Нефть и природный газ. Состав, происхождение и условия залегания

Первая в мире нефтяная скважина была Пробурена в Тайтесвилле (шт. Пенсильвания, США) в августе 1859 г. полковником Дрейком. Он нашел сырую нефть на глубине 21 м и тем самым заложил основы самой крупной в мире промышленности. К 1975 г. на Земле насчитывалось свыше 600 тыс. нефтяных скважин, производящих более 7,5 млн. т нефти в сутки.

Состав, происхождение и условия залегания. Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов. К углеводородам относятся парафины (ациклические соединения с общей формулой С_n Н_2n +₂), нафтены С_n Н_2n (циклопарафины, главным образом, циклопентан С₅Н₁₀ или циклогексан С₆Н₁₂ и их производные) и ароматические углеводороды. Их плотность меняется от легких газов (метан) до тяжелых твердых тел (асфальт). Цвет также изменяется от желтого через зеленый, красный и коричневый до черного. Природный газ-наиболее легкая фракция сырой нефти [7], но встречается и в виде обособленных скоплений, не связанных с нефтью.

Природный газ состоит в основном из метана и более тяжелых углеводородов с примесями азота, углекислого газа и иногда гелия. Состав газа зависит от месторождения; обычно содержание метана 85-95%. Часто экономически целесообразно извлекать из природного газа гелий-легкий невоспламеняющийся газ, которым наполняют воздушные шары и аэростаты. Соединения серы из природного газа удалять обязательно.

Как полагают, нефть - это продукт разложения одноклеточных растений и живых организмов, живших сотни миллионов лет назад. Погибая, они скапливались и в особых условиях формировали осадочные отложения. Некоторые виды природного газа более простого происхождения; так, метан образуется при разложении растительных остатков бактериями. Его находят в болотах.

После образования нефть часто мигрирует, пока не окажется внедренной в пористые породы на глубинах 30-7600 м. По этой причине залежи нефти никогда не имеют вида каверн, заполненных жидкой нефтью и газом, а рассеяны в довольно обширных участках породы.

Первые разведчики нефти бурили скважины в местах ее естественного выхода на поверхность. Современная разведка нефти (каротаж) научно обоснована [2]; но и полевые приемы в некоторых случаях все еще полезны. Внешний вид почвы и типы осадочных пород могут подсказать наиболее подходящие для бурения места. Широко используются сейсмические методы разведки. Инженерные службы производят взрывы зарядов в неглубоких шурфах на поверхности земли и с помощью микрофонов определяют путь, который проходит сигнал, отраженный от подземных структур. Применяются методы гравиразведки: чувствительная аппаратура, устанавливаемая на самолете, обнаруживает изменения поля силы тяжести, что указывает на наличие нефтеносных геологических структур.

Для изучения электрических свойств и радиоактивности потенциально нефтеносных пород бурят скважину и измеряют электрический потенциал породы (метод самопроизвольной поляризации) [А]; сопротивление породы пропускаемому току (метод кажущегося сопротивления) [Б]; интенсивность у-излучения породы (радиоактивный метод) [В]; интенсивность искусственно вызванного у-излучения породы после опускания источника радиоактивности и датчика в ствол скважины (нейтронный метод) [Г]- Содержание жидкости и пористость породы дают дополнительную информацию.

Методы бурения. Первые буровые инструменты работали по принципу ударного бурения в сухой скважине. Если при таком способе бурения обнаруживалась нефть, она начинала свободно фонтанировать. Современная техника предотвращает выброс нефти. Буровой инструмент роторного бурения [1], погружаемый в глинистый раствор, который заполняет скважину по мере бурения, создает давление, препятствующее выбросу нефтяного фонтана.

Буровое долото подают вниз на конце полой стальной трубы, по которой сверху нагнетают глинистый раствор. По мере продвижения бурового долота раствор выносит куски сколотой породы на поверхность. Там их исследуют геологи, контролирующие природу пласта, через который прошло долото. Результаты согласовывают с данными геологической разведки, глинистый раствор фильтруют для удаления из него щебня и возвращают в скважину.

Выброс нефти или газа из скважины и прихват бурильных труб - основные неполадки бурения. Выбросы случаются не часто; для их предотвращения буровая установка снабжается предохранительным оборудованием, которое при необходимости герметизирует скважину. Прихваченные буровые долота освобождают с помощью специального оборудования, а застрявшие оставляют в скважине. Колонны бурильных труб вынимают и вблизи аварийной скважины бурят новую.

Когда бурение скважины окончено, в ствол пробуренной скважины спускают трубу диаметром 22,9 см и в кольцевое пространство между стенками скважины и трубой закачивают цементный раствор. На проектную глубину в скважину спускают эксплуатационную колонну труб диаметром 7,6 см. Затем в ствол скважины спускают заряд взрывчатого вещества и с его помощью простреливают (перфорируют) ряд отверстий в обсадной трубе и цементной оболочке.

При бурении разведочной скважины ставят буровую вышку для введения стальных труб в нефтеносную породу. Глинистый раствор со специальными химическими присадками служит смазкой бурового долота. 1. Запасные штанги. 2. Буровая колонна. 3. Вращательный стол. 4. Электромотор. 5. Резервуар со смазкой. 6. Химические присадки. 7. Буровая коронка с алмазными насадками.

Транспортировка и хранение. Самый экономичный способ транспортировки нефти и газа из скважин на переработку-перекачивание по трубопроводам [6]. Трубопроводами служат стальные сварные трубы диаметром до 1,22 м, покрытые для защиты от коррозии рубероидом и часто проложенные в земле. Поток и давление поддерживают насосные станции, расположенные равномерно вдоль трубопровода.

Нефте - и газотрубопроводы прокладывают под водой [А] или под землей [Б]. Секции труб, транспортируемые катером [1], сваривают [2]; швы подвергают рентгеновскому контролю [3]. Перед укладкой трубы облицовывают цементом [4]. При укладке на суше делают траншею [5], секции сваривают, швы подвергают рентгеновскому контролю [6] и производят защиту труб от коррозии.

Морской транспорт обходится дороже. Гигантские танкеры, перевозящие нефть с Ближнего Востока, перевозят за один рейс около 160 тыс. т нефти. Сжиженный природный газ также можно перевозить по морю в еще более дорогостоящих судах, так называемых LNG-танкерах [5].

Газ транспортируют по трубопроводам или в специальных судах [1]. Перед использованием из него удаляют различные химические продукты. Воду и жидкие углеводороды удаляют в расширительной камере [2]. Соединения серы удаляют щелочью [3], их затем очищают складируют [4] как полезный побочный продукт. Остаточные жидкие продукты также удаляют [5], а очищенный газ сжижают под давлением и направляют в подземное хранилище [6]. По мере необходимости сжиженный газ регазифицируют [7], измеряют его расход и закачивают [8] в магистральный газопровод [9]. Трубопроводы меньшего сечения ведут к индивидуальным потребителям и промышленным предприятиям [10]. Некоторые европейские страны импортируют очищенный и сжиженный газ.

Нефть обычно хранят в резервуарах до 30 м в поперечнике и высотой до 9 м. Природный газ хранят в сжиженном состоянии либо в охлаждаемых резервуарах, либо в подземных хранилищах, замораживая грунт вокруг них. После замораживания сооружают емкости диаметром до 40 м. Когда емкость заполнена и герметично закупорена особым затвором, сжиженный газ сам поддерживает в резервуаре нужный температурный режим.

Идеальный способ хранения газа-использование истощенных нефтяных или газовых подземных резервуаров, расположенных вблизи потребителей. Этот способ нашел широкое применение в США. Можно также использовать заброшенные угольные шахты. Шахта в Фон-тен-Левек (Бельгия) вместимостью 500 млн. м³ газа-одно из крупнейших в мире газохранилищ.