Организация эксплуатации и ремонта установок электроцентробежных насосов в нефтедобывающей отрасли. Том 1. Эксплуатация
Шрифт:
В мощной толще горных пород, пропитанных водой, появляется вещество, по всем своим физическим свойствам противоположное воде, гидрофобное, плотность которого всегда меньше плотности воды и в отличие от воды не повышается с глубиной, а, как правило, понижается. Если вода стремится занять в породах, в первую очередь, самые мелкие поры и трещины, то нефть, наоборот, – самые крупные. Нефть представляет собой жидкость, чаще всего коричневую, с зеленоватым или другими оттенками, иногда почти черную и редко бесцветную. Плотность изменяется в широких пределах – от 0,76 до 0,99 г/см3, чаще всего составляет 0,80-0,87 г/см3. Очень редко встречается нефть плотностью от 1,0–1,04 г/см3 (месторождение Окснард в Калифорнии). В соответствии с плотностью меняется вязкость нефти
Нефть обладает рядом интересных оптических свойств: светится под ультрафиолетовыми лучами – люминесцирует, может вращать плоскость поляризации светового луча. Молекулярный вес нефти колеблется в пределах 240290, иногда превышая эту величину. Главным элементом является углерод, составляющий от 83–87% нефти, содержание водорода – колеблется в пределах 12–14%. Кислород, азот и сера содержатся в пределах 5–8%. В нефти в весьма небольших количествах встречаются фосфор, ванадий, никель, железо, алюминий, кальций, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор и т. д.
Теперь о газах. Горючие углеводородные газы бесцветные, почти 2 раза легче воздуха. Они, как правило, не имеют запаха. При наличии примеси сероводорода приобретают неприятный запах и становятся очень токсичными. Теплотворная способность газов составляет 27300-37800 кДж/м3, а попутных нефтяных газов (ПНГ) – 42000-71400 кДж/м3. Довольно часто в состав природных горючих газов в разных количествах входит сероводород. Например, в газах Оренбургского месторождения его содержание – 4,5%, а в газах Астраханского месторождения – 26%. В природе встречаются газы, содержащие более 50% сероводорода. Сероводород токсичен и агрессивен по отношению к металлам, вследствие чего все оборудование должно быть изготовлено из специальных сталей.
Нефть и углеводороды находятся не только в сообщающихся пустотных пространствах горных пород (в случае образования залежей), но и в закрытых породах, а также в сорбированных минеральной частью угольных или сланцевых породах или растворены в подземных водах.
Интересно распределение температуры в недрах. На суше сезонные колебания температуры отражаются до глубин 15–25 м, где они обычно равны среднегодовой температуре воздуха. Исключение составляют вулканические области и зоны поступления глубинных вод. Ниже глубины 20–25 м температура начинает возрастать в среднем на 1°C через каждые 30 м, но в отдельных районах (в Ставрополье, частично в Западной Сибири, Средней Азии и др.) температура увеличивается быстрее – на 1°C через 15–25 м, а в других районах (на Кольском полуострове, в районе Курской магнитной аномалии и др.) температура повышается на 1°C лишь через 60-100 м. Давление воды, нефти и газа в недрах возрастает с глубиной примерно на 1 кг/см2 через каждые 10 м глубины.
Согласно физическим законам, благодаря действию сил молекулярного притяжения в капиллярных каналах с поперечным сечением менее 0,001 мм вода не перемещается под влиянием силы тяжести и требуется приложение значительных градиентов давления, чтобы сдвинуть такую пленочную жидкость. Поры всех осадочных пород на дне водных бассейнов и на суше, как только порода оказывается ниже уровня грунтовых вод, заполняются водой. Таким образом, когда в породу поступают нефть или газ, то для заполнения ее пор им надо вытеснить воду. Из пор крупнее 0,001 мм вода может уйти, а из более мелких пор при давлениях, обычно существующих на глубинах до 10 км, она не может быть вытеснена. По этой причине вода, нефть и газ в недрах могут двигаться по пластам песков, песчаников,
Следует иметь в виду, что нефть и газ из пластов никогда не удается извлечь полностью. Например, нефть задерживается в уголках пор, тупиковых каналах, просто на поверхности зерен породы, в более мелких порах и т. д. Количество извлеченной нефти по отношению к общему ее количеству в нефтесодержащих породах месторождения может колебаться в пределах от 5 до 95% и зависит от множества как природных, так и технических факторов: вязкости нефти, типа породы, в которой она находится, температуры и давления, содержания растворенных газов, частоты расположения эксплуатационных скважин, темпа отбора (т. е. от количества ежегодно добываемой нефти по отношению к тому количеству нефти, которое первоначально содержалось в залеже нефти), темпа заводнения и т. д. В настоящее время в мире в среднем значение КИН составляет примерно 35%. В связи с энергетическими кризисами в последнем десятилетии встал вопрос об общей оценке запасов нефти и газа, содержащихся в земной коре и предельных глубинах их распространения. Очевидно, что такой прогноз можно сделать лишь на основании определенных теоретических представлений о происхождении нефти и газа.
1.3. Различные представления и гипотезы о происхождении нефти и газа
На протяжении всех времен человека интересовало происхождение нефти и газа. Существует много различных гипотез по этому поводу. Одним из первых ученых к этому вопросу обратился средневековый ученый Г. Агрикола (15461550 гг.). Он в своих работах высказал мнение, опровергающее утверждение о растительном происхождении битумов и янтаря и считал, что битумы занимают первое место среди всех материй, которыми питается подземный огонь. Представления исследователя Г. Агриколы о вулканических процессах как о процессе горения горючих ископаемых разделяли многие исследователи вплоть до XIX столетия: он предполагал, что "гореть" должно другое вещество – нефть или битум.
Позже появлялись и другие представления об этой проблеме. Развитие вопроса о происхождении нефти и газа можно разделить на несколько этапов:
1 этап – 1694–1760 гг. В конце XVII века французский ученый П. Поме (1694 г.) и итальянский ученый П. С. Бокконе, английский ученый В. Чарлитон (1697 г.) считали, что янтарь и битумы имеют одинаковое происхождение и нефть образуется "вулканическими силами из земли и серного начала".
В начале XVIII в. (1725 г.) немецкий ученый И. Ф. Генкель высказал предположение, что нефть ("горные масла", или "горные смолы") образуется из остатков животных и растительности.
К 1739 г. все представления о происхождении нефти обобщены русским академиком И. Вейбрехтом, который, разделяя мнение о нефти как о смеси "огненной (серой)", водной и земляной субстанций, в то же время считал, что нефть либо образовалась под влиянием тепла Земли, либо находилась в ее недрах изначально.
В 1748 г. французский ученый Б. де Малье высказал мысль, что все горячие ископаемые образовались из захороненных в морских осадках животных и растительных организмов и что вулканические процессы обусловлены горением этих веществ, в том числе и каменного угля.
В 1750 г. немецкий ученый Д. Р. Шпильман писал, что нефть образуется из растений, преимущественно из ели.
Член Французской академии наук, химик по специальности, П. Ж. Макер в 1758 г. высказал мнение о том, что битумы образуются в результате взаимодействия "растительных масел" и "кислот".
Таким образом, до 1760 г. существовали два различных мнения об образовании нефти: растительного (органического) и нерастительного (неорганического) происхождения нефти.
2 этап – 1761–1859 гг. Этот этап продолжался в течение почти 100 лет, а начался с работы М. В. Ломоносова, который впервые связал происхождение нефти с геологическим строением Земли, считая, что внутри нее имеется "огненное ядро", под действием которого и происходят извержения вулканов, а также "выгорание" целых участков "земли" и последующее их опускание. В 1768–1774 гг., по инициативе М. В. Ломоносова, Академией наук России были организованы экспедиции, участники которых наблюдали выходы нефти у оз. Байкал (П. С. Паллас), на Апшеронском полуострове (С. Г. Гмелин), в Кахетии (А. И. Гильденштедт), на Волге, вблизи Симбирска, на р. Белой (И. И. Лепихин).