Глава 5. Нефть и ее применение

История нефти

 

Нефть известна человечеству с древнейших времён. Название её происходит от турецкого слова neft или персидского нафт.

Сведения о нефти пришли к нам с Ближнего Востока. Археологические раскопки свидетельствуют о том, что ещё в долине реки Евфрат нефть и про-дукты её окисления (асфальты и др.), люди добывали 6-8 тысячелетий назад. Древние шумеры использовали битум вместо связывающего раствора в кладке, как клей для закрепления кремниевых лезвий в орудиях труда (серпах и т.д.) и аппликаций в великих годах индийской цивилизации (5 тысяч лет назад), тесно связанной с ближневосточной. Битумом покрывали дно бассейнов. Применяли битум для предохранения от гниения деревянных балок, дверных и оконных блоков и тому подобное. Знаменитые круглые блюдцеобразные лодки Междуречья – гуффы с незапамятных времён плели из прутьев, а затем обмазывали асфальтом для бальзамирования мумий. Известно, что вавилонские и египетские жрецы использовали нефть для огненных надписей и знаков на стенах своих обителей.

Нефть издавна применялась как средство для лечения глазных заболева-ний, в Вавилоне нефть использовалась для уличного освещения. Имеются сообщения древних мыслителей Геродота и др. о природных месторождениях нефти в различных районах Европы и Азии.

Выдающиеся мыслители Востока Ар-Рази, Авиценна, Абумансур Муваффак использовали нефть для приготовления фармацевтических средств при укусах, при лечении гинекологических заболеваний, паралича, подагры, слоновой болезни и др. Дистилляция нефти впервые была проведена Джабиром ибн Хайяном, а затем Ар-Рази с получением различных фракций. Упоминается зависимость биологической активности нефти от наличия в ней гетероциклических соединений с атомами серы и азота и, наконец, есть упоминание о том, что любая разновидность нефти является эффективным антидотом - прекрасным средством для устранения ядовитых веществ из организма. По всей вероятности, это связано с образованием комплексных соединений компонентов нефти с тяжёлыми металлами (сурьма, мышьяк, свинец, олово и др., являющихся ядами для организма), которые затем легко выводятся из организма.

В Европе и в России почти до конца девятнадцатого века нефть, в основном, использовалась для получения осветительного масла. В начале 19-го века появляются сведения о первых исследованиях в области технологии нефти. Так, Богданов в 1823 г. перегнал нефть и получил осветительное масло; 1859 - полковник Дрэк в САСШ пробурил первую скважину.

Отличительной чертой развития русской нефтяной промышленности было то, что одновременно с ней стали развиваться исследования в области химии и технологии нефти. Огромна роль русских учёных и инженеров в становлении и развитии науки о нефти, именно они определили главные направления развития теории и практики всего нефтяного дела не только в России, но и за её пределами.

В 1879 году было создано акционерное общество "Товарищество бр. Но-бель"с основным капиталом 3 млн руб., а несколько ранее - первое акцио-нерное общество "Бакинское нефтяное общество". К концу XIX века в нефтяной промышленности насчитывалось 78 АО с основным капиталом около 300 млн руб. Эти предприятия быстро наращивали добычу нефти и вскоре вышли на один уровень с Северо-Американскими Соединенными штатами (САСШ):

Добыча нефти, млн пудов (16000 т)

 

Россия САСШ

1865 1 20

1875 7 85

1885 116 155

1894 350 350

 

 

Первый завод в России был построен на Кубани в 1864 году Новосиль-цевым. В 1873 году заводчиком Тавризовым был сконструирован перегонный куб.

Добыча нефти на территории Советского Союза первоначально разви-валась на Апшеронском полуострове (Бакинский нефтяной район), в районе Майкопа, Грозного, в бассейне реки Печоры. В 40-х гг. ХХ века была начата разработка месторождений Волго-Уральской нефтегазоносной области, получившей название Второго Баку.

 

 

Запасы нефти

 

Свыше 85% нефти добывается на крупнейших месторождениях, общая численность которых составляет около 5% всех месторождений. 30 место-рождений нефти имеют извлекаемые запасы, превышающие 500 млн. т и относятся к месторождениям-гигантам.

Здесь следует несколько слов сказать о той классификации запасов нефти, которая принята в России. Это: Начальные потенциальные ресурсы (ресурсная база) – общее количество полезных ископаемых, которое содержится в недрах и может быть оценено в единицах измерения.

Открытые запасы. - часть разведанных и предварительно освоенных извлекаемых ресурсов. Эти запасы на определенную дату могут быть подразделены на разведанные (доказанные) и предварительно оцененные.

Мировые доказанные запасы нефти составляют около 150 млрд. т, дополнительные - (предварительно оцененные) – >200 млрд т.

Прирост запасов нефти в год составляет до 2 млрд т и более за счет приростов запасов в Бразилии, Мексике, Нигерии, Австралии, России.

Самые крупные зарубежные месторождения нефти (в скобках указаны начальные извлекаемые запасы): Гавар (10,1 млрд. т) Сафания-Хафджи (4,1 млрд. т) и Манифа в Саудовской Аравии (1,5 млрд. т); Бурган в Кувейте (9,9 млрд. т); Боливар (4,8 млрд.т) и Лагунильяс (1,5 млрд. т) в Венесуэле; Румай-ла (2,7 млрд. т) и Киркук (2,2 млрд. т) в Ираке; Ахваз (2,4 млрд. т), Марун (2,2 млрд. т), Гачсаран (2,1 млрд. т), Ага-Джари (1,9 млрд. т) и Абхайк (1,7 млрд. т) в Иране; Чиконтенек (1,6 млрд. т) в Мексике.

На территории России крупные нефтяные месторождения находятся в районах Поволжья и Урала, Западной Сибири, Коми АССР.

 

Мировые доказанные запасы природного газа превышают 145 трлн. м³, а прогнозные запасы оцениваются в >300 трлн. м³. Запасы газа увеличиваются, в основном, за счет Таиланда, Египта, Нигерии, разработки шельфовых месторождений.

Как видно, самыми горячими нефтеносными провинциями являются окраи-ны южной Атлантики. Каспийское море – другой перспективный регион. Продолжаются поисковые работы в Северном море, на Аляске, в Мексиканском заливе. Резюмируя, можно сказать, что полюс поисково-разведочной активности сместился в зону глубоководных шельфов, на глубокие горизонты и северные широты.

Существуют месторождения природного газа, которые представляют собой обособленные скопления, не связанные с другими полезными ископаемыми, и так называемые газоконденсатные месторождения, где в газе растворены жидкие углеводороды. Важнейшие месторождения природного газа расположены в Западной Сибири - это Уренгойское, Харасавейское, Ямбургское и Медвежье.

Наряду с газовыми и нефтяными эксплуатируют газоконденсатные место-рождения. К ним относятся такие залежи углеводородного сырья, при эксплуатации которых одновременно добывают газ и конденсат (жидкие углеводороды). В пластовых условиях газ и конденсат находятся в одной - газовой фазе, в то время как в нефтяных пластах и лёгкие и тяжёлые углеводороды находятся в жидкой фазе.

К наиболее крупным газоконденсатным месторождениям относятся Орен-бургское, Вуктыльское в Ремспублике Коми, Астраханское, Уренгойское и Заполярное в Западной Сибири.

Хотя и в настоящее время процесс образования органических остатков и их отложений не прекращается, запасы нефти расходуются значительно быстрее, чем пополняются. Фактически за несколько сот лет человечество израсходует запасы, накопление которых длилось 500 миллионов лет. Нефть в этом отношении не отличается от других минеральных богатств; и здесь человечество вынуждено использовать всё более низкокачественные минералы. Для нефти это проявляется двояко: а) необходимо проводить более обширную и более дорогостоящую разведку; б) потребуется использовать химически менее ценные виды материалов: весьма высоковязкие и тяжёлые

нефти, битумы и сланцевые смолы.

Это может оказаться рентабельным лишь в том случае, если стоимость открытия новых запасов обычных нефти возрастёт настолько, что перекроет затраты на переработку малоценных сортов нефти.

 

Добыча нефти и газа

Условия залегания нефти. Нефть залегает в земных недрах в виде скоплений, объём которых колеблется от нескольких кубических метров до миллиардов кубометров. Практический интерес представляют залежи нефти массой в несколько тысяч тонн и более, которые располагаются в пористых и проницаемых породах, например, в песчаниках, известняках. Глубина нефтяных залежей составляет, как правило, 500-3500 м, а основные запасы располагаются на глубине 800-2500 м.

 

Нефтеотдача пласта и пути её повышения. Отношение количества добы-той нефти к первоначальному её запасу в залежи называется коэффициентом нефтеотдачи. (КН) Коэффициент нефтеотдачи зависит от геологического строения залежи, свойств породы, пластовых жидкостей и самой нефти, показателей разработки залежи (числа добывающих скважин, порядка их ввода в эксплуатацию и т.д.).

Наименьшее значение КН характерно для режима растворённого газа. При водонапорном режиме коэффициент нефтеотдачи выше, поэтому для увеличения отбора нефти из пласта и повышения коэффициента нефтеотдачи применяют способ закачки воды в пласт (КН = 29-30%).

Использование методов водного воздействия на пласты не обеспечивает полного извлечения геологических запасов нефти, в недрах остаётся больше половины, а на месторождениях вязких нефтей – до 85% разведанных запасов. Для повышения нефтеотдачи пластов в последние годы применяют новые методы воздействия на пласт – закачку с водой поверхностно-активных веществ (ПАВ), полимеров, растворителей, эмульсий и др. Использование этих методов позволяет на 10-30% повысить нефтеотдачу пластов (КН).

Одним из самых эффективных способов повышения нефтеотдачи считается нагнетание в пласт диоксида углерода. Растворение СО₂ в нефти снижает её вязкость, увеличивает объём, что способствует росту объёма пор, занятых нефтью, создаёт благоприятные условия для её движения (КН может быть повышен до 40-50%).

Большую роль в увеличении эффективности разработки месторождений с нефтями вязкости играют тепловые воздействия на залежь: закачка в пласты горячей воды, пара и внутрипластовое горение.

Методы теплового воздействия позволили резко повысить отдачу пластов ряда месторождений острова Сахалин, Бориславского месторождения в Украине, Ярегского месторождения в Республике Коми.

Наконец, стоит упомянуть и такой неординарный метод добычи нефти, как воздействие на нефтяной пласт подземных ядерных взрывов. Так, на одном из сибирских месторождений были проведены ядерные взрывы в 1981, 1984 и 1987 г.г. Дебит скважин увеличился, но последствия такого воздействия вызывают большую тревогу у экологов, поскольку в полости взрыва остались радиоактивные отходы и неизрасходованное ядерное горючее (Плутоний-239)..

Все современные методы могут дополнительно дать более 30 млрд т нефти в год. Однако затраты (в долларах США) на добычу 1 тонны нефти следующие: закачка пара - 77-100, закачка СО₂ - 90-160, применение ПАВ и полимеров - до 225.

Газ, как и нефть, извлекают из земли через сеть скважин. Поскольку он находится в земных недрах под высоким давлением, для его добычи применяют, как правило, фонтанный способ. Чтобы газ начал поступать на поверхность, достаточно открыть скважину, пробуренную в газоносном пласте. Разработка газовой залежи продолжается 15-20 лет, за это время извлекается 80-90% запасов.

 

 

Химический состав нефти.

 

В свете современных представлений нефть состоит из низко- и высоко-молекулярных углеводородных и неуглеводородных компонентов.

Основными элементами, составляющими нефть, являются углерод, массовое содержание которого колеблется в пределах 83-87%, и водород (12-14%). Из других элементов в состав нефти в заметных количествах входят сера, азот и кислород. Содержание серы в нефтях колеблется в широких пределах: от нескольких сотых и тысячных долей до 6-8%, в отдельных случаях до 9,6 и даже 14%.

Сера в настоящее время считается важнейшим из гетероатомов, так как входит в состав нефти в наибольших количествах, а сернистые соединения оказывают существенное влияние на качество нефтепродуктов. Азот и кислород входят в состав нефтей в меньших количествах: азот 0,02-1,7%, кислород 0,05-3,6%.

Кроме названных, в нефтях обнаружены в незначительных количествах очень многие элементы, в том числе благородные металлы..

Основную массу нефти составляют углеводороды трёх гомологических рядов - алканы, циклоалканы и арены; однако наиболее широко представлены углеводороды смешанного строения. Алкены и алкадиены, как правило, в нефтях не содержатся, хотя в крайне редких случаях присутствие их было обнаружено.

Состав каждой нефти слагается из нескольких серий гомологических ря-дов.

Классификация нефтей

 

С самого начала нашего столетия учеными делалось множество попыток классифицировать нефть для того, чтобы целенаправленно исследовать ее.

Химические классификации основываются на различиях химического состава нефтей и их отдельных фракций.

Наиболее удачной и распространенной является химическая классифи-кация нефтей. (табл.4).

Порядок расположения названий различных классов углеводородов в наименовании нефти по этой классификации определяется ролью этих клас-сов: чем она больше, тем правее, то есть ближе к слову нефть должна нахо-диться соответствующая часть прилагательного. Например, при углеводо-родном составе нефти: алканов 45%, циклоалканов 35%, аренов 20%, её название будет: арено-циклано-алкановая нефть.

Состав нефтей, добываемых в различных странах, колеблется в широких пределах. В некоторых случаях даже из двух соседних скважин получают нефти различного состава. Грубо говоря, можно считать, что нефть в США преимущественно метановая, в бывшем СССР и Румынии - нафтеново-ароматическая и нафеново-метановая, в Иране - метаново-нафтеновая, на острове Борнео – ароматическая, нефть месторождения в Икринге - метанового основания с высоким содержанием твёрдого парафина и т.д. Конечно, представленная здесь картина весьма упрощена. Более подробные сведения о составе сырых нефтей можно найти в литературе, прежде всего, в справочнике "Нефти СССР".

Таблица 4. Классификация нефти.

 

Нефть	Состав нефти	Примеры месторождений
Метановая Нафтеновая     Ароматическая Нафтеново-метановая Метаново-нафтено-воароматическая Нафтеново-арома-тическая Ароматически- ас-фальтовая	> 75% парафинов Ø 70% нафтенов или циклических углеводородов с алкильными цепями >50% аренов Парафины 60-70% нафтены >20% Равное количество парафинов, нафтенов, аренов Нафтенов и аренов >35% каждого Аренов и асфальта >35% каждого	Эмба-Доссор, СССР Урал     Борнео Большинство нефтей СНГ Майкоп, Россия   Калифорния, США   Пенсильвания, США

 

5.6. Миграция и образование залежей нефти

 

Особенностью нефти и газа по сравнению с твёрдыми породами является их способность к перемещениям и передвижениям, т. е. к миграции в толще пород. Кроме нефти, жидким веществом, ещё более широко распространён-ным в природе, является вода, причём общее количество воды во много раз больше, чем количества нефти и газа. Вода, так же как и нефть, будучи жид-костью, способна мигрировать по пористым и трещиноватым породам. Вода может содержать в себе растворённые углеводороды, которые и перемеща-ются вместе с нею.

Наибольшей способностью к миграции обладают газы. Особенность фи-зического состояния газа и заключается в том, что он распространяется повсему окружающему объёму. Это обусловлено большей подвижностью газовых молекул.

В толще горных пород могут происходить разнообразные процессы ми-грации газа и нефти и в первую очередь, следующие:

1) фильтрация газа и нефти по порам и трещинам горных пород;

2) прорывы газа и нефти через пласты пород и через воду;

3) перемещения газа и нефти в растворённом и свободном виде вместе с водой;

4) перемещения воды с содержащимися в ней газом и нефтью при уплот-нении отложений;

5) всплывание газа и нефти в воде, заключённой в пористых породах;

6) диффузия газов и нефти.

Нефти обычно находятся почти непосредственно над материнской породой, в которой они образовались, хотя известны некоторые случаи, когда отсутствие близлежащих источников заставляет полагать миграцию нефти на сотни километров.

Для возможности накопления сколько-нибудь значительного количества нефти в пласте должно находиться достаточное свободное пространство, не занятое породой, или пористость.