Основы нефтеного и газового дела

Вопросы  
1. Теория происхождения нефти  
2.Элементный и углеводородный состав нефти 
3.Добыча нефти и газа 
4. Транспортировка нефти и газа 
5. Переработке нефти и газа

1. теория происхождения нефти 

Вопросы об исходном веществе, из которого образовалась нефть, о процессах  нефтеобразования и формирования нефти в концентрированную залежь, а отдельных залежей в месторождения до сего времени ещё не являются окончательно решёнными. Существует ряд мнений как об исходных для нефти веществах, так и о причинах и процессах, обусловливающих её образование. В последние годы благодаря трудам главным образом советских геологов, химиков, биологов, физиков и исследователей других специальностей удалось выяснить основные закономерности в процессах нефтеобразования. В настоящее время установили, что нефть органического происхождения, т. е. она, как и уголь, возникла в результате преобразования органических веществ.

Ранее выдвигались и другие теории образования нефти. В конце XIX в. , когда в астрономии и физике получило развитие применение спектральных методов исследования и в спектрах различных космических тел были обнаружены не только углерод и водород, но и углеводороды, русский геолог Н. А. Соколов выдвинул космическую гипотезу образования нефти. Он предполагал, что когда земля была в огненно-жидком состоянии, то углеводороды из газовой оболочки проникли в массу земного шара, а впоследствии при остывании выделились на его поверхности. Эта гипотеза не объясняет ни географического, ни геологического распределения нефтяных месторождений…

В конце XIX в. Д. И. Менделеевым, обратившим внимание на приуроченность известных  тогда месторождений нефти к  краевым частям гор, была выдвинута  теория неорганического происхождения  нефти. Предполагалось, что углеводороды, образующиеся при действии воды на раскалённые карбиды металлов, проходили  по трещинам из глубоких слоёв в  зону осадочной оболочки земного  шара, где путём их конденсации  и гидрогенизации образовались нефтяные месторождения. Эта теория образования  нефти не получила признания среди  геологов и химиков. Трудно представить  себе образование нефти путём  действия на карбиды металлов воды океанов, просочившейся в глубину  земли по трещинам земной коры, так  как эти трещины не могут идти так глубоко. Кроме того, наличие в земной коре больших залежей карбидов железа, до которых может проникнуть вода океанов, очень сомнительно.

Количество металлического железа (а не его окислов), которое может  попасть из очень глубоких зон  на поверхность твёрдой коры, ничтожно. Окислы железа содержать карбиды  металлов не могут. Вероятность же наличия  карбидов металлов в самом металлическом  железе также крайне незначительна.

Все приведённые выше соображения  говорят о том, что в наружной оболочке космического типа при наличии  окислительной обстановки не приходится ожидать образования и сохранения карбидов железа и других металлов в сколько-нибудь значительных количествах…

М. В. Ломоносов первый указал на связь  между горючими полезными ископаемыми  углём и нефтью и выдвинул впервые  в мире в середине XVIII в. гипотезу о происхождении нефти из растительных остатков.

Академик В. И. Вернадский обратил  внимание на наличие в нефти азотистых  соединений, встречающихся в органическом мире.

Предшественники академика И. М. Губкина, русские геологи Андрусов и Михайловский также считали, что на Кавказе  нефть образовалась из органического  материала. По мнению И. М. Губкина, родина нефти находится в области  древних мелководных морей, лагун  и заливов. Он считал, что уголь  и нефть– члены одного и того же генетического ряда горючих ископаемых. Уголь образуется в болотах и пресноводных водоёмах, как правило, из высших растений. Нефть получается главным образом из низших растений и животных, но в других условиях.

Нефть постепенно образовывалась в  толще различных по возрасту осадочных  пород, начиная от наиболее древних  осадочных пород– кембрийских, возникших 600 млн. лет назад, до сравнительно молодых – третичных слоёв, сложившихся 50 млн. лет назад. Накопление органического материала для будущего образования нефти происходило в прибрежной полосе, в зоне борьбы между сушей и морем…

По вопросу об исходном материале  существовали разные мнения. Некоторые  учёные полагали, что нефть возникла из жиров погибших животных (рыбы, планктон и др. ), другие считали, что главную роль играли белки, третьи придавали большое значение углеводам. Теперь доказано, что нефть может образоваться из жиров, белков и углеводов, т. е. из всей суммы органических веществ. И. М. Губкин дал критический анализ проблемы происхождения нефти и разделил органические теории на три группы: теории, где преобладающая роль в образовании нефти отводится погибшим животным; теории, где преобладающая роль отводится погибшим растениям, и, наконец, теории смешанного животно-растительного происхождения нефти.

Последняя теория, детально разработанная  И. М. Губкиным, носит название сапропелитовой от слова “сапропель”– глинистый или является господствующей. В природе широко распространены различные виды сапропелитов.

Различие в исходном органическом веществе является одной из причин существующего разнообразия нефтей. Другими причинами являются различие температурных условий вмещающих пород, присутствие катализаторов и др. , а также последующие преобразования пород, в которых заключена нефть… В СССР были проведены исследования, в результате которых удалось установить роль микроорганизмов в образовании нефти. Т. Л. Гинзбург-Карагичева, открывшая присутствие в нефти разнообразнейших микроорганизмов, привела в своих исследованиях много новых, интересных сведений.

Она установила, что в нефтях, ранее считавшихся ядом для бактерий, на больших глубинах идёт кипучая жизнь, не прекращавшаяся миллионы лет подряд. Целый ряд бактерий живёт в нефти и питается ею, меняя, таким образом, химический состав нефти. Академик И. М. Губкин в своей теории нефтеобразования придавал этому открытию большое значение. Гинзбург-Карагичевой установлено, что бактерии нефтяных пластов превращают различные органические продукты в битуминозные.

Под действием ряда бактерий происходит разложение органических веществ и  выделяется водород, необходимый для  превращения органического материала  в нефть…

Академиком Н. Д. Зелинским, профессором  В. А. Соколовым и рядом других исследователей большое значение в  процессе нефтеобразования придавалось радиоактивным элементам. Действительно, доказано, что органические вещества под действием альфа-лучей распадаются быстрее и при этом образуются метан и ряд нефтяных углеводородов.

Академик Н. Д. Зелинский и его  ученики установили, что большую  роль в процессе нефтеобразования играют катализаторы.

В более поздних работах академик Зелинский доказал, что входящие в состав животных и растительных остатков пальмитовая, стеариновая и другие кислоты при воздействии хлористого алюминия в условиях сравнительно невысоких температур (150-400о) образуют продукты, по химическому составу, физическим свойствам и внешнему виду похожие на нефть. Профессор А. В. Фрост установил, что вместо хлористого алюминия–катализатора, отсутствующего в природе, - его роль в процессе нефтеобразования играют обыкновенные глины, глинистые известняки и другие породы, содержащие глинистые минералы.

2. элементный и углеводородный состав нефти

Элементный состав нефтей довольно прост. Многочисленными химическими анализами установлено, что они состоят из углерода-79,5 – 87,5 % и водорода-11,0 – 14,5 % от массы нефти. 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 нафтенам относят алициклические углеводороды состава CnH2n, CnH(2n-2) и CnH(2n-4). В нефтях содержится 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. Кроме них в нефтях присутствуют еще три элемента - сера, кислород и азот. В очень незначительных концентрациях в нефтях встречаются также металлы - ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий, натрий, йод, цинк, кальций, серебро, галлий и др. Общее содержание металлов в нефтях редко превышает 0,02 – 0,03 % от массы нефти. [2]

Элементный состав нефтей и природных газов довольно прост. В их строении участвуют главным образом биогенные элементы - основные в структуре любого вещества органического происхождения. Основными компонентами природных нефтей и газов являются углеводороды метанового, нафтенового и ароматического рядов. [3]

Элементный состав нефтей определяется на основании изучения процентного содержания пяти химических компонентов нефти - углерода, водорода, кислорода, серы и азота, содержание которых в значительной мере предопределяет товарные качества нефти. Так, при большом содержании (%) в ней серы и сернистых соединений: сероводорода, сульфидов, меркаптана и других - возникают известные трудности в ее переработке, поскольку сернистые соединения в условиях высоких температур вызывают сильную коррозию оборудования. Относительно небольшое (до 1 %) содержание кислорода свидетельствует о наличии в нефти значительного количества неуглеродных соединений, что также требует предварительной обработки нефти перед ее транспортировкой и переработкой. [4]

Элементный состав нефти наиболее хорошо изучен. Максимальное содержание остальных трех элементов (кислород, сера и азот), часто объединяемых под названием кислородной группировки, может в сумме доходить до 8 % (главным образом за счет серы), но обычно оно гораздо меньше. 

Всего из нефти выделено и идентифицировано более 800 индивидуальных соединений. Россини  с сотрудниками в течение 30 лет.

3. добыча нефти и газа

С началом использования нефти  в промышленных целях потребность  в этом виде полезного ископаемого  только увеличивается. В настоящее  время нефть используется как  сырье для нефтехимии, является источником для производства моторных топлив, масел и смазок, а также мазута, строительных материалов. Кроме того, нефть применяется как сырье  для получения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок  в корм для скота и т.д.

Нефть и горючий газ встречаются  в земных недрах как вместе, так  и раздельно. Природный горючий  газ состоит из газообразных 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, препятствующих 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 часто бывает заполнена  газом, ниже располагается нефть, а  еще ниже - вода.

Как только нефть или газ обнаружены, следует оценить величину их запасов  в пласте, величину извлекаемых запасов, их качество и способ безопасной транспортировки  этих углеводородов до нефтеперерабатывающей  установки или терминала дальнего транспорта. Другими словами, нужно  оценить, является ли находка экономически перспективной. Если это так, принимается  решение бурить следующие скважины и устанавливать на них эксплуатационное оборудование.

Коэффициент нефтеотдачи месторождения - отношение запасов нефти, которые можно извлечь экономически выгодными способами, к оценке общего количества нефти, залегающей под землей, - варьируется достаточно широко. Двадцать лет тому назад считалось нормальным значение коэффициента нефтеотдачи около 30 процентов. Сегодня средняя величина коэффициента нефтеотдачи - около 45 процентов. Развитие технологий, по-видимому, приведет к дальнейшему росту этого показателя.

Процесс добычи нефти, начиная от притока  ее по пласту к забоям скважин и  до внешней перекачки товарной нефти  с промысла, можно разделить условно  на три этапа: движение нефти по пласту к скважинам благодаря искусственно создаваемой разности давлений в  пласте и на забоях скважин; движение нефти от забоев скважин до их устьев на поверхности - эксплуатация нефтяных скважин; сбор нефти и сопровождающих ее газа и воды на поверхности, их разделение, удаление минеральных солей из нефти, обработка пластовой воды, сбор попутного нефтяного газа.

Задача извлечения нефти из пласта имеет всегда несколько решений. Применение тех или иных способов добычи и транспортировки обусловливается, в частности, местонахождением запасов  нефти - найдены они на суше или  под морским дном. Очевидный факт, что бурение нефтяных скважин в море для разработки подводных месторождений намного сложнее и дороже бурения на суше, и является одной из причин того, что большая часть используемой нами нефти добыта в прибрежной зоне.

Чтобы добраться до запасов на границах месторождения, скважины часто бурят  под наклоном. Современные технологии позволяют бурить скважины вертикально  вниз и затем горизонтально в  стороны. Такой способ очень экономичен, поскольку он позволяет пробурить  несколько скважин из одной точки  и вести добычу нефти из тонких пластов породы.

Технологический комплекс, состоящий  из скважин, трубопроводов, и установок  различного назначения, с помощью  которых на месторождении осуществляют извлечение нефти из недр Земли, называется нефтяным промыслом.

При газлифтном способе эксплуатации недостающая энергия подается с  поверхности в виде энергии сжатого  газа по специальному каналу.