Добыча нефти и газа

Нефть – это  природная горючая маслянистая  жидкость, которая состоит из смеси  углеводородов самого разнообразного строения. Их молекулы представляют собой  и короткие цепи атомов углерода, и  длинные, и нормальные, и разветвленные, и замкнутые в кольца, и многокольчатые. Кроме углеводородов нефть содержит небольшие количества кислородных и сернистых соединений и совсем немного азотистых. Нефть и горючий газ встречаются в земных недрах как вместе, так и раздельно. Природный горючий газ состоит из газообразный углеводородов  –  метана, этана, пропана.

Нефть и горючий  газ накапливаются в пористых породах, называемых коллекторами. Хорошим  коллектором является пласт песчаника, заключенный среди непроницаемых  пород, таких, как глины или глинистые  сланцы, препятствующие утечке нефти и газа из природных резервуаров. Наиболее благоприятные условия для образования месторождений нефти и газа возникают в тех случаях, когда пласт песчаника изогнут в складку, обращенную сводом кверху. При этом верхняя часть такого купола бывает заполнена газом, ниже располагается нефть, а еще ниже — вода.

О том, как образовались месторождения нефти и горючего газа, ученые много спорят. Одни геологи  — сторонники гипотезы неорганического  происхождения — утверждают, что  нефтяные и газовые месторождения образовались вследствие просачивания из глубин Земли углерода и водорода, их объединения в форме углеводородов и накопления в породах — коллекторах.

Другие геологи, их большинство, полагают, что нефть, подобно углю, возникла из органической массы, погребенной на глубину под морские осадки, где из нее выделялись горючие жидкость и газ. Это органическая гипотеза происхождения нефти и горючего газа. Обе эти гипотезы объясняют часть фактов, но оставляют без ответа другую их часть.

Полная разработка теории образования нефти и горючего газа еще ждет своих будущих исследователей.

Группы нефтяных и газовых месторождений, подобно  месторождениям ископаемого угля, образуют  газонефтеносные бассейны. Они, как  правило, приурочены к прогибам земной коры, в которых залегают осадочные породы; в их составе имеются пласты хороших коллекторов.

В нашей стране давно известен Каспийский нефтеносный  бассейн, разработка которого началась в районе Баку. В 20-х годах был  открыт Волго-Уральский бассейн, который  назвали  Вторым Баку. В 50-х годах был выявлен величайший в мире  Западно  - Сибирский бассейн нефти и газа. Крупные бассейны, кроме того, известны и в других районах страны — от берегов Ледовитого океана до пустынь Средней Азии. Они распространены как на материках, так и под дном морей. Нефть, например, добывается со дна Каспийского моря.

Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам  нефти и газа. Большое преимущество этих полезных ископаемых — сравнительное  удобство их транспортировки. По трубопроводам  нефть и газ поступают за тысячи километров на фабрики, заводы и электростанции, где используются как топливо, как сырье для производства бензина, керосина, масел и для химической промышленности.  
 

Как бурят скважины.

В истории человечества бывало уже не раз, когда некоторые материалы становились основными и буквально определяли лицо века. Нам  известны каменный век, бронзовый век, железный... Подобные перемены происходили и с топливом. Сначала основным топливом были дрова, затем - в прошлом столетии - каменный уголь. В 50-60-х годах    XX в. на первый план среди горючих ископаемых выдвинулись нефть и газ.

Работа автомобилей  и самолетов немыслима без  бензина и керосина, на жидком топливе  работают тепловозы и корабли. Переходят  на дешевое газовое топливо электростанции. Из нефти и газа делают химические продукты, которые превращают потом в синтетические материалы.

Нефть и газ добывать проще и дешевле, чем уголь.

Главная машина для добычи нефти и газа - буровой станок. Первые буровые станки, появившиеся сотни лет назад, по существу, копировали рабочего с ломом. Только лом у этих первых станков был  тяжелее и по форме напоминал скорее долото. Он так и назывался - буровое долото. Его подвешивали на канате, который, то  поднимали с помощью ворота, то опускали. Такие машины называются ударно-канатными. Их можно встретить кое-где и сейчас, но это уже вчерашний день техники: очень уж медленно пробивают они отверстие в камне, очень много расходуют энергии зря.

Гораздо быстрее  и выгоднее другой способ бурения - роторный, при котором скважина высверливается. К ажурной металлической  четырехногой вышке высотой с десятиэтажный дом подвешена толстая стальная труба. Ее вращает специальное устройство - ротор. На нижнем конце трубы - бур. По мере того как скважина становится глубже, трубу удлиняют. Чтобы разрушенная порода не забила скважину, в нее насосом через трубу нагнетают глинистый раствор. Раствор промывает скважину, уносит из нее вверх по щели между трубой и стенами скважины разрушенную глину, песчаник, известняк. Одновременно плотная жидкость поддерживает стенки скважины, не давая им обрушиться.

Но и у роторного  бурения есть свой недостаток. Чем  глубже скважина, тем тяжелее работать двигателю ротора, тем медленнее  идет бурение. Ведь одно дело вращать  трубу длиной 5-10 м, когда бурение скважины только начинается, и совсем другое - крутить колонну труб длиной 500 м. А что делать, если глубина скважины достигает 1 км? 2 км?

В 1922 г. советские  инженеры М. А. Капелюшников, С. М. Волох  и Н. А. Корнев впервые в мире построили  машину для бурения скважин, в которой не нужно было вращать буровые трубы. Изобретатели поместили двигатель не наверху, а внизу, в самой скважине - рядом с буровым инструментом. Теперь всю мощность двигатель расходовал только на вращение самого бура.

Три способа добычи нефти из скважины. Слева направо: нефть фонтанирует  под давлением подземных газов и вод. Нефть идет из скважины под давлением сжатого воздуха, накачиваемого в нефтеносный пласт. Откачка нефти с помощью специальной машины.

Машина, которая  откачивает нефть.

У этого станка и двигатель был необыкновенный. Советские инженеры заставили ту самую воду, которая раньше только вымывала из скважины разрушенную породу, вращать бур. Теперь, прежде чем достигнуть  дна скважины, глинистый  раствор  вращал маленькую турбину, прикрепленную к самому буровому инструменту.

Новый станок назвали  турбобуром, со временем его усовершенствовали, и теперь в скважину опускают несколько турбин, насаженных на один вал. Понятно, что мощность такой "многотурбинной" машины во много раз больше и бурение идет во много раз быстрее.

Другая замечательная  буровая машина - электробур, изобретенный инженерами А. П. Островским и Н. В. Александровым. Первые нефтяные скважины пробурили электробуром в 1940 г. У этой машины колонна труб тоже не вращается, работает только сам буровой инструмент. Но вращает его не водяная турбина, а электрический двигатель, помещенный в стальную рубашку - кожух, заполненный маслом. Масло все время находится под высоким давлением, поэтому окружающая вода не может проникнуть в двигатель. Чтобы мощный двигатель мог поместиться в узкой нефтяной скважине, пришлось делать его очень высоким, и двигатель получился похожим на столб: диаметр у него, как у блюдца, а высота -6-7м.

Бурение - основная работа при добыче нефти и газа. В отличие, скажем, от угля или железной руды нефть и газ не нужно отделять от окружающего массива машинами или взрывчаткой, не нужно поднимать на поверхность земли конвейером или в вагонетках. Как только скважина достигла нефтеносного пласта, нефть, сжатая в недрах давлением газов и подземных вод, сама с силой устремляется вверх.

По мере того как нефть изливается на поверхность, давление уменьшается, и оставшаяся в недрах нефть перестает течь вверх. Тогда через специально пробуренные  вокруг нефтяного месторождения скважины начинают нагнетать воду. Вода давит на нефть и выдавливает ее на поверхность по вновь ожившей скважине. А затем наступает время, когда только вода уже не может помочь. Тогда в нефтяную скважину опускают насос и начинают выкачивать из нее нефть.

Так устроен  турбобур: 1 -лопасти ротора (вал турбобура); 2 - лопасти статора (корпус турбобура); 3 - поток глинистого раствора; 4 - буровой инструмент. Слева: на схеме показано соотношение размеров диаметра турбобура и его длины.

Буровая нефтяная вышка. Видна насосная станция, подающая в скважину глинистый раствор, и отстойник, в котором осаждается измельченная буром порода. Слева: на схеме показано соотношение размеров вышки и глубины скважины.

Стальные трубы  нефтепроводов перед укладкой в землю защищают от коррозии.

Газгольдеры - герметичные  резервуары для хранения газа.

Хранение  и транспортировка  нефти и газа.

Транспортировка нефти и газа на нефтеперерабатывающие  химические заводы и на электростанции очень удобна. По железным и автомобильным дорогам нефть перевозят в цистернах, а по морям и океанам - в нефтеналивных судах - танкерах (см. ст. "Суда"). Но во многих случаях нефть и газ можно подавать на любые расстояния по трубам.

Нефтепроводы  и газопроводы - магистрали из стальных труб, уложенных неглубоко в земле,- протянулись на десятки тысяч километров. Нефтепровод "Дружба", например, тянется через границы нескольких стран. По нему советская нефть идет в Польшу, Чехословакию; Венгрию, Германскую Демократическую Республику.

А вот хранить  нефть и газ сложнее, чем уголь и руду. Для хранения нефти и получаемых из нее нефтепродуктов, например бензина, нужно строить специальные металлические резервуары. Они похожи на гигантские консервные банки. Стенки нефтехранилищ окрашивают серебристой алюминиевой краской, хорошо отражающей солнечные лучи, чтобы нефть и нефтепродукты не нагревались. Для хранения газа необходимы герметичные, газонепроницаемые резервуары. Чтобы газ при хранении (и при перевозке через моря и океаны) занимал как можно меньше места, его сжижают, охлаждая до температуры - 160°С и ниже. Сжиженный газ хранят в резервуарах из прочных алюминиевых сплавов и специальной стали. Стенки делают двойные, а между стенками закладывают какой-нибудь материал, плохо проводящий тепло, чтобы газ не нагревался.

Но самые крупные хранилища газа удобнее и дешевле сооружать под землей. Стенками подземных газохранилищ служат непроницаемые пласты горных пород. Чтобы эти породы не вываливались и не обрушивались, их бетонируют. Существует несколько способов хранения сжиженных газов под землей. В одних случаях хранилище представляет собой полость, горную выработку, расположенную довольно глубоко. В других случаях - яму, котлован, закрытый герметичной металлической крышкой, или, лучше сказать, крышей.  

Переработка нефти и газа

Вначале нефть и продукты ее переработки (керосин) применяли для освещения. Потом нефть и мазут стали употреблять как топливо для паровых котлов (пароходных и паровозных), а также для получения смазочных материалов. С появлением двигателей внутреннего сгорания, в том числе дизелей, продукты переработки нефти — керосин, соляровое масло и более тяжелые масла стали широко применять как топливо. Именно это вызвало быстрое развитие добычи и переработки нефти. Наиболее простой метод переработки нефти — прямая гонка. Этот метод заключается в перегонке нефти при нагревании в закрытых котлах или трубчатых печах. Сначала отгоняются наиболее легкокипящие погоны (бензин, лигроин), потом более тяжелый — керосин. Бензины состоят из углеводородов с 5—10 атомами углерода в молекуле, а керосиновые погоны—из углеводородов с 10—15 атомами углерода. После перегонки остается мазут — густая черная жидкость. Он употребляется как топливо или подвергается новой перегонке, чтобы выделить смазочные масла: легкие — соляровые, более тяжелые – веретенные и машинные и, наконец, тяжелые — цилиндровые.

В начале нашего века произошли коренные изменения  в нефтепереработке. Быстрое распространение  карбюраторных бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием для автомобилей (а позже  в авиации) потребовало очень много бензина. Это привело прежде всего к усовершенствованию нефтедобычи, так как при старом открытом способе много легкокипящих фракций испарялось на воздухе. Однако этого было недостаточно. При прямой гонке получалось сравнительно мало бензиновых фракций, и они не могли удовлетворить все возрастающий спрос. Особенно остро ощущалась нехватка бензина в годы первой мировой войны. Тогда в промышленность был введен крекинг-процесс — разложение углеводородов нефти под влиянием высокой температуры. При нагревании до 500—600°С углеводородные цепочки разрываются и образуются осколки с меньшим числом атомов углерода в молекуле, т. е. повышается содержание легкокипящих фракций. Промышленное освоение крекинг-процесса сразу повысило ресурсы бензина. Однако качество бензинов термического крекинга было не всегда удовлетворительным. А высококачественный бензин был нужен авиации.

Русский химик  Н. Д. Зелинский предложил усовершенствовать  крекинг с помощью ускорителей  процесса — катализаторов. В качестве катализатора он применил хлористый алюминий. Французскими инженерами был предложен алюмосиликатный катализатор. В его присутствии происходило образование фракций, содержащих высококачественный бензин, пригодный для авиационных двигателей.