Нефтегазовое дело. Полный курс


В.В. ТЕТЕЛЬМИН
В.А. ЯЗЕВ


НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО
ПОЛНЫЙ КУРС
Второе издание




                         СЕРИЯ «Нефтегазовая инженерия»




Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

Доёгопруд^1Й
                                                 2014

УДК 547.665.9
БК 35.514
Т 37
Рецензент:
заведующий кафедрой
техники и технологии нефтегазового производства Московского государственного открытого университета (МГОУ),
доктор технических наук, профессор Ю.Н. Захаров




    Тетельмин В.В., Язев В.А.

Т 37 Нефтегазовое дело. Полный курс. Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А. — 2 изд. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 800 с.: ил. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).
    ISBN 978-5-91559-063-8


       Второе издание основополагающего учебного пособия, широко используемого в ведущих российских университетах и на предприятиях нефтегазового комплекса.
       Книга содержит систематическое и полное описание нефтегазовых технологий и сопряженных с ними дисциплин. Сведения по общей и нефтепромысловой геологии включают динамику земной коры. Рассмотрены состав и свойства нефти и природных газов, звенья глобального цикла углерода и эволюция органического вещества в осадочных породах.
       Изложение основных стадий производства буровых работ, испытания и обустройства нефтяных и газовых скважин дополнено сведениями о механике разрушения горных пород и инженерном обеспечении бурения на континентальном шельфе.
       Рассмотрены физика нефтяного пласта и процессы разработки месторождений. Описаны способы эксплуатации скважин, системы промыслового сбора и подготовки углеводородов к транспортировке. Вводятся реологические модели для нефти, нефтепродуктов, буровых и тампонажных растворов. Даётся анализ течения «неньютоновской» нефти в трещинах горных пород.
       Описаны нефте- и газохранилища, сооружения и оборудование магистральных нефте- и газопроводов. Изложены способы переработки нефти и газа. Проанализировано техногенное воздействие процессов добычи и использования углеводородов на геосферы Земли.
       Для студентов и преподавателей нефтегазовых и геологических факультетов, специалистов - технологов и инженеров, разработчиков оборудования.
БК 35.514
УДК 547.665.9





ISBN 978-5-91559-063-8

                   © 2009, Тетельмин В.В., Язев В.А.
© 2014, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

       150-летию мировой нефтедобычи посвящается

       ОГЛАВЛЕНИЕ









Введение............................................................14

Глава1 Прошлое, настоящее и будущее мировой добычи углеводородов...........18

   1.1. Объемы добычи и потребления углеводородных ресурсов.........18
   1.2. Транснациональные нефтегазодобывающие компании..............26
   1.3. Первые нефтяники России.....................................32
   1.4. История первого барреля нефти...............................35
   1.5. Нефтяные топлива и масла....................................38
   1.6. Биотопливо..................................................41
   1.7. Возможности водородной энергетики...........................45
   1.8. Энергетика будущего.........................................48

Глава 2
Элементы общей и нефтепромысловой геологии..........................53

   2.1. Геосферы Земли..............................................53
      2.1.1. Планета Земля..........................................53
      2.1.2. Атмосфера Земли........................................56
      2.1.3. Гидросфера Земли.......................................57
      2.1.4. Земная кора — литосфера................................57
      2.1.5. Биосфера Земли.........................................62
   2.2. Геохронологическая шкала —геологическое время...............63
   2.3. Физико-механические свойства осадочных пород................65
      2.3.1. Разновидности осадочных пород..........................65
      2.3.2. Плотность, упругость и прочность пород.................66
      2.3.3. Классификация горных пород по твердости и абразивности.71
      2.3.4. Пористость и проницаемость осадочных пород.............75
      2.3.5. Теплофизические свойства и тепловой режим горных пород......................................................81
      2.3.6. Горное и пластовое давление............................84

Оглавление -Лг 5

   2.4. Геодинамика земной коры.....................................86
       2.4.1. Тектоника литосферных плит............................86
       2.4.2. Лунно-солнечные приливы...............................92
       2.4.3. Геодинамика земной коры и добыча углеводородов........94
       2.4.4. Тектоника земной коры и нефтегазоносность пород......101
   2.5. Складкообразование и типы складок..........................103
   2.6. Формирование залежей углеводородов.........................105
   2.7. Аномальное пластовое давление в осадочной толще бассейна...111
   2.8. Физика нефтяного пласта....................................113
       2.8.1. Структурные модели продуктивного пласта..................113
       2.8.2. Геолого-промысловая характеристика продуктивного пласта..116
       2.8.3. Условия залегания флюидов в продуктивных пластах.........120
       2.8.4. Упругий запас флюидов в продуктивном пласте..........125
       2.8.5. Капиллярно-реологические эффекты в пористом пласте.......129
   2.9. Поиск и разведка месторождений углеводородов...............132

ГлаваЗ
Образование углеводородов, их состав и свойства....................138

   3.1. Углерод и формы его нахождения на Земле....................138
   3.2. Основные циклы углерода на Земле...........................141
       3.2.1. Общий глобальный цикл углерода.......................141
       3.2.2. Круговорот вещества и энергии в биосфере.............143
       3.2.3. Фотосинтез как основной процесс образования органического вещества................................................... 146
       3.2.4. Органическое вещество в осадочных породах............149
   3.3. Концепция образования углеводородов........................152
   3.4. Эволюция органического веществав осадочных породах.........155
       3.4.1. Исходный материал органического вещества осадочных пород.155
       3.4.2. Накопление и преобразование органического вещества в диагенезе..................................................158
       3.4.3. Трансформация органического вещества в катагенезе........161
       3.4.4. Миграция нефти и газа в горных породах...............162
   3.5. Состав нефти...............................................165
       3.5.1. Групповой состав нефти...............................165
       3.5.2. Фракционный состав нефти.............................170
       3.5.3. Неуглеводородные составляющие нефти..................171
       3.5.4. Нефть как коллоидно-дисперсная система...............173
   3.6. Водонефтяные дисперсные системы............................176
   3.7. Газонефтяные дисперсные системы............................178
   3.8. Физические свойства нефти..................................181
       3.8.1. Плотность и молекулярная масса нефти.................181
       3.8.2. Характерные температуры нефти и нефтепродуктов ......184

JI, Оглавление

       3.8.3. Вязкость и поверхностное натяжение нефти.............186
       3.8.4. Теплофизические свойства нефти.......................188
   3.9. Состав и свойства углеводородных газов.....................190
       3.9.1. Состав природных и попутных газов....................190
       3.9.2. Плотность и вязкость газов............................192
       3.9.3. Критические параметры газов...........................194
       3.9.4. Газовые гидраты в осадочных бассейнах................196
       3.9.5. Тепловые свойства углеводородных газов...............198

Глава! Реология нефти, буровых и тампонажных растворов....................202

   4.1. Основные реологические модели текучих сред.................202
       4.1.1. Реологические модели Гука, Ньютона и Сен-Венана .....202
       4.1.2. Степенное уравнение Оствальда де-Виля................205
       4.1.3. Реологические модели Максвелла и Фойгта—Кельвина. Релаксация напряжений.......................................208
       4.1.4. Реологическая модель Бингама. Тиксотропия............211
   4.2. Техника реометрии текучих сред.............................213
       4.2.1. Классификация методов реометрии......................213
       4.2.2. Причины неинвариантности реологических параметров жидкостей...................................................222
   4.3. Реологические свойства нефти и нефтепродуктов..............225
       4.3.1. Нефть как вязкопластичная жидкость...................225
       4.3.2. Реологические свойства нефти.........................228
       4.3.3. Реологические свойства нефтепродуктов................231
       4.3.4. Способы улучшения реологических свойств нефти........235
   4.4. Реологические свойства буровых и тампонажных растворов......238
       4.4.1. Вязкость суспензий...................................238
       4.4.2. Реологические свойства буровых растворов.............240
       4.4.3. Реологические свойства тампонажных смесей............242
   4.5. Особенности течения вязкопластичных жидкостей в трещинах....245
       4.5.1. Кинетика поступательного течения вязкопластичной жидкости в трещине....................................................245
       4.5.2. Радиальное течение вязкопластичной жидкости в трещине.251
       4.5.3. Дальность проникновения коллоидно-дисперсных систем при нагнетании их в трещину.................................256
       4.5.4. Силовое воздействие радиального потока вязкопластичной жидкости в трещине на пласт.................................258

Глава5
Породоразрушающие инструменты и механизм разрушения горных пород бурением.....................................................263

   5.1. Буровые скважины и их классификация........................263
   5.2. Классификация породоразрушающих инструментов...............265

Оглавление -J\r     7

   5.3. Конструктивные особенности долот.........................269
      5.3.1. Шарошечные долота...................................269
      5.3.2. Лопастные долота...................................276
      5.3.3. Алмазные долота....................................278
      5.3.4. Бурильные головки..................................282
      5.3.5. Долота для специальных целей.......................283
   5.4. Напряженное состояние и устойчивость горных пород в прискважинной зоне.........................................285
   5.5. Развитие трещин с позиций механики хрупкого разрушения...287
   5.6. Особенности разрушения горных пород бурением.............292
      5.6.1. Механизм образования трещин в горных породах при вдавливании инденторов.................................................292
      5.6.2. Механизм разрушения горных пород при вдавливании элемента вооружения долота.........................................295
      5.6.3. Механизм разрушения горных пород при ударном воздействии элемента вооружения долота................................298
   5.7. Гидравлический разрыв горных пород......................300
   5.8. Воздействие высокоскоростной струи промывочной жидкости на горную породу.............................................304
   5.9. Технико-экономические показатели работы долот. Выбор рациональных типов долот.....................................306

Главаб Буровые промывочные жидкости и технология промывки скважин......310

   6.1. Функции буровых промывочных жидкостей...................310
   6.2. Растворы на глинистой основе............................311
      6.2.1. Водные дисперсии глин..............................311
      6.2.2. Свойства буровых растворов на основе глин..........313
      6.2.3. Глинистые растворы с добавками......................316
   6.3. Буровые растворы на нефтяной основе.....................317
   6.4. Утяжеление буровых растворов.............................318
   6.5. Бурение с очисткой забоя водой..........................319
   6.6. Бурение с очисткой забоя воздухом.......................320
   6.7. Оборудование для приготовления и очистки буровых растворов....................................................321
   6.8. Гидравлические расчеты при промывке скважин.............323
   6.9. Предупреждение и борьба с поглощениями бурового раствора.....................................................325
   6.10. Критерии назначения плотности бурового раствора........326
   6.11. Выбор типа бурового раствора...........................327

Оглавление

Глава? Вращательное бурение на нефть и газ..............................329

   7.1. Технологическая схема бурения вращательным способом......329
   7.2. Установки глубокого бурения..............................332
   7.3. Буровые вышки и спускоподъемное оборудование.............336
   7.4. Оборудование и инструмент для бурения скважин............341
   7.5. Полный цикл строительства скважин........................345
   7.6. Подготовительные работы к бурению скважины.......................347
   7.7. Бурильная колонна................................................350
       7.7.1. Конструкция элементов бурильной колонны............350
       7.7.2. Условия работы колонны бурильных труб..............356
       7.7.3. Комплектование и эксплуатация бурильной колонны....360
   7.8. Режимы бурения скважин...................................361
       7.8.1. Влияние параметров режима бурения на показатели бурения....361
       7.8.2. Особенности режима бурения роторным способом.......365
       7.8.3. Особенности режима бурения турбинным способом......366
       7.8.4. Особенности режима бурения винтовыми забойными двигателями.370
       7.8.5. Особенности режима бурения электробурами...........372
       7.8.6. Контроль параметров режима бурения и каротажные работы.....373
   7.9. Нарушение целостности стенок скважины............................377
   7.10. Бурение наклонных скважин.......................................380
       7.10.1. Самопроизвольное искривление скважин и его предупреждение.380
       7.10.2. Бурение наклонно-направленных скважин.............383
       7.10.3. Кустовое и многозабойное бурение скважин..........386
   7.11. Крепление скважин.......................................388
       7.11.1. Конструкция скважин...............................388
       7.11.2. Обсадные колонны..................................391
       7.11.3. Цементирование скважин............................393
   7.12. Заканчивание и освоение скважин.........................396
       7.12.1. Опробование и испытание пластов...................396
       7.12.2. Вскрытие продуктивных горизонтов и заканчивание скважин...398
       7.12.3. Освоение скважин после цементирования эксплуатационной колонны................................................... 401
   7.13. Газовые и нефтяные проявления...................................402

Глава8
Бурение скважин на шельфе................................................406

   8.1. Особенности разработки морских месторождений нефти и газа........406
   8.2. Инженерное обеспечение буровых работ на море.............409
   8.3. Искусственные острова............................................413
   8.4. Самоподъемные плавучие буровые установки.........................414

Оглавление -J\r     9

   8.5. Полупогружные плавучие буровые установки.................415
   8.6. Морские стационарные платформы...........................418
   8.7. Особенности бурения скважин с буровых судов..............420
   8.8. Конструкции морских скважин..............................422
   8.9. Особенности бурения на Арктическом шельфе................425

ГлаваЭ Разработка месторождений углеводородов...........................431

   9.1. Режимы работы залежей углеводородов......................431
   9.2. Эксплуатационные объекты и системы их разработки.........436
   9.3. Гидродинамические методы исследования скважин............438
      9.3.1. Цели исследования скважин и пластов.................438
       9.3.2. Исследование скважин на приток при установившихся режимах фильтрации................................................439
       9.3.3. Исследование скважин при неустановившихся режимах фильтрации................................................441
   9.4. Особенности разработки нефтяных месторождений............442
   9.5. Особенности упругого режима работы пласта................446
   9.6. Добыча тяжелой нефти и битумов...........................449
   9.7. Особенности разработки газовых и газоконденсатных месторождений..................................................452
   9.8. Искусственные методы воздействия на нефтяные пласты......455
   9.9. Нормы отбора углеводородов из скважин и пластов..................460
   9.10. Реологические аспекты разработки месторождений нефти....461
      9.10.1. Режим установившейся фильтрации нефти в пласте.....461
      9.10.2. Приток вязкой нефти к галерее в упругом режиме фильтрации..464
      9.10.3. Приток вязкой нефти к скважине в упругом режиме фильтрации.466
       9.10.4. Приток вязкопластичной нефти к скважине в жестком и упругом режимах фильтрации........................................469
      9.10.5. Образование застойных зон в пласте при добыче нефти........471
       9.10.6. Увеличение нефтеотдачи за счет улучшения реологических свойств пластовых флюидов.................................472

Глава 10 Эксплуатация добывающих скважин, системы сбора и промысловой подготовки углеводородов.........................................476

   10.1. Подготовка скважины к эксплуатации......................476
   10.2. Эксплуатация нефтедобывающих скважин....................479
      10.2.1. Движение газожидкостной смеси в скважине...........479
      10.2.2. Фонтанный способ эксплуатации добывающих скважин...481
      10.2.3. Газлифтный способ эксплуатации скважин.............484
      10.2.4. Насосный способ эксплуатации скважин...............487

¹⁰ -V

Оглавление


       10.2.5. Оборудование ствола добывающих скважин.............492
       10.2.6. Оборудование устья добывающих скважин..............495
   10.3. Особенности конструкции газовых скважин и добычи природного газа................................................500
   10.4. Измерение количества добываемой и перекачиваемой жидкости.503
  10.5. Системы промыслового сбора углеводородов..................506
       10.5.1. Промысловый сбор скважинной продукции..............506
       10.5.2. Системы промыслового сбора природного газа.........509
  10.6. Системы промысловой подготовки углеводородов..............511
       10.6.1. Промысловая подготовка нефти.......................511
       10.6.2. Установка комплексной подготовки нефти.............514
       10.6.3. Промысловая подготовка газа........................515

Гл ава 11 Переработка и хранение углеводородов..............................518

  11.1. Переработка нефти.........................................518
       11.1.1. Продукты переработки нефти.........................518
       11.1.2. Первичная переработка нефти........................520
       11.1.3. Вторичная переработка нефти........................524
       11.1.4. Очистка нефтепродуктов.............................529
       11.1.5. Типы нефтеперерабатывающих заводов.................530
  11.2. Переработка газов и газофракционирующие установки.........533
  11.3. Производство нефтехимического сырья.......................537
  11.4. Хранение нефти и нефтепродуктов...........................544
       11.4.1. Классификация нефтебаз.............................544
       11.4.2. Объекты нефтебаз и их размещение...................545
       11.4.3. Резервуары и их оборудование.......................547
       11.4.4. Потери нефти и нефтепродуктов из резервуаров.......550
  11.5. Хранение и распределение газа.............................552
  11.6. Автозаправочные и газонаполнительные станции..............555

Гл ава 12
Основные сооружения магистральных трубопроводов, оборудование и системы перекачивающих станций..................................558

  12.1. Состав сооружений магистральных трубопроводов.............558
       12.1.1. Магистральные нефтепроводы.........................558
       12.1.2. Магистральные газопроводы..........................561
12.2. Проектирование и конструктивные решения магистральных трубопроводов..................................................563
       12.2.1. Порядок проектирования магистральных трубопроводов.563
       12.2.2. Конструктивные решения магистральных трубопроводов.567

  12.3. Трубы и арматура для магистральных трубопроводов..........570

Оглавление -'\r 11

   12.4. Сварка, изоляция и профилирование трубопроводов.................575
   12.5. Классификация, состав и компоновка перекачивающих станций.........................................................580
   12.6. Центробежные насосы и нагнетатели газа..........................585
       12.6.1. Принцип действия центробежных нагнетателей................585
       12.6.2. Гидравлические характеристики центробежных насосов и способы их изменения......................................586
       12.6.3. Конструкции основных магистральных и подпорных насосов ...589
       12.6.4. Схемы соединения магистральных и подпорных насосов. Рабочая точка системы.......................................596
       12.6.5. Приведенные характеристики центробежных нагнетателей газа.597
   12.7. Приводы центробежных нагнетателей...............................601
   12.8. Технологические схемы перекачивающих станций....................604
       12.8.1. Нефтеперекачивающие станции...............................604
       12.8.2. Компрессорные станции.....................................608
   12.9. Камеры приема и пуска поточных средств очистки и диагностики...................................................612
  12.10. Вспомогательные системы насосного цеха..........................614
  12.11. Силовые расчеты трубопроводов...................................616
       12.11.1. Нагрузки, воздействия и напряжения в трубопрводах........616
       12.11.2. Расчет толщины стенок труб...............................619
       12.11.3. Устойчивость подземных трубопроводов.....................621
       12.11.4. Балочные трубопроводы....................................624

Глава 13
Основы гидродинамического и технологического расчета магистральных трубопроводов..............................................628

   13.1. Гидродинамические основы расчета................................628
       13.1.1. Основные характеристики потока реальной жидкости..........628
       13.1.2. Режимы течения потока жидкости............................630
       13.1.3. Сдвиговое течение вязкопластичной жидкости в трубе .......634
       13.1.4. Потери напора на трение и местные.........................636
       13.1.5. Коэффициент гидравлического сопротивления при течении вязкой нефти................................................637
       13.1.6. Коэффициент гидравлического сопротивления при течении «неньютоновской нефти»......................................638
       13.1.7. Введение в поток нефти антитурбулентных присадок..........640
       13.1.8. Гидравлический удар в нефтепроводах.......................643
   13.2. Истечение нефти через отверстие.................................646
   13.3. Основы технологического расчета нефтепроводов...................652
       13.3.1. Уравнение баланса напоров для участка нефтепровода........652
       13.3.2. Последовательное и параллельное соединения трубопроводов .653
       13.3.3. Самотечные участки нефтепровода...........................654

Оглавление

       13.3.4. Нефтепроводы с промежуточными перекачивающими станциями и их расстановка по трассе.......................658
       13.3.5. Укрупненный расчет вариантов нефтепровода..........661
  13.4. Транспорт природного газа.......................................663
       13.4.1. Подготовка газа к транспортированию......................663
       13.4.2. Коэффициент сопротивления трения для потока газа в трубе.665
       13.4.3. Расчет изотермического течения газа в трубопроводе.666
       13.4.4. Изменение температуры газа по длине газопровода....668
       13.4.5. Расчет газопровода в стационарном режиме работы....670
       13.4.6. Способы интенсификации перекачки газа..............672

Глава 14
Специальные способы транспортирования нефти и нефтепродуктов............676

  14.1. Последовательная перекачка нефти и нефтепродуктов.........676
  14.2. «Горячая» перекачка нефти.................................679
       14.2.1. Особенности технологии «горячей» перекачки нефти...679
       14.2.2. Теплообмен и коэффициент теплопередачи при стационарном режиме горячей перекачки...................................682
       14.2.3. Распределение температуры вдоль потока транспортируемой нефти......................................................684
       14.2.4. Смена режимов течения и потери напора в «горячем» нефтепроводе...............................................686
  14.3. Перекачка водонефтяных эмульсий...........................688
  14.4. Применение депрессантов при перекачке нефти...............691
  14.5. Перекачка газонасыщенной нефти............................693
  14.6. Мазут как транспортируемая среда..........................696
  14.7. Железнодорожный, водный и автомобильный транспорт углеводородов..................................................698

Гл ава 15 Особенности эксплуатации магистральных трубопроводов..............703

  15.1. Виды дефектов, неразрушающий контроль и диагностика трубопроводов.................................................703
  15.2. Контроль работоспособности оборудования и трубопроводов...709
  15.3. Техническое обслуживание и ремонт центробежных нагнетателей..................................................715
  15.4. Организация эксплуатации оборудования перекачивающих станций.......................................................718
  15.5. Структура диспетчерской службы............................722
  15.6. Пуск, остановка и ведение технологического процесса перекачки.....................................................724
  15.7. Рыночные аспекты эксплуатации трубопроводов...............728

Оглавление          13

Глава 16
Экологические аспекты нефтегазового комплекса..........................734

  16.1. Экологические риски и безопасность нефтегазовых объектов.......734
  16.2. Техногенное воздействие добычи и использования углеводородов на геосферы Земли.............................................737
       16.2.1. Воздействие на водную среду.......................737
       16.2.2. Воздействие на атмосферу..........................743
       16.2.3. Воздействие на почву..............................747
       16.2.4. Воздействие на недра..............................750
  16.3. Проблема глобального потепления..........................754
  16.4. Случаи крупных аварий при обращении с углеводородами.....758
  16.5. Средства борьбы с нефтяными загрязнениями................763
       16.5.1. Методы и техника утилизации отходов бурения.......763
       16.5.2. Физико-химические средства борьбы с нефтяными загрязнениями на море....................................................767
       16.5.3. Сорбционная технология борьбы с нефтяными загрязнениями.769
  16.6. Геоэкологическая экспертиза объектов недропользования....772

Глоссарий........................................................775

Приложение
   Размерности использованных в книге физико-механических величин.......................................................792

Литература.............................................................7 94

       ВВЕДЕНИЕ








                                     У нефти всегда есть желание подняться из земных глубин на поверхность. Человек ей в этом помогает.
Определение нефтегазового дела

                                     Природа дает довольно, чтобы удовлетворить наши потребности.
Сенека


          При написании настоящей книги авторы придерживались нескольких учебных программ, по которым обучаются студенты специальностей бакалавриата направления «Нефтегазовое дело». В книге рассмотрены технические, технологические и экологические основы геологии, геохимии, разведки, добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения нефти, газа и нефтепродуктов.
   Вот уже полтора столетия нефть обеспечивает цивилизации быстрое развитие. Промышленная добыча природного газа началась сравнительно недавно, однако и газ успел занять главенствующее положение в экономике многих стран. По-настоящему широко нефть была востребована, как только началась промышленная революция и обусловленный ею технический прогресс. На первом этапе появились новые машины, которые потребовали большое количество смазочных масел. Это паровая машина И. Ползунова (1763 г.), паровой двигатель Д. Уатта (1784 г.), пароход Р. Фултона (1807 г.), паровоз Д. Стефенсона (1814 г.).
   Во второй половине XIX в. начался «керосиновый период». Последовавший далее нефтяной бум и развитие нефтяного дела были обусловлены величайшими изобретениями: двигатель внутреннего сгорания Н. Отто (1876 г.), автомобиль Г. Даймлера (1883 г.) и К. Бенца (1886 г.), дизельный двигатель Р. Дизеля (1897 г.). В 1901 г. появился первый трак

Введение          15

тор, в 1903 г. — самолет и теплоход. Появление моторов стало революцией на транспорте, в энергетике, в военном деле и потребовало огромного количества продуктов переработки нефти.
   Сегодня 90% добываемой нефти сгорает в топках электростанций, в городских котельных, в пламени мартеновских печей, в форсунках химических аппаратов, в двигателях автомобилей, самолетов, гражданских и боевых судов — всюду, где необходима энергия, свет и тепло. Можно сказать, что именно нефть, стирая границы, положила начало процессу глобализации: вначале нефть объединила людей в их стремлении жить без лучины при более ярком свете керосиновой лампы, затем она стала незаменимой при получении моторного топлива и синтезе тысяч новых продуктов и материалов.
   История происхождения нефти неразрывно связана с историей Земли и представляет собой картину того, как развивался органический мир в целом. Углеводороды и сейчас образуются в земных недрах и в донных отложениях Мирового океана. Процесс этот непрерывный, но очень медленный, а человек извлекает нефть из недр в миллион раз интенсивнее темпов ее образования. При этом объем остающейся в недрах нефти на отработанных месторождениях, по крайней мере, равен объему извлеченной нефти. Нельзя рассматривать миллиарды тонн оставшейся в недрах нефти безвозвратно утерянными: следует совершенствовать технологию добычи той нефти, которая в настоящее время является недоступной.
   В XXI веке в мире ежегодно добывается около 4 млрд т нефти и около 3 трлн м³ газа. В России добыча нефти с газовым конденсатом в 2007 г. составила более 490 млн т, газа — более 650 млрд м³. Приведенные цифры свидетельствуют о необходимости совершенствования технологических процессов добычи углеводородов. В этой важной области человеческой деятельности используются многие прогрессивные решения:
   • бурятся горизонтально-разветвленные скважины;
   • используются вторичные и третичные методы повышения нефтеотдачи пластов;
   • эксплуатируются морские месторождения с применением подводного оборудования и подводных трубопроводов;
   • увеличивается добыча тяжелой и сверхтяжелой нефти.
   В основу перечисленных технологий положены знания реологических особенностей поведения нефти. В общем объеме добываемой нефти доля высоковязких и высокозастывающих разновидностей нефти год от года будет возрастать. Реология объясняет многие факты и явления в технической и технологической деятельности человека. Для

Введение

нефтяников реология — это самостоятельный раздел в гидромеханическом цикле дисциплин. Поэтому в книге дается описание физических основ течения неньютоновских жидкостей в тех средах и тех условиях, в которых находится нефть, нефтепродукты, буровые и тампонажные растворы.
   Процессы, отражающие движение и трансформацию состояний углерода осуществляются по следующей замкнутой цепочке: СО₂ ^ фотосинтез ^ углеводы и органическое вещество (ОВ) в биосфере ^ ОВ в осадочных породах ^ микронефть ^ залежь углеводородов (УВ) ^ добыча и переработка УВ ^ сжигание УВ ^ СО₂. Для сегодняшнего человека-потребителя главными в этом цикле являются последние четыре звена, которые в совокупности и составляют основу нефтегазового дела. В книге дается цельное представление о процессах, сопутствующих рождению углеводородов, их добыче, транспортировке и использованию.
   Строительство скважины является сложным многофакторным процессом. С одной стороны, процесс бурения в значительной степени консервативен и состоит из последовательности обязательных операций, с другой стороны, при бурении возникают различные экстремальные ситуации, требующие от специалистов-буровиков мастерства и мужества.
   Эксперты определили, что сочетание различных возмущающих факторов, влияющих на процесс бурения, приводит к возникновению почти миллиона различных технологических ситуаций. Поэтому в режиме реального времени человек не способен осуществлять оптимальное управление режимом бурения. Эта особенность требует совершенствования систем автоматического управления процессом бурения, совершенствования телеметрических систем контроля, забойных двигателей и разработки долот с высокой стойкостью. В книге приводятся технические и технологические основы строительства глубоких скважин на суше и на море, которыми должен владеть специалист-нефтяник.
   Неожиданное возникновение аварийных ситуаций на промыслах зачастую связано с недооценкой пространственно-временных изменений состояния земных недр. К настоящему времени накоплена уникальная информация о современных вертикальных и горизонтальных тектонических движениях земной коры. Кроме того, инструментально доказано, что аномальные изменения флюидного режима осадочного чехла, аварии на промыслах и локализованные сейсмопроявления прямо или косвенно связаны с техногенным изменением напряженно-деформированного состояния недр. Серьезные компании не хотят ставить

Введение -J\r 17

на карту собственный престиж, поэтому начинают обращать внимание на геодинамические исследования, чтобы не допустить аварий на разрабатываемых месторождениях. Этим вопросам в книге также уделяется достаточное внимание.
   Магистральные нефте- и газопроводы — это непрерывный и самый эффективный способ подачи сотен миллионов тонн углеводородов от мест их добычи до пунктов потребления. Россия имеет примерно 155 тыс. км магистральных газопроводов, 50 тыс. км магистральных нефтепроводов и 20 тыс. км нефтепродуктопроводов. Среди них шестиниточная трансконтинентальная система газопроводов диаметром 1220—1420 мм от газовых месторождений Уренгоя и Ямала в страны Западной Европы общей протяженностью 35 тыс. км. Проектная пропускная способность одной только нефтепроводной системы Восточная Сибирь—Тихий океан (ВСТО) составляет 80 млн т нефти в год. В настоящем учебном пособии излагаются основные физические законы, особенности и расчетные зависимости, определяющие динамику течения нефти и газа в магистральных трубопроводах.
   Чтобы месторождение поступило в разработку, геологи и геофизики определяют его параметры, бурильщики и специалисты по буровым растворам проходят скважины и вскрывают продуктивные горизонты, затем технологи по добыче преодолевают множество трудностей, связанных с извлечением углеводородов на поверхность. Далее нефтепереработчики и нефтехимики получают из нефти и газа необходимые технические продукты, а инженеры-транспортники обеспечивают их эффективную подачу к месту потребления. При этом на всех этапах обращения с нефтью: от обустройства месторождений до бензоколонки — необходимо уделять серьезное внимание вопросам охраны окружающей среды.
   Все перечисленные процессы являются составляющими нефтегазового дела и последовательно рассмотрены в настоящей книге. Поставленную авторами задачу можно было решить только широким охватом материала, поэтому объем книги получился достаточно солидным. Усвоение изложенной информации позволит читателям овладеть базовыми знаниями и принципами нефтегазовой инженерии, чтобы в дальнейшем получать более тонкие и специальные знания.

ГЛАВА

1

ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ МИРОВОЙ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ






1.1.    ОБЪЕМЫ ДОБЫЧИ И ПОТРЕБЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ РЕСУРСОВ

        Считается, что нефтедобыча как самостоятельная отрасль промышленности берет свое начало с 1859 г., когда первооткрыватель Эдвин Дрейк в штате Пенсильвания (США) из скважины глубиной 23 м получил первую американскую нефть. Следует отметить, что задолго до этого события нефть в относительно небольших количествах добывалась и перерабатывалась в «осветительное масло» в России, Румынии и Галиции. Поэтому невозможно назвать конкретную дату появления нефтедобычи как мировой отрасли. Можно условно считать, что в первом десятилетии XXI в. исполняется 150 лет мировой нефтедобывающей промышленности.
   В табл. 1.1 даются сведения о мировой нефтедобыче за годы ее существования, а также сравнительные данные по двум основным нефтедобывающим странам: России и США. Более 100 лет первое место по годовым уровням добычи занимали США. Россия с самого начала была второй. В 1974 г. Советский Союз вышел на первое место по добыче нефти. На уровень добычи в один миллион тонн мир вышел в 1871 г., на уровень в один миллиард тонн — в 1960 г. В 1979 г. мировая нефтедобыча достигла рекордно высокой отметки, преодолев цифру в 3 млрд т. К 2001 г. уровень нефтедобычи приблизился к 3,4 млрд т.
   Бурное развитие мировой нефтедобычи было вызвано стимулирующим проникновением нефтепродуктов в различные области промышленности, транспорта и быта. К этому следует добавить быстрый рост числа нефтедобывающих стран (табл. 1.2). К началу 1920 г. во всем мире было 24 нефтедобывающих страны, наиболее крупные из которых США, Мексика, Россия, Индонезия, Иран, Румыния. К 2000 г. насчитывалось уже 93 нефтедобывающие страны.

1.1. Объемы добычи и потребления углеводородных ресурсов

-\т 19

Таблица 1.1. Мировая добыча нефти и доля в ней России и США

Годы Добыча, млн т Россия, % США, %
1860     0,07         1,0     98,0 
1870     0,80         4,2     89,3 
1880     4,10         9,3     86,2 
1890     10,5        36,8     58,8 
1900     19,8        54,0     43,3 
1910     44,9        25,1     68,9 
1920     94,3         4,1     63,3 
1930      193         9,6     62,7 
1940      294        10,6     62,0 
1950      521         7,3     51,1 
1960     1051        14,1     33,0 
1970     2290        15,4     20,7 
1980     2975        20,3     14,3 
1990     2995        16,7      12  
2000     3455         9,2     8,4  

Таблица 1.2. Годы начала нефтедобычи в некоторых странах

Год       Страна       Год   Страна  
1927       Ирак        1956  Ангола  
1933      Бахрейн      1957  Нигерия 
1936 Саудовская Аравия 1961   Ливия  
1939       Китай       1962    ОАЭ   
1946      Кувейт       1966   Тунис  
1949       Катар       1971 Норвегия 
1950       Чили        1979 Филиппины

Глава 1. Прошлое, настоящее и будущее мировой добычи углеводородов

   Приблизительно до 1940 г. мировое потребление нефти увеличивалось медленно. Бурный рост потребления нефти произошел в последующие 20 лет. В настоящее время мировое потребление нефти на душу населения стабилизировалось на уровне 580 кг/год. Основные потребители углеводородов — это промышленно развитые страны.
   Запасы нефти в той или иной стране не являются главным фактором, определяющим объемы ее добычи. В 1930—1950 гг. в районе Персидского залива было открыто большое число крупных месторождений нефти, однако добыча ее велась низкими темпами. Главная причина заключалась в неготовности мировой индустрии того времени обеспечить быстрые темпы освоения ближневосточной нефти. Нефтяная промышленность — это металлоемкая отрасль. Большое количество металла расходуется на строительство скважин, трубопроводов, танкеров и оборудования для нефтеперерабатывающих заводов. Потребители нефти, в особенности транспорт, тоже нуждаются в металле, а металла в ту пору не хватало, что сдерживало развитие нефтяной промышленности мира.
   В последние десятилетия темпы роста нефтедобычи замедлились. Причин тому несколько. Во-первых, по всему миру стало заметно уменьшение прироста запасов нефти по сравнению с количеством добываемой нефти. Во-вторых, повышение цен на нефть заставило страны-импортеры проводить политику энергосбережения. В-третьих, экологические и экономические соображения заставили увеличить использование природного газа.
   В XX в. объем используемых энергетических ресурсов увеличился в 15 раз, а численность населения выросла в 3,8 раза — с 1,7 до 6,3 млрд человек. То есть потребление энергии на душу населения возросло в четыре раза, составив 1,5 т нефтяного эквивалента (н. э.) на человека в год. В первые годы XXI в. уровень ежегодного глобального спроса на энергию превысил 11 млрд т н. э. Из 230 стран мира 99 добывают углеводороды. Данные по основным странам приводятся в табл. 1.3.
   По производству нефти лидируют Ближний Восток, где из недр извлекается 26 % общемирового объема, и Северная Америка — 24 % общемирового объема добычи. Стоимость производства нефти варьируется: на Ближнем Востоке составляет 4,2 долл./барр.; в азиатской части России, США и Канаде — 8,0; в Западной Европе — 9,6; на глубоководном шельфе Латинской Америки — 10,4 долл./барр.
   В последние годы значительно увеличилось число месторождений и скважин, введенных в эксплуатацию на шельфе. В 2006 г. в эксплуатацию введено 197 морских месторождений: началось извлечение нефти