Нефть и способы ее переработки

углеводороды могли образоваться не только в результате минерального

синтеза, но и при термической деструкции захваченного биогенного

органического вещества осадочных пород или при поступлении нефти в

осадочные породы уже после остывания магматических пород. Но главное

доказательство состоит в большом сходстве химических и геохимических

показателей многих углеводородных и неуглеводородных соединений нефти с

аналогичными компонентами живого вещества организмов и биогенного

органического вещества современных осадков и древних осадочных пород.

Гениальная догадка М. В. Ломоносова об образовании нефти в результате

воздействия повышенной температуры на биогенное органическое вещество

осадочных пород начала получать подтверждение в конце XIX— начале XX веков

при проведении экспериментальных химических и геологических исследований.

Энглер (1888 г.) при перегонке сельдевого жира получил коричневого

цвета масла, горючие газы и воду. В легкой фракции масел содержались

углеводороды от С5 до С9, во фракции больше 300єС парафины, нафтены,

олефины и ароматические углеводороды. Возникла гипотеза образования нефти

из жиров животного происхождения.

Историческая справка. Энглер Карл Освальд (1842-1925). Немецкий химик-

органик. Окончил Фрейбургский университет. Профессор университета в

Галле (с 1872 г.) и высшей технической школы в Карлсруэ (1876-1919).

Основные труды по химии и технологии нефти, предложил ряд приборов для

ее исследований. Член-корр. Петербургской АН (с 1913).

В 1919 году Н. Д. Зелинский подвергнул перегонке озерный сапропелевый

ил, почти нацело состоявший из растительного материала — остатков

планктонных водорослей с высоким содержанием липидов…

Историческая справка. Зелинский Николай Дмитриевич (1861-1953). Русский

химик – органик, академик АН СССР (с 1929 г.). Герой Социалистического

труда (с 1945 г). Один из основоположников учения об органическом

катализе. Был в Санкт – Петербурге директором Центральной Лаборатории

Министерства финансов (также заведующим кафедрой в Политехническом

Институте). Научная деятельность очень разносторонняя: работы по химии

тиофена, стереохимии органических двуосновных кислот, электропроводности

в неводных растворах, химии углеводородов и органическому катализу. в

1895-1907 впервые синтезировал ряд циклопентановых и циклогексановых

углеводородов, послуживших эталонами для изучения химических свойств

нефтяных фракций. В 1915 успешно использовал окисные катализаторы при

крекинге нефти.

…При этом были получены кокс, смолы, газ и пирогенетическая вода. Газ

состоял из СН4, СО2, Н2 и Н2S. Смола содержала бензин, керосин и тяжелые

смолистые вещества. В бензине были обнаружены алканы, нафтены и арены; в

керосине преобладали циклические полиметиленовые углеводороды. Полученная

смесь углеводородов во многом была сходна с природной нефтью, тяжелые

фракции обладали оптической активностью.

Оптическая активность — одно из фундаментальных свойств, общих для живого

вещества, продуктов его преобразования и природных нефти. При минеральном

синтезе углеводородов возникают рацемические смеси, не обладающие

оптической активностью, поскольку они не содержат равное количество лево- и

правовращающихся молекул, что выгодно с позиций термодинамики (такая смесь

характеризуется максимумом энтропии).

Для живой природы, напротив, характерна зеркальная асимметрия: все

биогенные аминокислоты — левые, сахара — правые зеркальные изомеры.

Оптическая асимметрия органических молекул — достаточное основание для

утверждения о наличии живого вещества или продуктов его посмертного

преобразования. С этих позиций оптически активная нефть может быть только

продуктом биосферы, а не минерального синтеза. Оптическая активность нефти

связана главным образом с углеводородами типа тритерпанов и стеранов.

Получение оптически активных нефтеподобных продуктов при перегонке

органического вещества планктонных водорослей послужило основой для

гипотезы происхождения нефти из растительного материала. Этому

способствовали и геологические исследования. При поисках и разведке

нефтяных месторождений геологи уже в XIX веке стали отмечать частую

приуроченность нефтяных залежей к древним морским отложениям, обогащенным

сапропелевым органическим веществом, которые были названы нефте-

материнскими.

Начиная с работ А. Д. Архангельского (1927 г.) и П. Д. Траска (1926 —

1932 гг.) развернулись исследования органического вещества современных

осадков и древних осадочных пород. Значительное влияние на направление

исследований оказал И. М. Губкин…

Историческая справка. Губкин Иван Михайлович (1871-1939). Советский

геолог, создатель современной геологической Академии АН СССР. В 1917-18

командирован в США для изучения нефтяной промышленности. Председатель

Особой Комиссии по Курской Магнитной Аномалии. С 1930 в Московской

горной Академии заведующий кафедрой геологии и нефтяных месторождений.

Основные труды по геологии нефти. В труде «Учение о нефти» 1932 г.

изложил свои представления о происхождении нефти, условиях формировании

нефтяных месторождений. Разработал вопросы первичности и вторичности

нефтяных залежей, миграции нефти и газа, классификация нефтяных залежей

и закономерность их распределения. Работы о задании нефтяной базы между

Волгой и Уралом изложены в «Урало-Волжская нефтеносная область».

…Он подчеркивал, что широкое региональное распространение

месторождений нефти в осадочных толщах заставляет отбросить любые возможные

экзотические источники для образования нефти и считать, что источником

нефти может быть только широко распространенное в осадочных породах

рассеянное органическое вещество смешанного растительно-животного

происхождения.

Детальные исследования выявили все большие черты сходства между

углеводородами рассеянного органического вещества осадочных пород,

названных Н. Б. Вассоевичем микронефтью, и нефти из ее месторождений…

Историческая справка. Вассоевич Николай Брониславович (1902-?). русский

геолог, член-корр. АН СССР. В 1924-40 изучал геологическое строение и

нефтегазоносность Сев. Кавказа, Грузии, Азербайджана и севера Сибири. В

1940-63 работал во Всесоюзном нефтяном научно – исследовательском

институте, где занимался основными проблемами литологии и нефтяной

геологии. Был заведующим кафедрой геологии и геохимии горючих ископаемых

геологического факультета МГУ. Его основные труды были по методике

изучения флишевых отложений, а также по теории осадочно-миграционного

(органического) происхождения нефти.

…Особое значение имело открытие в нефти, унаследованных от животного

вещества биомолекул («химических ископаемых», по аналогии с

палеонтологическими).

Важными «биогенными метками» являются свойственные живому веществу

многие изопреноидные углеводороды, возникновение которых связывают с

фитолом — периферическим структурным элементом молекулы хлорофилла.

Благодаря большому сходству в молекулярной структуре между стероидами и

стеранами, тритерпеноидами и тритерпанами живого вещества и нефти, их

присутствие является надежным показателем органического генезиса нефти.

По стереохимическим особенностям нефтяные стераны и тритерпаны все-

таки несколько отличаются от исходных биологических соединений, что связано

с изменениями при термическом превращении пространственного строения одного

или нескольких хиральных центров биомолекул. Пентоциклические тритерпены

встречаются в основном в наземных растениях. В органическом веществе

морских осадочных пород и в нефти распространены тетрациклические

углеводороды - стераны, свойственные сине-зеленым планктонным водорослям,

которые явились одним их основных биопродуцентов при накоплении

сапропелевого органического вещества в морских осадков в течение всего

геологического времени.

К унаследованным биогенным структурам относятся и нормальные алканы.

Содержание их в нефти достигает 10-15, а иногда и 30% . свидетельством

образования н-алканов из биогенных жирных кислот являются случаи

преобладания в малопреобразованных нефти н-алканов с нечетным числом атомов

углеводородов над «четными». Для живого вещества и образованного из него

органического вещества осадков всегда характерно преобладание жирных кислот

с четным числом атомов углерода.

Постепенное сглаживание этих первичных генетических признаков до примерно

одинаковой концентрации «четных» и «нечетных» н-алканов и в органическом

веществе нефти материнских пород и нефтезалежей происходит по мере

нарастания глубины и температуры в недрах вследствие вторичных реакций.

Таким образом, по многим признакам на молекулярном уровне и наличию

«биомаркеров» прослеживается связь между живым веществом организмов,

органическим веществом осадочных нефте-материнских пород и нефти в залежах.

Суммарное количество унаследованных от живого вещества биогенных

молекулярных структур иногда достигает в нефти 30% от их массы.

Детальное изучение состава и распределения «биомаркеров» в

органическом веществе осадочных пород и в нефти позволяет не только

утверждать органическое происхождение нефти, но даже определять для

конкретных залежей, из каких именно отложений в них поступали нефтяные

углеводороды при формировании месторождений.

Известно, что нефть распределена в осадочных толщах неравномерно, и

это также понятно с позиций органической концепции ее образования. Исходная

для нефти органическое вещество накапливалось в осадках в течение

геологического времени неравномерно. Максимумам его накопления в девонских,

юрско-меловых и третичных отложениях соответствуют максимальные массы

образовавшихся рассеянных нефтяных углеводородов в нефте-материнских

отложениях этого возраста и максимумы запасов нефти в открытых

месторождениях.

Таким образом, все химические, геохимические и геологические данные с

несомненностью свидетельствуют об органическом происхождении нефти.

Известно, что при нагревании сапропелевых сланцев до 150-170є С

начинается слабое термическое разложение термического вещества, приводящее

к повышению выхода экстрактивных веществ; при 200є С их образуется заметно

больше, а при 370-400є С после нагревания в течение 1 часа уже до 60-80%

органического вещества сланцы переходят в растворимое состояние. Образуется

много асфальтово-смолистых веществ, содержащих все основные классы нефтяных

углеводородов, а также газы (СO2, CH4, H2S) и пирогенетическая вода.

В принципе тот же самый процесс термического (или

термокаталитического) разложения происходит и в природных условиях при

погружении содержащих сапропелевое органическое вещество отложений под

накапливающиеся над ними более молодыми осадками. Только в природных

условиях он протекает крайне медленно, со скоростью погружения осадков

обычно от 50-100 до 300 м/млн. лет. Опускание на глубину 2-3 км,

характеризующуюся большей части залежей образовавшийся нефти и температурой

до 150-160єС осуществляется за время от 10 до 60 млн. лет. Такой очень

медленный природный «технологический» процесс термического превращения

органического вещества с подъемом температуры на один градус Цельсия за 60-

400 тыс. лет трудно себе представить, однако проведенные исследования

подтверждают, что в природных условиях он действительно реализуется очень

широко во многих впадинах, заполненных мощными толщами накопленных осадков.

Детальные геолого-геохимические исследования позволили ученым проследить

последовательные стадии этого процесса.

Балансовые расчеты термического превращения сапропелевого

органического вещества и процессов эмиграции нефтяных углеводородов по

полученным экспериментальным данным позволили создать теоретическую

количественную модель образования нефти. Главная фаза нефтеобразования

характеризуется максимальной скоростью генерации нефтяных углеводородов,

обычно в глубинном диапазоне 2-3 км при температуре от 80-90 до 150-160єС.

При низком геотермическом градиенте, медленном нарастании температуры с

глубиной главной фазы нефтеобразования реализуется в более глубокой зоне,

примерно до 6-8 км. Общее количество образующихся битуминозных веществ и

нефтяных углеводородов превышает 30%, а количество эмигрировавшей в

пористые пласты коллекторы нефти достигает 20% от исходной массы

сапропелевого органического вещества.

Всплывание нефти, вынесенной из глинистых нефте-материнских пород в

водонасыщенные пористые пласты, приводит постепенно к образованию ее

скоплений (залежей) в наиболее приподнятых участках пластов (на

антиклинальных структурах). Процесс нефтеобразования и формирования ее

залежей на этом заканчивается.

Разведка нефти

Цель нефтеразведки – выявление, геолого-экономическая оценка и

подготовка к разработке залежей нефти. Нефтеразведка производится с помощью

геологических, геофизических, геохимических и буровых работ в рациональном

сочетании и последовательности.

На первой стадии поискового этапа в бассейнах с не установленной

нефтегазоносностью либо для изучения слабо исследованных тектонических зон

или нижних структурных этажей в бассейнах с установленной

нефтегазоносностью проводятся региональные работы. Для этого осуществляются

аэромагнитная, геологическая и гравиметрическая съемки, геохимические

исследования вод и пород, профильное пересечение территории электро- и

сейсморазведкой, бурение опорных и параметрических скважин. В результате

устанавливаются районы для дальнейших поисковых работ.

На второй стадии производится более детальное изучение нефтегазоносных

зон путем детальной гравиразведки, структурно-геологической съемки, электро-

и сейсморазведки, структурного бурения.

Производится сравнение снимков масштабов 1:100.000 – 1:25.000. уточняется

оценка прогнозов нефтегазоносности, а для структур с доказанной

нефтегазоносностью, подсчитываются перспективные запасы.

На третьей стадии производится бурение поисковых скважин с целью

открытий месторождений. Первые поисковые скважины бурятся на максимальную

глубину. Обычно первым разведуется верхний этаж, а затем более глубокие. В

результате дается предварительная оценка запасов.

Разведывательный этап – завершающий в геологоразведочном процессе.

Основная цель – подготовка к разработке. В процессе разведки должны быть

оконтурены залежи, определены литологический состав, мощность,

нефтегазонасыщенность. По завершению разведочных работ подсчитываются

запасы и даются рекомендации о вводе месторождения в разработку.

Эффективность поиска зависит от коэффициента открытий месторождений –

отношением числа продуктивных площадей к общему числу разбуренных поисковым

бурением площадей.

Добыча нефти

Почти вся добываемая в мире нефть, извлекается посредством буровых

скважин, закрепленных стальными трубами высокого давления. Для подъема

нефти и сопутствующих ей газа и воды на поверхность скважина имеет

герметичную систему подъемных труб, механизмов и арматуры, рассчитанную на

работу с давлениями, соизмеримыми с пластовыми. Добыче нефти при помощи

буровых скважин предшествовали примитивные способы: сбор ее на поверхности

водоемов, обработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью,

посредством колодцев.

Сбор нефти с поверхности водоемов – это, очевидно, первый по времени

появления способ добычи, который до нашей эры применялся в Мидии, Вавилонии

и Сирии. Сбор нефти в России, с поверхности реки Ухты начат Ф.С. Прядуновым

в 1745 г. В 1858 на полуострове Челекен нефть собирали в канавах, по

которым вода стекала из озера. В канаве делали запруду из досок с проходом

воды в нижней части: нефть накапливалась на поверхности.

Разработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью, и

извлечение из него нефти, впервые описаны итальянским ученым

Ф. Ариосто в 15 веке. Недалеко от Модены в Италии такие нефтесодержащие

грунты измельчались и подогревались в котлах. Затем нефть выжимали в мешках

при помощи пресса. В 1833 –1845 г.г. нефть добывали из песка на берегу

Азовского моря. Песок помещали в ямы с покатым дном и поливали водой.

Вымытую из песка нефть собирали с поверхности воды пучками травы.

Добыча нефти из колодцев производилась в Киссии, древней области

между Ассирией и Мидией в 5 веке до нашей эры при помощи коромысла, к

которому привязывалось кожаное ведро. Подробное описание колодезной добычи

нефти в Баку дал немецкий натуралист Э. Кемпфер. Глубина колодцев достигала

27 м, их стенки обкладывались камнем или укреплялись деревом.

Добыча нефти посредством скважин начала широко применяться с 60-х г.

19 века. Вначале наряду с открытыми фонтанами и сбором нефти в вырытые

рядом со скважинами земляные амбары добыча нефти осуществлялась также с

помощью цилиндрических ведер с клапаном в днище. Из механизированных

способов эксплуатации впервые в 1865 в США была внедрена глубоконасосная

эксплуатация, которую в 1874 г применили на нефтепромыслах в Грузии, в 1876

в Баку. В 1886 г В.Г. Шухов предложил компрессорную добычу нефти, которая

была испытана в Баку в 1897г. Более совершенный способ подъема нефти из

скважины – газлифт – предложил в 1914 г М.М. Тихвинский.

Процесс добычи нефти, начиная от притока ее по пласту к забоям

скважин и до внешней перекачки товарной нефти с промысла, можно разделить

условно на 3 этапа.

V Движение нефти по пласту к скважинам благодаря искусственно

создаваемой разности давлений в пласте и на забоях скважин.

V Движение нефти от забоев скважин до их устьев на поверхности –

эксплуатация нефтяных скважин.

V Сбор нефти и сопровождающих ее газа и воды на поверхности, их

разделение, удаление минеральных солей из нефти, обработка пластовой

воды, сбор попутного нефтяного газа.

Под разработкой нефтяного месторождения понимается осуществление процесса

перемещения жидкостей и газа в пластах к эксплуатационным скважинам.

Управление процессом движения жидкостей и газа достигается размещением на

месторождении нефтяных, нагнетательных и контрольных скважин, количеством и

порядком ввода их в эксплуатацию, режимом работы скважин и балансом

пластовой энергии. Принятая для конкретной залежи система разработки

предопределяет технико-экономические показатели. Перед забуриванием залежи

проводят проектирование системы разработки. На основании данных разведки и

пробной эксплуатации устанавливают условия, при которых будет протекать

эксплуатация: ее геологическое строение, коллекторские свойства пород

(пористость, проницаемость, степень неоднородности), физические свойства

жидкостей в пласте (вязкость, плотность), насыщенность пород нефти водой и

газом, пластовые давления. Базируясь на этих данных, производят

экономическую оценку системы, и выбирают оптимальную.

При глубоком залегании пластов для повышения нефтеотдачи в ряде

случаев успешно применяется нагнетание в пласт газа с высоким давлением.

Извлечение нефти из скважин производится либо за счет естественного

фонтанирования под действием пластовой энергии, либо путем использования

одного из нескольких механизированных способов подъема жидкости. Обычно в

начальной стадии разработки действует фонтанная добыча, а по мере

ослабления фонтанирования скважину переводят на механизированный способ:

газлифтный или эрлифтный, глубинонасосный (с помощью штанговых,

гидропоршневых и винтовых насосов).

Газлифтный способ вносит существенные дополнения в обычную

технологическую схему промысла, так как при нем необходима газлифтная

компрессорная станция с газораспределителем и газосборными трубопроводами.

Нефтяным промыслом называется технологический комплекс, состоящий из

скважин, трубопроводов, и установок различного назначения, с помощью

которых на месторождении осуществляют извлечение нефти из недр Земли.

На месторождениях, разрабатываемых с помощью искусственного

заводнения, сооружают систему водоснабжения с насосными станциями. Воду

берут из естественных водоемов с помощью водозаборных сооружений.

В процессе добычи нефти важное место занимает внутрипромысловый

транспорт продукции скважин, осуществляемый по трубопроводам. Применяются 2

системы внутрипромыслового транспорта: напорные и самотечные. При напорных

системах достаточно собственного давления на устье скважин. При самотечных

движение происходит за счет превышения отметки устья скважины над пометкой

группового сборного пункта.

При разработке нефтяных месторождений, приуроченных к континентальным

шельфам, создаются морские нефтепромыслы.

Очистка нефти

Первый завод по очистке нефти был построен в России в 1745 г., в

период правления Елизаветы Петровны, на Ухтинском нефтяном промысле. В

Петербурге и в Москве тогда пользовались свечами, а в малых городах –

Страницы: 1, 2, 3