Нефть и газ - основа топливно-энергетического хозяйства всех развитых стран, богатейшее химическое сырье. Добыча нефти и газа - это сложный и многогранный процесс, насыщенный техническими устройствами. Оператор по добыче нефти и газа должен быть механиком широкого профиля и знать электротехнику, автоматику и основы электроники, хорошо разбираться в геологии и бурении.
Нефтепромысловая геология.
Нефтегазоносные пласты залегают на значительных глубинах, и для доступа к ним бурят скважины. Скважина - это цилиндрическая горная выработка весьма большой глубины и малого диаметра. Бурение всех разведочных и части эксплуатационных скважин ведется с отбором керна. Керн - это столбик выбуренной породы. По кернам изучают физические и химические свойства пород, слагающих пласты. Исследуют состав насыщающих эти пласты жидкостей и газов. Вместе с изучением керна, проводятся геофизические исследования скважин. Это позволяет точно определить геологический разрез, подсчитать запасы нефти и газа.
Для крепления скважины и разобщения пластов опускают колонны металлических труб:
- Направление
- Кондуктор
- Эксплуатационную колонну.
Пространство между стенками скважины и трубами цементируют до устья скважины. Для сообщения скважины с продуктивным пластом колонну перфорируют, проделывая десятки отверстий. Нефть и газ скапливаются в проницаемых породах, пористых или трещиноватых, ограниченных сверху и снизу породами непроницаемый.
Нефтяных озер в пластах не существует.
Залежи обладают запасом пластовой энергии, вид который определяет режим залежи. В чистом виде можно выделить следующие режимы:
- Водонапорный - здесь источником пластовой энергии служит напор краевых или подошвенных вод.
- Газонапорный - источником пластовой энергии является давление газовой шапки.
- Растворенного газа - источником пластовой энергии служит энергия газа, растворенного в нефти.
- Упругий - источник пластовой энергии - упругие свойства пласта и насыщающих его жидкостей и газов.
- Гравитационный - активно проявляется в круто падающих в пластах. Приток нефти в скважину идёт за счёт силы тяжести.
В природе эти режимы встречаются в различных сочетаниях.
Способы добычи нефти и газа.
Нефть добывают фонтанным, или одним из механизированных способов. Выбора способа определяется величиной пластовой энергии, а также геолого-технической характеристикой скважины.
Фонтанный способ
При фонтанном способе добычи, нефть самотеком устремляется по насосно-компрессорным трубам на поверхность. Скважину герметизируют фонтанной арматурой. Она служит для отвода нефти и газа в сборной нефтепровод и для регулирование дебита скважины, позволяет вести промысловые исследования. При истощении или недостатке пластовой энергии, нефть добывают механизированным способом.
Газлифтный способ
При газлифтной или компрессорной добыче, подъем нефти осуществляется сжатым газом, который нагнетают в скважину с поверхности. Газлифтный подъемник - это колонна насосно-компрессорных труб с пусковыми и рабочими клапанами. Газ через клапаны поступает в трубы и увлекает нефть наверх. Дебит скважины регулируется изменением объема закачки газа. Устьевая арматура газлифтных скважин - та же, что и у фонтанной. Но дополнительно подводится газовая линия для закачки газа в скважину. Газлифтный способ имеет сравнительно ограниченное применение.
Добыча нефти штанговыми глубинными насосами.
Наиболее распространена добыча нефти штанговыми насосами. Они могут работать на глубинах до двух с половиной тысяч метров. Возвратно-поступательные движения плунжеру насоса передается от станка качалки через колонну насосных штанг.
Ознакомимся с принципом работы этого насоса. При ходе плунжера вверх, открывается всасывающий клапан, и нефть из скважины заполняет цилиндр насоса. При опускании плунжера, закрывается всасывающий клапан и открывается нагнетательный. Нефть из цилиндра перетекает в колонну компрессорных труб и далее через устьевую арматуру - в нефтепровод.
Диаграмма нагрузок снятая в точке подвеса штанг и называемая динамограммой, позволяет оценивать работу насоса, а также дебит скважины.
Добыча нефти электроцентробежными насосами.
Погружные электроцентробежные насосы выпускаются на производительность от 40 до 700 кубометров в сутки, с напором до 1700 м. Наземное оборудование установки состоит из устьевой арматуры, автотрансформатора и станции управления. Многосекционный центробежный насос имеет от 80 до 400 секций.
Вместе с маслонаполненным двигателем и гидрозащитой, насос опускается в скважину. Монтаж и проверка погружного электронасоса ведется непосредственно перед спуском, прямо на устье скважины. Питание к электродвигателю подается по бронированному герметичному кабелю. В сборе длина подземной части установки достигает 30 метров и более.
Ознакомимся с принципом работы такого насоса. Через приемный фильтр пластовая жидкость поступает на вход первого рабочего колеса. Накапливая энергию, поток проходит все ступени насоса, выбрасывается в полость насосно-компрессорных труб и через устьевую арматуру - в нефтепровод. Частые остановки и пуски погружного насоса - нежелательны.
При обслуживании скважин, оператор обходит их по установленному маршруту и проверяет состояние наземного оборудования. Оператор снимает показания приборов, осматривает устьевое оборудование и отбирает пробы жидкости. По заданию мастер снимает динамограммы. Оператор участвует в работах по депарафинизации скважин, передает диспетчеру информацию с объектов, готовит скважины к ремонту.
Замену подземного оборудования скважин, производит бригада текущего ремонта. Более сложные ремонты, такие как время такие как работа с пластом, извлечение аварийного оборудования, или переход на другие горизонты, выполняют бригады капитального ремонта скважин.
Персонал промыслов должен знать и строго соблюдать правила охраны труда и требования инструкции по эксплуатации оборудования.
Промысловый сбор нефти и газа
Вся продукция скважин поступает на автоматизированные групповые замерные установки. Установка "Спутник" позволяет измерять суточный дебит скважины от 5 до 400 кубометров. К ней может подключаться до 14 скважин. Перед входом в технологический блок установки, его необходимо провентилировать.
Установка работает следующим образом - нефть от скважин поступает на многоходовой переключатель, который по заданной программе подключает одну из скважин на замер. В двухемкостном замерном сепараторе, отделившийся газ уходит в общий коллектор, а жидкость накапливается в нижней емкости. По мере ее накопления, поплавок, через систему рычагов, запирает заслонкой газовую линию и в сепараторе повышается давление. Этим избытком давления, жидкость из сепаратора вытесняется через расходомер в общий коллектор.
Результаты замера фиксируются в блоке управления, и по системе телемеханики предаются на диспетчерский пульт промысла. От установки "Спутник", продукции скважин поступает на дожимные насосные станции. На дожимных станциях, в нефтегазовых сепараторах происходит разделение газа и нефти.
Принцип работы такого аппарата следующий - перед входом в сепаратор, свободный газ из трубопровода отводится в газовую часть сепаратора. Жидкость растекается по полкам, где в тонком слое идет окончательное отделение газа. Через каплеотбойники газ уходит в газосборный коллектор, и далее поступает в приемные сепараторы газокомпрессорных станций, где его осушают от конденсата.
Компрессорными агрегатами станции, газ перекачивается на газоперерабатывающие заводы. Как ценнейшее углеводородное сырье, попутный газ должен полностью собираться для использования в народном хозяйстве. Нефть из нефтегазовых сепараторов накапливается в буферных емкостях и отсюда в автоматическом режиме откачивается на товарные парки. При этом на дожимных станциях ведется учет добычи нефти по бригадам, а на товарном парке учитывается добыча по промыслу в целом.
Промысловая подготовка нефти.
Нефти, кроме газа, сопутствуют вода и растворенные соли. А сама нефть содержит легкие фракции, способные испаряться. Для сокращения потерь нефти при транспортировке и хранении, и для снижения затрат на транспорт, проводят подготовку нефти на промысле, на месте ее добычи. После сепаратора второй ступени на товарных парках, продукция промысла поступает в технологические резервуары для частичного обезвоживания.
Рассмотрим работу такого резервуара. Водонефтяная смесь, через распределитель поступает в нижнюю часть резервуары. Нефть всплывает наверх а вода накапливается внизу, и затем направляется в очистные сооружения. Частично обезвоженная нефть из технологических резервуаров перетекает в буферные, откуда подается на установки комплексной подготовки нефти. На этих установках, нефть нагревают в теплообменниках и вводят в отстойники для обезвоживания. Из отстойников нефть вводят в дегидраторы - шаровые или горизонтальные. Здесь в электрическом поле высокого напряжения, нефть полностью очищается от солей и воды.
Обессоленную нефть стабилизируют, то есть отбирают из неё широкую фракцию легких углеводородов. Для этого нефть дополнительно разогревают в печах до парожидкого состояния и вводят в стабилизационную колонну. В результате сложных физических процессов, в колонне происходит отделение легких углеводородов, которые отбираются из верхней части установки. После охлаждения и конденсации, широкую фракцию разделяют в бензосепараторах на жидкую и газовую фазы. Газ используют на промыслах как топливо, а жидкая фракция направляется на нефтехимические заводы.
Стабильная нефть из нижней части колонны проходит через теплообменники где охлаждается, отдавая избыточное тепло сырой нефти, поступающей на подготовку. Наконец через узлы коммерческого учета товарных парков, стабильная нефть сдается нефтепроводным управлениям.
Вода, отделившаяся при подготовке нефти, идет на очистные сооружения. Обычно это резервуары с водоотталкивающим фильтром. Неочищенная вода вводится в верхнюю часть резервуара, прямо в фильтр, которым служит нефтяной слой. Капельки нефти и механические примеси удерживаются в слое. По мере накопления, нефть возвращается на подготовку.
Очищенная вода через узлы учета откачивается на кустовые насосные станции. Здесь, насосами высокого давления воду закачивают через нагнетательные скважины в продуктивный пласт, для восполнения пластовой энергии.
Объекты нефтегазодобычи многочисленны, технически сложны и разобщены территориально. Они работают в непрерывных режимах. Управление процессом нефтегазодобычи требует постоянного контроля, и быстрого принятия разнообразных решений. Только автоматизированные системы управления делают возможной слаженную работу всех технологических звеньев промысла.
Нефть, газ и промысловые сточные воды способны активно загрязнять окружающую среду. Меры по охране природы предусматриваются при проектировании и осуществляются при обустройстве и разработке нефтяных и газовых месторождений. Строгое соблюдение этих мер обеспечивает надежную защиту природной среды от вредных воздействий.
Нефть - это чёрное золото нации. Именно благодаря нефти человечество имеет топливо для работы машин, самолётов и судов. Из нефти производится не только бензин, но и дизельное топливо, керосин, газовые смеси (бутан и пропан). Также нефть используется в производстве строительных материалов и различной резины. Для изготовления смазок и масел также применяют нефть. «Чёрное золото» используется при производстве моющих средств. Это далеко не полный список применения нефти, это поистине очень востребованное сырье на сегодняшний день. Для того, чтобы получить все эти нужные и необходимые вещества, нужно знать, где и как добывают нефть.
Нахождение нефти
Перед получением нефти происходит сложный и длительный процесс по местонахождению залежей этой жидкости. Компании, которые занимаются добычей нефти, используют специальную технику, пользуются услугами геологов. Но сколько бы вычислений при помощи самой точной техники и великих умов ни проводилось, знать наверняка, где находится нефть, просто невозможно. Для того чтобы найти нефть, проводят исследования почвы, которые не всегда увенчиваются успехом. Перед тем как находят нефть, делают много «пустых» скважин. Чтобы найти подходящую в промышленных масштабах скважину, можно пробурить до 200 скважин, находящихся прямо возле залежей «чёрного вещества». Такая лотерея не всегда оправдана. Услуги рабочих и вся техника для бурения стоят немало, можно потерять большие деньги, прежде чем найти «золотую жилу». Главное, что нужно обнаружить, - это место, в котором сосредоточены так называемые «ловушки». Это места, в которых накапливается нефть (газ), благодаря определённому строению недр земли. Можно сказать, это своеобразная выемка под землёй, куда стекает нефть. Если такое место обнаружено, там налаживается добыча искомых веществ.
Способы добычи нефти
- Способ механизированный. Когда источник обнаружен, требуются специальные системы для добычи нефти из недр земли. При помощи бура сверлят скважину. Перед тем как устанавливать технику, измеряют расстояние непосредственно до самых залежей нефти. Затем на глубину, где и сосредоточены залежи, проводятся трубы, по которым нефть должна подниматься наверх. В эту систему из труб помещается насос. Его подключают к трансформатору, который и подаёт энергию для работы. Этот трансформатор находится на поверхности земли. От него проводится длинный кабель, который и подключают к насосу. За всем процессом необходимо тщательно наблюдать. Поэтому возле всей системы подачи питания в насос постоянно есть люди, которые управляют процессом. Система, которая помещается в скважину по трубам, состоит из самого насоса, специальных труб и двигателя. С помощью этого насоса нефть должна подниматься из скважины. Вот как качают нефть при помощи техники.
- Второй способ - фонтанный. Данный способ применяется без особых затрат на дополнительные механизмы. Нефть движется на поверхность с помощью пластовой природной энергии при воздействии некоторого оборудования, а в некоторых случаях и вовсе без него. Дело в том, что нефть лежит под огромным давлением земляных пород. И если пробить ей путь, она непременно начнёт бить фонтаном. Напор нефти настолько велик, что она может образовать фонтан даже при малейшем прикосновении бура к прикрывающему её верхнему пласту. Пробуривают скважину, у основы поверхности устанавливают специальную арматуру. Благодаря такой технике фонтан из нефти можно регулировать (усиливать, уменьшать, останавливать). А в саму скважину на расстояние места нахождения залежей опускается специальная колонна. Она состоит из труб и насосов. Нефть под своим давлением пробивается наружу, где и собирается в контейнеры. Когда давление нефти падает (это зависит от уменьшения её количества в земле), арматуру снимают. На её место устанавливают механизмы, которые продолжат собирать «чёрное золото».
В журнале очаровательной vl_ad_le_na прочитал великолепный пост о добыче нефти. Публикую с разрешения автора.
Что такое нефть?
Нефть - это смесь жидких углеводородов: парафины, ароматика и прочие. На самом деле, нефть не всегда черная - бывает и зеленая (девонская, раньше у меня в баночке стояла, жаль, выкинула), коричневая (самое частое) и даже белая (прозрачная, вроде бы на Кавказе она водится).
Нефть делится по качеству на несколько классов в зависимости от химического состава - соответственно, меняется ее цена. Еще в нефти очень часто растворен попутный газ, который так ярко горит на факелах.
Газа может быть растворено от 1 до 400 кубических метров в кубическом метре нефти. То есть дофига. Сам этот газ в основном состоит из метана, но ввиду трудности его подготовки (его надо сушить, очищать и доводить до ГОСТовых чисел Воббе - чтобы была строго определенная теплота сгорания) попутный газ очень редко используется в бытовых целях. Грубо говоря, если газ с промысла пустить в квартиру в газовую плиту, последствия могут быть от копоти на потолке до насмерть испорченной плиты и отравлений (например, сероводородом).
Ах, да. Еще одна попутная гадость в нефти - растворенный сероводород (потому что нефть - органическое вещество). Он очень ядовитый и очень коррозионно активный. Это накладывает свои трудности на добычу нефти. На дОбычу нефтИ. Профессионализм, который я, к слову сказать, не употребляю.
Откуда взялась нефть?
На этот счет есть две теории (подробнее - ). Одна - неорганическая. Впервые была высказана Менделеевым и заключается в том, что вода протекала мимо раскаленных карбидов металлов, и, таким образом, образовывались углеводороды. Вторая - органическая теория. Считается, что нефть "созревала", как правило, в морских и лагунных условиях, путем перегнивания органических остатков животных и растений (илов) в определенных термобарических условиях (высокое давление и температура). В принципе, исследования подтверждают эту теорию.
Зачем нужна геология?
Стоит, наверное, упомянуть строение нашей Земли. По-моему, на картинке все красиво и ясно.
Так вот, нефтяные геологи имеют дело только с земной корой. Она состоит из кристаллического фундамента (там нефть находится оооочень редко, поскольку это магматические и метаморфические породы) и из осадочного чехла. Осадочный чехол состоит из осадочных пород, но не буду углубляться в геологию. Скажу только, что глубины нефтяных скважин обычно порядка 500 - 3500 м. Вот на этой глубине и лежит нефть. Выше обычно только вода, ниже - кристаллический фундамент. Чем глубже порода - тем раньше она отложилась, что логично.
Где залегает нефть?
Вопреки почему-то распространенным мифам о "нефтяных озерах" под землей, нефть находится в ловушках. Упрощая, ловушки в вертикальном разрезе выглядят так (вода - вечная спутница нефти):
(Складка, выгнутая "спиной" вверх, называется антиклиналью. А если она похожа на чашу - это синклиналь, в синклиналях нефть не задерживается).
Или так:
А в плане они могут быть круглыми или овальными поднятиями. Размеры - от сотен метров до сотен километров. Одна или несколько таких ловушек, расположенных рядом, являются месторождением нефти.
Поскольку нефть легче воды, то всплывает вверх. Но чтобы нефть никуда больше не утекла (вправо, влево, вверх или вниз), пласт с ней должен быть ограничен породой-покрышкой сверху и снизу. Обычно это глины, плотные карбонаты или соли.
Откуда берутся изгибы внутри земной коры? Ведь породы откладываются горизонтально или почти горизонтально? (если они откладываются кучками, то эти кучки обычно быстро разравниваются ветром и водой). А изгибы - поднятия, опускания - возникают вследствие тектоники. Видели на картинке с разрезом Земли слова "турбулентная конвекция"? Эта самая конвекция двигает литосферные плиты, что приводит к образованию трещин в плитах, а следовательно, смещениям блоков между трещинами и изменениям во внутреннем строении Земли.
Как залегает нефть?
Нефть залегает не сама по себе, как было уже сказано, нефтяных озер не существует. Нефть находится в горной породе, а именно, в ее пустотах - порах и трещинах:
Породы характеризуются такими свойствами, как пористость
- это доля объема пустот в породе - и проницаемость
- способность породы пропускать через себя жидкость или газ. Например, обычный песок характеризуется очень высокой проницаемостью. А бетон - уже гораздо хуже. Но смею заверить, что порода, залегающая на глубине 2000 м с высоким давлением и температурой по свойствам гораздо ближе к бетону, чем к песку. Я щупала. Тем не менее, оттуда добывается нефть.
Это керн - выбуренный кусок горной породы. Плотный песчаник. Глубина 1800 м. Нефти в нем нет.
Еще одно важное дополнение - природа не терпит пустоты. Практически все пористые и проницаемые породы, как правило, водонасыщены, т.е. в их порах находится вода. Соленая, поскольку она протекала через множество минералов. И логично, что часть этих минералов уносится вместе с водой в растворенном виде, а потом, при изменении термобарических условий, выпадает в этих самых порах. Таким образом, зерна породы становятся скреплены солями и этот процесс называется цементированием. Именно поэтому, по большому счету, скважины не осыпаются сразу же в процессе бурения - потому что породы сцементированы.
Как находят нефть?
Обычно сначала по сейсморазведке: пускают колебания на поверхности (взрывом, например) и замеряют время их возврата по приемникам.
Далее по времени возврата волны вычисляют глубину того или иного горизонта в разных точках на поверхности и строят карты. Если на карте выявляется поднятие (=антиклинальная ловушка), ее проверяют на наличие нефти бурением скважины. Далеко не во всех ловушках есть нефть.
Как бурят скважины?
Скважина - это вертикальная горная выработка с длиной во много раз больше ширины.
Два факта о скважинах: 1. Они глубокие. 2. Они узкие. Средний диаметр скважины при входе в пласт - порядка 0,2-0,3 м. То есть туда человек не пролезет однозначно. Средняя глубина - как уже говорила, 500-3500 м.
Бурят скважины с буровых вышек. Есть такой инструмент для измельчения горной породы, как долото. Заметьте, не бур. И оно совершенно не похоже на то самое винтообразное устройство из "Черепашек Ниндзя".
Долото подвешено на буровых трубах и крутится - оно прижато ко дну скважины весом этих самых труб. Есть разные принципы приведения долота в движение, но обычно вращается вся буровая колонна труб, чтобы вертелось долото и измельчало своими зубцами горную породу. Также в скважину постоянно закачивается (внутрь буровой трубы) и откачивается (между стенкой скважины и наружной стенкой трубы) буровой раствор - для того, чтобы охлаждать всю эту конструкцию и уносить с собой частицы измельченной породы.
Для чего нужна вышка? Чтобы подвесить на ней эти самые буровые трубы (ведь в процессе бурения верхний конец колонны опускается, и к нему надо привинчивать новые трубы) и чтобы поднимать колонну труб для замены долота. Бурение одной скважины занимает около месяца. Иногда используется специальное кольцевое долото, которое при бурении оставляет центральный столбик породы - керн. Керн отбирается для изучения свойств горных пород, хотя это и дорого. Еще скважины бывают наклонные и горизонтальные.
Как узнать, где какой пласт лежит?
Человек не может спуститься в скважину. Но нам же надо знать, что мы там пробурили? Когда скважина пробурена, в нее на кабеле спускают геофизические зонды. Эти зонды работают на совершенно разных физических принципах работы - собственная поляризация, индукция, измерение сопротивления, гамма-излучение, излучение нейтронов, измерение диаметра скважины и т.д. Все кривые записываются в файлы, получается вот такой кошмар:
Теперь в работу вступают геофизики. Зная физические свойства каждой породы, они выделяют пласты по литологии - песчаники, карбонаты, глины - и выполняют разбивку разреза по стратиграфии (т.е. к какой эпохе и времени относится пласт). Думаю, про парк юрского периода слышали все:
На самом деле, есть намного более детальное разбиение разреза на ярусы, горизонты, пачки и т.д. - но нам сейчас это неважно. Важно то, что коллектора нефти (пласты, способные отдавать нефть) бывают двух типов: карбонатные (известняки, как мел, например) и терригенные (песок, только сцементированный). Карбонаты - это СаСО3. Терригенные - SiO2. Это если грубо. Сказать, какие лучше, нельзя, они все разные бывают.
Как скважину готовят к работе?
После того, как скважина пробуривается, ее обсаживают. Это значит - спускают длинную колонну стальных обсадных труб (диаметром практически как скважина), а затем в пространство между стенкой скважины и наружной стенкой трубы закачивают обычный цементный раствор. Это делается для того, чтобы скважина не осыпалась (ведь не все породы хорошо сцементированы). В разрезе скважина теперь выглядит так:
Но мы закрыли обсадной колонной и цементом нужный нам пласт! Поэтому выполняется перфорация колонны напротив пласта (а как узнать, где нужный пласт? геофизика!). Спускается, опять же, на кабеле перфоратор с заложенными в него взрывными зарядами. Там заряды срабатывают и образуются дыры и каналы перфорации. Теперь нас не волнует вода с соседних пластов - мы проперфорировали скважину только напротив нужного.
Как добывают нефть?
Самая интересная часть, думаю. Нефть гораздо более вязкая, чем вода. Думаю, что такое вязкость - понятно интуитивно. Некоторые нефтяные битумы, например, похожи по вязкости на сливочное масло.
Зайду с другого конца. Жидкости в пласте находятся под давлением - на них напирают вышележащие слои пород. А когда мы бурим скважину - со стороны скважины не давит ничего. То есть в районе скважины давление пониженное. Создается перепад давления, называемый депрессией, и именно он приводит к тому, что нефть начинает течь в сторону скважины и появляться в ней.
Для описания притока нефти есть два простых уравнения, которые должны знать все нефтяники.
Уравнение Дарси для прямолинейного потока:
Уравнение Дюпюи для плоско-радиального течения (как раз случай притока жидкости к скважине):
Собственно, на них и стоим. Дальше углубляться в физику и писать уравнение нестационарного притока не стоит.
С технической точки зрения наиболее распространены три способа добычи нефти.
Фонтанный. Это когда пластовое давление очень высокое, и нефть не просто поступает в скважину, а еще и поднимается до самого ее верха и переливается (ну, на самом деле не переливается, а в трубу - и дальше).
Насосами ШГН (штанговый глубинный насос) и ЭЦН (электроцентробежный насос). Первый случай - это обычный станок-качалка.
Второй на поверхности вообще не видно:
Заметьте, вышек нет. Вышка нужна только для спуска/подъема труб в скважине, но не для добычи.
Суть работы насосов проста: создание дополнительного давления, чтобы жидкость, поступившая в скважину, могла по скважине подняться до поверхности земли.
Стоит вспомнить обычный стакан с водой. Как мы из него пьем? Наклоняем, правильно? А вот скважину наклонить не получится. Но в стакан с водой можно опустить трубочку и пить через нее, втягивая жидкость ртом. Примерно так скважина и работает: ее стенки - стенки стакана, а вместо трубочки в скважину спускают колонну насосно-компрессорных труб (НКТ). Нефть поднимается по трубам.
В случае ШГН станок-качалка двигает своей "головой" вверх-вниз, соответственно, приводя в движение штангу. Штанга при движении вверх увлекает за собой насос (открывается нижний клапан), а при движении вниз насос опускается (открывается верхний клапан). Вот так, понемногу, жидкость поднимается вверх.
ЭЦН работает напрямую от электричества (с мотором, естественно). Внутри насоса крутятся колеса (горизонтальные), в них есть прорези, так нефть и поднимается наверх.
Должна добавить, что открытое фонтанирование нефти, которое любят показывать в мультиках, - это не только аварийная ситуация, а еще и экологическая катастрофа и миллионные штрафы.
Что делать, когда нефть плохо добывается?
С течением времени нефть перестает выжиматься из породы под весом вышележащих толщ. Тогда в работу вступает система ППД - поддержания пластового давления. Бурятся нагнетательные скважины, и в них закачивается вода под высоким давлением. Естественно, закачанная или пластовая вода рано или поздно попадет в добывающие скважины и будет подниматься наверх вместе с нефтью.
Еще надо отметить, что чем больше доля нефти в потоке, тем быстрее она течет, и наоборот. Поэтому чем больше воды течет вместе с нефтью, тем труднее нефти выбраться из пор и попасть в скважину. Зависимость доли проницаемости по нефти от доли воды в потоке представлена ниже и называется кривыми относительных фазовых проницаемостей. Тоже очень нужное понятие для нефтяника.
Если призабойная зона пласта загрязнилась (мелкими частицами породы, унесенными вместе с нефтью, или выпали твердые парафины), то проводят кислотные обработки (скважину останавливают и в нее закачивают небольшой объем соляной кислоты) - этот процесс хорош для карбонатных пластов, потому что они растворяются. А для терригенных (песчаников) кислота пофигу. Поэтому в них проводят гидроразрыв пласта - в скважину качают гель под очень высоким давлением, так, что пласт начинает трескаться в районе скважины, после этого закачивают проппант (керамические шарики или крупный песок, чтобы трещина не закрылась). После этого скважина начинает работать гораздо лучше, потому что препятствия потоку ликвидированы.
Что с нефтью происходит потом, когда она добыта?
Сначала нефть поднимается на поверхность земли в трубу, которая идет от каждой скважины. 10-15 близлежащих скважин подключены этими трубами к одному замерному устройству, где измеряется, сколько нефти добыто. Потом нефть поступает на подготовку по стандартам ГОСТ: из нее удаляются соли, вода, механические примеси (мелкие частицы породы), если необходимо, то и сероводород, а также нефть разгазируется полностью, до атмосферного давления (вы же помните, что в нефти может быть дофига газа?). Товарная нефть поступает на нефтеперерабатывающий завод. Но завод может быть далеко, и тогда в дело вступает компания "Транснефть" - магистральные трубопроводы для готовой нефти (в отличие от промысловых трубопроводов для сырой нефти с водой). По трубопроводу нефть качается такими же точно ЭЦН-ами, только положенными набок. В них точно так же вращаются рабочие колеса.
Отделенная от нефти вода закачивается обратно в пласт, газ сжигается на факеле или идет на газоперерабатывающий завод. А нефть либо продается (за границу трубопроводами или танкерами), либо идет на нефтеперерабатывающий завод, где перегоняется путем нагревания: легкие фракции (бензин, керосин, лигроин) идут на топливо, тяжелые парафинистые - на сырье для пластиков и т.п., а самые тяжелые мазутные с температурой кипения выше 300 градусов обычно служат топливом для котельных.
Как всё это регулируется?
Для добычи нефти есть два главных проектных документа: проект подсчета запасов (там обосновывается, что нефти в пласте именно столько, а не больше и не меньше) и проект разработки (там описывается история месторождения и доказывается, что надо разрабатывать его именно так, а не иначе).
Для подсчета запасов строятся геологические модели, а для проекта разработки - гидродинамические (там вычисляется, как месторождение будет работать в том или ином режиме).
Сколько всё это стоит?
Сразу скажу, все цены, как правило, конфиденциальны. Но могу примерно сказать: скважина в Самаре стоит 30-100 млн.руб. в зависимости от глубины. Тонна товарной (не переработанной) нефти стоит по-разному. Когда считала первый диплом, давали величину около 3000 р., когда второй - около 6000 р., разница во времени - год, но это могут быть и не реальные значения. Сейчас - не знаю. Налоги составляют как минимум 40% от прибыли, плюс налог на имущество (в зависимости от балансовой стоимости имущества), плюс налог на добычу полезных ископаемых. Добавьте деньги, требуемые на зарплату работникам, на электричество, на ремонт скважин и обустройство месторождения - строительство трубопроводов и оборудования для сбора и подготовки нефти. Очень часто экономика проектов разработки уходит в минус, поэтому надо ухищряться работать в плюс.
Добавлю такое явление, как дисконтирование - тонна нефти, добытая в следующем году, ценна меньше, чем тонна нефти, добытая в этом. Поэтому нужна интенсификация добычи нефти (которая тоже стоит денег).
Итак, я вкратце изложила то, чему училась 6 лет. Весь процесс, от появления нефти в пласте, разведки, бурения, добычи, переработки и транспортировки до продажи - вы видите, что для этого требуются специалисты совершенно различных профилей. Надеюсь, что хоть кто-то прочитал этот длиннющий пост - а я очистила совесть и развеяла хотя бы немногие мифы, окружающие нефть.
Нефть представляет собой горючую маслянистую жидкость, имеющую цвет от светло-коричневого (почти прозрачного) до темно-бурого (почти черного). По плотности делится на легкую, среднюю и тяжелую.
В настоящее время представить современный мир без нефти невозможно. Она является главным источником топлива для различного транспорта, сырьем для производства различных товаров народного потребления, лекарств и прочего. А как добывают нефть?
Разработки
Нефть вместе с природным газом накапливается в пористых породах, которые называются коллекторами. Они могут быть различными. Хорошим считается коллектор, представляющий пласт песчаника, который располагается между слоями глины и глинистых сланцев. Это исключает утечку нефти и газа из подземных резервуаров.
Как только полезные ископаемые обнаружены, проводится оценка их запасов в пласте, качества и разрабатывается способ безопасного извлечения и транспортировки до перерабатывающей установки. Если по расчетам и газа в данном месторождении является экономически выгодной, то начинается установка эксплуатационного оборудования.
Особенности добычи нефти
В природных резервуарах, где добывают нефть, она находится в сыром состоянии. Как правило, горючая жидкость смешана с газом и водой. Часто они находятся под высоким давлением, под воздействием которого нефть вытесняется к необорудованным скважинам. Это может привести к возникновению проблем. Иногда давление бывает настолько мало, что требуется установка специального насоса.
Процесс добычи нефти можно разделить на три этапа:
- Движение жидкости по пласту по направлению к скважине. Осуществляется за счет природной или искусственно создаваемой разности давления.
- Движение жидкости по скважине - от забоя до устья.
- Сбор нефти с газом и водой на поверхности, их разделение, очистка. А далее жидкость транспортируется до перерабатывающих установок.
Существуют различные методы добычи нефти, которые зависят от типа месторождения полезного ископаемого (суша, вида коллектора, глубины заложения. Также способ может меняться по мере опустошения природного резервуара. Стоит отметить, что морская добыча нефти - более сложный процесс, так как требует устройства подводных установок.
Естественная добыча
Как добывают нефть? Для этого используется сила давления, естественного или создаваемого искусственно. Эксплуатация скважины при энергии пласта называется фонтанной. В данном случае под давлением подземных вод, газа нефть поднимается наверх, не требуя привлечения дополнительного оборудования. Однако фонтанный способ используется только для первичной добычи полезного ископаемого, когда давление значительное и способно поднимать жидкость наверх. В дальнейшем необходимо применение дополнительного оборудования, позволяющего полностью выкачать нефть.
Фонтанный способ является самым экономичным. Для регулировки подачи нефти устанавливается специальная арматура, которая герметизирует контролирует объем подаваемого вещества.
После первичной добычи используются вторичный и третичный методы, позволяющие максимально эффективно использовать месторождение.
Первичный, вторичный и третичный методы
При естественном способе добычи нефти используется поэтапный метод:
- Первичный. Жидкость поступает под воздействием высокого давления в пласте, которое образуется от подземных вод, расширения газов и прочее. При таком способе коэффициент извлечения нефти (КИН) составляет примерно 5-15%.
- Вторичный. Такой метод используется тогда, когда естественного давления уже недостаточно, чтобы поднимать нефть по скважине. В этом случае применяется вторичный способ, который заключается в подводе энергии извне. В этом качестве выступает закачиваемая вода, попутный или натуральный газ. В зависимости от пород резервуара и характеристик нефти, КИН при вторичном методе достигает 30%, а суммарное значение - 35-45%.
- Третичный. Такой метод заключается в увеличении подвижности нефти для повышения ее отдачи. Один из способов - это TEOR, при помощи которого за счет нагрева жидкости в пласте уменьшается вязкость. Для этого наиболее часто применяется водяной пар. Реже используется частичное сжигание нефти на месте, непосредственно в самом пласте. Однако такой способ не очень эффективен. Для изменения между нефтью и водой можно ввести специальные ПАВ (или детергенты). Третичный метод позволяет повысить КИН еще примерно на 5-15%. Данный способ используется лишь в том случае, если добыча нефти продолжает оставаться рентабельной. Поэтому применение третичного метода зависит от цен на нефть и стоимости ее извлечения.
Механизированный способ: газлифт
Если энергия для подъема нефти подводится извне, то такой способ добычи называется механизированным. Он подразделяется на два вида: компрессорный и насосный. Каждый из методов имеет свои особенности.
Компрессорный также носит название газлифтный. Этот метод подразумевает закачку газа в скважину, где он смешивается с нефтью. В результате плотность смеси снижается. Давление забойное также уменьшается, становится ниже пластового. Все это приводит к движению нефти к поверхности земли. Иногда газ под давлением подается из соседних пластов. Такой способ называется "бескомпрессорный газлифт".
На старых месторождениях применяется и система эрлифта, при которой используется воздух. Однако такой способ требует сжигания нефтяного газа, а трубопровод имеет низкую устойчивость к поражению коррозией.
Газлифт для добычи нефти используется в Западной Сибири, Западном Казахстане, Туркмении.
Механизированный способ: использование насосов
При насосном способе на определенную глубину опускаются насосы. Оборудование подразделяется на различные виды. Наибольшее распространение получили штанговые насосы.
Рассмотрим, как добывают нефть данным способом. Принцип работы такого оборудования следующий. В скважину опускаются трубы, внутри которых расположены всасывающий клапан и цилиндр. В последнем установлен плунжер с нагнетательным клапаном. Движение нефти осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения плунжера. При этом попеременно открываются-закрываются всасывающий и нагнетательный клапаны.
Производительность штанговых насосов составляет примерно 500 куб. м/сутки при глубине скважины 200-400 м, а при глубине 3200 м - до 20 куб. м/сутки.
Для добычи нефти могут использоваться и бесштанговые наносы. В данном случае через ствол скважины к оборудованию подводится электрическая энергия. Для этого используется специальный кабель. Также может применяться и другой вид энергонесущего потока (теплоноситель, сжатый газ).
В России чаще используется центробежный вид электронасоса. С помощью такого оборудования добывается большая часть нефти. При использовании электрических насосов на поверхности земли необходимо устанавливать станцию управления и трансформатор.
Добыча в странах мира
Было рассмотрено, как добывают нефть из природных резервуаров. Стоит ознакомиться и с темпами развития. Изначально, до середины 70-х гг., добыча нефти удваивалась практически каждое десятилетие. Затем темпы развития стали не столь активными. Объем нефти, которая была выкачана с начала добычи (с 1850-х гг.) до 1973 года, составил 41 миллиард тонн, почти половина которого пришлась на 1965-1973 гг.
Крупнейшими мировыми нефтедобытчиками на сегодня являются такие страны, как Саудовская Аравия, Россия, Иран, США, Китай, Мексика, Канада, Венесуэла, Казахстан. Именно эти государства являются главными на рынке «черного золота». Стоит отметить, что добыча нефти в США стоит не на верхних позициях, но страна выкупила крупные месторождения в других государствах.
Крупнейшими нефтегазоносными бассейнами, в которых осуществляется добыча нефти и газа, являются Персидский залив, Мексиканский залив, Южный Каспий, Западная Сибирь, Алжирская Сахара и прочее.
Запасы нефти
Нефть является невозобновляемым ресурсом. Объем известных месторождений составляет 1200 миллиардов баррелей, а неразведанных - примерно 52-260 миллиардов баррелей. Всего запасов нефти, с учетом современного ее потребления, хватит примерно на 100 лет. Несмотря на это, в планах России увеличение объемов добычи «черного золота».
Страны, где добывают нефть в наибольшем объеме, следующие:
- Венесуэла.
- Саудовская Аравия.
- Иран.
- Ирак.
- Кувейт.
- Россия.
- Ливия.
- Казахстан.
- Нигерия.
- Канада.
- Катар.
- Китай.
- Бразилия.
Нефть в России
Россия является одной из ведущих Она не только широко используется в самой стране, значительная часть идет на экспорт в различные государства. Где в России добывают нефть? Самые крупные месторождения на сегодня находятся в Ханты-Мансийском АО, Ямало-Ненецком АО и Республике Татарстан. На данные регионы приходится более 60% от общего объема добываемой жидкости. Также Иркутская область и Республика Якутия - места, где в России добывают нефть, показывающие отличные результаты по увеличению объемов. Связано это с разработкой нового экспортного направления Сибирь - Тихий океан.
Цены на нефть
Цена на нефть формируется из соотношения спроса и предложения. Однако в данном случае имеются свои особенности. Спрос практически не изменяется и мало влияет на динамику цен. Конечно, он растет с каждым годом. Но основным фактором формирования цен является предложение. Небольшое его снижение приводит к резкому скачку стоимости.
С увеличением количества автомобилей и аналогичной техники спрос на нефть увеличивается. А вот месторождения постепенно иссякают. Все это, по мнению экспертов, приведет в конечном итоге к нефтяному кризису, когда спрос намного превысит предложение. И тогда цены резко взлетят вверх.
Стоит также отметить, что цена на нефть является одним из важнейших политических инструментов в мировой экономике. На сегодняшний день это около 107 долларов за баррель.
Называется фонтанным. Он требует покупки и установки очень дорого оборудования, поэтому слабо распространен в наших регионах. Его суть заключается в том, что нефть многопоточно поступает в скважину. Этот метод, как правило, применяют на начальном этапе добычи, так как его максимальная эффективность достигается, когда в пластах еще есть высокое давление.
Следующий способ добычи нефти называется компрессорным. Его суть состоит в том, что в скважину под большим давлением подается газ или воздух. За счет образовавшейся капельной жидкости нефть начинает подниматься наверх. Оборудование для этого способа добычи также стоит недешево. К тому же, в отличие от фонтанного метода, требуется дополнительные инструменты и расходы для подачи газа.
Насосный метод является одним из самых старых. Для того чтобы достать нефть, на глубину ниже динамического уровня опускаются специальные насосы. Как правило, используют бесштанговые центробежные погружные электронасосы или штанговые скважинные насосы. Стоит отметить, что этот метод является самым популярным не только из-за возраста, но и по причине более низкой стоимости оборудования.
Добыча газа
Газ добывается значительно легче, чем нефть, поскольку это не жидкость. Например, для добычи природного газа, как правило, просто устанавливается специальное оборудование для хранения, и бурится скважина далеко в недра земли. За счет стремления в сторону наименьшего давления он просто поднимается наружу. Там его сразу обрабатывают и резервируют.
Сланцевый газ, в отличие от природного, добывают с помощью скважин, имеющих горизонтальное окончание. В них многократно проводится гидроразрыв пласта. Для этого внутрь скважины закачивают смесь химических реагентов, воды и песка. При этом газ добывается не из отдельной области, как в случае с природным, а из множества отдельных ячеек или «клеток».
Нефтегазовое оборудование
Для добычи нефти и газа используют различное оборудование. Наиболее известными, наверное, являются станки качалки. Это такие элементы, которые напоминают : основной стержень, на котором закреплен «молоток». Данное оборудование применяют для того, чтобы механически приводить штанговые насосы к нефтяным скважинам.
Также стоит отметить нефтяные платформы, которые располагаются в морях, и наземные буровые установки. Первые используются для добычи нефти и газа под водой (на разной глубине, в зависимости от платформы), а вторые для разведки и разработки новых месторождений.
В прежние времена нефть обычно добывали там, где она имелась в виде природных источников, выходя на поверхность по трещинам и разломам в горных породах. Однако уже к середине 19 века перед промышленниками встал вопрос: как искать нефть, которая находится вне мест непосредственного выхода на поверхность?
В поисках месторождений нефти
Изначально пространством для поиска и разведки нефтяных месторождений являлась суша. Выяснилось, что углеводородное сырье содержится там, где в течение длительного времени накапливались осадочные породы. Поэтому важнейшим признаком при поиске нефти стали считаться мощные пласты осадочного чехла. Однако эти места богаты нефтью только там, где они сформированы в виде складок и разорваны движениями земной коры. Наиболее благоприятными для поиска нефти оказались куполовидные и валообразные разломы и изгибы пластов.
Исследователи впоследствии установили, что нефть предпочитает пористые породы, обладающие проницаемостью.
Поисковый этап
«Охота» на подземные месторождения нефти может стать очень дорогим удовольствием. Чтобы удешевить поисковые работы, их проводят в два этапа.
Первый этап включает в себя непосредственный поиск нефти. Для начала специалисты ищут так называемые «ловушки», то есть определяют наиболее перспективные области. Для этого при поиске с поверхности земли используют специальные приборы, прослушивают толщу слоев планеты сейсмическими волнами. Данный этап включает в себя геолого-геофизические исследования, в ходе которых бурятся скважины – опорные, поисковые и параметрические.
На основе полученных данных составляются карты и вычерчиваются разрезы земной коры. На этих схемах проявляются изгибы пластов. Когда в результате предварительного анализа проявляется нечто похожее на углеводородную «ловушку», специалисты приступают к следующему этапу – к разведке потенциальных месторождений.
Разведка месторождений нефти
Второй этап работ по поиску нефти также предполагает бурение. Но теперь цель изысканий состоит в выяснении того, имеется на заданной глубине нефть. А если нефть есть, то каковы ее запасы. Когда будет установлено с большей или меньшей точностью, каковы запасы нефти на данном участке, проводятся расчеты рентабельности месторождения. Если выкладки показывают, что добыча углеводородов здесь экономически выгодна, приступают к непосредственной разработке месторождения.
Когда появились буровые установки, круг стран, занимающихся нефтедобычей, сильно расширился. Теперь нефть добывают по всему свету – за исключением Антарктиды. Значительные объемы углеводородного сырья поднимаются со дня морей.
Установлено, что нефть распределяется по планете очень неравномерно. Из трех десятков тысяч известных месторождений только сотая часть содержит примерно 75% мировых запасов ценного углеводородного сырья.
Больше всего нефти разведано на Ближнем и Среднем Востоке, в Казахстане и Западной Сибири, в Северной Африке. Есть нефть также в Северной и Южной Америке.
-