задача. Основы нефтегазового дела by Зубарев В.Г. (z-lib.org). Основы нефтегазового дела

• Название: Основы нефтегазового дела
• Анкор: задача
• Дата: 11.06.2022
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: Основы нефтегазового дела by Зубарев В.Г. (z-lib.org).doc
• Тип: Учебное пособие; #585598
• страница: 1 из 6

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.Г.ЗУБАРЕВ


ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВОГО ДЕЛА

Учебное пособие

для студентов специальности 230105 "Сервис и техническая эксплуатация транспорта и технологических машин (специальная автотракторная техника и оборудование в нефтегазодобыче) "

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время трудно представить жизнь людей без нефти и газа. Использование этих углеводородов позволяет удовлетворить большую часть потребности в энергии, каучуке, пластмассах, синтетических волок­нах, моющих средствах, медицинских препаратах и многом другом.

Несмотря на то, что нефть и газ были известны человечеству еще в древности, широко пользоваться ими люди научились относительно недав­но.

В течение столетий нефть населением нефтеносных районов мира ис­пользовалась как лечебное средство, применялась в качестве осветительно­го средства и в строительстве. При сооружении Вавилонской башни неф­тяные битумы добавлялись в цемент. При строительстве Великой Китай­ской стены применялся асфальт. Использовалась нефть и в военных целях. Знаменитый "греческий огонь" представляет собой нефть, в которую до­бавлена сера и селитра. Нефть извлекалась в то время из неглубоких ко­лодцев ручным способом.

Развитие промышленной эксплуатации нефтяных месторождений на­чалось, когда человечество научилось фракционировать добытую нефть и добывать из земных недр посредством буровых скважин. В 1856 году в Се­верной Америке установили, что путем простой перегонки из нефти мож­но получить легкий осветительный продукт - керосин. Спустя три года бы­ла пробурена первая скважина глубиной 20 м. С этого момента начался так называемый осветительный, или керосиновый, период истории американ­ской, а с ней и мировой нефтяной промышленности. В 1936 году в мире было добыто 226,7 млн.т нефти, в том числе в США - 135 млн.т, в СССР -25,1 млн.т.

Развитие двигателей внутреннего сгорания и их широкое внедрение в промышленность и в автомобильный транспорт предопределило дальней­шее бурное развитие нефтяной промышленности. Нефть завоевала себе прочные позиции на суше, на воде и в воздухе.

В связи с трудностями добычи и транспорта газа газовая промышлен­ность начала развиваться с середины XIX века. В 1820 году в США была пробурена первая газовая скважина. Только после изобретения немецким физиком и химиком Р. Бунзеном в 1855 году газовой горелки природный газ стал использоваться в качестве топлива для бытовых целей, а затем и в промышленности.

К началу XX века основная часть газа добывалась в США. Широкое применение в промышленных масштабах природный газ получил лишь в 20-30 годах нынешнего столетия. Так, в 1950 году в СССР было добыто всего 5.8 млрд метров кубических газа.

Сегодня нефтяная и газовая промышленности представляют собой высокотехнологичные отрасли, базирующиеся на современных достижени­ях науки и техники. Развитие и эффективность работы отраслей обеспечи­ваются работниками многих специальностей.

Первыми на территорию будущего месторождения приходят геодези­сты и геологи. Результатом проводимых ими поисковых и разведочных ра­бот является открытие новых месторождений и оценка запасов нефти и га­за в них.

На заключительном этапе разведочных работ и при разработке место­рождения ведущая роль принадлежит специалистам по бурению скважин. Пробуренные ими скважины позволяют поднять нефть и газ на поверх­ность Земли.

Непосредственно процессом извлечения нефти и газа управляют спе­циалисты по разработке месторождений.

Поступающая на поверхность продукция скважин собирается и транс­портируется внутри промысла до пунктов подготовки, где производится ее очистка и доведение до кондиции.

До потребителей и перерабатывающих предприятий нефть и газ транспортируются в основном по магистральным нефте- и газопроводам.

Высокий технологический уровень, надежность и эффективность ра­боты оборудования нефтяных и газовых предприятий во многом обеспечи­ваются специалистами по электрификации, автоматизации и управлению.

Сооружение и обслуживание всех объектов нефтяной и газовой про-мышленностей невозможно без услуг автотранспортных предприятий,

Для плодотворной работы специалисту полезно знать особенности предприятия, на котором он работает, и место предприятия во всей отрас­ли.

В данном учебном пособии приведены физические основы и краткая характеристика основных технологических процессов, конструкция и принцип работы установок, знание которых поможет успешному освоению специальных дисциплин, связанных с нефтяной и газовой промышленно­стью.
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1. Нефть и газ в топливном балансе мира

Интенсивный рост мировой добычи и потребления топливно-энергетических ресурсов во второй половине текущего столетия происхо­дит в основном за счет нефти и газа, как наиболее эффективных и деше­вых энергоносителей. Открытие в начале 60-х годов крупных месторожде­ний нефти и газа с низкой себестоимостью добычи привело к изменению соотношения цен на различные энергоресурсы. Так, по отношению к ценам на уголь они стали составлять 55-65%. В результате в мировой структуре потребления топливно-энергетических ресурсов доля нефти и газа увели­чилась с 46% в 1960 г. до 65% в 1980 г.

С конца 80-х годов доля нефти и газа начала снижаться. В 1988 г. она составляла уже 58%. С другой стороны, наметилась тенденция перераспре­деления баланса в сторону роста доли газа. Считается, что к 2030 г. доля газа составит 60% в суммарном потреблении углеводородного сырья.

В СССР в 1980 г. доля нефти и газа в топливно-энергетическом балан­се составляла, соответственно, 37,8 и 20,9 % против 35,9 и 19,5 % в 1970 г. Тенденция роста доли нефти и газа прослеживается до конца 80-х годов.

Таблица 1.1

Мировой баланс энергии, %
Годы	Твердое	Жидкое	Газ	ГЭС
	топливо	топливо		АЭС
1960	52.0	32.0	14.0	2.0
1970	35.2	42.7	19.9	2.2
1980	31.2	43.4	21.9	3.5
7000	287	29.4	16.2	22

Приведенный в табл. 1.1 прогноз на 2000 г. был сформулирован в на­чале 80-х годов. Однако в дальнейшем прогноз на развитие атомной энер­гетики не подтвердился, как не подтвердился и прогноз по снижению роли нефти и газа. Так, по прогнозу 1990 г. на 2000 г. доля нефти снизится не более чем на 2-3%. Суммируя вышесказанное, можно предположить, что до 2000-2030 г. роль нефти и газа в балансе энергии мира существенно не изменится.

1.2. Добыча нефти и газа в мире

Разведанные запасы нефти и газа в недрах Земли оцениваются в 130 млрд. тонн нефти и 111 трлн. кубических метров газа.

К настоящему времени добыто порядка 105 млрд. тонн нефти и 50 трлн. метров кубических газа, что составляет 40% запасов углеводородно­го сырья.

Запасы нефти и газа распределены по регионам Земли неравномерно (табл. 1.2). Больше половины запасов нефти сосредоточено на Среднем Востоке. Здесь же залегает третья часть запасов газа. Более трети мировых запасов газа приходится на долю России.

Таблица 1.2

Разведанные запасы нефти и газа, %

Регион	Нефть	Газ
1. Средний Восток	63	32
2. Северная Америка	9	9
З. Южная Америка	8	4
4. Россия	7	38
5. Африка	6	5
6. Дальний Восток, Океания	5	7
7. Западная Европа	2	5

В последние годы в мире ежегодно добывается порядка 3,2 млрд. т нефти и 22 трлн. м³ газа. При этом объем добычи редко соответствует объему запасов нефти и газа (табл. 1.3).

Легко заметить, что доля добычи нефти и газа высокоразвитыми стра­нами превышает (+) их долю в запасах. Так, в странах Северной Америки добыча в два раза превышает запасы нефти, а по газу это соотношение еще больше. С другой стороны, доля разведанных запасов на Среднем Востоке превышает более чем в два раза для нефти и более чем в шесть раз для газа соответствующую долю в добыче.

В России видим двойное превышение добычи нефти над запасами и точное соответствие добычи и запасов газа.

Таблица 1.3 Добыча нефти и газа в мире, %
Регион	Нефть	Газ
1. Средний Восток,	28(-)	5(-)
в том числе Саудовская Аравия	10
Иран	4
Кувейт	3
2. Северная Америка,	18(+)	32(+)
в том числе США	12	27
Мексика	4
Канада	2
3. Южная Америка,	12(+)	5(-)
в том числе Венесуэла	4
4. Дальний Восток, Океания,	12(+)	8(+)
в том числе Индонезия	3
Австралия	1
5.Россия	14(+)	38
6. Африка,	10(+)	З(-)
в том числе Нигерия	3
Ливия	7
7. Западная Европа,	6(+)	12(+)
в том числе Великобритания	5

1.3. Добыча нефти и газа в России

Россия занимает ведущее место в мире по запасам и добыче нефти и газа (табл. 1.2 и 1.3). Динамика развития нефтяной и газовой промышлен­ности в СССР представлена в табл. 1.4.

Таблица 1.4 Добыча нефти и газа в СССР

Годы	1950	1960	1970	1980	1985	1997
Нефть, млн. т Газ, млрд	37, 9 5, 8	147, 9 47,.2	353, 0 199, 6	603, 0 435,.0	595,0 643, 0	302 533

- Добыча нефти и газа в России.

Необходимо иметь в виду, что большая часть нефти и особенно газа добывалась на территории современной России.

Добыча нефти возрастала вплоть до 1983 г., в котором достигла 616 млн. т. Далее до 1990 г. изменялась в пределах 624-585 млн. т в год. С 1991г. началось обвальное снижение добычи. В 1995 году в России было добыто всего 307 млн. т нефти.

Добыча газа таких колебаний не претерпевала. Максимальная годовая добыча газа в России составляла в 1992 г. 647 млрд. м³. Далее происходит снижение объема добываемого газа и в 1995 г. он составил 595 млрд. м³.

В последующем ожидается стабилизация добычи нефти и повышение добычи газа к 2000 году до 715-730 млрд. м³.

В настоящее время более 60 % нефти и более 90 % газа России добы­вается в Тюменской области. В 1995 г. здесь было добыто 170 млн т нефти и конденсата и 540 млрд м³ газа.

Первым на территории Тюменской области в 1953 г. было открыто Березовское газовое месторождение.

Основные месторождения газа расположены на территории Ямало-Ненецкого округа. В настоящее время большая часть газа добывается на Уренгойском и Ямбургском месторождениях газа. Дальнейшая перспекти­ва добычи газа связана с полуостровом Ямал и в первую очередь с Бованенковским месторождением.

Первое месторождение нефти было открыто в Шаимском районе в 1960г.

Нефть в основном добывается в Ханты-Мансийском национальном округе в районе Среднего Приобья. Крупнейшими месторождениями этого региона являются: Самотлорское, Сургутское, Федоровское, Мамонтовское, Варьеганское и другие. Перспективным считается Красно-Ленинское месторождение.

Понемногу начинается добыча нефти на юге Тюменской области. Прогнозные запасы составляют здесь 1.5 млрд. т, что может обеспечить годовую добычу порядка 15-20 млн. т.

Помимо Тюменской области нефть и газ добываются в России в рес­публиках Татарстан и Башкортостан, в республике Коми, в Томской Пермской и Куйбышевской областях и на о. Сахалине.

К настоящему времени извлечен 41 % нефти, содержащийся в недра? страны и 26,8 % запасов Западной Сибири.

На будущее достаточно перспективными считаются Восточная Сибирm и Северные морские акватории России.
ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ И ГАЗА

2.1. Происхождение нефти и газа

Несмотря на то, что нефть известна с давних времен, вопрос о ее про­исхождении является предметом жарких споров до сих пор. Создано более 30 гипотез, объясняющих происхождение нефти и газа.

Одни считают, что происхождение нефти и газа связано с останками животного или растительного мира - органическая теория происхождения нефти и газа.

Другие считают, что для образования нефти и газа не нужны органи­ческие компоненты - неорганическая теория происхождения нефти и га­за.

Первым высказал идею органического происхождения нефти М.В.Ломоносов (1759г.). М.В.Ломоносов считал, то нефть образовалась из растительных остатков. Другие, наоборот, считали, что нефть образова­лась из останков животных. В 80-90 годах 19-го столетия немецкий уче­ный Энглер экспериментально доказал, что при температуре порядка 400 ° С и давлении 25ат. рыбий жир превращается в подобные нефти мас­ла, газ и воду. На этом основании был сделан вывод о возникновении нефти как продукта разложения жиров морских животных. Однако рыбы появились 300 млн. лет назад (кембрийский период), а залежи нефти и газа известны уже 500 млн. лет (девонский период). В 1919 году Зелинский II.Д. получил подобные нефти вещества из растительных остатков.

Стройно теория органического происхождения нефти была разрабо­тана И.М. Губкиным в 1932 году - сапропелевая теория. Сапропель - гни­лой ил. И.М. Губкин доказал, что именно сапропель является материнским веществом нефти. Сапропель образуется в застойных водоемах из органи­ческих остатков. При изменении режима водоема сапропель заносится другими остатками, например песком. В сапропеле продолжаются процес­сы разложения органических остатков. Дальнейшее погружение сапропеля сопровождается его уплотнением при постоянном росте температуры и давления. Процессу разложения содействуют бактерии, одновременно увеличивая объем отложений. Образующиеся вода, жидкие и газообразные углеводороды вытесняются из слоя сапропеля в вышележащие слои и миг­рируют по ним до непроницаемых слоев, где и накапливаются. Исследо­вания показали, что при сухой перегонке сапропеля получается примерно 25 % подобных нефти продуктов.

Ученые вулканологи отмечают присутствие углеводородных газов и даже жидкой нефти в вулканических выделениях. Д.И. Менделеев обратил внимание, что открытые в то время месторождения нефти в России и в Америке как бы опоясывали могучие горные массивы Кавказ и Аппалачи. В 1877 году Д.И. Менделеев сформулировал гипотезу минерального про­исхождения нефти - карбидной теории. Лабораторные исследования пока­зали, что при взаимодействии воды и углеродистого железа в условиях вы­соких температур и давлений возникают различные углеводородные со­единения. На этом основании теория была сформулирована следующим образом. В недрах Земли много карбидов железа находящихся при высо­ких давлениях и температурах. В предгорных районах горные сооружения поражены многочисленными разломами и трещинами, по которым воды достигают глубин залегания карбидов. Образовавшиеся пары углеводоро­дов поднимаются по трещинам вверх и далее, после частичной конденса­ции, мигрируют по осадочным породам до непроницаемых пород.

В настоящее время, подавляющее число исследователей отдает пред­почтение органической теории происхождения нефти и газа.

2.2. Состав нефти и газа

Нефть и газ относятся к семейству органических горючих ископае­мых, получивших название каустоболитов (каустос- горючий, биос -жизнь, литос - камень), то есть горючих органических камней.

В химическом отношении нефть - это сложная смесь углеводородов и углеводородных соединений.

Химические элементы представлены в ней в следующих пропорциях: углерод - 84-87 %; водород - 12-14 %; кислород, азот, сера - 1-5 %.

В состав нефти входят три группы углеводородов: метановые (алканы или парафины) С_NH_2N+2 - предельные углеводороды (наиболее устойчи­вые), нафтеновые (циклановые) С_NH_2N (достаточно устойчивые), ароматические (арены) С_NH_2N-2 - наиболее бедные водородом, перенасыщенные или непредельные (не устойчивые). Углеводороды до С₄ при нормальных условиях представлены в виде газа, от С₅ до С₁₆ - жидкость и при С₁₇ и выше - твердые вещества (парафин, церезин).

Помимо углеводородной составляющей в нефти выделяют: асфальто-смолистую часть, порфирины (азотные соединения органического проис­хождения - из хлорофилла растений и гемоглобина животных), зольная часть - различные минеральные соединения (железо, никель, ванадий).

Принято классифицировать нефть по химическому составу, плотно­сти, содержанию серы, содержанию парафина и содержанию асфальтенов и смол.

По химическому составу различают.

• 
  метановые нефти (65 % и более метановые углеводороды);
  
• 
  нафтеновые нефти (60 % и более нафтеновые углеводороды);
  
• 
  нафтено-метановые;
  
• 
  ароматические.
  

По плотности.

• 
  легкие нефти (р = 650 - 870 кг/м³);
  
• 
  средние нефти (р = 871 - 910 кг/м³);
  
• 
  тяжелые нефти {р = 910 - 1050 кг/м³).
  

По содержанию серы:

• 
  малосернистые (содержание серы до 0.5 %);
  
• 
  сернистые (0.5 - 2.0 %);
  
• 
  высокосернистые (более 2.0 %).
  

По содержанию парафина:

• 
  малопарафинистые (содержание парафина до 2.0 %);
  
• 
  парафинистые (2.0 - 6.0 %);
  
• 
  высокопарафинистые (более 6.0 %).
  

Физические свойства нефти в пластовых условиях значительно отли­чаются от свойств нефти после подготовки. Это объясняется влиянием на пластовую нефть температуры, давления и растворенного газа. В пласто­вых условиях в 1м³ нефти может быть растворено до 300-400м³ газа. От­ношение объема нефти в пластовых условиях к объему этой же нефти по­сле дегазации называют объемным коэффициентом нефти.

В=Vпл./Vн

где: V_пл - объем нефти в пластовых условиях;

V_Н - объем нефти при нормальных условиях (Р = 0.1 МПа, Т= 273.2°К) после дегазации.

2.3. Плотность и вязкость

Плотность - масса единицы объема вещества. С увеличением температуры плотность вещества уменьшается. Для жидкости:

P = P- (t-20),

где - плотность нефти при температуре I, кг/м³;

P20 - плотность нефти при t = 20°С;

- температурная поправка, кг/(м³ град).

= 1.825- 0.001315

Плотность некоторых нефтепродуктов составляет:

бензина - (712 - 761) кг/м³;

дизельного топлива - (775 - 970) кг/м";

масел - более 860 кг/м³.

Плотность газа помимо температуры зависит еще и от давления. И'-) уравнения состояния газа

РV= zRТ,

P =Р/(zRТ),

где Р- абсолютное давление газа, Па;

v- удельный объем газа, м' /кг;

z- коэффициент сжимаемости газа;

Т- температура газа, К;

R- газовая постоянная, Дж/(кг град)

R=287/ ,

где - относительная плотность газа

=p / pв

где pв плотность воздуха.
При стандартных условиях (Р = 0,1МПа и Т = 293 К) pв =1,205кг/м³.

Коэффициент сжимаемости газа зависит от физических свойств газа,

давления и температуры. Для природного газа 2 можно найти, используя

эмпирическую зависимость



где Рпр - приведенное давление газа;

= 1.68Тпр + 0,78Тпр² + 0.0107 Тпр³;

Тпр - приведенная температура газа.

Рпр = Р/Ркр, Тпр =Т/Ткр,

где Ркр и Ткр - критические значения давления и температуры газа.

Ркр= 0.1773(26.831-рст),

Ткр= 155.24(0.564 +рст),

где рст - плотность газа при стандартных условиях. Относительная плотность природного газа колеблется в пределах 0,56-0,67. Для метана =0,55.

Вязкость характеризует способность жидкости и газа сопротивляться перемещению.

При течении происходит относительный сдвиг слоев жидкости или газа относительно друг друга, что приводит к возникновению касательных напряжений, связанных с силами трения



где -коэффициент динамической вязкости (динамическая вяз­кость), Па с;
- градиент скорости течения.

При гидравлических расчетах трубопроводов широко используется понятие кинематической вязкости



где v- кинематическая вязкость, м ² / c

В справочной литературе обычно кинематическая вязкость указыва­ется в Стоксах (Ст) или сантистоксах (с Ст). Размерность Стокса – см ²/с.

С увеличением температуры вязкость жидкости уменьшается, и эта зависимость может быть представлена формулой Филонова-Рейнольдса
V = V₁ ехр{ -U (t – t₁ )},

где v- вязкость нефти при температуре t;

V₁ - вязкость нефти при температуре t₁;

U - коэффициент крутизны вискограммы, 1/град.



где v, - вязкость нефти при температуре 1г.

Вязкость некоторых веществ составляет следующие величины: вода -1 сСт, бензин - 0.75 сСт, дизельное топливо - 6.0 сСт, нефть - более 4 сСт.

Вязкость газа увеличивается с ростом давления и температуры. В ус­ловиях промысловых трубопроводов динамическая вязкость меняется ма­ло и при расчетах можно принимать по метану, = 12 10⁶ Па с.

2.4. Теплофизические свойства

Температура кипения (Тк) и давление насыщения (Рs) характеризуют переход жидкости в газ и обратно. Так, при атмосферном давлении метан переходит в жидкое состояние при Тк=-161.3° С, пропан при Tк=42.1⁰ С, бутан при Тк=-0.5° С и, наоборот, при температуре Т=0° С пропан перехо­дит в жидкость при давлении Рs=1.6 МПа, бутан при Рs=0.2 МПа. Метан при 0° С в жидкость не переходит, так как его критическая температура значительно меньше (Ткр= - 82.5° С),

Давление насыщения зависит от степени сепарации нефти и после стабилизации должно составлять 500 мм. рт. ст. или 0.067 МПа.

Теплоемкость нефти характеризует количество тепла, необходимое для повышения температуры тела.

Обычно теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью, по­казывающей количество тепла,подводимое к единице массы вещества для повышения его температуры на один градус.

Ориентировочное значение удельной теплоемкости составляет:

для жидких углеводородов с=2100 Дж/(кг.град.), для газов С=2500Дж/(кг.град.).

Количества тепла, получаемое при сжигании единицы массы или объема вещества, характеризуется низшей теплотой сгорания. Низшая те­плота сгорания газа составляет Qн=34.5 МВт/м³, мазута Qн=39.0МВт/кг, дров Qн=10МВт/кг.
ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВОГО ДЕЛА

3.1. Основные законы гидростатики

В общем случае энергия, которой обладает тело, представляется в виде двух составляющих