тирует их в другие страны (например, в союзные республики быв шего СССР и страны Западной и Восточной Европы).
1.5. 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 ис ключительно длительный биохимический процесс преобразования исходного органического материала в углеводороды. Образованию скоплений углеводородов предшествует длительная стадия эмигра ции рассеянной по нефтематеринским породам так называемой мик ронефти через пористые породы (песчаные, карбонатные) - коллек торы в природные резервуары - нефтяные залежи. Эмиграция не фти происходит в результате действия различных факторов: отжа тая или прорыва вследствие давления породы, диффузии, особенно газов, перемещения с водой в растворенном в ней состоянии, фильт рации по порам и трещинам при наличии перепада давления. В даль нейшем в результате движения по пористым пластам и при верти кальной эмиграции, возникающей под влиянием гравитационного и тектонического факторов, нефть и газ скапливаются в так называе мых ловушках, т.е. в таких участках пористых горных пород, откуда дальнейшая эмиграция невозможна. Залежи нефти можно предста вить, как, образно говоря, трехслойный пирог: верхняя часть - газо вая шапка, подпираемая снизу вторым слоем - пластом нефти, кото рый, в свою очередь, лежит на пласте воды, являющемся своего рода гидрозатвором резервуара. Резервуар со всех сторон, кроме нижней, герметично экранирован непроницаемыми горными пластами (гли нами, солями, магматическими породами). Различают ловушки сво довые (преимущественно антиклинальные) и тектонически экрани рованные.
Как правило, большая часть нефтяных ловушек-залежей нахо дится на значительной глубине (1-2,5 км). Выходы нефти на поверх ность земли очень редки. На таких близких к поверхности земли
30
залежах в давние времена, в частности в Азербайджане, возникла колодезная добыча нефти. Практикой геологических работ установ лено, что не все выявленные ловушки содержат скопления нефти и газа. Существование таких «пустых» ловушек значительно снижа ет эффективность поисковых работ. На заре развития нефтяной про мышленности геолого-поисковые работы велись, в сущности, всле пую, методом проб и ошибок, следовательно, с большим риском об наружения нефтегазовых залежей. Так, если раньше нефть давала в лучшем случае одна скважина из 10 - 20, то из скважин, пробурен ных с учетом предсказаний современной геологической науки, ока1 зались продуктивными, например в США, 85%.
Высокая эффективность современной геологической науки дос тигается комплексным исследованием тектонического строения гор ных пород и на основе накопленных знаний о процессах образова ния полезных ископаемых. Геологи-нефтеразведчики вооружены новейшими техническими средствами, вычислительной техникой и разнообразными инструментальными методами поиска залежей не фти, начиная с геологического молотка до аэроили космической фоторазведок.
Основные наиболее информативные методы нефтеразведки - геологические, геофизические и геохимические. Геологический ме тод заключается в изучении структуры и характера залегания гор ных пород в местах выхода их на поверхность или с помощью шур фов и скважин. Геофизические методы базируются на измерении точнейшими высокочувствительными приборами таких явлений и физических параметров, как гравиметрические и магнитные анома лии, электропроводимость горных пород, особенности отражения сейсмических колебаний, возникающих при искусственных взрывах в неглубоких скважинах. Применяются также акустические и радио метрические методы с использованием нейтронной бомбардировки скважин. По полученным результатам составляют структурные кар ты, на которых указывается состав и возраст горных пород и особен ности рельефа пластов. Комплексное применение геологических и геофизических методов разведки позволило расширить возможнос ти изучения структуры пород, нахождения ловушек, установления глубины и габаритов перспективных нефтяных пластов. Геохими ческие методы основаны на газовой съемке, химическом и микроби ологическом анализе проб подземных вод и грунтов. Далее бурят поисковые скважины для обнаружения нефтегазовых ловушек. После
31
подтверждения нефтегазоносное™ залежей начинают разведочное бурение, чтобы установить размеры нефтеносной площади, запасы и состав нефти и газа. Геологопоисковые работы на твердые горю чие ископаемые по технике и методике разведки примерно анало гичны нефтегазоразведке, но в некоторой степени проще и сопряже ны с меньшим риском. Для твердых горючих ископаемых не обяза тельно 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 при знакам загораний или по выходу угольных пластов непосредствен но на земную поверхность и т.д. Тогда геологам остается лишь буре нием и отбором проб установить запасы, характер залегания, мощ ности пластов и другие эксплуатационные параметры месторожде ний твердых горючих ископаемых.
1.5.2. Бурение нефтяных скважин
При геолого-поисковых работах и разработке нефтегазовых ме сторождений 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 сква жины с использованием стальных труб так называемым ударным способом были пробурены в середине XIX в. Именно с этим событи ем связывают зарождение нефтяной промышленности в мире. Пер вая промышленная нефть была получена в США в 1824 г. (штат Кен тукки), в России в 1847 г. вблизи Баку, затем в 1855 г. в районе Ухты. Естественно, глубины и скорости проходки (=1 м/сут.) ранних сква жин были незначительными. В 1895 г. самой глубокой в мире счита лась скважина глубиной 360 м. В России и Азербайджане глубина нефтяных скважин не превышала 400 - 500 м. К началу 70-х гг. сред ние 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 Кольс кая скважина перешагнула глубину 11 км. В настоящее время при проходке буровых скважин используют только способ вращатель ного бурения с помощью мощных механизированных буровых уста новок. Углубление скважины достигается путем разрушения горных
32
пород с помощью долота. Скважина углубляется благодаря одновре менному воздействию на долото нагрузки и крутящего момента. На скорость проходки существенное влияние оказывает качество доло та. 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 все му кольцевому сечению или только по периферии скважины. В пос леднем случае в центре скважины остается цилиндрическая колон ка пород, называемая керном. Керн периодически поднимается с определенных глубин на поверхность, затем подвергается лабора торному анализу.
По мере углубления долота в стволе скважины скапливаются частицы размолотой породы. С целью их удаления скважина посто янно промывается жидкостью - глинистым раствором. Он нагнета ется буровыми насосами в бурильную колонну и через нее поступа ет к долоту. Проходя через отверстия в долоте, раствор вместе с по родой по кольцевому пространству между бурильной колонной и скважиной возвращается на поверхность. После очистки от породы она вновь подается в скважину. Таким образом происходит непре рывная циркуляция глинистого раствора.
Вращательное бурение различают двух видов: с двигателем на поверхности - роторное и с двигателем у забоя - турбо, или электро бурение. При роторном бурении долото вращается вместе со всей колонной бурильных труб. При бурении с забойным двигателем вра щается только долото при помощи электромотора или турбины с использованием гидравлической энергии промывочной жидкости. По мере проходки скважины необходимо наращивать бурильные тру бы. Отдельная бурильная труба диаметром 150-250 мм имеет длину 6-10 м. На обоих концах трубы имеется винтовая нарезка для соеди нения с другими трубами. Кроме бурильных труб, в скважину вво дят также обсадные трубы большего диаметра (до 426 мм) для креп ления 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 |
33 |
скважине заменяют водой. Чтобы вызвать приток нефти к скважи не, обсадные трубы у пласта простреливаются пулевыми или тор педными 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 сква жин и извлечено сотни миллионов тонн нефти;
2)нестационарные буровые платформы различных типов: само подъемные, полупогружные, погружные, гравитационные, ледостой кие и др., позволяющие бурить скважины при глубинах моря до 200 м;
3)специализированные плавучие буровые суда и баржи, с кото рых можно вести бурение (например, поисковые) при глубинах моря до 600 м.
1.5.3. Методы разработкиместорожденийгорючих ископаемых
После завершения разведки и установления промышленной зна чимости открытых месторождений горючих ископаемых приступа ют к их разработке.
Разработка нефтегазовых месторождений осуществляется эксп луатационными скважинами, пробуренными по определенной опти мальной системе. Основными элементами в системе разработки за лежи являются схема размещения добывающих скважин и их коли чество. От этого при прочих равных условиях зависят темп отбора нефти и срок разработки залежи.
Выбор наиболее рационального способа разработки месторож дений нефти и газа зависит от многих факторов, в частности, от энер гетического режима залежи, меняющегося по мере эксплуатации залежи, геологического строения и размеров площади, физико-хи мических свойств пластовой нефти, физико-механических свойств пород-коллекторов и др.
Эксплуатация нефтяных скважин осуществляется следующими способами: фонтанным, компрессорным и глубинно-насосным. В на чальный период эксплуатации применяется фонтанный способ. Из скважины нефть под давлением пласта поступает в трап (газоотделитель), где из нее выделяется попутный газ, направляемый на газо
34
перерабатывающие заводы, Далее нефть направляется на промыс ловую 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 ко лонной и насосно-компрессорными трубами при помощи компрессо ра нагнетается сжатый природный газ под давлением до 5 МПа.
Третьим наиболее распространенным способом добычи нефти яв ляется глубинно-насосный. Он применяется при большом падении дав ления в пласте. В скважину на штангах опускаются плунжерные насо сы, 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 об водненности 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 прогрессиру ющее обводнение продукта; 4) завершающая стадия характеризуется низкими дебитами и высокой обводненностью нефти.
Несмотря на все предпринимаемые усилия, более половины не фти, содержащейся в пласте, остается не извлеченной вследствие при липания (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 эксплу атации обычно применяют так называемые вторичные методы добы чи нефти: искусственное поддержание пластового давления, механи ческое воздействие на призабойную зону, термохимическая обработ ка скважин и пласта и др. Наиболее полное извлечение нефти из за лежи обеспечивает водонапорный режим. Поэтому широкое распрос транение получили методы разработки с законтурным или внутриконтурным заводнением. В первом случае через скважины, пробурен ные за контуром нефтяной залежи, называемых нагнетательными, про изводится закачка воды, тем самым искусственно поддерживается пла стовое давление и водонапорный режим. По мере эксплуатации зале жи крайние по периферии нефтедобывающие скважины обводняют-
2* |
35 |
ся, и их начинают использовать для нагнетания воды, и, таким обра зом, нефть постепенно вытесняется к центру контура. Этот способ при меняется обычно на малых и средних по размерам нефтяных место рождениях. На больших залежах, как правило, применяется внутриконтурное заводнение вытеснением нефти не из всего большого кон тура, а из нескольких малых участков залежи.
Для поддержания пластового давления и увеличения дебита сква жин также часто используют попутный нефтяной газ, нагнетаемый компрессором в сводовую часть залежи. Дебит скважин может умень шиться и вследствие «засорения» призабойной зоны частицами по роды или отложения в порах пласта асфальто-смолистых веществ нефти или солей из пластовой воды и т.д. В таких случаях для увели чения проницаемости пласта применяют методы гидравлического разрыва (при 50 МПа) или торпедирования пласта, организации под земных ядерных взрывов, а также химической (соляной или серной кислотой, поверхностно-активными веществами) и термической (по дачей горячего газа или перегретого водяного пара) обработкой при забойной зоны. Для борьбы с парафиноотложением на нефтепро мысловом оборудовании стали применять специальные (депрессорные) присадки, препятствующие росту кристаллов парафина.
Эксплуатация газовых скважин по технологии разработки ана логична фонтанному способу нефтедобычи. Газ из отдельных сква жин после отделения влаги и твердых примесей направляется в га зосборный пункт.
Разработка месторождений твердых горючих ископаемых осVществляется открытым или шахтным способом. При неглубоком за легании пластов угля (чаще всего это бывает в месторождениях бу рого угля) их разрабатывают открытым способом: посредством эк скаваторов или взрывными работами удаляется слой горных пород, покрывающих пласт, после чего уголь вынимают экскаваторами. Этот способ значительно производительнее и безопаснее, чем бо лее распространенный способ добычи в шахтах, применяемый при глубоком залегании пластов. В ш ахтах твердые горючие иско паемые добывают посредством угольных комбайнов, стругов и вру бовых машин и вывозят их на поверхность электровозами. Сейчас внедряют более экономичный способ добычи угля в шахтах - гид равлический: пласт разбивают, измельчают и зерна угля транспор тируют струей воды на поверхность, затем отделяют от воды и пу стой породы.
36
1.5.4. Транспортирование нефти, газа и других горючих ископаемых
Твердые горючие ископаемые перевозятся к местам их пере работки или потребления преимущественно железнодорожным (в открытых вагонах), а также морским, речным, иногда автомобиль ным транспортом.
Объективно сложилось так, что большинство нефтегазопромыслов находится, как правило, на больших расстояниях от нефтегазо перерабатывающих 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 внут ренних и международных (и межконтинентальных) перевозок нефти
игаза за последние годы увеличивались быстрыми темпами и исчис лялись соответственно сотнями миллионов тонн и миллиардами ку бометров. 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 закры тый 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 по следствиями для людей и окружающей природы (например, УлуТелякская на границе Челябинской обл. и Башкирии в 1989 г.). По этому транспортировка нефти, особенно природного газа, по срав нению с твердыми видами горючих ископаемых, предъявляет поми мо экономической эффективности особо повышенные требования по обеспечению высокой надежности, герметичности, противопожарной
иэкономической безопасности транспортных средств.
Одним из наиболее дешевых, экономичных и технически со вершенных видов транспорта нефти и газа на расстояния, измеряе мые тысячами километров, является морской нефтеналивной флот, особенно когда речь идет о транспортировке их с одного континента на другой. В послевоенный период мирового нефтяного бума объе мы 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
37