Открыть меню

Источники энергии – Нефтяные месторождения (Нефть)

Нефтяные месторождения (Нефть)

Нефть человечество знает давно. Еще древние египтяне употребляли нефть как средство для бальзамирования тел умерших. В древней Греции нефть также находила применение. Греки хорошо знали ее свойства и называли сырую нефть «сицилийским маслом». В нашей стране еще в VIII в. жители Апшеронского полуострова, не имея дров, использовали для отопления своих жилищ землю, пропитанную нефтью. Земля эта горела и спасала людей от холода. Арабский историк Истархи, живший в VIII в., свидетельствует, что с древних времен бакинцы вместо дров жгли землю, пропитанную нефтью. Нефть издавна вывозилась из Баку в качестве осветительного материала.

Как и многие другие источники органических веществ, нефть была известна многим древним народам. Раскопки на берегах Евфрата установили, что за 6000—4000 лет до нашей эры нефть применяли как топливо. Есть сведения, что у нас на Кавказе нефть использовалась 2000 лет тому назад.

Хотя нефть уже давно была знакома человеку, однако широко ее использование началось только со второй половины прошлого столетия. Особое значение нефть и ее продукты получили с развитием автомобильной промышленности.

Ни коксохимия, ни лесохимия, ни другие менее крупные источники органических веществ, не смогли, удовлетворить все возрастающую потребность человечества в органических веществах. Начиная с 20-х годов XX века, на первое место среди источников химического сырья вышли нефть и природные газы.

Нефть — маслоподобная жидкость, имеющая вероятно, органическое происхождение. Цвет ее обычно темный, но встречаются нефти светлых и светло-желтых, зеленовато-коричневых или красновато-коричневых оттенков. Запах нефти керосиновый, иногда со слабым или сильным сернистым «душком».

Теплотворная способность нефти

Теплотворная способность нефти очень высока —10 тыс. калорий на килограмм.

В этом отношении она выше антрацитов и к тому же еще сгорает без остатка. В химическом составе нефти основное место занимает сложная смесь углеводородов, причем углерода в нефти от 84 до 88%, а водорода — около 14%. Кроме того, в состав нефти входят также кислородные, сернистые, азотистые соединения и некоторые неорганические (минеральные) примеси. Нефти различных месторождений часто имеют и различный химический состав.

Геология нефти. Месторождения нефти встречаются во всех отложениях, начиная с кембрия, до третичных включительно. Нефть залегает в пористых осадочных породах морского происхождения — песках и песчаниках, часто изогнутых в складки, в форме свода. Встречается нефть и в известняках, где заполняет пустоты и трещины. Запасы нефти часто находятся под большим давлением газа, поэтому, если при бурении не принять предохранительных мер, может образоваться мощный нефтяной фонтан и ог-ромное количество нефти и газа безвозвратно потеряется. Открытый фонтан нефти считается катастрофой на нефтяном промысле.

Трудно найти такую отрасль народного хозяйства, где не находила бы применение нефть и продукты ее переработки. И действительно, сырая нефть служит источником энергии, тепла и света, сырьем для химической промышленности и т. д.

Благодаря очистке и переработке нефти, производится много различных продуктов. Нефть является источником получения бензина, газолина, керосина, мазута, различных смазочных масел, спирта, синтетического каучука, пластмасс и т. д.

Если брать общую территорию бывшего СССР, включая среднеазиатские республики, то на ней сконцентрировано до половины мировых запасов нефти. Большая часть этого запаса приходится на Россию.

В истории человечества бывало уже не раз, что одни полезные ископаемые «вырывались вперед», начинали обгонять другие ископаемые и буквально «завоевывали» весь мир. Так было в древности с медью, обогнавшей кремень и положившей начало бронзовому веку. Так было потом с железом, обогнавшим медь.

В наше время на первый план среди горючих ископаемых постепенно выдвигаются нефть и газ. Влияние нефти в современном мире огромно – это кровь промышленности, движущая сила большинства машин и механизмов. Но почему это происходит? Дело в том, что химическая промышленность и транспорт в последние годы стали нуждаться во многих продуктах, получаемых из нефти. Автомобили и самолеты немыслимы без бензина и керосина, а самый простой процесс для их получения — перегонка нефти. Разнообразные синтетические материалы очень выгодно изготовлять из нефти и газа. Однако своим успехом, нефть и газ обязаны не только постоянно растущему спросу. Очень важно и то, что добывать их проще, чем уголь.

Добыча нефти, бурение и разработка нефти

Главная машина для добычи нефти и газа — буровой станок. Первые буровые машины, появившиеся сотни лет назад, по существу, копировали рабочего с ломом. Только лом у них был потяжелее и по своей форме напоминал скорее долото. Он так и назывался — буровое долото. Подвешивали буровое долото на канате, который попеременно поднимали и опускали с помощью ворота.

Такие машины называются ударно-канатными. Они существуют во множестве и сейчас, только теперешние «долота» весят иной раз по несколько тонн и поднимают их не вручную, а с помощью мотора. Несмотря на это, ударно-канатные станки можно назвать уже вчерашним днем техники. Очень уж медленно пробивают они отверстие в камне, очень уж неудобны и неповоротливы, очень много энергии расходуют зря и медленно работают — ведь перед каждым ударом стальное «долото» надо тащить на канате вверх, потом бросать, потом опять тащить… Там, где нужно бурить очень глубокие скважины, станки с долотом и канатом вообще не годятся.

Гораздо быстрее оказался другой способ бурения — роторный, при котором скважина высверливается. Нефтяной «бурав» — это ажурная металлическая четырехногая вышка высотой с десятиэтажный дом, к вершине которой подвешена толстая стальная труба. Ее вращает устройство — ротор. На нижнем конце трубы — буровое долото. Это долото только по названию напоминает инструмент ударно-канатного станка, а на самом деле оно скорее похоже на сверло — только очень короткое и особо прочной конструкции. Буровой мастер включает мотор ротора, и долото начинает быстро врезаться в землю, высверливая скважину. По мере того как буровой инструмент уходит все глубже в землю, трубу удлиняют. Для того чтобы «стружки» — куски разрушенной земли — не заполняли пробуренную скважину, в нее насосом через трубу нагнетают глинистый раствор. Раствор промывает скважину, уносит из нее вверх по щели между трубой и стенкой скважины разрушенную глину, песчаник, известняк. Одновременно глинистый раствор как бы штукатурит стенки скважины, чтобы они не обрушились.

Но и у роторного бурения есть свой недостаток, вызывающий при глубоком бурении нефти проблемы. Чем глубже скважина, тем тяжелее работать мотору, тем медленнее идет бурение. Ведь одно дело вращать стальную трубу длиной в пять—десять метров, когда бурение скважины только начинается, и совсем другое — крутить колонну труб, в которой пятьдесят, сто, пятьсот метров, А когда глубина скважины достигает километра? А двух километров?

Насколько легче было бы мотору, если бы требовалось вращать только буровое долото!

Такая машина была построена впервые в мире советским инженером М. А. Капелюшниковым в 1923 г. На поверхности земли, на вышке, не было видно никакого ротора, и тем не менее буровая колонна быстро уходила вглубь гораздо быстрее, чем раньше. Все дело в том, что изобретатель поместил мотор не наверху, а внизу — рядом с буровым инструментом. Теперь всю свою мощность мотор расходовал только на вращение самого бура.

У этого необыкновенного станка и мотор был необыкновенный. Инженер Капелюшников заставил вращать бур ту самую воду, которая раньше только вымывала из скважины разрушенную породу. Теперь, прежде чем достигнуть дна скважины, накачиваемый насосом глинистый раствор вращал маленькую турбину, к которой прикреплен буровой инструмент.

Новый станок назвали турбобуром. Со временем его усовершенствовали. Теперь в скважину опускают множество турбин, насаженных на один вал. Понятно, что мощность такой «многотурбинной» буровой машины во много раз больше и бурение идет во много раз быстрее.

Другая замечательная буровая машина — электробур

Электробур, изобретенный А. П. Островским и Н. В. Александровым, пробурил первые нефтяные скважины в 1939 г. У этой машины колонна труб, на которой подвешен бур, тоже не вращается, работает только сам буровой инструмент. Но крутит его не водяная турбина, а электрический двигатель.

Двигатель электробура помещен в стальную «рубашку» — кожух, заполненный маслом. Масло все время находится под высоким давлением, поэтому окружающая вода не может проникнуть в двигатель. А чтобы мощный мотор мог поместиться в узкой нефтяной скважине, пришлось сделать его очень высоким, и двигатель получился похожим на столб: диаметр у него как у блюдца, а высота — б — 7 м, в два с лишним раза выше комнаты.

Для того чтобы бурить еще быстрее, нужно научиться разрушать породу на дне скважины без твердых инструментов. Даже если резцы долота сделаны из специального твердого сплава или алмазов, они довольно быстро тупятся, ломаются, и долото надо заменять новым, А чтобы заменить, надо вытащить бур на поверхность с большой глубины. Поэтому нередко на замену инструмента уходит гораздо больше времени, чем на само бурение.

На помощь буровикам пришли ракетчики. Еще в 50-х годах прошлого века была сконструирована горелка, работающая по принципу жидкостного реактивного двигателя. В камеру сгорания поступают керосин и кислород, а из сопел горелки со сверхзвуковой скоростью вырывается раскаленная до нескольких тысяч градусов струя газов. Эта струя мгновенно нагревает дно скважины, порода растрескивается на небольшие чешуйки, которые уносятся на поверхность теми же газами и паром, образующимся при охлаждении горелки водой.

Существуют и другие, совсем новые способы разрушения твердых (скальных, как говорят в технике) пород. Например, предложено использовать для этого переменный ток высокой частоты. Буровых установок, работающих на этом принципе, еще нет. Но уже существуют высокочастотные установки, с помощью которых с успехом раскалывают каменные глыбы.

Есть и еще одна возможность обойтись без какого-либо механического инструмента. Это способ «бурения» глубоких скважин с помощью маленьких порций взрывчатки, которая, падая на дно скважины, разрушает его.

Бурение — основная работа при добыче запасов нефти и газа. В отличие, скажем, от угля или железной руды, сырую нефть и газ не нужно отделять от окружающего массива машинами или взрывчаткой, не нужно выдавать на-гора конвейером или в вагонетках. Как только скважина достигла нефтеносного пласта, нефть, сжатая в недрах давлением газов и подземных вод, устремляется вверх с огромной силой. Остается только вовремя поймать эти фонтаны в трубы.

Но через некоторое время давление в недрах уменьшается, иногда довольно скоро, и ос-тавшаяся там нефть перестает течь вверх. Тогда нефтяники через специально пробуренные отверстия накачивают под землю воду. Вода давит на нефть и выдавливает ее на поверхность по вновь ожившей скважине. Но скоро и вода уже не может помочь. Наступает время применить главный способ разработки запасов: в скважину опускают насос и начинают выкачивать нефть. С помощью насосов добывают большую часть нефти.

Транспортировка и хранение нефти

Нефть и газ удобно и выгодно не только добывать; транспортировка этих полезных ископаемых на нефтеперерабатывающие и химические заводы, электростанции, в города тоже очень удобна. Перевозка сырой нефти обычно осуществляется цистернами — по железным дорогам и автомобилями, а по морям и океанам — в нефтеналивных судах танкерах. Но во многих случаях нефть не нуждается в таком дорогом транспорте. Она может течь на любые расстояния по трубам.

Протяженность нефтепроводов и газопроводов — магистралей из стальных труб, уложенных неглубоко в земле,— достигает десятков тысяч километров.

А вот хранение нефти и газа — сложнее, нежели чем угля и руды.

Для хранения нефти и получаемых из нее нефтепродуктов, например бензина, нужно строить специальные металлические резервуары. Они похожи на гигантские консервные банки. Стенки нефтехранилищ окрашивают серебристой алюминиевой краской, хорошо отражающей солнечные лучи. При нагреве нефть имеет свойство быстро испаряться, теряя самые ценные легкие части.

Чтобы нефть испарялась как можно меньше, применяют и другие приспособления, например делают крышу нефтехранилища не обычной, а плавающей. Если из резервуара выкачают часть нефти и ее уровень в резервуаре понизится, то вслед за нефтью опустится и крыша. Плотно прилегая к поверхности, такая крыша препятствует испарению нефти.

Химический состав нефти

Нефть — это смесь углеводородов с самыми разнообразными цепочками атомов углерода.

Встречаются и короткие цепи, и длинные, и нормальные, и разветвленные, и замкнутые в кольца, и многокольчатые. Кроме углеводородов, в нефти содержатся в небольшом количестве кислородные и сернистые соединения и совсем немного азотистых.

Происхождение нефти

Нефть возникла на Земле в прошлые геологические эпохи, предположительно, в результате разложения грандиозных скоплений растительных и животных остатков, особенно морского планктона. В ходе геологических процессов нефть видоизменялась, перемещалась из одних слоев в другие и, наконец, образовала известные нам крупные месторождения: на Кавказе, в Поволжье и Приуралье, в Иране, Месопотамии и Ираке, в Калифорнии и в Техасе, в Венесуэле, в Сахаре и в других районах земного шара.

Перегонка сырой нефти в бензин, керосин, мазут и масла

Промышленная добыча нефти началась, однако, гораздо позже — только с середины XIX в., когда стали применять бурение скважин. В те времена сырая нефть перерабатывалась в основном на осветительные (керосин) и смазочные масла. Потом ее стали употреблять как топливо для паровых котлов, главным образом пароходных и позже паровозных (мазут). С появлением двигателей внутреннего сгорания, изобретенных Дизелем, продукты перегонки нефти — керосин и соляровые масла (а для тихоходных двигателей также и более тяжелые масла) — нашли широкое применение в качестве дизельного топлива. Все это вызвало быстрое развитие добычи и переработки нефти. Наиболее простой метод переработки нефти — прямая перегонка сырой нефти. Этот метод заключается в перегонке сырой нефти при нагревании в закрытых котлах или трубчатках с отводными трубами, соединенными с холодильниками. Сначала отгоняются наиболее легкокипящие погоны (бензины, лигроин), потом более тяжелый керосин. Бензины состоят из углеводородов с пятью — десятью атомами углерода в молекуле, а керосиновые погоны — из углеводородов с десятью — пятнадцатью атомами углерода. Остаток от перегонки — мазут — густая черная жидкость. Он употребляется как топливо или подвергается новой перегонке, чтобы выделить смазочные масла: легкие — соляровые, более тяжелые — веретенные и машинные и, наконец, тяжелые — цилиндровые.

Переработка нефти, применение нефти и ее свойства

В начале нашего века произошли коренные изменения в переработке нефти. Быстрое распространение карбюраторных бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием для автомобилей (а позже в авиации) потребовало очень много бензина. Это привело прежде всего к усовершенствованию добычи нефти, так как при старом открытом способе много легкокипящих фракций испарялось на воздухе. Однако этого было недостаточно. При прямой перегонке сырой нефти, получалось сравнительно мало бензиновых фракций, и они не могли удовлетворить все возрастающий спрос. Особенно остро почувствовалась нехватка бензина в годы первой мировой войны. Тогда в промышленность был введен крекинг-процесс — разложение углеводородов нефти под влиянием высокой температуры. При нагреве до 500—600° углеводородные цепочки разрываются и образуются осколки с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Промышленное освоение крекинг-процесса переработки нефти сразу повысило ресурсы бензина. Однако не во всех случаях качество бензинов термического крекинга было удовлетворительным. Особенно оно не удовлетворяло авиацию.

Русский химик Н. Д. Зелинский предложил усовершенствовать крекинг процесс перегонки сырой нефти с помощью ускорителей процесса — катализаторов. Он применил в качестве катализатора хлористый алюминий. Еще лучшие результаты дало применение алюмосиликатного катализатора, предложенного французскими инженерами. Этот процесс давал высококачественный бензин, пригодный для авиационных двигателей.

Однако жизнь шла вперед. От бензиновых двигателей внутреннего сгорания требовалась все большая быстроходность, все большая мощность, при постоянно уменьшающихся размерах и весе, приходящихся на единицу мощности. Этого удалось достичь, повышая степень сжатия топлива в цилиндрах двигателя. Однако здесь появился предел, связанный с детонацией топлива. В момент сильного и быстрого сжатия паровоздушная смесь преждевременно взрывалась, и это приводило к стуку в двигателе и потере мощно-сти. Борьба с детонацией стала на долгий период главной задачей улучшения методов нефтепереработки. Оказалось, что различные углеводороды, содержащиеся в бензинах, детонируют с различной легкостью. Хуже всего в этом отношении оказались углеводороды с нормальной цепочкой атомов углерода. Углеводороды с сильно разветвленными цепочками атомов, а также ароматические детонировали труднее.

Способность бензинов противостоять детонации характеризуют так называемым окта-новым числом: чем оно выше, тем лучше. Значит, и нефть нужно перерабатывать так, чтобы получать бензины с возможно большими октановыми числами. В этом отношении каталитический крекинг гораздо лучше простого термического. Появились новые процессы переработки нефти — «риформинг», «платформинг». Особое значение в них получили реакции ароматизации нефтяных углеводородов, открытые и разработанные советскими химиками. Промышленность стала даже на путь синтеза углеводородов с разветвленной цепью (изооктана и триптана), чтобы их прибавлять к бензинам и повышать таким образом антидетонационные свойства. Особенного успеха удалось достичь в применении специальных добавок к топливу — так называемых антидетонаторов. Добавленные в небольшом количестве к бензину, они значительно повышают его октановое число. Это тетраэтилсвинец (сокращенно ТЭС). Этилированный бензин с этим антидетонатором очень ядовит. Позже был найден и лучший антидетонатор, чем ТЭС. Это вещество со сложным названием — циклопентадиенилтрикарбонил марганца, или ЦТМ. Как видно из названия, это органическое вещество содержит марганец.

Казалось, переработка сырой нефти решила все проблемы, поставленные перед ней автомобильными и авиационными конструкторами. Но жизнь опять пошла вперед. На смену двигателям внутреннего сгорания пришли реактивные и ракетные двигатели. Оказалось, что здесь не нужны высокие октановые числа. Наоборот, лучшее топливо — это углеводороды с прямыми малоразветвленными цепочками атомов углерода или кольчатые. Все наоборот! И совсем не бензиновые фракции, а керосиновые и соляровые. И снова поиск, снова открытия, снова изменения переработки нефти.

И это еще не все! До сих пор речь шла о применении нефтепродуктов в качестве топлива. Менялись типы двигателей: от паровых к дизелям, к бензиновым моторам, потом к реактивным двигателям. Но оставалось в принципе то, что от нефтяных углеводородов требовалась их теплотворная способность. Только тепло, образующееся при сгорании топлива!

Использование нефти

А для химика-органика сжигание нефтяных углеводородов — непростительное расточительство. Ведь эти углеводороды нужно использовать для химического синтеза! Из них можно сделать так много ценных химических продуктов! И нефтехимический синтез выступил мощным конкурентом транспорта в потреблении нефти. Прежде всего, пошли в дело нефтяные газы, состоящие из углеводородов с маленькими цепочками атомов углерода — от одного до пяти. Из этилена СН2 = СН2 можно делать этиловый спирт, а из него — синтетический каучук (СК). Из этилена же получается прекрасный широко известный полимер — полиэтилен. Из пропилена СН3СН = СН2 можно делать изопропиловый спирт и ацетон; пропилен нужен для производства фенола, наконец, из него можно делать полипропилен — полимер, дающий новый тип синтетического волокна. А в последнее время научились из пропилена делать акрилонитрил (НАК) — сырье для производства синтетической шерсти. Другие нефтяные газы тоже находят важное применение в нефтехимическом синтезе. Значит, переработку и использование нефти нужно вести иначе. Нужно получать как можно больше газов, особенно таких, молекулы которых содержат двойные связи между атомами углерода.

Между нефтью — топливом и нефтью — химическим сырьем началась напряженная борьба. Конечно, в настоящее и ближайшее время нефть будут использовать, главным образом, как топливо. Однако доля нефти, расходуемая на химическую переработку, непрерывно возрастает.

А совсем недавно появился еще один возможный вариант использования нефти. Это микробиологическая переработка нефти на белки. Нашлись бактерии, которые хорошо живут на нефти, потребляя ее в пищу. Нефть исчезает, бактерии растут. Постепенно (и не так уж медленно) исчезает значительная часть нефти, и вместо нее образуется масса клеток бактерий. Это в основном белок. И по всем данным — хороший кормовой белок. Не изменит ли он снова баланс путей переработки нефти? Не изменит ли он структуру сельского хозяйства?

До сих пор шла речь о газах нефтепереработки. Однако есть и природный газ, образующий громадные скопления в толще земли. Природный газ в основном состоит из метана СН4. Он добывается в громадных количествах и используется в качестве горючего для промышленных и бытовых целей. Вместе с нефтяными газами, сопутствующими нефти, и газами нефтепереработки природный газ является важным источником для синтеза разнообразных органических веществ.


Просто о сложном – Нефтяные месторождения (Нефть)

  • Галерея изображений, картинки, фотографии.
  • Нефтяные месторождения (Нефть) как источники энергии – основы, возможности, перспективы, развитие.
  • Интересные факты, полезная информация.
  • Зеленые новости – Нефтяные месторождения (Нефть) как источники энергии.
  • Ссылки на материалы и источники – Нефтяные месторождения (Нефть).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

© 2017 Чистая энергия · Копирование материалов сайта без разрешения и установки прямой обратной ссылки запрещено.