Если честно, меня утомили стереотипы в отношении моей профессии. Поэтому я решила провести краткий ликбез по нефтянке. Думаю, каждый гражданин России должен иметь представление о том, как, собственно, его страна кормится :))
Что такое нефть?
Нефть — это смесь жидких углеводородов: парафины, ароматика и прочие. На самом деле, нефть не всегда черная — бывает и зеленая (девонская, раньше у меня в баночке стояла, жаль, выкинула), коричневая (самое частое) и даже белая (прозрачная, вроде бы на Кавказе она водится).
Нефть делится по качеству на несколько классов в зависимости от химического состава — соответственно, меняется ее цена. Еще в нефти очень часто растворен попутный газ, который так ярко горит на факелах.
Газа может быть растворено от 1 до 400 кубических метров в кубическом метре нефти. То есть много. Сам этот газ в основном состоит из метана, но ввиду трудности его подготовки (его надо сушить, очищать и доводить до ГОСТовых чисел Воббе — чтобы была строго определенная теплота сгорания) попутный газ очень редко используется в бытовых целях. Грубо говоря, если газ с промысла пустить в квартиру в газовую плиту, последствия могут быть от копоти на потолке до насмерть испорченной плиты и отравлений (например, сероводородом).
Ах, да. Еще одна попутная гадость в нефти — растворенный сероводород (потому что нефть — органическое вещество). Он очень ядовитый и очень коррозионно активный. Это накладывает свои трудности на добычу нефти. На дОбычу нефтИ. Профессионализм, который я, к слову сказать, не употребляю.
Откуда взялась нефть?
На этот счет есть две теории (подробнее — тут). Одна — неорганическая. Впервые была высказана Менделеевым и заключается в том, что вода протекала мимо раскаленных карбидов металлов, и, таким образом, образовывались углеводороды. Вторая — органическая теория. Считается, что нефть «созревала», как правило, в морских и лагунных условиях, путем перегнивания органических остатков животных и растений (илов) в определенных термобарических условиях (высокое давление и температура). В принципе, исследования подтверждают эту теорию.
Зачем нужна геология?
Стоит, наверное, упомянуть строение нашей Земли. По-моему, на картинке все красиво и ясно.
Так вот, нефтяные геологи имеют дело только с земной корой. Она состоит из кристаллического фундамента (там нефть находится оооочень редко, поскольку это магматические и метаморфические породы) и из осадочного чехла. Осадочный чехол состоит из осадочных пород, но не буду углубляться в геологию. Скажу только, что глубины нефтяных скважин обычно порядка 500 — 3500 м. Вот на этой глубине и лежит нефть. Выше обычно только вода, ниже — кристаллический фундамент. Чем глубже порода — тем раньше она отложилась, что логично.
Где залегает нефть?
Вопреки почему-то распространенным мифам о «нефтяных озерах» под землей, нефть находится в ловушках. Упрощая, ловушки в вертикальном разрезе выглядят так (вода — вечная спутница нефти):
(Складка, выгнутая «спиной» вверх, называется антиклиналью. А если она похожа на чашу — это синклиналь, в синклиналях нефть не задерживается).
Или так:
А в плане они могут быть круглыми или овальными поднятиями. Размеры — от сотен метров до сотен километров. Одна или несколько таких ловушек, расположенных рядом, являются месторождением нефти.
Поскольку нефть легче воды, то всплывает вверх. Но чтобы нефть никуда больше не утекла (вправо, влево, вверх или вниз), пласт с ней должен быть ограничен породой-покрышкой сверху и снизу. Обычно это глины, плотные карбонаты или соли.
Откуда берутся изгибы внутри земной коры? Ведь породы откладываются горизонтально или почти горизонтально? (если они откладываются кучками, то эти кучки обычно быстро разравниваются ветром и водой). А изгибы — поднятия, опускания — возникают вследствие тектоники. Видели на картинке с разрезом Земли слова «турбулентная конвекция»? Эта самая конвекция двигает литосферные плиты, что приводит к образованию трещин в плитах, а следовательно, смещениям блоков между трещинами и изменениям во внутреннем строении Земли.
Как залегает нефть?
Нефть залегает не сама по себе, как было уже сказано, нефтяных озер не существует. Нефть находится в горной породе, а именно, в ее пустотах — порах и трещинах:
Породы характеризуются такими свойствами, как пористость — это доля объема пустот в породе — и проницаемость — способность породы пропускать через себя жидкость или газ. Например, обычный песок характеризуется очень высокой проницаемостью. А бетон — уже гораздо хуже. Но смею заверить, что порода, залегающая на глубине 2000 м с высоким давлением и температурой по свойствам гораздо ближе к бетону, чем к песку. Я щупала. Тем не менее, оттуда добывается нефть.
Это керн — выбуренный кусок горной породы. Плотный песчаник. Глубина 1800 м. Нефти в нем нет.
Еще одно важное дополнение — природа не терпит пустоты. Практически все пористые и проницаемые породы, как правило, водонасыщены, т.е. в их порах находится вода. Соленая, поскольку она протекала через множество минералов. И логично, что часть этих минералов уносится вместе с водой в растворенном виде, а потом, при изменении термобарических условий, выпадает в этих самых порах. Таким образом, зерна породы становятся скреплены солями и этот процесс называется цементированием. Именно поэтому, по большому счету, скважины не осыпаются сразу же в процессе бурения — потому что породы сцементированы.
Как находят нефть?
Обычно сначала по сейсморазведке: пускают колебания на поверхности (взрывом, например) и замеряют время их возврата по приемникам.
Далее по времени возврата волны вычисляют глубину того или иного горизонта в разных точках на поверхности и строят карты. Если на карте выявляется поднятие (=антиклинальная ловушка), ее проверяют на наличие нефти бурением скважины. Далеко не во всех ловушках есть нефть.
Как бурят скважины?
Скважина — это вертикальная горная выработка с длиной во много раз больше ширины.
Два факта о скважинах: 1. Они глубокие. 2. Они узкие. Средний диаметр скважины при входе в пласт — порядка 0,2-0,3 м. То есть туда человек не пролезет однозначно. Средняя глубина — как уже говорила, 500-3500 м.
Бурят скважины с буровых вышек. Есть такой инструмент для измельчения горной породы, как долото. Заметьте, не бур. И оно совершенно не похоже на то самое винтообразное устройство из «Черепашек Ниндзя».
Долото подвешено на буровых трубах и крутится — оно прижато ко дну скважины весом этих самых труб. Есть разные принципы приведения долота в движение, но обычно вращается вся буровая колонна труб, чтобы вертелось долото и измельчало своими зубцами горную породу. Также в скважину постоянно закачивается (внутрь буровой трубы) и откачивается (между стенкой скважины и наружной стенкой трубы) буровой раствор — для того, чтобы охлаждать всю эту конструкцию и уносить с собой частицы измельченной породы.
Для чего нужна вышка? Чтобы подвесить на ней эти самые буровые трубы (ведь в процессе бурения верхний конец колонны опускается, и к нему надо привинчивать новые трубы) и чтобы поднимать колонну труб для замены долота. Бурение одной скважины занимает около месяца. Иногда используется специальное кольцевое долото, которое при бурении оставляет центральный столбик породы — керн. Керн отбирается для изучения свойств горных пород, хотя это и дорого. Еще скважины бывают наклонные и горизонтальные.
Как узнать, где какой пласт лежит?
Человек не может спуститься в скважину. Но нам же надо знать, что мы там пробурили? Когда скважина пробурена, в нее на кабеле спускают геофизические зонды. Эти зонды работают на совершенно разных физических принципах работы — собственная поляризация, индукция, измерение сопротивления, гамма-излучение, излучение нейтронов, измерение диаметра скважины и т.д. Все кривые записываются в файлы, получается вот такой кошмар:
Теперь в работу вступают геофизики. Зная физические свойства каждой породы, они выделяют пласты по литологии — песчаники, карбонаты, глины — и выполняют разбивку разреза по стратиграфии (т.е. к какой эпохе и времени относится пласт). Думаю, про парк юрского периода слышали все:
На самом деле, есть намного более детальное разбиение разреза на ярусы, горизонты, пачки и т.д. — но нам сейчас это неважно. Важно то, что коллектора нефти (пласты, способные отдавать нефть) бывают двух типов: карбонатные (известняки, как мел, например) и терригенные (песок, только сцементированный). Карбонаты — это СаСО3. Терригенные — SiO2. Это если грубо. Сказать, какие лучше, нельзя, они все разные бывают.
Как скважину готовят к работе?
После того, как скважина пробуривается, ее обсаживают. Это значит — спускают длинную колонну стальных обсадных труб (диаметром практически как скважина), а затем в пространство между стенкой скважины и наружной стенкой трубы закачивают обычный цементный раствор. Это делается для того, чтобы скважина не осыпалась (ведь не все породы хорошо сцементированы). В разрезе скважина теперь выглядит так:
Но мы закрыли обсадной колонной и цементом нужный нам пласт! Поэтому выполняется перфорация колонны напротив пласта (а как узнать, где нужный пласт? геофизика!). Спускается, опять же, на кабеле перфоратор с заложенными в него взрывными зарядами. Там заряды срабатывают и образуются дыры и каналы перфорации. Теперь нас не волнует вода с соседних пластов — мы проперфорировали скважину только напротив нужного.
Как добывают нефть?
Самая интересная часть, думаю. Нефть гораздо более вязкая, чем вода. Думаю, что такое вязкость — понятно интуитивно. Некоторые нефтяные битумы, например, похожи по вязкости на сливочное масло.
Зайду с другого конца. Жидкости в пласте находятся под давлением — на них напирают вышележащие слои пород. А когда мы бурим скважину — со стороны скважины не давит ничего. То есть в районе скважины давление пониженное. Создается перепад давления, называемый депрессией, и именно он приводит к тому, что нефть начинает течь в сторону скважины и появляться в ней.
Для описания притока нефти есть два простых уравнения, которые должны знать все нефтяники.
Уравнение Дарси для прямолинейного потока:
Уравнение Дюпюи для плоско-радиального течения (как раз случай притока жидкости к скважине):
Собственно, на них и стоим. Дальше углубляться в физику и писать уравнение нестационарного притока не стоит.
С технической точки зрения наиболее распространены три способа добычи нефти.
Фонтанный. Это когда пластовое давление очень высокое, и нефть не просто поступает в скважину, а еще и поднимается до самого ее верха и переливается (ну, на самом деле не переливается, а в трубу — и дальше).
Насосами ШГН (штанговый глубинный насос) и ЭЦН (электроцентробежный насос). Первый случай — это обычный станок-качалка.
Второй на поверхности вообще не видно:
Заметьте, вышек нет. Вышка нужна только для спуска/подъема труб в скважине, но не для добычи.
Суть работы насосов проста: создание дополнительного давления, чтобы жидкость, поступившая в скважину, могла по скважине подняться до поверхности земли.
Стоит вспомнить обычный стакан с водой. Как мы из него пьем? Наклоняем, правильно? А вот скважину наклонить не получится. Но в стакан с водой можно опустить трубочку и пить через нее, втягивая жидкость ртом. Примерно так скважина и работает: ее стенки — стенки стакана, а вместо трубочки в скважину спускают колонну насосно-компрессорных труб (НКТ). Нефть поднимается по трубам.
В случае ШГН станок-качалка двигает своей «головой» вверх-вниз, соответственно, приводя в движение штангу. Штанга при движении вверх увлекает за собой насос (открывается нижний клапан), а при движении вниз насос опускается (открывается верхний клапан). Вот так, понемногу, жидкость поднимается вверх.
ЭЦН работает напрямую от электричества (с мотором, естественно). Внутри насоса крутятся колеса (горизонтальные), в них есть прорези, так нефть и поднимается наверх.
Должна добавить, что открытое фонтанирование нефти, которое любят показывать в мультиках, — это не только аварийная ситуация, а еще и экологическая катастрофа и миллионные штрафы.
Что делать, когда нефть плохо добывается?
С течением времени нефть перестает выжиматься из породы под весом вышележащих толщ. Тогда в работу вступает система ППД — поддержания пластового давления. Бурятся нагнетательные скважины, и в них закачивается вода под высоким давлением. Естественно, закачанная или пластовая вода рано или поздно попадет в добывающие скважины и будет подниматься наверх вместе с нефтью.
Еще надо отметить, что чем больше доля нефти в потоке, тем быстрее она течет, и наоборот. Поэтому чем больше воды течет вместе с нефтью, тем труднее нефти выбраться из пор и попасть в скважину. Зависимость доли проницаемости по нефти от доли воды в потоке представлена ниже и называется кривыми относительных фазовых проницаемостей. Тоже очень нужное понятие для нефтяника.
Если призабойная зона пласта загрязнилась (мелкими частицами породы, унесенными вместе с нефтью, или выпали твердые парафины), то проводят кислотные обработки (скважину останавливают и в нее закачивают небольшой объем соляной кислоты) — этот процесс хорош для карбонатных пластов, потому что они растворяются. А для терригенных (песчаников) кислота безразлична. Поэтому в них проводят гидроразрыв пласта — в скважину качают гель под очень высоким давлением, так, что пласт начинает трескаться в районе скважины, после этого закачивают проппант (керамические шарики или крупный песок, чтобы трещина не закрылась). После этого скважина начинает работать гораздо лучше, потому что препятствия потоку ликвидированы.
Что с нефтью происходит потом, когда она добыта?
Сначала нефть поднимается на поверхность земли в трубу, которая идет от каждой скважины. 10-15 близлежащих скважин подключены этими трубами к одному замерному устройству, где измеряется, сколько нефти добыто. Потом нефть поступает на подготовку по стандартам ГОСТ: из нее удаляются соли, вода, механические примеси (мелкие частицы породы), если необходимо, то и сероводород, а также нефть разгазируется полностью, до атмосферного давления (вы же помните, что в нефти может быть много газа?). Товарная нефть поступает на нефтеперерабатывающий завод. Но завод может быть далеко, и тогда в дело вступает компания «Транснефть» — магистральные трубопроводы для готовой нефти (в отличие от промысловых трубопроводов для сырой нефти с водой). По трубопроводу нефть качается такими же точно ЭЦН-ами, только положенными набок. В них точно так же вращаются рабочие колеса.
Отделенная от нефти вода закачивается обратно в пласт, газ сжигается на факеле или идет на газоперерабатывающий завод. А нефть либо продается (за границу трубопроводами или танкерами), либо идет на нефтеперерабатывающий завод, где перегоняется путем нагревания: легкие фракции (бензин, керосин, лигроин) идут на топливо, тяжелые парафинистые — на сырье для пластиков и т.п., а самые тяжелые мазутные с температурой кипения выше 300 градусов обычно служат топливом для котельных.
Как всё это регулируется?
Для добычи нефти есть два главных проектных документа: проект подсчета запасов (там обосновывается, что нефти в пласте именно столько, а не больше и не меньше) и проект разработки (там описывается история месторождения и доказывается, что надо разрабатывать его именно так, а не иначе).
Для подсчета запасов строятся геологические модели, а для проекта разработки — гидродинамические (там вычисляется, как месторождение будет работать в том или ином режиме).
Сколько всё это стоит?
Сразу скажу, все цены, как правило, конфиденциальны. Но могу примерно сказать: скважина в Самаре стоит 30-100 млн.руб. в зависимости от глубины. Тонна товарной (не переработанной) нефти стоит по-разному. Когда считала первый диплом, давали величину около 3000 р., когда второй — около 6000 р., разница во времени — год, но это могут быть и не реальные значения. Сейчас — не знаю. Налоги составляют как минимум 40% от прибыли, плюс налог на имущество (в зависимости от балансовой стоимости имущества), плюс налог на добычу полезных ископаемых. Добавьте деньги, требуемые на зарплату работникам, на электричество, на ремонт скважин и обустройство месторождения — строительство трубопроводов и оборудования для сбора и подготовки нефти. Очень часто экономика проектов разработки уходит в минус, поэтому надо ухищряться работать в плюс.
Добавлю такое явление, как дисконтирование — тонна нефти, добытая в следующем году, ценна меньше, чем тонна нефти, добытая в этом. Поэтому нужна интенсификация добычи нефти (которая тоже стоит денег).
Итак, я вкратце изложила то, чему училась 6 лет. Весь процесс, от появления нефти в пласте, разведки, бурения, добычи, переработки и транспортировки до продажи — вы видите, что для этого требуются специалисты совершенно различных профилей. Надеюсь, что хоть кто-то прочитал этот длинный пост — а я очистила совесть и развеяла хотя бы немногие мифы, окружающие нефть.
