Нефть. От первых скважин до новой эпохи
- -
- 100%
- +
В 1873 году, в период очередного нефтяного кризиса (цена на пуд нефти упала с 45 до 2–3 копеек), на Кавказ приехал представитель младшей ветви известного рода Нобелей – Роберт Нобель. Через пять лет братья Роберт и Людвиг Нобели владели семью из 301 общероссийской скважины, нефтеносными участками, нефтепроводом и первым в мире металлическим танкером.
Товариществу принадлежало 150 предприятий по сбыту продукции из нефти. В Бакинском регионе находилось много больших месторождений с относительно легко извлекаемыми запасами, но транспортировка нефти до рынков сбыта была трудной и дорогой. Братья Нобели и семейство Ротшильдов сыграли ключевую роль в развитии нефтяной промышленности в Баку, бывшем в то время частью Российской империи. Нефтяная промышленность получила стремительное развитие. На рубеже веков на долю России приходилось более 30 % мировой нефтедобычи.
Компания «Шелл Транспорт и Трейдинг», позже ставшая частью «Роял Датч/Шелл», начала свой бизнес с перевозок нефти, добываемой Ротшильдами, в Западную Европу. С 1877 года Бакинская нефтяная промышленность встала на твердую почву. Уже в 1879 году насчитывалось 126 отдельных фирм и предпринимателей, которые добывали нефть на площади в 411 десятин (казенных земель было 259 десятин, а частновладельческих – 152).
После революции для отрасли начался новый период развития. В связи с изменениями политической ситуации и взглядов произошли изменения и в топливно-энергетическом комплексе.
Революционные события, которые происходили в стране в начале прошлого века, привели к кризису во всех отраслях экономики. Не стала исключением и добыча углеводородного сырья. Государственный переворот привел к оттоку зарубежных инвестиций и сокращению объема добычи нефти сразу в несколько раз. Проблемы были связаны и с тем, что значительное количество рабочих отрасли стали участниками революционных процессов. Лишь в двадцатых годах, после стабилизации государственной политической системы, развитие добычи и переработки черного золота начало постепенно возвращаться в прежнее русло.
После Первой мировой войны и Гражданской войны произошел спад в нефтедобыче и снизилось производство нефтепродуктов. В конце 1920 года перед правительством СССР стояла задача не только возобновить старые производства, но и разработать новые нефтеносные месторождения.
В 1921–1930 годы огромную роль в развитии нефтяной промышленности в СССР сыграли иностранные компании (английская «Бритиш Петролеум», американские «Стандарт Ойл» и «Барнсдалл», итало-бельгийские, японские, немецкие и др.) и привнесенные ими передовые технологии и оборудование.
В 1938 году нефтяные промыслы Азербайджана давали до 70 % всей добычи нефти в СССР, при этом 83 % всей нефти в республике добывалось на открытых в советский период новых площадях и на новых горизонтах старых площадей.
В 1940 и 1941 годах были достигнуты максимальные уровни добычи за весь более чем столетний период освоения Бакинского нефтяного района – 22,175 и 23,481 млн тонн нефти соответственно. Значительно изменилась и география нефтяной индустрии. Старые месторождения вышли на более глубокие уровни, появились новые мощные буровые установки, начал внедряться прогрессивный турбинный способ бурения и метод наклонно-направленного бурения.
В 1965 году на долю Азербайджана приходилось около 11 % добычи нефти и 46 % производства оборудования для нефтяной промышленности. К середине 70-х годов здесь выпускалось уже более трети всего производимого в СССР нефтепромыслового оборудования, в том числе 70 % техники для добычи нефти. К этому периоду нефтяная промышленность Азербайджана с момента своего возникновения добыла около 900 млн тонн нефти, из них 74 % – за советский период. Основную часть этой нефти дали старейшие промыслы: Раманинский, Сабунчинский, Сураханский, Бинагадинский, Биби-Эйбатский. В дальнейшем с середины 60-х годов на первый план вышли новые месторождения суши и моря (Бакинского и Апшеронского архипелагов), на которых стала применяться современная технология добычи нефти.
«Второй Баку». Сверхинтенсивная эксплуатация и постепенное истощение Бакинского нефтяного района стимулировало поиски новых нефтеносных месторождений на территории бывшего СССР. В конце 20-х – начале 30-х годов началось освоение Волго-Уральского нефтяного региона, получившего название «Второй Баку». В 1929 году были обнаружены первые нефтяные месторождения в Приуралье – у села Верхнечусовские Городки.
В 1932 году было открыто крупнейшее месторождение в Башкирии – Ишимбайский нефтяной промысел, а в 1937 году – Туймазинское месторождение. Нефтяная промышленность Башкирии стала базироваться в двух быстро развивавшихся нефтеносных районах. В первый период освоения башкирских месторождений (1932–1945) было получено 12 млн тонн нефти, в конце второго (1946–1967) – 47,8 млн тонн. В 1943–1948 годах в соседней Татарии были открыты еще более крупные скопления УВ – мощный фонтан Бавлинского месторождения, который давал более 500 тонн нефти в сутки. В 1948 году открыто крупнейшее Ромашкинское месторождение. С середины 50-х годов обнаруживаются значительные запасы нефти в Среднем Поволжье. Куйбышевская область с 1959 года занимает третье место среди нефтедобывающих районов страны. Крупные залежи нефти были обнаружены и в Оренбургской области – в предгорьях Урала, которые интенсивно разрабатывались в 50-е и 60-е годы. В 1965 году 72 % всей советской нефти давали все районы «Второго Баку» – это Башкирия, Татарстан и Куйбышевская область. Благодаря чему в конце 50-х годов СССР перешел на второе место в мировой добыче нефти после США и нарушил монополию крупнейших нефтяных компаний.
«Третий Баку». В середине 1960-х годов появились первые признаки истощения Волго-Уральских месторождений. Нефтяники были вынуждены обратиться к Западно-Сибирскому региону. Первая нефть в его пределах была обнаружена в сентябре 1959 года возле села Шаим Ханты-Мансийского национального округа Тюменской области. В марте 1961 года Сургутская нефтеразведочная экспедиция под руководством геолога Ф. Салманова открыла Мегионское месторождение нефти в 700 километрах от Шаима. Позднее – в 1963–1965 годах – в этом же нефтяном районе Ф. Салмановым было открыто гигантское месторождение – Самотлорское, за десять лет (1969–1979) давшее один млрд тонн нефти. В 1978 году Западная Сибирь давала уже 44 % добываемой в СССР нефти. Открытие этих месторождений создало предпосылки для развития Ханты-Мансийского, Ямало-Ненецкого округов Тюменской области, а также северных районов Томской области. Доля добычи нефти по группам районов СССР в период с 1913 по 1975 год представлена в таблице 1.
Таблица 1. Доля добычи нефти по группам районов СССР
Экономический кризис в период развала Советского Союза вызвал резкое падение добычи и спроса на нефть внутри страны: в 80-е годы объем добычи составлял 550–570 млн тонн в год, а в годы реформ упал до 303–305 млн тонн в год, т. е. в 1,8–1,9 раза.
Но из-за того, что экспортные мощности были все еще ограниченными, компаниям приходилось продавать большую долю нефти некредитоспособным потребителям на внутреннем рынке. Одновременно с этим произошло и падение производительности труда: в 1988 году на одного работника, занятого в нефтедобывающей промышленности, приходилось 4,3 тысячи тонн добытой нефти, а в 1998-м – 1,05 тысячи тонн.
На данный момент нефть все еще пользуется большим спросом, ее добыча продолжает увеличиваться, а цены динамично меняются. Так, к примеру, всего за пять лет добыча нефти увеличилась на 500 млн тонн в год, т. е. на более чем 10 %.
Что касается добычи других полезных ископаемых – газовая отрасль вынуждена адаптироваться к изменяющимся условиям на региональных рынках, усилению конкуренции и технологическим ограничениям в развитии новых проектов СПГ; открываются и новые сланцевые и шельфовые месторождения. А в нефтяной промышленности бурильщики находят новые технологии для извлечения сырья из недр земли; химики и инженеры разрабатывают новые технологии для эффективного прорабатывания нефти с более сложным составом.
Один из ключевых глобальных трендов современности – защита окружающей среды от технологических загрязнений. Поэтому к нефтегазовой отрасли предъявляются жесткие требования: минимизировать отходы от переработки нефти, способствовать снижению выбросов парниковых газов. Компании активно инвестируют в разработку и внедрение технологий использования возобновляемых источников энергии для работы буровых установок, применение технологий улавливания и хранения углерода, а также повышение энергоэффективности производства.
В нефтегазовой отрасли широко внедряются технологии интернета вещей, Big Data и искусственного интеллекта, позволяющие повысить точность бурения, предотвратить производственные аварии и снизить операционные расходы. Автоматизированное оборудование и роботы все чаще используются для выполнения опасных и рутинных задач, что повышает безопасность труда, сокращает время на выполнение работ и уменьшает вероятность влияния человеческого фактора.
Глава 2. Добыча
Из первой главы мы узнали, что нефть имеет богатую историю и применяется с древних времен. Однако процесс ее извлечения из недр земли остается не до конца понятным. Нефть находится не везде, и ее добыча обычно ведется далеко от заводов по переработке.
Так где же расположены основные запасы?
Отмечают семь основных регионов, в которых сосредоточены нефтяные месторождения: остров Сахалин, Северное море, север Аляски, западная часть Сибири, острова Малайского архипелага, Персидский залив и Мексиканский залив. Более 70 % всех мировых запасов нефти сосредоточено в Азии, включая Ближний Восток. В таблице 1 представлена десятка лидеров по запасам нефти на 2025 год.
Таблица 1. Запасы нефти по странам
Но почему же запасы нефти распределены по карте мира так неравномерно?
В настоящее время установлены некоторые закономерности, которые помогают ответить на этот вопрос. Первая причина – распределение месторождений генетически обусловлено формированием осадочных толщ. Почти вся нефть связана с осадочными толщами. Вторая причина – особенности формирования в субаквальной среде в анаэробной геохимической обстановке. На процесс образования и существования промышленных залежей УВ наиболее сильно влияют такие палеогеографические факторы, как физико-географическая среда накопления продуктивных отложений; географическая приуроченность местности в определенное геологическое время; климат; органический мир; фациальные и геохимические особенности седиментации.
Если говорить простым языком, нефть скапливалась в местах устойчивого прогибания, в зонах с высокими температурами и давлениями внутри земных недр. Неравномерность распределения связана с тектоническими процессами, которые создают осадочные бассейны, определяют направление их развития и превращение в нефтегазоносные. С точки зрения геоморфологии нефтеносные районы расположены в предгорьях, межгорных районах и равнинах. Палеогеографические условия – мелководные морские бассейны, их окраинные части. Также наличие проницаемых горных пород (коллекторов) и непроницаемых пород, ограничивающих перемещение нефти и газа по вертикали (покрышек).
Места скопления нефти называют нефтяными месторождениями, где находится одна или несколько нефтяных залежей, площадь которых может достигать нескольких сотен квадратных километров.
Теперь давайте рассмотрим, как устроено само месторождение в недрах земли. Ведь часто ошибочно думают, что нефть находится в полости земных пород, как в некотором полом резервуаре.
Нефть содержится в пластах пористых пород, обладающих хорошей селективностью, в верхней части которых обычно находится газ. Такие породы называют коллекторами, поскольку они способны удерживать нефть и газ. Над ними располагаются породы-покрышки, которые представляют собой непроницаемый слой, не позволяющий нефти и газу выйти на поверхность, обеспечивая их сохранность в пластах. Снизу пласт подпирается материнской породой или водой, что дополнительно удерживает нефть внутри коллектора и предотвращает ее вытекание. Различные виды пластов показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Виды месторождений по режимам работы нефтяных пластов
Месторождения бывают разные по соотношению полезных ископаемых. Месторождения полезных ископаемых отличаются по составу содержащихся в них ресурсов. Иногда в залежах есть только нефть или газ – такие месторождения называют нефтяными или газовыми. Когда в залежах и то и другое – такие месторождения могут дополнительно называть газонефтяными или нефтегазовыми, в зависимости от содержания того или иного ресурса. Аналогичная ситуация и с нефтегазоконденсатными месторождениями: если газового конденсата больше, чем нефти, то такие залежи будут относиться к газоконденсатнонефтяным.
Многие месторождения можно разделить по геологическому строению – на сложные и простые. Простыми называются месторождения нефти, продуктивные горизонты которых характеризуются относительной выдержанностью литологического состава, а слой коллекторного пласта продуктивен по всему объему залежи. Месторождения сложного строения разбиты тектоническими нарушениями на ряд изолированных блоков, а коллекторный пласт имеет изменчивые свойства по объему залежи.
Другая не менее важная классификация – географическое положение. Платформенные – содержат основной объем мировых запасов нефти, включая большинство крупнейших залежей. Например, на Восточно-Европейской и Западно-Сибирской платформах. В складчатых областях, подверженных геологической активности, находятся более мелкие месторождения, что усложняет их разработку.
К крупнейшим месторождениям мира относятся: Аль-Гавар в Саудовской Аравии с запасом 12 млрд тонн, Большой Бурган в Кувейте с запасом 11 млрд тонн, Боливар Костал в Венесуэле с запасом 8,3 млрд тонн. Самые крупные месторождения в России: Самотлорское – 6,2 млрд тонн (7-е место), Ромашкинское и Приобское – по 5 млрд тонн (13-е и 14-е места соответственно), Лянторское – 2 млрд тонн (37-е место), Федоровское – 1,8 млрд тонн (42-е место).
Но все эти запасы являются уже разведанными месторождениями. Именно на основе этих данных и строятся все гипотезы о формировании и происхождении нефти. Вопрос поиска новых месторождений остается открытым. Их находят на все большей глубине. Но какими методами пользуются геологи?
Первым этапом в нефтяной промышленности является геологическая разведка. Именно она позволяет выявить те места, где находится месторождение полезного энергоресурса. Геологоразведка может дать представление о глубине залегания, объемах нефти или газа, о строении и составе пластов и многих других характеристиках для планирования и оптимизации процессов разработки и добычи месторождений нефти.
Современные технологии геологоразведки предполагают проведение комплексных геологических, геофизических и геохимических работ. Залог успешной разведки – соблюдение четкой последовательности работ.
Первая стадия георазведки – это геологические исследования. Они включают в себя изучение природных недр на предмет наличия или отсутствия определенных структур, выявление осадочных бассейнов, в которых может содержаться нефть или газ. На второй стадии используются геофизические и геохимические методы, которые помогают выявить залежи и запасы нефти в породе, не применяя бурение.
Одним из геофизических методов является сейсморазведка. Она основана на закономерности распространения в земной коре упругих волн, создаваемых специальным прибором на поверхности. В разных породах они распространяются с разной скоростью, а на границах раздела двух фаз (жидкой и твердой) они частично отражаются. Именно это отражение фиксирует сейсмоприемник, данные от которого расшифровывают геологи, получая представление о глубине и местонахождении залежи. Однако такой способ непрактичен из-за малой глубины разведки, поэтому чаще всего используют специальные приборы, создающие волны определенной частоты и длины.
Второй способ – электроразведка, основанная на различиях электропроводности горных пород. Граниты, известняки и песчаники, насыщенные соленой минерализованной водой, хорошо проводят электрический ток, тогда как глины и песчаники, насыщенные нефтью, имеют очень низкую электропроводность. На практике геологи создают искусственное электромагнитное поле с помощью специальных стержней, по которым проходит ток, и измеряют электрическое сопротивление пород. Высокое сопротивление при замерах может указывать на наличие залежей нефти или газа, поскольку эти вещества ухудшают проводимость.
Третий способ основан на изменчивой силе гравитации. Гравиразведка – это метод поиска залежи, при котором определяется место с аномально низкой гравитацией, что позволяет предположить наличие нефти в данном месте. Породы, которые содержат в себе нефть или газ, имеют низкую плотность относительно других пород или пород, содержащих воду, в результате появляются места с относительно низкой силой тяжести.
Четвертый способ разведки основан на использовании магнитного поля. Разные горные породы отличаются по плотности, электропроводимости и способности отражать и поглощать волны, а также по магнитным свойствам. Магнитная проницаемость пород значительно варьируется, что позволяет определить наличие нефти и газа.
Земля сама является большим магнитом с магнитным полем, которое искажается в зависимости от состава пород и присутствия углеводородов. Для съемки применяют магнетометры, установленные на самолетах, которые проводят облеты территории на заданной высоте. Аэромагнитная съемка позволяет обнаруживать антиклинали на глубине до 7 километров, даже при высоте менее 300 метров, что важно для поисков залежей нефти и газа.
В отдельную группу стоит выделить геохимические методы определения залежи. К ним относятся газовая съемка, которая измеряет присутствие углеводородных газов в приповерхностном слое почвы. По большой концентрации таких газов можно судить о наличии нефтяного месторождения. А также битуминологический анализ, который проводят для определения присутствия битумов в почве, что может свидетельствовать о возможном наличии залежи.
Третья стадия включает в себя разведочное бурение. При выявлении перспективного месторождения строятся первые скважины. Этот этап является самым дорогим на стадии разведки залежи нефти, поэтому и самым рискованным. Если нефть действительно находится в этом месте, то происходит экспертная оценка качества нефти и ее количества и принимается решение о дальнейшей добыче.
На этапе тестирования скважины для оценки экономической целесообразности инженеры-геологи измеряют ее дебит и анализируют данные пластового давления. Эти данные позволяют определить масштаб залежи и принять решение о начале полномасштабной разработки.
Дебит скважины, объем нефти, который способна выдать скважина за единицу времени, – это один из основных показателей, который будет влиять на ее рентабельность. Величина скорости добычи может измеряться в м3/с, тысячах м3/ч, тысячах м3/сут. и т. д.
Теперь, когда вопросы о природе нефти, ее происхождении, местах залегания и методах поиска исчерпаны, можно перейти к самому главному – процессу добычи этого ценного полезного ископаемого.
Прежде всего стоит упомянуть о четырех стадиях разработки залежи, известных как цикл жизни залежи, в период ее использования. Первый этап заключается в максимальном увеличении добычи нефти. В течение этого периода, который длится около трех-пяти лет, залежь постепенно отдает все большее количество ресурса. Часто окончание данного этапа совпадает с завершением бурения скважин.
Второй этап – это поддержка максимального дебита скважины. В это время добыча нефти проходит стабильно и с максимальными годовыми оборотами нефти. Это обеспечивается благодаря бурению скважин резервного фонда, регулированию режимов скважин и освоению в полной мере системы заводнения (иногда вода может находиться под залежами нефти, а иногда ее намеренно закачивают для поддержания выхода нефти) или другого метода воздействия на пласт. Некоторые скважины к концу стадии перестают отдавать нефть естественным образом, и их переводят на механизированный способ эксплуатации с помощью насосов.
На третьем этапе добыча происходит в основном с участием механического оборудования, так как давления внутри пласта уже недостаточно для свободного выхода нефти на поверхность. К концу этого этапа часть скважин уже выводится из эксплуатации.
Завершающий этап разработки скважины – самый долгий по времени. На этом этапе добыча нефти идет медленно, обводненность продукции растет, а дебит постепенно снижается.
Далее рассмотрим, какие скважины бурят для поисковых и разведывательных работ и непосредственно при разработке нефтяных и газовых месторождений.
– Опорные скважины закладываются в районах, не исследованных бурением, и служат для изучения состава и возраста слагающих их пород.
– Параметрические скважины закладываются в относительно изученных районах с целью уточнения их геологического строения и перспектив нефтегазоносности.
– Структурные скважины бурятся для выявления перспективных площадей и их подготовки к поисково-разведочному бурению.
– Поисковые скважины бурят с целью открытия новых промышленных залежей нефти и газа.
– Разведочные скважины бурятся на площадях с установленной промышленной нефтегазоносностью для изучения размеров и строения залежи, получения необходимых исходных данных для подсчета запасов нефти и газа, а также проектирования ее разработки.
– Эксплуатационные скважины закладываются в соответствии со схемой разработки залежи и служат для получения нефти и газа из земных недр.
– Нагнетательные скважины используются для закачки в продуктивные горизонты воды (реже воздуха, газа) с целью поддержания пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами и воздушными подъемниками.
– Наблюдательные скважины бурят для контроля за разработкой залежи промышленного значения.
Теперь перейдем к самому нефтяному промыслу. Нефтяной промысел – это крупный высокотехнологичный комплекс по добыче, сбору и обработке нефти, поступившей из скважин, с целью подготовки ее к дальнейшей переработке. Такой комплекс включает в себя разные виды скважин, трубопроводы и насосные оборудования, компрессорные станции, установки по подготовке нефти, товарный парк для хранения.
После того как скважина пробурена и освоена, начинается этап добычи нефти. Однако нефть добывается не из всех скважин – часть из них называется нагнетательными. В такие скважины закачивают воду, газ или другие вещества в зависимости от технологии. Это необходимо для поддержания давления и обеспечения устойчивой работы всего месторождения.
Раньше нефть выходила сама под давлением пласта, и ее просто поднимали на поверхность с помощью специального бура. Сегодня таких месторождений практически не осталось, поэтому для добычи нефти применяются современные методы поддержания давления, в частности, закачка воды в пласт. Эта технология помогает вытеснить нефть и повысить ее добычу.
Необходимо рассмотреть и основные технологии, применяемые на местах добычи нефти, а именно процессы ее подготовки и прочие факторы, за которыми следят технологи.
Первая и обязательная ступень – подогрев нефти. Дело в том, что в глубоких пластах она горячая и достаточно текучая, но на поверхности быстро остывает, становится вязкой. Без подогрева ее невозможно транспортировать даже до ближайших установок подготовки, не говоря уже о дальних перерабатывающих заводах.
Важно понимать, что эти нагревательные установки – объекты повышенной опасности. Работа с легковоспламеняющимися жидкостями при высоких температурах – одна из частых причин возгораний на нефтепромыслах, что требует строжайшего соблюдения мер безопасности.
Нельзя забывать и о контроле, который осуществляет автоматизированная групповая замерная станция. Именно по нему можно определить, какие параметры требуется выставить для работы оборудования, отвечающего за качественную обработку нефти. Областью применения установки являются напорные системы сбора продукции нефтяных скважин и автоматизированные системы управления технологическими процессами нефтедобычи.
Сердцем комплекса служит дожимная насосная станция, но в отличие от человека он может иметь несколько таких сердец. Нефть, как кровь, циркулирует, проходит разные узлы установок под движущей силой давления. Дожимные насосные станции также могут иметь разное исполнение, которое зависит от нефти, дебита, целевого направления транспортировки.