в металлургической промышленности, а также дополнительного количества светлых нефтепродуктов.

В отличие от ранее описанных процессов, коксование является термическим процессом, не использующим катализатор.

Существуют различные технологические решения для данного процесса. На российских НПЗ используются установки замедленного коксования.

Замедленное коксование - полунепрерывный процесс, осуществляемый при температуре около 500°С и давлении, близком к атмосферному. Сырьё поступает в змеевики технологических печей, в которых идёт процесс термического разложения, после чего поступает в камеры, в которых происходит образование кокса. На установках сооружается 4 коксовые камеры, работающие попеременно. Камера в течении суток работает в режиме реакции, заполняясь коксом, после чего в течение суток осуществляются технологические операции по выгрузке кокса и подготовке к следующему циклу.

Кокс из камеры удаляется при помощи гидрорезака, представляющего собой бур с расположенными на конце соплами, через которые под давлением 150 атм подаётся вода, которая раздробляет кокс.

Раздробленный кокс сортируется на фракции, в зависимости от размера частиц.

Сверху коксовых камер уходят пары продуктов и поступают на ректификацию. Светлые фракции, полученные при коксовании, характеризуются низким качеством из-за большого содержания олефинов и поэтому желательно их дальнейшее облагораживание.

Выход кокса составляет порядка 25% при коксовании гудрона, выход светлых фракций - около 35%.

Рис.18. Установка замедленного коксования

7. Товарное производство

Ранее рассмотрены основные технологические процессы топливного производства, применяемые на НПЗ России.

Однако, в ходе указанных процессов вырабатываются только компоненты моторных, авиационных и котельных топлив с различными показателями качества. Например, октановое число прямогонного бензина составляет около 65, риформата - 95-100, бензина коксования - 60. Другие показатели качества (например, фракционный состав, содержание серы) у компонентов также различаются. Для получения же товарных нефтепродуктов организуется смешение полученных компонентов в соответствующих емкостях НПЗ в соотношениях, которые обеспечивают нормируемые показатели качества.

Расчёт рецептуры смешения (компаундирования) компонентов осуществляется при помощи соответствующих модулей математических моделей, используемых для планирования производства по НПЗ в целом. Исходными данными для моделирования являются прогнозные остатки сырья, компонентов и товарной продукции, план реализации нефтепродуктов в разрезе ассортимента, плановый объём поставок нефти. Таким образом возможно рассчитать наиболее эффективные соотношения между компонентами при смешении.

Зачастую на заводах используются устоявшиеся рецептуры смешения, которые корректируются при изменении технологической схемы.

Компоненты нефтепродуктов в заданном соотношении закачиваются в ёмкость для смешения, куда также могут подаваться присадки. Полученные товарные нефтепродукты проходят контроль качества и откачиваются в соответствующие ёмкости товарно-сырьевой базы, откуда отгружаются потребителю.

Основной способ доставки нефтепродуктов в России - перевозка железнодорожным транспортом. Для погрузки продукции в цистерны используются наливные эстакады. Поставки нефтепродуктов по России и на экспорт осуществляются также по системе магистральных нефтепродуктопроводов АК "Транснефтепродукт", речным и морским транспортом.

Рис.19. Цистерны с нефтепродуктами на ст. Татьянка (Волгоград)

Content

О нефти и газе доступным языком

Какое топливо лучше?

Сколько нефти в мире?

Химический состав нефти и газа

Теории возникновения нефти. Часть 1

Теории возникновения нефти. Часть 2

Места скопления нефти

Разведчики

Геохимические и гидрогеологические исследования

Разведочное бурение

Сверхглубокие скважины

Промыслово-геофизические исследования в скважинах

Эксплуатационное бурение

Фонтанный и газлифтный способы добычи нефти

Добыча нефти с помощью насосов

Подземные погонщики. Заводнение

Химические хитрости

Нефть в море

Промысловый сбор и подготовка нефти, газа и воды

Магистральные нефтепроводы. Часть 1

Магистральные нефтепроводы. Часть 2

Краткое описание основных технологических процессов топливного производства

Вторичная переработка (начало)

Вторичная переработка (продолжение)

Коксование и товарное производство