Краткие сведения о геологии, добыче и транспортировании нефти, газа и других горючих ископаемых

1.5.1. Геолого-поисковые работы на нефть, газ и твердые горючие ископаемые

Нефтегазообразование - весьма сложный многостадийный и ис­ключительно длительный биохимический процесс преобразования исходного органического материала в углеводороды. Образованию скоплений углеводородов предшествует длительная стадия эмигра­ции рассеянной по нефтематеринским породам так называемой мик­ронефти через пористые породы (песчаные, карбонатные) - коллек­торы в природные резервуары - нефтяные залежи. Эмиграция не­фти происходит в результате действия различных факторов: отжа­тая или прорыва вследствие давления породы, диффузии, особенно газов, перемещения с водой в растворенном в ней состоянии, фильт­рации по порам и трещинам при наличии перепада давления. В даль­нейшем в результате движения по пористым пластам и при верти­кальной эмиграции, возникающей под влиянием гравитационного и тектонического факторов, нефть и газ скапливаются в так называе­мых ловушках, т.е. в таких участках пористых горных пород, откуда дальнейшая эмиграция невозможна. Залежи нефти можно предста­вить, как, образно говоря, трехслойный пирог: верхняя часть - газо­вая шапка, подпираемая снизу вторым слоем - пластом нефти, кото­рый, в свою очередь, лежит на пласте воды, являющемся своего рода гидрозатвором резервуара. Резервуар со всех сторон, кроме нижней, герметично экранирован непроницаемыми горными пластами (гли­нами, солями, магматическими породами). Различают ловушки сво­довые (преимущественно антиклинальные) и тектонически экрани­рованные.

Как правило, большая часть нефтяных ловушек-залежей нахо­дится на значительной глубине (1-2,5 км). Выходы нефти на поверх­ность земли очень редки. На таких близких к поверхности земли

залежах в давние времена, в частности в Азербайджане, возникла колодезная добыча нефти. Практикой геологических работ установ­лено, что не все выявленные ловушки содержат скопления нефти и газа. Существование таких «пустых» ловушек значительно снижа­ет эффективность поисковых работ. На заре развития нефтяной про­мышленности геолого-поисковые работы велись, в сущности, всле­пую, методом проб и ошибок, следовательно, с большим риском об­наружения нефтегазовых залежей. Так, если раньше нефть давала в лучшем случае одна скважина из 10 - 20, то из скважин, пробурен­ных с учетом предсказаний современной геологической науки, ока­зались продуктивными, например в США, 85%.

Высокая эффективность современной геологической науки дос­тигается комплексным исследованием тектонического строения гор­ных пород и на основе накопленных знаний о процессах образова­ния полезных ископаемых. Геологи-нефтеразведчики вооружены новейшими техническими средствами, вычислительной техникой и разнообразными инструментальными методами поиска залежей не­фти, начиная с геологического молотка до аэро- или космической фоторазведок.

Основные наиболее информативные методы нефтеразведки -геологические, геофизические и геохимические. Геологический ме­тод заключается в изучении структуры и характера залегания гор­ных пород в местах выхода их на поверхность или с помощью шур­фов и скважин. Геофизические методы базируются на измерении точнейшими высокочувствительными приборами таких явлений и физических параметров, как гравиметрические и магнитные анома­лии, электропроводимость горных пород, особенности отражения сейсмических колебаний, возникающих при искусственных взрывах в неглубоких скважинах. Применяются также акустические и радио­метрические методы с использованием нейтронной бомбардировки скважин. По полученным результатам составляют структурные кар­ты, на которых указывается состав и возраст горных пород и особен­ности рельефа пластов. Комплексное применение геологических и геофизических методов разведки позволило расширить возможнос­ти изучения структуры пород, нахождения ловушек, установления глубины и габаритов перспективных нефтяных пластов. Геохими­ческие методы основаны на газовой съемке, химическом и микроби­ологическом анализе проб подземных вод и грунтов. Далее бурят поисковые скважины для обнаружения нефтегазовых ловушек. После

подтверждения нефтегазоносности залежей начинают разведочное бурение, чтобы установить размеры нефтеносной площади, запасы и состав нефти и газа. Геолого- поисковые работы на твердые горю­чие ископаемые по технике и методике разведки примерно анало­гичны нефтегазоразведке, но в некоторой степени проще и сопряже­ны с меньшим риском. Для твердых горючих ископаемых не обяза­тельно наличие пород - коллекторов и ловушек, поскольку они не обладают подвижностью и способностью к миграции, как нефть и газ. Нередки случаи, когда месторождения их обнаруживают по при­знакам загораний или по выходу угольных пластов непосредствен­но на земную поверхность и т.д. Тогда геологам остается лишь буре­нием и отбором проб установить запасы, характер залегания, мощ­ности пластов и другие эксплуатационные параметры месторожде­ний твердых горючих ископаемых.

1.5.2. Бурение нефтяных скважин

При геолого-поисковых работах и разработке нефтегазовых ме­сторождений бурят скважины в вертикальном направлении, а также под некоторым углом (наклонное или кустовое бурение).

По историческим сведениям, первые скважины были пробурены в Китае за 200 лет до н.э. с помощью бамбуковых труб. Первые сква­жины с использованием стальных труб так называемым ударным способом были пробурены в середине XIX в. Именно с этим событи­ем связывают зарождение нефтяной промышленности в мире. Пер­вая промышленная нефть была получена в США в 1824 г. (штат Кен­тукки), в России в 1847 г. вблизи Баку, затем в 1855 г. в районе Ухты. Естественно, глубины и скорости проходки (=1 м/сут.) ранних сква­жин были незначительными. В 1895 г. самой глубокой в мире счита­лась скважина глубиной 360 м. В России и Азербайджане глубина нефтяных скважин не превышала 400 - 500 м. К началу 70-х гг. сред­ние глубины составили 2 км. В настоящее время в мире пробурена не одна тысяча скважин на глубину более 5 км. Из них несколько десятков имеют глубину более 7 км. Самая глубокая в мире Кольс­кая скважина перешагнула глубину 11 км. В настоящее время при проходке буровых скважин используют только способ вращатель­ного бурения с помощью мощных механизированных буровых уста­новок. Углубление скважины достигается путем разрушения горных

пород с помощью долота. Скважина углубляется благодаря одновре­менному воздействию на долото нагрузки и крутящего момента. На скорость проходки существенное влияние оказывает качество доло­та. Чем быстрее оно изнашивается, тем чаще приходится его менять, а для этого необходимо поднимать все бурильные трубы с затратой времени. Поэтому в последние годы преимущественно применяют долота, армированные синтетическим алмазом.

Разрушение горных пород долотом может производиться по все­му кольцевому сечению или только по периферии скважины. В пос­леднем случае в центре скважины остается цилиндрическая колон­ка пород, называемая керном. Керн периодически поднимается с определенных глубин на поверхность, затем подвергается лабора­торному анализу.

По мере углубления долота в стволе скважины скапливаются частицы размолотой породы. С целью их удаления скважина посто­янно промывается жидкостью - глинистым раствором. Он нагнета­ется буровыми насосами в бурильную колонну и через нее поступа­ет к долоту. Проходя через отверстия в долоте, раствор вместе с по­родой по кольцевому пространству между бурильной колонной и скважиной возвращается на поверхность. После очистки от породы она вновь подается в скважину. Таким образом происходит непре­рывная циркуляция глинистого раствора.

Вращательное бурение различают двух видов: с двигателем на поверхности - роторное и с двигателем у забоя - турбо, или электро­бурение. При роторном бурении долото вращается вместе со всей колонной бурильных труб. При бурении с забойным двигателем вра­щается только долото при помощи электромотора или турбины с использованием гидравлической энергии промывочной жидкости. По мере проходки скважины необходимо наращивать бурильные тру­бы. Отдельная бурильная труба диаметром 150-250 мм имеет длину 6-10 м. На обоих концах трубы имеется винтовая нарезка для соеди­нения с другими трубами. Кроме бурильных труб, в скважину вво­дят также обсадные трубы большего диаметра (до 426 мм) для креп­ления ствола. Когда скважина доходит до проектной глубины или продуктивного пласта, в нее опускают эксплуатационную колонну труб, снабженную наверху системой труб, задвижек и штуцеров для предотвращения внезапного фонтанирования. Такая фонтанная «елка» выдерживает давление до 25 МПа и выше. Она позволяет регулировать дебит нефти из скважины. Далее глинистый раствор в

2 — 1908

скважине заменяют водой. Чтобы вызвать приток нефти к скважи­не, обсадные трубы у пласта простреливаются пулевыми или тор­педными перфораторами.

Для бурения скважин в морских месторождениях нефти и газа в настоящее время применяются:

1) сварные стационарные платформы (при глубинах моря до 40 м). Примером такого морского нефтепромысла служат Нефтяные Камни близ Баку (построен в 1950 г.), где пробурено свыше 1500 сква­жин и извлечено сотни миллионов тонн нефти;

2) нестационарные буровые платформы различных типов: само­подъемные, полупогружные, погружные, гравитационные, ледостой-кие и др., позволяющие бурить скважины при глубинах моря до 200 м;

3) специализированные плавучие буровые суда и баржи, с кото­рых можно вести бурение (например, поисковые) при глубинах моря до 600 м.

1.5.3. Методы разработки месторождений горючих ископаемых

После завершения разведки и установления промышленной зна­чимости открытых месторождений горючих ископаемых приступа­ют к их разработке.

Разработка нефтегазовых месторождений осуществляется эксп­луатационными скважинами, пробуренными по определенной опти­мальной системе. Основными элементами в системе разработки за­лежи являются схема размещения добывающих скважин и их коли­чество. От этого при прочих равных условиях зависят темп отбора нефти и срок разработки залежи.

Выбор наиболее рационального способа разработки месторож­дений нефти и газа зависит от многих факторов, в частности, от энер­гетического режима залежи, меняющегося по мере эксплуатации залежи, геологического строения и размеров площади, физико-хи­мических свойств пластовой нефти, физико-механических свойств пород-коллекторов и др.

Эксплуатация нефтяных скважин осуществляется следующими способами: фонтанным, компрессорным и глубинно-насосным. В на­чальный период эксплуатации применяется фонтанный способ. Из скважины нефть под давлением пласта поступает в трап (газоотде­литель), где из нее выделяется попутный газ, направляемый на газо-

перерабатывающие заводы. Далее нефть направляется на промыс­ловую подготовку (обезвоживание, обессоливание и стабилизация).

Если давление в пласте низковато для фонтанирования нефти, то применяется компрессорная (газлифтная) эксплуатация скважин. При этом способе в кольцевое пространство между эксплуатационной ко­лонной и насосно-компрессорными трубами при помощи компрессо­ра нагнетается сжатый природный газ под давлением до 5 МПа.

Третьим наиболее распространенным способом добычи нефти яв­ляется глубинно-насосный. Он применяется при большом падении дав­ления в пласте. В скважину на штангах опускаются плунжерные насо­сы, приводимые в действие станком-качалкой, соединенной приводом с электродвигателем. В последнее время стали применять центробежные глубинные насосы с электродвигателем по типу электробура.

Разработка нефтяных месторождений подразделяется на четыре стадии: 1) стадия промышленного освоения - характеризуется ростом добычи нефти до максимального проектного уровня (и при малой об­водненности нефти); 2) стадия поддержания высокого и стабильного уровня добычи нефти и перехода скважин с фонтанной добычи на механизированную (при нарастающей их обводненности); 3) стадия значительного снижения добычи нефти - наблюдается прогрессиру­ющее обводнение продукта; 4) завершающая стадия характеризуется низкими дебитами и высокой обводненностью нефти.

Несмотря на все предпринимаемые усилия, более половины не­фти, содержащейся в пласте, остается не извлеченной вследствие при­липания (адгезии) нефти к нефтеносной породе, забивки и снижения проницаемости коллектора, наличия подземных лабиринтов, ловушек и т.д. Для обеспечения наиболее рациональной разработки залежи и повышения коэффициента нефтеотдачи раннего периода ее эксплу­атации обычно применяют так называемые вторичные методы добы­чи нефти: искусственное поддержание пластового давления, механи­ческое воздействие на призабойную зону, термохимическая обработ­ка скважин и пласта и др. Наиболее полное извлечение нефти из за­лежи обеспечивает водонапорный режим. Поэтому широкое распрос­транение получили методы разработки с законтурным или внутри-контурным заводнением. В первом случае через скважины, пробурен­ные за контуром нефтяной залежи, называемых нагнетательными, про­изводится закачка воды, тем самым искусственно поддерживается пла­стовое давление и водонапорный режим. По мере эксплуатации зале­жи крайние по периферии нефтедобывающие скважины обводняют-

2*

ся, и их начинают использовать для нагнетания воды, и, таким обра­зом, нефть постепенно вытесняется к центру контура. Этот способ при­меняется обычно на малых и средних по размерам нефтяных место­рождениях. На больших залежах, как правило, применяется внутри-контурное заводнение вытеснением нефти не из всего большого кон­тура, а из нескольких малых участков залежи.

Для поддержания пластового давления и увеличения дебита сква­жин также часто используют попутный нефтяной газ, нагнетаемый компрессором в сводовую часть залежи. Дебит скважин может умень­шиться и вследствие «засорения» призабойной зоны частицами по­роды или отложения в порах пласта асфальто-смолистых веществ нефти или солей из пластовой воды и т.д. В таких случаях для увели­чения проницаемости пласта применяют методы гидравлического разрыва (при 50 МПа) или торпедирования пласта, организации под­земных ядерных взрывов, а также химической (соляной или серной кислотой, поверхностно-активными веществами) и термической (по­дачей горячего газа или перегретого водяного пара) обработкой при­забойной зоны. Для борьбы с парафиноотложением на нефтепро­мысловом оборудовании стали применять специальные (депрессор-ные) присадки, препятствующие росту кристаллов парафина.

Эксплуатация газовых скважин по технологии разработки ана­логична фонтанному способу нефтедобычи. Газ из отдельных сква­жин после отделения влаги и твердых примесей направляется в га­зосборный пункт.

Разработка месторождений твердых горючих ископаемых ocv-ществляется открытым или шахтным способом. При неглубоком за­легании пластов угля (чаще всего это бывает в месторождениях бу­рого угля) их разрабатывают открытым способом: посредством эк­скаваторов или взрывными работами удаляется слой горных пород, покрывающих пласт, после чего уголь вынимают экскаваторами. Этот способ значительно производительнее и безопаснее, чем бо­лее распространенный способ добычи в шахтах, применяемый при глубоком залегании пластов. В шахтах твердые горючие иско­паемые добывают посредством угольных комбайнов, стругов и вру­бовых машин и вывозят их на поверхность электровозами. Сейчас внедряют более экономичный способ добычи угля в шахтах - гид­равлический: пласт разбивают, измельчают и зерна угля транспор­тируют струей воды на поверхность, затем отделяют от воды и пу­стой породы.

1.5.4. Транспортирование нефти, газа и других горючих ископаемых

Твердые горючие ископаемые перевозятся к местам их пере­работки или потребления преимущественно железнодорожным (в открытых вагонах), а также морским, речным, иногда автомобиль­ным транспортом.

Объективно сложилось так, что большинство нефтегазопромыс-лов находится, как правило, на больших расстояниях от нефтегазо-перерабатываюших заводов. Так, длина маршрута доставки нефти из Персидского залива в США или Японию составляет около 13 тыс. км, а газа из районов Крайнего Севера нашей страны, например Уренгоя, в страны Западной Европы - почти 5 тыс. км. Объемы внут­ренних и международных (и межконтинентальных) перевозок нефти и газа за последние годы увеличивались быстрыми темпами и исчис­лялись соответственно сотнями миллионов тонн и миллиардами ку­бометров. К тому же следует особо отметить, нефть и газ в открытой или негерметичной таре нельзя перевозить - улетучивается часть продукта, да и это исключительно опасно. Летом на солнце закры­тый сосуд с нефтью нагревается, что может привести к взрыву, а зимой - застывает. При случайной искре нефть и газ загораются. При пожаре нельзя их тушить водой. Известны десятки трагедий, возникших при транспортировке нефтегазогрузов с тяжелыми по­следствиями для людей и окружающей природы (например, Улу-Телякская на границе Челябинской обл. и Башкирии в 1989 г.). По­этому транспортировка нефти, особенно природного газа, по срав­нению с твердыми видами горючих ископаемых, предъявляет поми­мо экономической эффективности особо повышенные требования по обеспечению высокой надежности, герметичности, противопожарной и экономической безопасности транспортных средств.

Одним из наиболее дешевых, экономичных и технически со­вершенных видов транспорта нефти и газа на расстояния, измеряе­мые тысячами километров, является морской нефтеналивной флот, особенно когда речь идет о транспортировке их с одного континента на другой. В послевоенный период мирового нефтяного бума объе­мы морских перевозок возрастали интенсивно - пропорционально темпам роста нефтедобычи, затем стабилизировались. Вводились в эксплуатацию во все возрастающих количествах крупнотоннажные танкеры - нефтевозы с грузоподъемностью 100—250 тыс. т и гигант-

ские супертанкеры водоизмещением до 750 тыс. т. Создан также флот танкеров-газовозов, например, для перевозки метана из Ал­жира в США. У них на борту работают специальные компрессор­ные и холодильные установки, обеспечивающие жидкофазное со­стояние метана (-80°С и давление 5-6 МПа) в многочисленных «тер­мосах».

На суше наиболее экономична и надежна транспортировка не­фти и газа по трубопроводам. Перевозка нефти и газа по трубопро­водам в нашей стране по темпам роста грузооборота намного опере­дила другие виды транспорта. Доля их в общем объеме перевозок быстро росла и достигла почти трети общего грузооборота страны, а в перевозке нефти - до 85%. Столь стремительные темпы объясня­ются исключительно высокой экономичностью трубопроводного транспорта. Так, на доставку каждой тонны нефти по трубам требу­ется в 10 с лишним раз меньше трудовых затрат, чем для ее перевоз­ки по железным дорогам.

Трубопроводный транспорт, однако, не так прост, как кажется внешне. Необходимо уложить в сложных геологических и геогра­фических условиях в траншеи герметичный тысячекилометровый трубопровод большого диаметра через болота, горы, реки и леса, построить промежуточные нефтеперекачивающие станции, обеспе­чить высокую надежность и безопасность, оснастить средствами кон­троля и авторегулирования и т.д. При эксплуатации трубопроводов возникают трудности, связанные с парафиноотложением или кор­розионной агрессивностью перекачиваемых нефтей или газоконден­сатов (например, высокопарафинистых мангышлакских или орен­бургских нефтей и карачаганакских газоконденсатов, содержащих в аномально высоких концентрациях меркаптаны). Поэтому нефте­проводы часто сопровождают «спутники» - трубы, по которым пода­ют горячую воду или печи нагрева на перекачивающих станциях. Для борьбы с коррозией синтезированы и применяются при пере­качке нефти специальные химические реагенты - ингибиторы кор­розии. Большое распространение в перевозке нефти в мире и нашей стране получил железнодорожный транспорт, уступающий по объе­мам перевозок трубопроводному. Организация нефтеперевозок этим способом не требует особо сложных технических решений. Для этой цели используются специальные цилиндрические сосуды, укреплен­ные на рамах железнодорожных вагонов, - нефтеналивные цистер­ны. Этот вид транспорта удобен для доставки нефти в районы, уда­ленные от трубопроводных магистралей.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: