Нафтогазова промисловість
Найважливішими джерелами енергії є нафта і газ. .
Нафта – це масляниста темно-коричнева рідина з червоним або зеленуватим відливом, інколи чорна, синя, іноді майже прозора з характерним різким запахом.
Розрізняють легкі і важкі нафти з густиною відповідно до 0,9 т/м3 і до 1,04 т/м3. З легкої нафти отримують бензин, гас; з важкої – різні мастильні матеріали, дизельне паливо, бітум, мазут. Всього з нафти виробляють більше 560 різних нафтопродуктів, включаючи, пластмаси, синтетичний каучук, синтетичні волокна, жири, спирт, органічні кислоти, розчинники, мастила, білки та інше.
За своїм складом нафта – це суміш вуглеводнів таких як парафін, нафтени та ароматичні вуглеводи. Основні види нафти містять
80…87% вуглецю, 10…14% водню, 0…5% сірки 0…3% кисню,
0..2 % азоту. Чим менша щільність нафти тим більша її теплотворна здатність, яка знаходиться в межах 37,6…49,3 МДж/кг. В сирому стані нафту майже не використовують. Перед використанням її очищають від води та шкідливих домішок.
80…87% вуглецю, 10…14% водню, 0…5% сірки 0…3% кисню,
0..2 % азоту. Чим менша щільність нафти тим більша її теплотворна здатність, яка знаходиться в межах 37,6…49,3 МДж/кг. В сирому стані нафту майже не використовують. Перед використанням її очищають від води та шкідливих домішок.
Газ – найбільший економічний та екологічно-безпечний вид палива. Його теплотворна здатність становить до 41,8 МДж/м3. Газ поділяють на природний (видобувається на самостійних родовищах), попутний (знаходиться в нафтородовищах в розчиненому вигляді або в якості шапки в підвищених згибах нафтоносних пластів (рис. 7) і штучний (побічний продукт різних виробничих підприємств). Природний і попутний гази складаються з вуглеводнів з домішками вуглекислого газу, сірководню, азоту, в невеликій кількості гелію та аргону.
Газ використовується як паливо підприємствами енергетики, чорної та кольорової металургії, цементної промисловості, в комунальному господарстві та в інших галузях народного господарства. Газ є цінною сировиною для виробництва синтетичних волокон, азотних добрив, жирів, пластмас, пластмас, спирту, каучуку, ацетилену, аміаку, ліків, вибухових речовин та іншої продукції.
Застосування газу в енергетиці дає можливість значно скоротити витрати на транспортування твердого палива і зменшити загрозу забруднення навколишнього середовища.
Як нафта, так і газ мають осадове походження і накопичуються в порах осадових порід, хоча гіпотеза утворення нафти повністю не з’ясована. Після утворення нафта і газ збираються в пастках, які представлені крупнозернистими грунтами із значними об’ємами пор. В пастках газ, нафта і вода залягають окремими шарами, розташовувалась зверху вниз у відповідності з їх густиною.
На початок 2002 року підтверджені світові запаси нафти становили 120 млрд.тонн, а прогнозовані ресурси ‑ 170 млрд.тонн. Світові підтверджені запаси газу на початок ХХІ століття оцінюються в
100 трлн. м3, а прогнозні – в 250 трлн. м3. Зараз світовий річний видобуток нафти становить 42 млрд. т, а газу – 3,0 трлн. м3.
100 трлн. м3, а прогнозні – в 250 трлн. м3. Зараз світовий річний видобуток нафти становить 42 млрд. т, а газу – 3,0 трлн. м3.
Географія розташування галузі
Нафту почали добувати ще в 6…8 тис. років тому в долинах річок Тигр і Ефрат. Виробляли з неї бітум, який використовували в будівельних і суднобудівельних цілях, а також в медицині і для освітлення вулиць. Потім родовища нафти знайшли в інших країнах світу. Найбільші поклади нафти сконцентровані в даний час в Саудівській Аравії (25% від світових). Далі йдуть Ірак (10,8%),
Єгипет (9,3%), Кувейт (9,3%), Іран (8,6%), Венесуела (7,3%), Росія (4,6%).
Єгипет (9,3%), Кувейт (9,3%), Іран (8,6%), Венесуела (7,3%), Росія (4,6%).
Основні запаси газу знаходяться в Росії (32%), на близькому Сході (22%), а також в Туркменії (11%) та в Америці (13%).
Україна має відносно невеликі запаси нафти і газу, які не можуть задовільнити її потреби. Розташовані вони в трьох провінціях: Дніпропетровсько-Донецька западина, Карпатська і Кримсько-Причорноморська.
Історично розвідка і темпи видобування нафти визначали розвиток суспільства і промислового виробництва взагалі. Так, першим поштовхом видобування нафти було застосування її в гасових освітлювальних лампах. Розвиток бурової технології і, як наслідок, початок видобування нафти і газу за допомогою свердловин в XVII–XVIII століттях, а також поява двигуна внутрішнього згорання в ХIX столітті обумовили різке збільшення видобування нафти. Новим поштовхом у видобуванні нафти і газу в середині ХX століття стало застосування їх при виробленні полімерних матеріалів і як екологічне безпечне паливо в теплоенергетиці.
Видобування нафти і газу
Видобування нафти здійснюють за допомогою свердловин двома методами: фонтанним і механічним; газу – лише фонтанним.
Свердловини являють собою круглі вертикальні порожнини діаметром від декількох сантиметрів до декількох десятків сантиметрів, глибиною в сотні, а іноді і тисячі метрів. Процес будівництва складається з буріння породи і обсаджування порожнини сталевими трубами. Обидві операції виконуються разом – пробурена частина свердловини тут же закріплюються трубою.
При наявності внутрішнього тиску в нафтоносному пласті, який достатній для витискування нафти по свердловині на поверхню землі, видобування нафти виконують фонтанним методом. При падінні тиску в процесі експлуатації свердловини його можуть підсилювати двома способами: закачуванням в зону нафтоносного пласта води або повітря (рис. 7).
В першому випадку вода подається в нижню частину нафтоносного пласта, що здійснює підйом нафти і тиск всередині її об’єму.
Повітря може закачуватись по додатковій свердловинні у верхню частину купола і здійснювати тиск на поверхню шару нафти, або подаватись в основну свердловину, утворюючи суспензію з незначною питомою вагою, яка під дією залишкового тиску, самостійно піднімає нафту до поверхні Землі.
При механічному методі підйому нафти використовують два види насосів: поршневі і відцентрові, які занурюються в свердловину на розрахункову глибину. Найбільш поширене розташування на нафтопромислах знайшли штангові поршневі насоси, але продуктивність їх суттєво залежить від висоти підйому нафти. Так при Н=200…400 м добова витрата дорівнює 500 м3, а при Н=3200 м вона зменшується до 20 м3.
Нафта, яка проходить з надр на поверхню землі містить попутний газ в кількості 50…100 м3/т, воду – 200…кг/т, мінеральні солі –
10…15 кг/т, механічні домішки, які перед транспортуванням повинні бути видаленні. Існують дві системи збору і відокремлення домішок від нафти: самоплавна (негерментизовна) і високонапірна (герметизована).
10…15 кг/т, механічні домішки, які перед транспортуванням повинні бути видаленні. Існують дві системи збору і відокремлення домішок від нафти: самоплавна (негерментизовна) і високонапірна (герметизована).
В обох випадках нафта зі свердловини потрапляє в розподільчий резервуар, де здійснюється відокремлення нафти від газу і води
(рис. 7). Газ спрямовують на газопідготовчі заводи, де здійснюється підготовка (очищення від шкідливих домішок) до транспортування користувачам. Вода із нижньої частини резервуару йде на очисну установку, де від неї відокремлюються рештки нафти. Після чого вона скидається в пониження рельєфу, або закачується назад в нафтонасосний пласт для збільшення в ньому внутрішнього тиску.
(рис. 7). Газ спрямовують на газопідготовчі заводи, де здійснюється підготовка (очищення від шкідливих домішок) до транспортування користувачам. Вода із нижньої частини резервуару йде на очисну установку, де від неї відокремлюються рештки нафти. Після чого вона скидається в пониження рельєфу, або закачується назад в нафтонасосний пласт для збільшення в ньому внутрішнього тиску.
Відстояна в резервуарі нафта зливається в накопичувальні резервуари для відправки користувачам.
Рис. 7. Схема розробки нафтогазового родовища: 1 – нафтодобувна свердловина; 2 – свердловина для закачування повітря; 3 ‑ свердловина для закачування води; 4 – розподільчий резервуар; 5 – компресорна станція; 6 – пониження рельєфу; ГПЗ – газопереробний завод; ННР – накопичувальний нафтовий резервуар
В напірній схемі для відокремлення нафти від домішок можуть бути застосовані сепаратори.
Недоліки самоплавної схеми збору і підготовки нафти заключаються в негерметичності окремих її елементів, що обумовлює випаровування і втрату до 3% газоподібних речовин.
Крім того, при самоплавному русі швидкість течії потоку незначна, що обумовлює випадіння в осад в трубопроводах механічних домішок, солей, парафіну. А це виводить з ладу ці системи і прискорює їх зміну.
Добування нафти з морських родовищ
У наш час бурхливо розвиваються галузі морської технології добування нафти і газу з морських родовищ. Якщо в середині 60-х років з морських родовищ було отримано лише 3% світового відобутку нафти, то на початку 80-років цей видобуток сягає 30%, а в 2000 році – 50%.
Ще на початку 70-х років XX століття тисячі нафтових свердловин були розсіяні по Атлантичному океану, від Північного моря до Мексиканської затоки, захоплюючи також води західної Африки, Аргентини, Бразилії, Колумбії. Розташовувались вони на краю континентального шельфу на глибині до 200 м. В останні десятиріччя нафту почали добувати на шельфах Каспійського, Чорного, Азовського та інших морів. Але найбільшого розмаху добування нафти з підводних родовищ здійснюється в Північному морі.
Перші установки для видобування нафти з морських родовищ являли собою звичайну плоскодонну баржу, на яку встановлювали бурову вишку. Буріння здійснювалось звичайним для континентальних нафтопромислів обладнанням. Ці баржі є прототипом сучасних заглиблених платформ, що працюють на глибинах до 30 метрів.
Сучасна технологія, добування нафти з морських та океанічних родовищ за складністю робіт ділиться на декілька видів.
На відносно неглибоких ділянках морів та океанів добування нафти та газу може здійснюватись за допомогою стаціонарних металевих платформ високої міцності, серед яких найбільш поширена конструкція типу «монопод», яка розроблена вченими та інженерами фірми «Імперіал Оіл» (США). Вона призначена для роботи на глибинах до 12 м і являє собою трипалубну робочу платформу розміром 24х48 м, де розміщується бурове і допоміжне обладнання, що забезпечує буріння свердловин глибиною до 6 км (рис. 8).
Платформа монтується на колоні діаметром 9,15 м і висотою 24,4 м, яка опирається на основу діаметром 96,7 м і висотою 7 м, яку розміщують на морському дні. Маса платформи 15 тис. тон.
Рис. 8. Загальний вигляд платформи типу «Монопод»: 1 – вишка; 2 – робоча платформа; 3 – колона; 4 – порожнина для перепуску бурових труб; 5 – основа
Набагато складнішою проблемою є ведення робіт в глибоководних районах моря. Разом з тим саме в цих зонах розташовані найбільш перспективні в геологічному відношенні структури.
Перша спроба буріння у Північному морі на великих глибинах, яка була зроблена в 1971 році за допомогою звичайного мертво заякорьованого судна виявилась невдалою. Тоді французька нафтова компанія разом зі своєю канадською філією зробила спробу буріння розвідувальних свердловин на глибині моря 183 м, за допомогою судна "Пелікан” (рис. 9), яке було обладнано системою динамічного позиціонування над точкою робіт. Передача обертального моменту руху від привода на бурові колони тут може здійснюватись по викривленій системі з’єднальних труб. Даний експеримент видався вдалим. Судно мало довжину 149 м і водотоннажність 15,5 тис. т. Воно спроможне здійснювати буріння при глибинах моря 300 м, силі вітру до 100 м/год, амплітуді бортової качки 10˚ і суворих температурних умовах північних широт. Судно обладнано двома гребними гвинтами регульованого кроку і п’ятьма підрулюючими шахтовими установками, що проводиться дизельними двигунами потужністю по 2500 кВт.
Рис. 9. Бурове судно «Пелікан» з системою динамічного позиціонування: 1 – бурова вишка; 2 – носові підрулюючі; 3 – стелажі для зберігання обсадних
і бурових труб; 4 – установка для приготування бурового розчину; 5 – акустичний випромінювач; 6 – трос інклінометра; 7 – вантаж інклінометра; 8 – гирлова лійка; 9 – денний маяк; 10 – бурова колона; 11 – гідрофони
і бурових труб; 4 – установка для приготування бурового розчину; 5 – акустичний випромінювач; 6 – трос інклінометра; 7 – вантаж інклінометра; 8 – гирлова лійка; 9 – денний маяк; 10 – бурова колона; 11 – гідрофони
В центральній частині судна розташована робоча шахта розміром 7´8,25 м, над якою на робочому майданчику встановлена пірамідна бурова вишка висотою 44,8 м з гідропневматичним компенсатором вертикальних коливань. Система керування і контролю за положенням судна відносно точці буріння дозволяє гарантувати утримання його у межах кола діаметром, що дорівнює 1% глибини води в місці розташування судна.
Транспортування та переробка нафти
Транспортування нафти до користувачів здійснюється трьома шляхами: по трубопроводам, в цистернах по залізній дорозі і танкерами по воді. Недоліком таких схем видобування і переробки нафти є можливість аварійних ситуацій, коли значні території землі і води покриваються нафтовою плівкою, що ставить під загрозу існування флори і фауни в даній місцевості і на відповідних акваторіях морів і океанів. В даний час, хоча і розроблені технології збору і знешкодження розлитої нафти, але це вимагає витрат значних зусиль і багато часу.
Переробка нафти здійснюється на нафтопереробних заводах (НПЗ). Для розподілу нафти на фракції (групи вуглеводів) застосовують фізичні та хімічні методи. Фізичні методи ґрунтуються на таких властивостях різних груп вуглеводів як: різна температура кипіння, замерзання та конденсації при атмосферному і надлишковому, внутрішньому і зовнішньому тисках; хімічні – мають в своїй основі неоднакову реакційну здатність різних компонентів нафти.
Найпростішим прийомом розподілу нафти на компоненти, яким користувались ще в ХІХ столітті і в даний час для одержання низькосортного бензину за допомогою примітивних апаратів, є перегонка. В основі перегонки покладена дистиляція, тобто кипіння при певній постійній температурі в діапазоні 0…300оС і атмосферному тиску з послідуючою конденсацією. При цьому з нафти на кожному температурному етапі відокремлюють один компонент: бензин, гас, дизпаливо та інш.
Для одержання одночасно декількох компонентів застосовують ректифікацію, в основу якої покладена багатократна дистиляція, яка може здійснюватись в більш широкому діапазоні температур і тисків із застосуванням каталізаторів і таких фізико-хімічних прийомів як екстракція, абсорбція, дифузія через мембрану. Здійснення цих процесів на сучасних нафтопереробних заводах відбувається в ректифікаційних колонах, екстракційних, абсорбційних та інших установках.
Заходи по зменшенню негативного впливу нафто- та газодобувної промисловості на екологічний стан біосфери
Основний негативний вплив підприємства нафтодобування і переробки здійснюють на атмосферне повітря і водні об’єкти. Щорічно галуззю викидається шкідливих речовин до 1650 тис. т. Основна частка викидів (98%) припадає на рідкі та газоподібні речовини.
Першим забруднюючим об’єктом в ланцюжку видобування і переробки нафти є місце розташування свердловин, нафтодобувного обладнання і первинної підготовки нафти до транспортування.
Негативний вплив на навколишнє середовище тут проявляється в таких аспектах:
1) вилучення земельних ресурсів для будівництва свердловин, очисних споруд, накопичувальних резервуарів, транспортних комунікацій, житла тощо, порушення та забруднення земель;
2) викиди газоподібних речовин в атмосферу;
3) вилучення з нафтою високомінералізованих супутніх вод, та скид їх в пониження рельєфу;
4) аварійні розливи нафти з наступним випаровуванням.
Характерними забруднюючими речовинами, які утворюються в процесі видобування нафти є вуглеводні (48% сумарного викиду в атмосферу) оксиди вуглецю (33%), тверді речовини (20%). Тому кращим прийомом підготовки нафти до транспортування є напірний, як більш герметичний, який, крім того, може доповнюватись стабілізаційними заходами в спеціальних ректифікаційних колонах.
Боротьба з наслідками скиду високомінералізованих вод, що відокремлюються від нафти, ведеться шляхами їх очищення (знесолювання) і закачкою їх в нафтоносні пласти, в особливості при підтриманні необхідного внутрішнього тиску в них.
Забруднення нафтою води і ґрунту трапляється при аварійних ситуаціях на видобувних установках, в особливості на морських бурових платформах, а також під час транспортування нафти танкерним флотом, залізничними цистернами і трубопроводами.
Нафта, потрапляючи у воду, розтікається по ній тонкою плівкою, утворюючи величезні плями, які займають сотні квадратних кілометрів, обмежують потрапляння кисню у воду, засмічують берега річок, морів і океанів, а при вмісту нафтопродуктів у воді понад 0,005 мг/л гинуть всі живі істоти.
Зараз проводиться велика робота для запобігання забрудненню нафтою світового океану. В багатьох портах можна зустріти суда-збирачі нафти, яка розлита по їх акваторії. Вченими розроблені ефективні технології очищення танкерів із застосуванням сучасних мийних засобів. Нафту на поверхні води можна сорбувати сумішшю піску з крейдою. Щоб перешкодити розтіканню нафтової плівки, застосовують поверхневі активні речовини.
Підприємства нафтопереробної промисловості спричиняють забруднення як повітряного, так і водного басейну. Головними джерелами забруднюючих речовин є процеси вилучення сірки (знесірчення), регенерації каталізаторів крекінгу, нагрівачі, ректифікаційні колонки, котли, посудини для зберігання сировини та готових продуктів, сепаратори води та нафти, факели зпалювання суміші попутних газів і повітря.
Підприємства нафтопереробної промисловості забруднюють атмосферу викидами вуглеводів (73% сумарного викиду), діоксиду сірки (18%), оксиду вуглецю (7%), оксидів азоту (2%). Тому на нафтопереробних заводах значну увагу приділяють герметизації всіх посудин, де містяться нафтопродукти, очищенню димових газів і знесірчуванню нафти. Вловлювання шкідливих речовин в галузі складає близько 47,4%.
Зараз знесірчуванню підлягають біля 20% нафти від загального її видобутку. Знесірчування нафти сприяє як охороні навколишнього середовища, так і покращує подальшу переробку нафти. В даний час широко впроваджується процес видалення сірки гідроочищенням, яке здійснюється при підвищеному тиску і температурних режимах близьких до 400оС з застосуванням таких каталізаторів як оксиди і сульфіди вольфраму, нікелю і кобальту. Суть процесу гідрознесірчування полягає в каталітичному гідрогенолізі зв’язку С – S у сполуках, які містять в собі сірку.
Потреба у великій кількості води зумовлює необхідність розташування нафтопереробних заводів (НПЗ) поблизу водойм, що, в свою чергу, вимагає потребу в захисті водних об’єктів від забруднення.
В проектах нових НПЗ питомі витрати стічних вод, які підлягають очищенню і скиду на 1 т переробленої нафти дорівнюють 0,17…0,26 м3.
На НПЗ здійснюється повна роздільна система каналізації, по якій виробничо-дощові і хімічно забруднені води відводяться двома системами.
Першою системою відводять виробничо-дощові води, які забруднені лише нафтопродуктами. Після механічної і одноступеневої біологічної очистки вони використовуються для поновлення систем зворотнього водопостачання.
Друга система відводить емульговані мінералізовані стічні води, які забруднені нафтопродуктами, реагентами, солями та іншими хімічними речовинами. Після механічного, двохступеневого біологічного очищення, а, в деяких випадках, фізико-хімічного доочищення стічні води направляються у природні водойми. Іноді після механічного очищення, знесолювання і виділення деяких шкідливих речовин вони можуть використовуватись для потреб виробництва.
Коментарі (0)