Разведка  нефти

 Для того, чтобы обнаружить под землей нефтяное месторождение, геологи ищут осадочный бассейн, глинистые сланцы которого богаты органическими субстратами, похороненными здесь в продолжение некоторого времени, достаточного для образования нефти. Нефть должна иметь возможность перемещаться в просторные «ловушки», способные вмещать большое количество жидкости. Распространение нефти в земной коре ограничено двумя этими условиями, которые должны быть исполнены одновременно, ну и конечно понадобиться временной промежуток времени от десяти до сотен миллионов лет для образования нефти. 
 Геологи и геофизики имеют в своем распоряжении широкий спектр инструментов, помогающих им определить подходящую зону бурения. Таким образом, вычерчивание карт поверхности по обнаружение пласта осадочных пород делает возможным определение подповерхностных характеристик пород, вдобавок к этому информацию можно получить посредством бурения поверхности земной коры и извлечения образцов породы. Кроме того, популярность приобретают и новые сейсмотехнологии. Сейсмографы изучают отражение и преломление звуковых волн, пропускаемы через земные слои, анализируют эти данные и составляют возможную структурную схему и взаиморасположении этих самых слоев. Однако единственный способ доказать, что нефть здесь есть – это пробурить скважину. На самом деле большинство нефтеносных провинций земного шара были определены только потому, что нефть просочились на поверхность земли, а большинство из активных запасов было обнаружено членами бурильной бригады, полагавшихся более на интуицию, чем на научные данные. На английском языке член бригады бурильщиков называется «wildcatter» (wild cat – дикая кошка), это понятие пришло из западного Техаса, поскольку в начале 1920-х бригады бурильщиков истребили большое количество диких кошек в процессе подготовки местности к бурению. Убитые кошки подвешивались на нефтяные башенки, а сами скважины получили название «wild cat wells», в современной нефтедобывающей промышленности это понятие имеет значение «разведывательная скважина». 
 Нефтяное месторождение может состоять из нескольких подземных резервуаров. Эти несколько резервуаров могут быть расположены друг над другом, разделены пластами глинистых сланцев или пластов непроницаемых скалистых пород. Резервуары могут отличаться по вместимости: объем содержащейся в них нефти может разниться от нескольких десятков на гектар или несколько десятков на квадратный километр, глубина их может составлять от нескольких метров до более значительных показателей. Почти вся нефть, которая была обнаружена и добыта на планете, считается содержимым нескольких крупных резервуаров.

Первичные методы разработки

 Большинство нефтяных скважин в США бурятся посредством  метода вращения, который был впервые  описан и запатентован в Британии Р. Биртом в 1844. Этот метод подразумевает, что бурильная колонна и система труб поддерживается нефтяной вышкой. Буровая колонна вращается, будучи прикрепленной к карусели у основания вышки. Буровое долото на конце колонны как правило обладает тремя конусообразными колесами, оснащенный твердыми зубцами. Буровой шлам постоянно поднимается на поверхность вместе с буровым раствором, постоянно циркулирующим в насосной системе. 
 Оказавшаяся в ловушке пород сырая нефть находится там под сильным давлением, если же нефть не попадает в ловушку непроницаемых пород, она продолжает стремиться вверх к поверхности, вследствие значительной разницы давлений вызванной ее плавучестью, до тех пор, пока не просочится наружу. Когда к подземному резервуару бурится скважина, нефть устремляется в этот искусственно созданный бурением приемник, достигая поверхности земли, при этом давление жидкости, как правило, минимально. По мере того как скважина заполняется жидкостью, на подземный резервуар начинает действовать избыточное давление и если ничего не предпринимать, то наполнение скважины жидкостью очень скоро прекратиться. Большинство видов сырой нефти содержит большой процент природного газа, именно этот газ и выравнивает высокое давление в резервуаре. Газ начитает выравнивать давление, когда в пробуренной скважине образуется зона низкого давления и освобожденный газ сразу начинает занимать пространство. Это явление вместе с разбавлением нефти газом меньшей плотности имеет своим результатом то, что нефть «вытягивается» на поверхность земли. 
 Тем не менее, т.к. отток жидкой нефти из резервуара продолжается, давление в нем постепенно падает и содержание газа в растворе тоже уменьшается. В результате чего скорость потока в скважине падает и газа высвобождается все меньше и меньше. В итоге жидкость уже не может подниматься на поверхность, на этом этапе в работу вступают насосы (механизированная добыча), которые устанавливаются прямо в скважину. 
 В конечном счете, поток сырой нефти становиться таким слабым, а себестоимость работы насосов и их обслуживания настолько высокой, что стоимость механизированной добычи перекрывает выгоду полученную от продажи нефти. В таком случае (после учета стоимость добычи, налогов, и прибыли на инвестированный капитал) скважина признается выработанной и оставляется.

Добыча нефти  с искусственным поддержанием энергии пласта

 При первичной разработке к добыче сырья не привлекается никаких  источников внешней энергию кроме  тех, которые были необходимы для  поднятия жидкости на поверхность. Большинство  месторождений разрабатывается  несколькими скважинами, и как  только первичная разработка приближается к своей экономической границе, тогда как из этого резервуара было изъято не более 25 % сырой нефти. 
 Нефтедобывающая промышленность разработала методы поддержания добычи нефти с использованием практически чистой энергии природного месторождения. Эти метод известны под общим названием «добыча нефти с искусственным поддержанием энергии пласта», они способствуют повышению уровня добычи, однако это требует вложения дополнительных средств на поддержание сторонней энергии в резервуаре. В этом случае добыча вырастет в среднем до 33% от общего объема нефти. На сегодняшний день используются два дополнительных метода: метод заводнения и нагнетание пара в пласт.

Метод заводнения

В полностью  выработанном месторождении скважины можно бурить где угодно в пределах от 60 до 600 м друг от друга. Если закачать воду в одну из таких альтернативных скважин месторождения, можно будет поддерживать давление в резервуаре или даже повысить его. В этом случае добыча может возрасти, более того вода вытесняет нефть, повышая тем самым коэффициент извлечения. В некоторых резервуарах, отличающихся высокой степенью однородности содержимого и небольшой примесью глины, затопление может поднять процент добычи до отметки 60 и выше. Нагнетание было впервые более или менее удачно применено на нефтяных месторождениях Пенсильвании и уже в XIX веке эта практика распространилась по всему миру.

Нагнетание  пара

Этот метод  используется в резервуарах, в которых  содержатся вязкие нефти, отличающиеся густотой и медленностью перетекания. Пар не только предоставляет источник энергии, необходимый для перемещения нефти, но и способствует ее разжижению (вследствие повышения температуры внутри резервуара). Этот метод широко применялся в Калифорнии и Венесуэле. Это технология применяется для добычи вязкой сырой нефти, известной как битум. Битум должен быть превращен в разновидность сырой нефти, известной как синтетическая нефть.

Морское бурение

Бурение дна  океана в поисках нефти – один из самых ярких технических прорывов последних десятилетий, поскольку появились долгожданные технологии, позволяющие получать выгоду от залежей нефти под океанским дном. Тогда как бурение как технология было известно несколько сотен лет, эффективное подводное бурение появилось лишь лет сорок тому назад. Поиск нефти части приводит к отрицательным результатам.  
Для того чтобы перейти непосредственно к бурению на море должна быть установлена морская буровая установка. Плавучие платформы могут быть установлены на толще воды в несколько сотен метров. И еще перед тем, как начать бурение нужно локализовать месторождение нефти на океанском дне, учитывая то, что океан очень глубок и все работы проводятся в условиях плохой видимости. 
Для того, чтобы локализовать потенциальный нефтяной коллектор, инженеры применяют специальную сейсмографическую технику, проанализировав данные которой они принимают решение относительно того стоит ли проводить здесь пробное бурение или нет. Однако инженеры не уверены на все 100 % в том, что они верно выбрали место до тех пор, пока бур не начнет вгрызаться в океаническое дно. Из-за того, что нефтяные резервуары порой находятся очень и очень глубоко, необходимо задействовать прогрессивные компьютерные технологии, необходимые для контроля за тем, чтобы бур работал в заданном направлении. 
Как только месторождение нефти было обнаружено буровую установку сменяет плавучая платформа, на которой устанавливаются мощные краны и начинается добыча нефти. 
Еще один метод повышения добычи нефти с месторождения заключается в установке морского бурильного оборудования. 
Буровая вышка устанавливается, функционирует и обслуживается на плавучей платформе, бурильная установка может работать на глубине до нескольких сотен метров. Платформа может быть как плавучей, так и располагаться на опорах, установленных на океанском дне. 
Как и в обычных установках буровая вышка представляет собой устройство, поддерживающее бурильную колонну и обеспечивающее ее вращение. По мере того как бур проникает все глубже под землю, бурильную колонну удлиняют. Сила, необходимая для бурения земной коры, обеспечивается собственным весом бурильной колонны. Для того, чтобы обеспечить отток шлама, бур оснащен форсунками, через которые грязь удаляется с места бурения по пространству между стволом шахты и бурильной колонной (диаметр бура больше диаметра колонны). Самые удачные скважины бурятся прямо над целью на глубине более 6.4. км над уровнем океана. Морское бурение открыло новый ресурс добычи нефти.

Нестандартные залежи и источники нефти

«Нестандартная  нефть» – нефть, добытая с использованием технологий, отличающихся от традиционного бурения колодца. На сегодняшний день добыча нефти нестандартными способами считается менее эффективной, она оказывает более сильное воздействие на окружающую среду. Среди нетрадиционных источников нефти фигурируют нефтеносные пески, тяжелая вязкая нефть, био топлива, горючие сланцы, термальная деполимеризация органического субстрата и трансформация угля или природного газа в жидкие углеводороды в ходе таких процессов, как синтез Фишера-Тропша. Все эти источники нестандартной нефти могут стать достаточно популярными в качестве источников транспортного топлива, когда добыча нефти из стандартных источников станет экономически нежизнеспособной из-за значительного истощения ее запасов. На сегодняшний день в производстве задействованы источники «стандартной нефти» потому что они вырабатывают значительно больше энергии, чем было затрачено на ее добычу и переработку. Сегодня постепенно развиваются такие технологии, как нагнетание пара в отношении нефтеносных песков, эти технологии нацелены на повышение эффективности добычи «нестандартной нефти».

Тяжелая нефть и нефтеносные  пески

Гипертяжелая  нефть отличается высокой вязкостью, ее консистенция варьируется от густой сиропообразной жидкости до твердых комков. Плотность гипертяжелой нефти приближается к плотности воды или даже превышает ее. В силу этих причин такой сорт нефти невозможно добывать, транспортировать и перерабатывать обычными методами. Тяжелая нефть отличается высоким содержанием серы и металлов, в особенности никеля и ванадия, именно это затрудняет процесс ее откачки из недр земли. Эти же свойства нефти представляют серьезное испытание для окружающей среды в случае увеличения добычи и ее использования. Среди месторождений тяжелой нефти выделяются месторождения в Венесуэле, на реке Ориноко, эти запасы нефти оцениваются в 1.2 триллиона баррелей. 
Тяжелая нефть и нефтеносные пески встречаются в мире повсеместно, однако двумя крупнейшими месторождениями являются нефтеносные пески округа Атабаска, Канада и дельта реки Ориноко. Отложения углеводородов в этих местах носят название битумов. Венесуэльские залежи тяжелой нефти отличаются от залежей нефтеносных песков тем, что при определенной температуре такая нефть перетекает более легко и добыча такой нефти может производиться на оборудовании с подачей холодного воздуха.

Горючие сланцы

Горючие сланцы – общий термин, применяемый к  группе черных или темно-коричневых сланцев, богатых органическими веществами (именуемыми керогенами), из которых в процессе дистилляции получают нефть и горючий газ. Керогены, содержащиеся в сланцах, могут быть трансформированы в нефть в ходе химического процесса под названием пиролиз. Пиролиз подразумевает нагревание сланцев до 400-500 С˚ при отсутствии кислорода, именно при этих условиях происходит отделение керогенов и образование нефти, сам процесс носит название «перегонка в реторте». Горючие сланцы сжигаются как низкосортное топливо. Получение нефти из горючих сланцев – процесс требующий огромных затрат энергии и воды: для получения 100 000 баррелей в день требуется 1.2 гига ватта направленной электрической генерирующей мощности.

Био топлива

Био топлива, такие как биодизель, этанол и  растительное масло, также принадлежат к углеводородным топливам.

Трансформация угля и газа

Трансформация угля и газа в ближайшем будущем  может стать достаточно популярной вследствие малых энергетических затрат на этот процесс. Отдаленные месторождения  природного газа не эксплуатируются из-за слишком дорогой транспортировки этого полезного ископаемого. Трансформация может положительно решить этот вопрос.

Переработка нефти

 Как только нефть  была добыта с месторождения, ее обрабатывают химикатами и нагревают, чтобы удалить  воду и соли, отделить природный газ. После чего нефть хранится в цистернах или же в целой системе сообщающихся цистерн, в которых они и переправляются по миру морем, по автодорогам или по нефтепроводам.

Обычное дистиллирование

Основным  звеном переработки нефти считается дистилляция. В США после гражданской войны были запущены более 100 дистилляционных предприятий. Сырая нефть начинает испаряться при температуре, чуть меньшей, чем требуется для кипения воды. Углеводороды, отличающиеся минимальным весом молекул, испаряются еще при низких температурах, тогда как для того, чтобы дистиллировать более крупные молекулы требуется значительно более высокие температуры. Первым продуктом, получающимся при перегонке нефти, является бензин, за ним отделяются нафтены и керосин. Осадок, остающийся в перегонном аппарате, обрабатывают каустической содой и серной кислотой, после чего продолжают дистилляцию паром. Смазочные вещества и дистиллятное нефтяное топливо получаются на верхних отделениях, воска и асфальт - в нижних отделениях дистиллятора. 
В конце XIX века газолин и нафтены считались ненужным побочным продутом, поскольку в них не было потребности. Спрос на керосин тоже стал постепенно снижаться ввиду распространения электричества и использования электрического освещения. С появлением автомобиля спрос на бензин подскочил как никогда, равно как и спрос на сырье.