4. Технології видобування нафти, природного газу, торфу Видобування нафти

З нафти добувають пальне для двигунів внутрішнього згоряння (авіаційних, автомобільних, тракторних), мастила для змащування механізмів та деталей машин, сировину для хімічної промисловості, паливо для котельних установок та ін. (рис. 9).

Рис. 9. Нафта та нафтопродукти в народному господарстві

Нафта — це рідина, що має колір від світло-жовтого з зеленуватим відтінком до червоно-коричневого і навіть чорний. Вона складається з суміші вуглеводнів з різними домішками органічних сполук, які містять у собі кисень, сірку, азот і велику кількість мінеральних речовин. Теплотворність нафти — 41—46 МДж/кг, що в півтора раза перевищує калорійність кам'яного вугілля.

Перші відомості про нафту прийшли з Близького Сходу. В долині річок Тигр та Євфрат нафту добували 6—8 тисячоліть тому. Давні шумери використовували бітум як з'єднувальний розчин при кладці будівель і як клей. Бітумом покривали дно басейнів. Застосовували бітум для запобігання гниттю дерев'яних балок, дверних та віконних блоків тощо.

Асфальтами ущільнювали днища човнів. У Давньому Єгипті асфальт застосовували для бальзамування мумій.

Давні люди застосовували нафту в медицині як засіб для загоювання ран і виразок, для лікування хвороб очей і т. ін. У Вавілоні нафтою освітлювали вулиці.

Відомі давні природні джерела нафти в Італії та Німеччині. У Китаї буріння було відоме ще до нашої ери. В Україні, в Прикарпатті, добування нафти почалося в XVIII ст.

Промислове видобування нафти розпочалося завдяки її застосуванню для освітлення в гасовій лампі. Перший нафтопереробний завод був збудований в 1745 році на річці Ухті на півночі Росії промисловцем Ф.С. Прядуновим. У 1848 році з'явилася перша промислова свердловина у Баку. Збільшенню видобутку нафти великою мірою сприяв винахід двигуна внутрішнього згоряння. Нафта знаходить використання як універсальне паливо.

Новим поштовхом для збільшення видобутку нафти у 30—50 роках XX ст. стало застосування її для отримання полімерних матеріалів.

Існує дві гіпотези утворення нафти: з органічних речовин та абіогенним шляхом. Це питання остаточно не з'ясоване.

Нафта і газ утворюються в материнських породах (вапняки та темнозабарвлені глини), а потім перетікають та накопичуються в промислових кількостях у так званих колекторах (пористих та проникних породах). Тут ці копалини переміщуються в горизонтальному та вертикальному напрямках, поки не потрапляють у так звані структурні пастки. В цих пастках, коли колектор знизу і зверху обмежений водотривкими шарами (найчастіше глиняними), відбувається накопичення нафти і газу, витіснених знизу підземними водами (рис. 10).

У цих пастках газ, нафта та вода залягають окремими шарами, оскільки нафта не розчиняється у воді і легша за воду, а газ розміщується над нафтою. В 1 м³ піщанику міститься до 130—250 кг нафти.

Україна має відносно невеликі запаси нафти і газу, які не можуть задовольнити її потреб. Відомі три нафтогазові провінції: Дніпропетровсько — Донецька западина, Карпатська і Кримсько — Причорноморська. Перша, відкрита ще у 1937 році (Ромни), включає близько 50 нафтогазових родовищ, які дають близько 80 % видобутку нафти і газу. Карпатська провінція охоплює Закарпаття, Українські Карпати, Прикарпаття з частиною Волині. Останньою була відкрита Кримсько — Причорноморська провінція з шельфом Чорного та Азовського морів. Сьогодні це найбільш перспективна територія. Світовий видобуток нафти і газу та його споживання показано в табл. 2.

На сьогодні людство видобуло близько 110 млрд τ нафти і при нинішніх темпах видобування щорічно споживається близько 2,5 % доведених запасів нафти.

Рис. 10. Умови залягання нафти та газу

Для добування нафти, що залягає в земній корі на великих глибинах, бурять нафтові свердловини, укріпленні сталевими трубами.

Нафтова свердловина являє собою колодязь круглого перерізу, пробурений в землі на глибину залягання нафти. Сучасні нафтові свердловини іноді досягають глибини 4000—6000 м. Процес буріння свердловини складається з операцій: руйнування гірських порід у свердловині і видалення продуктів руйнування на поверхню за допомогою спеціального глинистого розчину, який подається в свердловину під тиском.

Для буріння свердловин застосовують ударний і обертальний способи.

При ударному способі буріння породу в свердловині руйнують ударами внаслідок вертикального зворотно-поступального руху спеціального інструмента (плоского долота і ударної штанги). Такий спосіб буріння малопродуктивний і тепер мало застосовується.

При обертальному способі буріння породу в свердловині руйнують за допомогою доліт, які під час обертання сколюють або подрібнюють породу.

Бурять свердловини змонтованими на поверхні землі двигунами, що приводять у рух долото за допомогою бурильних труб (роторне буріння) або турбобуром чи електробуром, розміщеним у свердловині безпосередньо над долотом.

На рис. 11 показано загальний вигляд установки для буріння нафтових свердловин. Від насосної установки 6 у свердловину подається глиняний розчин, який промиває її, видаляє подрібнену породу, просочує і закріплює глиною стінки свердловини, щоб запобігти викиданню газів. Несучі труби 2 і буровий інструмент приводяться в рух за допомогою двигуна 3. Підіймають і опускають труби за допомогою лебідки 5 і блоків, установлених на буровій вишці. Бурові труби мають зовнішній діа метр від 73 до 168 мм. Висота сучасної установки (вишки) досягає 54 м і більше. Такою буровою установкою можна пробурити за місяць нафтову свердловину глибиною до 5000 м.

Рис. 11. Загальний вигляд бурової установки для буріння нафтових свердловин:

1 — буровий інструмент (долото); 2 — бурові труби; 3 — двигун; 4 — каркас установки; 5 — лебідка для піднімання і опускання бурових труб; 6 — насосна установка, яка постачає глиняним розчином свердловину

Недоліком роторного обертального буріння є те, що обертають з поверхні землі колонки бурильних труб великої довжини, а це спричиняє швидке спрацювання труб. Тому почали застосовувати двигуни-турбобури і електробури, двигун яких установлюють у свердловині, що дає змогу прискорити і здешевити процес буріння. При такому бурінні бурильні труби не обертаються, а обертається тільки долото, закріплене безпосередньо на валу двигуна. Останнім часом замість двигуна застосовують гідравлічну турбіну, яка працює від струменя глинистого розчину або води, що подається по бурильних трубах у турбіну, щоб очистити свердловину від подрібненої породи.

Буріння похилих свердловин проводять турбінним способом. Його застосовують при розробці прибережних зон підводних нафтових родовищ (рис. 12) і родовищ, розміщених на різко пересіченому рельєфі, для буріння кількох свердловин з одного стовбура або однієї бурової.

Видобувають нафту з надр землі фонтанним способом або за допомогою механізмів (насосів та компресорів).

Фонтанна експлуатація свердловини — це видобування нафти з нафтового пласта за допомогою газів, розчинених у нафті, які перебувають під тиском від кількох десятків до кількох сотень атмосфер і здатні виштовхувати нафту по свердловині на поверхню землі.

Для відведення нафти в такій свердловині під її устям установлюють спеціальну арматуру, через яку нафта надходить у систему закритих трубопроводів і по них відводиться в ємності. Фонтанна експлуатація свердловини є найефективнішою і найпродуктивнішою.

Рис. 12. Напрямлене буріння з допомогою турбобура

Методом підвищення тиску нафтового пласта "оживляють" вироблені свердловини і провадять повторне видобування нафти. "Оживлення" свердловини дає змогу збільшувати видобування нафти без капітальних затрат на буріння нових свердловин і сприяє повнішому використанню покладів.

На поверхні землі нафта надходить у газовіддільник, а далі у відстійники для відокремлення від води і домішок.

З відстійників нафта надходить у сховища. Сучасні нафтосховища— це металеві або залізобетонні резервуари місткістю до 10— 12 тис. м³, з яких нафта по трубопроводах надходить до нафтопереробних заводів.

Способи добування, при яких нафта підіймається на земну поверхню за рахунок підведеної ззовні енергії, називають механізованими. Існують два різновиди механізованого способу експлуатації — компресорний і насосний.

При компресорному або газліфтному методі у свердловину компресором закачують газ, який змішується з нафтою. Щільність нафти знижується, забійний тиск стає нижчим за пластовий, що викликає рух рідини до поверхні землі. Іноді у свердловину подають газ під тиском з розташованих поблизу газових пластів (метод безкомпресорного газліфта). На деяких старих родовищах існують системи ерліфта, в котрих як. робочий агент використовують повітря. Недоліки цього методу — необхідність спалювання попутного нафтового газу, змішаного з повітрям, підвищена корозія трубопроводів. Газліфтний метод застосовується на родовищах Західного Сибіру, Туркменії, Західного Казахстану.

При насосному способі експлуатації на визначену глибину спускають насоси, які приводяться в дію за рахунок енергії, що передається різними способами. На більшості нафтодобувних підприємств світу набули поширення штангові насоси.

Для підйому нафти штанговими насосами (рис. 13) у свердловину опускають труби, всередині яких знаходяться циліндр і всмоктуючий клапан 1. У циліндрі перемішується вгору і вниз плунжер з нагнітальним клапаном 2. Під час руху плунжера вгору нагнітальний клапан закритий, бо на нього тисне рідина, що знаходиться в насосних трубах, а всмоктуючий клапан відкритий. При русі плунжера вниз нижній клапан закривається, а верхній нагнітальний клапан відкривається. Рідина з циліндра переходить у простір над плунжером. Поступово підіймаючись, нафта виходить на поверхню. Заворотно-поступальний рух передається плунжеру від балансира 6 верстатокачалки, з яким плунжер з'єднано системою сталевих насосних штанг. Продуктивність штангових глибинних насосів при глибині свердловини 200—400 м досягає 500 м³ на добу, а при глибині до 3200 м становить не більше 20 м³ на добу.

Рис. 13. Схема установки для добування нафти із застосуванням штангових глибинних насосів:

1 — всмоктуючий клапан; 2 — нагнітальний клапан; З— насосні штани; 4— трійник; 5— сальник; 6 — балансир; 7, 8 — кривошипно-шатунний механізм; 9— двигун

Існують також способи добування нафти із застосуванням безштангових насосів. У цих випадках до насоса підводять через стовбур свердловини електричну енергію (по спеціальному кабелю) або інший потік енергонесучої рідини (синтетичний газ, теплоносій). Найбільш поширені установки з відцентровими електронасосами (рис. 14). За їх допомогою видобувають близько 1/3 загальної кількості нафти. Установка із заглибним електронасосом складається із заглибного електродвигуна, багатоступінчатого насоса і кабельної лінії, які опускають за допомогою насосних труб у свердловину.

Рис. 14. Схема установки заглибинного відцентрового насоса:

1— електродвигун; 2 — протектор; З — сітчастий фільтр; 4 — заглибний насос; 5 — кабель; 6— напрямний ролик; 7 — кабельний барабан; 8— трансформатор; 9— станція керування

На землі встановлюють станцію керування і трансформатор.

На собівартість нафти впливають способи її видобутку. Видобута в Україні нафта має відносно високу собівартість, оскільки видобуток її найпрогресивнішим фонтанним способом майже припинився. Для підтримування високого пластового тиску практикують закачування у законтурні горизонти гарячої води, пари, хімічних реагентів, що дає можливість збільшити видобуток нафти до 60—70 %.

Вартість нафти у районах споживання значною мірою визначається витратами на транспортування її, що залежить від діаметра трубопроводу, вмісту в сирій нафті парафіну, потужності нафтоперекачувальних станцій. Останніми роками визначилась тенденція подорожчання нафти, що пов'язано з ускладненням умов видобутку та експлуатації більшості родовищ. Поряд з цим будівництво нафтопереробних підприємств у районах споживання нафти і нафтопродуктів має ряд переваг, оскільки різко зменшується перевезення нафтопродуктів незалежно від способу транспортування сирої нафти (зберігання сирої нафти обходиться дешевше), а споживання має можливість використовувати сиру нафту, що надходить з різних районів.