Видобуток нафти і газу.

Нафта - це природна горюча масляниста рідина, яка складається із суміші вуглеводнів найрізноманітнішого будови. Їх молекули являють собою і короткі ланцюги атомів вуглецю, і довгі, і нормальні, і розгалужені, і замкнуті в каблучки, і многокольчатие. Крім вуглеводнів нафту містить невеликі кількості кисневих і сірчистих з'єднань і зовсім небагато азотистих. Нафта і горючий газ зустрічаються в земних надрах як разом, так і окремо. Природний горючий газ складається з газоподібний вуглеводнів - метану, етану, пропану.

Нафта і горючий газ накопичуються в пористих породах, які називаються колекторами. Хорошим колектором є пласт пісковика, укладений серед непроникних порід, таких, як глини або глинисті сланці, що перешкоджають витоку нафти і газу з природних резервуарів. Найбільш сприятливі умови для утворення родовищ нафти і газу виникають у тих випадках, коли шар пісковику изогнут в складку, звернену склепінням догори. При цьому верхня частина такого купола буває заповнена газом, нижче розташовується нафту, а ще нижче - вода.

Про те, як утворилися родовища нафти і горючого газу, вчені багато сперечаються. Одні геологи - прихильники гіпотези неорганічного походження - стверджують, що нафтові та газові родовища утворилися внаслідок просочування з глибин Землі вуглецю і водню, їх об'єднання у формі вуглеводнів і накопичення в породах - колекторах.

Інші геологи, їх більшість, вважають, що нафта, як і вугілля, виникла з органічної маси, похованої на глибину під морські опади, де з неї виділялися горючі рідина і газ. Це органічна гіпотеза походження нафти і горючого газу. Обидві ці гіпотези пояснюють частина фактів, але залишають без відповіді іншу їх частину.

Повна розробка теорії утворення нафти і пального газу ще чекає на своїх майбутніх дослідників.

Групи нафтових і газових родовищ, подібно до родовищ викопного вугілля, утворюють газонефтеносние басейни. Вони, як правило, приурочені до прогин земної кори, в яких залягають осадові породи; в їх складі є пласти хороших колекторів.

У нашій країні давно відомий Каспійський нафтоносний басейн, розробка якого почалася в районі Баку. У 20-х роках був відкритий Волго-Уральський басейн, який назвали Другим Баку. У 50-х роках був виявлений найбільший в світі Західно-Сибірський басейн нафти і газу. Великі басейни, крім того, відомі і в інших районах країни - від берегів Льодовитого океану до пустель Середньої Азії. Вони поширені як на материках, так і під дном морів. Нафта, наприклад, видобувається з дна Каспійського моря.

Росія займає одне з перших місць у світі за запасами нафти і газу. Велика перевага цих корисних копалин - порівняльне зручність їх транспортування. За трубопроводами нафту і газ надходять за тисячі кілометрів на фабрики, заводи і електростанції, де використовуються як паливо, як сировина для виробництва бензину, гасу, масел і для хімічної промисловості.

Видобуток нафти і газу. Як бурять свердловини

Дуже цікава історія видобутку й переробки нафти. Як і багато інших джерела органічних речовин, вона була відома багатьом древнім народам. Розкопки на берегах Євфрату встановили, що за 6000-4000 років до н. е.. нафту застосовували як паливо. Є відомості, що у нас на Кавказі нафту використовувалася 2000 років тому. Арабський історик Істархи, що жив у Х ст., Свідчить, що з давніх часів бакінци замість дров палили землю, просякнуту нафтою. Нафта здавна вивозили з Баку як освітлювального матеріалу.

Буріння свердловин і промисловий видобуток нафти почалася, однак, набагато пізніше. У 50-60-х роках XX в. на перший план серед горючих копалин висунулися нафту і газ.

Робота автомобілів і літаків немислима без бензину і гасу, на рідкому паливі працюють тепловози і кораблі. Переходять на дешеве газове паливо електростанції. З нафти і газу роблять хімічні продукти, які перетворюють потім у синтетичні матеріали.

Нафта і газ добувати простіше і дешевше, ніж вугілля.

Головна машина для видобутку нафти і газу - буровий верстат. Перші бурові верстати, що з'явилися сотні років тому, по суті, копіювали робітника з ломом. Тільки лом у цих перший верстатів був важчий, і за формою нагадував швидше долото. Він так і називався - бурове долото. Його підвішували на канаті, який то піднімали з допомогою ворота, то опускали. Такі машини називаються ударно-канатними. Їх можна зустріти де-не-де і зараз, але це вже вчорашній день техніки: дуже вже повільно пробивають вони отвір в камені, дуже багато енергії витрачають даремно.

Набагато швидше і вигідніше інший спосіб буріння - роторний, при якому свердловина висвердлюється. До ажурною металевої чотириногий вежі висотою з десятиповерховий будинок підвішена товста сталева труба. Її обертає спеціальне пристрій - ротор. На нижньому кінці труби - бур. У міру того, як свердловина стає глибше, трубу подовжують. Щоб зруйнована порода не забила свердловину, в неї насосом через трубу нагнітають глинистий розчин. Розчин промиває свердловину, забирає з неї вгору по щілині між трубою і стінами свердловини зруйновану глину, піщаник, вапняк. Одночасно щільна рідина підтримує стінки свердловини, не даючи їм обвалитися.

Але й у роторного буріння є свій недолік. Чим глибше свердловина, тим важче працювати двигуну ротора, тим повільніше йде буріння. Адже одна справа обертати трубу довжиною 5-10 м, коли буріння свердловини тільки починається, і зовсім інша - Крутити колону труб довжиною 500 м. А що робити, якщо глибина свердловини досягає 1 км? 2 км?

У 1922 р. радянські інженери М. А. Капелюшников, С. М. Волох та Н. А. Корнєв вперше в світі побудували машину для буріння свердловин, в якій не потрібно було обертати бурові труби. Винахідники помістили двигун не вгорі, а внизу, в самій свердловині - поруч з бурових інструментом. Тепер всю потужність двигун витрачав тільки на обертання самого бура.

У цього верстата і двигун був незвичайний. Радянські інженери змусили ту саму воду, яка раніше тільки вимивала зі свердловини зруйновану породу, обертати бур. Тепер, перш ніж досягти дна свердловини, глинистий розчин обертав маленьку турбіну, прикріплену до самого бурового інструменту.

Новий верстат назвали турбобуром, з часом його вдосконалили, і тепер в свердловину опускають кілька турбін, насаджених на один вал. Зрозуміло, що потужність такої "Многотурбінной" машини у багато разів більше і буріння йде у багато разів швидше.

Інша чудова бурова машина - електробур, винайдений інженерами А. П. Островським і Н. В. Александровим. Перші нафтові свердловини пробурили електробуром в 1940 р. У цієї машини колона труб теж не обертається, працює тільки сам буровий інструмент. Але обертає його не водяна турбіна, а електричний двигун, поміщений в сталеву сорочку - кожух, заповнений маслом. Масло весь час знаходиться під високим тиском, тому що оточує вода не може проникнути в двигун. Щоб потужний двигун міг поміститися в вузької нафтовій свердловині, довелося робити його дуже високим, і двигун вийшов схожим на стовп: діаметр у нього, як у блюдця, а висота-6-7 м.

Буріння -- основна робота при видобутку нафти і газу. На відміну, скажімо, від вугілля або залізної руди нафту і газ не потрібно відокремлювати від навколишнього масиву машинами або вибухівкою, не потрібно піднімати на поверхню землі конвеєром або в вагонетках. Як тільки свердловина досягла нафтоносного пласта, нафта, стиснута в надрах тиском газів і підземних вод, сама з силою спрямовується вгору.

У міру того як нафта виливається на поверхню, тиск зменшується, і залишилася в надрах нафту перестає текти вгору. Тоді через спеціально пробурені навколо нафтового родовища свердловини починають нагнітати воду. Вода тисне на нафту і видавлює її на поверхню по знову ожила свердловині. А потім наступає час, коли тільки вода вже не може допомогти. Тоді в нафтову свердловину опускають насос і починають викачувати з неї нафту.

Зберігання та транспортування

Транспортування нафти і газу на нафтопереробні хімічні заводи і на електростанції дуже зручна. За залізним і автомобільним дорогам нафту перевозять в цистернах, а по морях і океанах-в нафтоналивних судах-танкерах. Але в багатьох випадках нафту і газ можна подавати на будь-які відстані по трубах.

Нафтопроводи і газопроводи-магістралі зі сталевих труб, укладених неглибоко в землі, -- простяглися на десятки тисяч кілометрів.

А от зберігати нафту і газ складніше, ніж вугілля та руду.

Для зберігання нафти і одержуваних з неї нафтопродуктів, наприклад бензину, потрібно будувати спеціальні металеві резервуари. Вони схожі на гігантські консервні банки. Стінки нафтосховищ фарбують сріблястою алюмінієвою фарбою, добре відбиває сонячні промені, щоб нафта і нафтопродукти не нагрівалися. Для зберігання газу необхідні герметичні, газонепроникні резервуари. Щоб газ при зберігань (і під час перевезення через моря й океани) займав якомога менше місця, його скраплювати, охолоджуючи до температури - 160 ° С і нижче. Скраплений газ зберігають у резервуарах з міцних алюмінієвих сплавів і спеціальної сталі. Стінки роблять подвійні, а між стінками закладають який-небудь матеріал, що погано проводить тепло, щоб газ не нагрівався.

Але самі великі сховища газу зручніше і дешевше споруджувати під землею. Стінками підземних газосховищ служать непроникні пласти гірських порід. Щоб ці породи не вивалювалися і не падали, їх бетонують. Існує кілька способів зберігання зріджених газів під землею. В одних випадках сховище являє собою порожнину, гірську виробку, розташовану досить глибоко. У інших випадках - яму, котлован, закритий герметичній металевою кришкою, або, краще сказати, дахом.

Переробка нафти і газу

На початку нафту та продукти її переробки (гас) застосовували для освітлення. Потім нафту і мазут стали вживати як паливо для парових котлів (пароплавних і паровозних), а також для одержання мастильних матеріалів. З появою двигунів внутрішнього згоряння, в тому числі дизелів, продукти переробки нафти - гас, солярове масло і більш важкі масла стали широко застосовувати як паливо. Саме це викликало швидкий розвиток видобутку й переробки нафти. Найбільш простий метод переробки нафти - пряма гонка. Цей метод полягає в перегоні нафти при нагріванні в закритих котлах або трубчастих печах. Спочатку відганяються найбільш легкокіпящіе погони (бензин, лігроїн), потім більш важкий - Гас. Бензини складаються з вуглеводнів з 5-10 атомами вуглецю в молекулі, а гасові погони-з вуглеводнів з 10-15 атомами вуглецю. Після перегонки залишається мазут - чорна густа рідина. Він вживається як паливо або піддається нової перегоні, щоб виділити мастила: легкі-солярове, більш важкі - веретенне і машинні і, нарешті, важкі - циліндричні.

На початку нашого століття відбулися докорінні зміни в нафтопереробці. Швидке поширення карбюраторних бензинових двигунів внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням для автомобілів (а пізніше в авіації) зажадало дуже багато бензину. Це призвело насамперед до вдосконалення нафтовидобутку, тому що при старому відкритому способі багато легкокіпящіх фракцій випаровується на повітрі. Однак цього було недостатньо. При прямій гонці виходило порівняно мало бензинових фракцій, і вони не могли задовольнити дедалі більший попит. Особливо гостро відчувалася нестача бензину в роки першої світової війни. Тоді в промисловість був введений крекінг-процес - розкладання вуглеводнів нафти під впливом високої температури. При нагріванні до 500-600 ° С вуглеводневі ланцюжка розриваються та утворюються осколки з меншим числом атомів вуглецю в молекулі, тобто підвищується вміст легкокіпящіх фракцій. Промислове освоєння крекінг-процесу відразу підвищило ресурси бензину. Проте якість бензинів термічного крекінгу було не завжди задовільним. А високоякісний бензин був потрібен авіації.

Російська хімік Н. Д. Зелінський запропонував удосконалити крекінг за допомогою прискорювачів процесу - каталізаторів. В якості каталізатора він застосував хлористий алюміній. Французькими інженерами був запропонований алюмосилікатні каталізатор. У його присутності відбувалося утворення фракцій, що містять високоякісний бензин, придатний для авіаційних двигунів.

Проте життя йшла вперед. Бензинові двигуни внутрішнього згоряння ставали все швидкохідні, все потужніше і в той же час все легше і менше за розмірами. Цього вдалося досягти, підвищуючи ступінь стискання палива в циліндрах двигуна. Однак у момент сильного і швидкого стиснення пароповітряні суміш передчасно вибухала - Детонувала. Це призводило до стукоту в двигуні і втрати потужності. Боротьба з детонацією на довгий час стала головним завданням поліпшення методів нафтопереробки. Виявилося, що різні вуглеводні, що містяться в бензинах, детонують з різною легкістю. Вуглеводні з сильно розгалуженими ланцюгами атомів, а також ароматичні детонували важче, ніж вуглеводні з нормальною ланцюжком атомів вуглецю.

Здатність бензинів протистояти детонації характеризують так званим октановим числом: чим вище, тим краще бензин. Значить, і нафта: потрібно переробляти так, щоб отримувати бензини з можливо великими октановими числами. Крім каталітичного крекінгу з'явилися нові процеси нафтопереробки - риформінг, платформінг. Особливе значення в них отримали реакції ароматизації нафтових вуглеводнів, відкриті та розроблені радянськими хіміками. Промисловість стала навіть на шлях синтезу вуглеводнів з розгалуженою ланцюгом (ізооктана і тріптана), щоб використовувати їх як добавки до бензинів і підвищувати, таким чином, антидетонаційні властивості. Особливо успішно почали застосовувати спеціальні добавки до палива - так звані антидетонатор. Додані в невеликій кількості до бензину, вони значно підвищують його октанове число. Такий тетраетилсвинець (скорочено ТЕС). Бензин з цим антидетонатор (етилований) дуже отруйний. Будьте завжди обережні з етилованим бензином: не обливати їм руки, намагайтеся, щоб бензин випадково не потрапив вам в рот або в очі.

Тепер знайдений кращий антидетонатор, ніж ТЕС. Ця речовина зі складною назвою -- ціклопентадіенілтрікарбоніл марганцю, або ЦТМ. Як видно з назви, це органічне речовина містить марганець. Незабаром з'являться в гаражах "марганцеві" бензини.

Здавалося, переробка нафти вирішила всі проблеми, поставлені перед нею автомобільними і авіаційними конструкторами. Але життя йшло вперед, і на зміну двигунів внутрішнього згоряння прийшли реактивні і ракетні двигуни. Виявилося, що тут не потрібні високі октанові числа. Навпаки, краще паливо - це вуглеводні з прямими малоразветвленнимі ланцюжками атомів вуглецю або кільчасті, та й не з бензинові фракції, а гасові і солярні. Все навпаки! І знову пошук, знову відкриття, знову зміни нафтопереробки.

І це ще не все! До цих пір мова йшла про застосування нафтопродуктів як палива. Змінювалися типи двигунів: від парових машин до дизелів, до бензиновим моторів, потім до реактивних двигунів. Але в них використовувалося тільки тепло що утворюється при згоранні палива!

Для хіміка-органіка спалювання нафтових вуглеводнів - непростиме марнотратство. Адже ці вуглеводні так потрібні для хімічного синтезу! З них можна зробити так багато цінних хімічних продуктів! І нафтохімічний синтез виступив потужним конкурентом транспорту у споживанні нафти. Перш за все пішли в хід нафтові гази, що складаються з вуглеводнів з маленькими ланцюжками атомів вуглецю - від 1 до 5. З етилену СН2 = СН2 можна отримувати етиловий спирт, а з нього - синтетичний каучук (СК). З етилену ж виходить прекрасний широко відомий полімер поліетилен. З пропілену СН3СН = СН2 можна отримати ізопропіловий спирт і ацетон; пропилен потрібен для виробництва фенолу, нарешті, з нього можна отримати поліпропілен і акрилонитрил-сировина для виробництва синтетичної вовни. Інші нафтові гази теж знаходять важливе застосування в нафтохімічному синтезі. Значить нефтеперералення потрібно вести інакше. Потрібно отримувати якомога більше газів, молекули яких містять подвійні зв'язки між атомами вуглецю.

Тим нафтою -- паливом і нафтою - хімічною сировиною розпочалася напружена боротьба.

Звісно, в даний час і найближчим часом нафту будуть використовувати головним чином як паливо. Однак частка нафти, що витрачаються на хімічну переробку, безперервно зростає.

А зовсім нещодавно з'явився ще один можливий споживач нафти. Він поки що "немовля", і йому багато нафти не потрібно. Але як знати? Це мікробіологічна переробка нафти на ... білки. Знайшлися бактерії, які добре живуть на нафті споживаючи її в їжу. Нафта зникає, бактерії ростуть. Поступово (і не так вже й повільно) зникає значна частина нафти, і замість неї утвориться маса клітин бактерій, що містить багато білка, якою можна використовувати як корм. У даний час вживаються спроби виростити такі бактерії, які поглинали б з нафти тільки непотрібні домішки. Це може призвести до появи мікробіологічних нафтоочисних заводів, побічною продукцією яких буде кормовий білок.

Досі йшла мова про гази нафтопереробки. Однак є й природний газ, який утворює величезні скупчення в товщі землі. Природний газ в основному складається з метану СН4. Він видобувається у величезних кількостях і використовується як пальне для промислових і побутових цілей. Разом з нафтовими газами, супутніми нафти, і газів нафтопереробки природний газ є важливим джерелом для синтезу різноманітних органічних речовин. Найбільший хімічний споживач газу - промисловість полімерних матеріалів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.studentu.ru/