Глава 6. Добыча нефти и газа

6.1. Особенности нефти и ее использование

Нефть – это природная смесь углеводородов с примесью сернистых, азотных и кислородных соединений и представляет собой маслянистую жидкость обычно черного или темно-коричневого, иногда красноватого, желтого цвета (редко–бесцветная). При солнечном освещении цвет нефти изменяется (нефть флюоресцирует) и приобретает то синеватый, то зеленоватый отлив. Нефти свойствен характерный запах. Удельный вес нефти 0,83–0,97. Очень редко встречается нефть, имеющая меньший удельный вес (до 0,7) и удельный вес, больший единицы.

Одним из важнейших физических свойств нефти является ее вязкость, влияющая на качество получаемых из нефти продуктов, особенно смазочных масел.

Температура кипения и застывания у различных сортов нефти и нефтепродуктов различна и колеблется от +30...35 ºдо -11...-19 º, а некоторые сорта не застывают при самых сильных морозах (Сахалинская).
Легко застывающая нефть очень затрудняет ее перекачку и транспортировку по трубам, а застывающие нефтепродукты (топливо, масла) затрудняют эксплуатацию двигателей в условиях низких температур.

Нефть и топливные нефтепродукты занимают первое место среди других видов топлива по теплотворной способности. Нефтяное топливо очень удобно в использовании; подачу его в топки и двигатели легко механизировать; оно сгорает полностью и не образует золы.

Экономическая эффективность использования нефтяного топлива обусловлена не только его свойствами, но и относительной дешевизной, что объясняется сравнительно малой трудоемкостью процесса добычи нефти, которая в несколько раз ниже трудоемкости добычи угля.

Наиболее ценными видами топлива являются некоторые продукты переработки нефти – бензин, керосин, газойль, соляровое масло, причем все они используются в двигателях внутреннего сгорания, имеющих относительно высокий коэффициент полезного использования топлива. Получаемый при перегонке нефти мазут является высокоценным котельным топливом.

Нефть известна людям с древнейших времен, но ее применение очень долгое время было крайне ограничено. Расцвет нефтяной промышленности начался со времени появления и широкого применения двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе. Постоянно растущий спрос на нефтепродукты вызывал усиленные поиски нефти, совершенствование способов ее добычи, переработки и транспортировки. В результате изучения ее физических и химических свойств открылись широчайшие возможности использования нефти и продуктов ее переработки не только как.топлива, но и как ценнейшего сырья для химической промышленности, для производства сотен и тысяч веществ с самыми различными свойствами.

Из нефти и ее продуктов в настоящее время кроме топливной группы (бензина, керосина и др.) и смазочных масел получают также парафин, нафталин, вазелин, вещества для пропитки древесины от гниения, дезинфицирующие вещества, сажу для резиновой промышленности и для изготовления типографской краски, красители для текстильной промышленности, взрывчатые вещества, фармацевтические препараты, душистые вещества, смолы, которые в свою очередь служат исходным материалом для производства различных пластмасс, фотопленок, синтетического волокна и т. д. Из нефтепродуктов получают жирные кислоты, которые в производстве мыла заменяют натуральные жиры, получают также спирты, синтетический каучук, асфальт и др.

Нефть представляет собой сложную смесь различных химических соединений. Она состоит из 84-85% углерода и 12-15% водорода. Углерод и водород образуют в нефти многочисленные соединения–углеводороды. В незначительном количестве нефть содержит и другие элементы, например, кислород, азот, серу, образующие ряд сложных соединений.

6.2. Условия залегания нефти и бурение скважин

В благоприятных условиях нефть скапливается в соответствующих горных породах (коллекторах), отличающихся трещиноватостью или пористостью и способных вмещать огромные ее количества. Единичное скопление нефти в коллекторе называют залежью нефти, а их совокупность в каком-либо участке земной коры образует нефтяное месторождение. По трещинам и порам горных пород нефть может перемещаться, что создает возможность ее притока к местам добычи.

Нефть добывают из скважин – узких отверстий, пробуренных в горных породах до нефтеносного пласта.

Для прохождения скважины вращательным (роторным) бурением, строят специальные буровые вышки (рис. 6.1). На вышке устанавливают двигатель, сообщающий вращательное движение ротору – тяжелому стальному диску с квадратным отверстием в центре.

Рис. 6.1. Схема установки для вращательного бурения

1 – стальные обсадные трубы: 2 – лебедка: 3 – двигатель лебедки; 4 – вертлюг: 5 – талевый канат; 6 – талевый блок; 7 – крюк; 8 – гибкий шланг; 9 – ведущая труба (квадрат); 10 – ротор; 11 – вышка; 12 – буровой насос; 13 – двигатель насоса; 14 – приемный чан; 15 – бурильные замки (соединения бурильных труб); 16 – бурильные трубы; 17 – цементная оболочка вокруг обсадных труб; 18 – турбобур (при роторном бурении он не устанавливается); 19 – шарошка.

Ротор вращает пропущенную через квадратное отверстие такого же сечения трубу, подвешенную одним концом на вертлюге. Вертлюг висит на крюке, прикрепленном к стальному канату, пропущенному через талевую систему блоков (подъемный механизм). Ротор вращает подвешенную бурильную трубу, на нижнем конце которой укреплен буровой инструмент – долото, шарошка, коронка (рис. 6.2) – диаметром, несколько превышающим диаметр бурильной трубы. Буровой инструмент изготовляют из особо твердых сталей и сплавов. Для бурения очень твердых пород используют также алмазные насадки.

Рис. 6.2. Бурильные инструменты

1 – коронка; 2 – долото; 3 – шарошка

По мере прохождения скважины ее укрепляют, опуская в неё обсадные трубы, которые тоже постепенно наращивают.

Разрушаемую в процессе бурения породу извлекают на поверхность нагнетанием в скважину через колонну бурильных труб под давлением специального глинистого раствора. Омывая буровой инструмент, глинистый раствор поднимается на поверхность, проходя между колонной бурильных труб и стенками скважины. Постоянно циркулируя, глинистый раствор охлаждает буровой инструмент, который при работе (особенно в твердых породах) сильно нагревается, и одновременно смачивает дно скважины и размягчает породы, облегчая тем самым бурение. Затем, поднимаясь вверх, глинистый раствор увлекает с собой со дна скважины частицы разрушенной породы и выносит их на поверхность. Соприкасаясь со стенками скважины и проникая в ее поры, он отлагает на них слой глины, покрывает их как бы слоем штукатурки, что способствует их укреплению.

При бурении в твердых породах вместо глинистого раствора можно применять чистую воду.

Техника роторного бурения позволила проходить скважины глубиной в сотни и даже тысячи метров. Однако с нарастанием глубины скважин все более проявляется весьма существенный недостаток этого способа – вращающаяся колонна бурильных труб с углублением скважины становится все тяжелее и требует больших усилий для ее вращения. При этом значительная часть мощности двигателя расходуется не на вращение собственно бурового инструмента, а на вращение тяжелой колонны труб. Чтобы трубы не обрывались, необходимо их выполнять из очень прочного металла.

Широко применяется относительно новый метод бурения скважин, состоящий в том, что двигатель непосредственно соединен с буровым инструментом и опущен в скважину. В качестве двигателя применена малогабаритная многоступенчатая турбина, приводимая в движение глинистым раствором. Новая буровая машина получила название турбобура. При этом способе бурения колонна бурильных труб, опускаемая в скважину, не вращается, она только поддерживает турбобур и осуществляет поступательные движения его вниз и вверх по скважине. Следовательно, бурильные трубы могут быть менее прочными и более легкими.

Применяется также электробур, в котором вместо турбины с буровым инструментом непосредственно опускается в скважину особой конструкции электромотор. Электроэнергия к нему подается по проводникам, вмонтированным в разборную колонну бурильных труб.

Способы бурения при помощи турбобура и электробура, позволяющие проходить скважины глубиной до 5 тыс. м и более, уже широко применяются в нефтяной промышленности. Они высоко оценены и применяются также в зарубежных странах.

В настоящее время большую актуальность приобретает задача сверхглубокого бурения, так как, по новейшим представлениям нефтяной геологии, на глубинах от 5 до 10 тыс. м концентрируются наиболее значительные запасы нефти.

Благодаря совершенствованию техники скорость бурения скважин чрезвычайно выросла. Роторное бурение позволило увеличить скорость бурения до 4000 м и более в год. Применяя новейшие способы бурения, буровые мастера-скоростники проходят скважину в 2000 м менее чем за месяц

После того как скважину доведут до нефтяного пласта и вскроют его, ее окончательно закрепляют цементацией: все промежутки между обсадными трубами и стенками скважины заполняют цементным раствором.

Современная техника бурения позволяет бурить не только вертикальные и прямые скважины, но также наклонные и кривые. Это имеет очень важное значение в тех случаях, когда непосредственно над местом залегания нефти невозможно заложить скважину. В результате проходки наклонных или кривых скважин создается возможность для извлечения нефти, расположенной под важными постройками, удаление которых нецелесообразно, и даже под морским дном..

Применение наклонных скважин позволяет из одной буровой вышки проходить до 10-12 скважин (кустовое бурение), что удешевляет буровые работы.

Для получения нефти, залегающей под морским дном, бурение скважин производят и в открытом море с искусственно сооружаемых на сваях островков. На них располагают не только буровые вышки, но и благоустроенные поселки нефтяников. Такие островки созданы, например, на Каспийском море в районе Баку (Азербайджан).

На бурение скважин расходуется значительная часть капиталовложений в нефтяную промышленность. Снижение себестоимости нефти требует прежде всего снижения затрат на проходку скважин. Главным путем удешевления буровых работ является уменьшение диаметра скважин. До последнего времени диаметр буровых скважин обычно достигал 25-35 см, а сейчас бурят и скважины диаметром 15-18 см. Бурение скважин уменьшенного диаметра дает большой экономический эффект; мощность буровой установки снижается примерно в 1,5 раза; сокращается расход труб, цемента, глинистого порошка, реагентов и др. Вдвое уменьшается вес буровой установки, что дает экономию металла и облегчает транспортировку этих установок. Все это способствует ускорению как разведочного, так и эксплуатационного бурения, ускоренному развитию добычи нефти и снижению ее себестоимости.

6.3. Извлечение нефти на поверхность

При наличии в нефтяном пласте достаточного давления, создаваемого нефтяными газами и пластовой водой, нефть поднимается по скважине и изливается на поверхность. При сильном давлении скважина фонтанирует, причем фонтаны нефти иногда отличаются огромной силой и выбрасывают в сутки тысячи тонн нефти. Если фонтан укротить и направить нефть по трубам в резервуары, то эксплуатация такой фонтанирующей скважины оказывается наиболее дешевой, так как в этом случае необходимо только регулировать поступление нефти из скважины. Такая технология добычи наиболее широко применяется в странах Ближнего Востока.

Когда давление в пласте падает, и скважина перестает выбрасывать нефть, то в таких случаях используют глубинонасосный способ. В скважину опускают поршневой или электрический насос до погружения его в нефть (рис. 6.3).

Приводимый в вертикально-поступательное движение поршень (плунжер) при помощи системы всасывающих 1 и нагнетательных клапанов 2 засасывает нефть в цилиндр насоса и выталкивает ее вверх в насосную трубу, по которой она поступает на поверхность. Движение поршня осуществляется при помощи насосной штанги3, которая соединена с балансиром6 станка-качалки. Когда станок-качалка работает, его балансир совершает движения вверх-вниз; вместе с балансиром такие же движения совершает и насосная штанга, двигающая поршень насоса. Станок-качалка и насос работают автоматически, качая нефть круглосуточно в течение нескольких месяцев, до очередного ремонта. Таким способом добывается наибольшее количество нефти в странах СНГ.

Для принудительного подъема нефти из скважины применяют наименее распространенный компрессорный или эрлифтный метод. Сущность его заключается в том, что в скважину опускают две трубы (одну в другую), через одну из которых в скважину нагнетают нефтяной газ. Устремляясь вверх по другой трубе, нагнетаемый газ создает дополнительную подъемную силу, под действием которой нефть изливается из скважины и направляется к резервуарам (рис. 6.4).

Когда нефтяной пласт частично выработан, пластовое давление падает, и нефть перестает притекать к скважине, применяют так называемые вторичные методы добычи – методы оживления скважин. Сущность их заключается в искусственном повышении пластового давления, в сообщении нефтяному пласту дополнительной энергии, под действием которой вновь начинается приток нефти к скважине и даже ее фонтанирование. Для этой цели по старым скважинам или по скважинам, специально заложенным, в нефтяной пласт под большим давлением закачивают воду. Если воду закачивают в пласт через скважины, расположенные по внешним границам нефтяной залежи, то метод называют законтурным заводнением. В этом случае создаваемое давление (12-13 МПа) направлено к центру залежи и оживляет скважины, расположенные в ее центральной части. Если же закачку воды ведут через скважины центральной части нефтяной залежи, т. е. методом внутриконтурного заводнения, вода разделяет залежь на части и создает ряд изолированных очагов высокого пластового давления, обеспечивающих приток нефти к расположенным на них скважинам. Такой метод применяют на месторождениях, занимающих большие площади.

Применение вторичных методов добычи нефти экономически чрезвычайно эффективно. Они резко повышают производительность (дебит) скважин, а также степень извлечения нефти из залежи и, следовательно, использования нефтяных ресурсов. При естественном фонтанировании скважин можно использовать не свыше одной трети содержащейся в залежи нефти. Применение насосного и компрессорного методов повышает отбор нефти из пласта. Применение же новейших, наиболее прогрессивных методов законтурного и внутриконтурного заводнения позволяет извлекать до 70% содержащейся в залежи нефти. При этом во много раз сокращается продолжительность эксплуатации залежи.

Искусственное поддержание пластового давления, обеспечивающее фонтанирование скважин, не только повышает отбор нефти из пласта, но и требует для этого значительно меньшего числа скважин. Там, где вторичные методы добычи не применяют, эксплуатационные скважины располагают очень часто на расстоянии 100-150 м одна от другой; при этом на одну скважину приходится только 2-3 га нефтяной площади. При искусственном поддержании пластового давления скважины располагают на расстоянии в несколько сотен метров одна от другой, а эксплуатируемая одной скважиной нефтеносная площадь возрастает в десять раз. При высокой стоимости и длительности буровых работ сокращение числа скважин дает огромную экономию средств и ускоряет разработку месторождений нефти.

На законтурное и внутриконтурное заводнение расходуется огромное количество воды. Таким образом, большую актуальность приобрела проблема водоснабжения нефтяных промыслов. Искусственное поддержание пластового давления путем закачки в пласт воды практически может широко применяться лишь в районах, хорошо обеспеченных водой. Там, где местные источники водоснабжения недостаточны, приходится использовать водные ресурсы других районов, что усложняет и удорожает водоснабжение.

В отдельных случаях, когда нефть залегает сравнительно неглубоко и отличается большой вязкостью, препятствующей подъему ее по трубам, добычу производят при помощи шахт, вскрывающих нефтеносный пласт. При этом нефть скапливается в шахте и оттуда ее извлекают на поверхность. В подобных случаях практикуется также комбинированная добыча при помощи шахты и скважин: из заложенной шахты в разные стороны проходят скважины, облегчающие приток нефти в шахту. Условия, требующие шахтной добычи нефти, часто встречаются в районах вечной мерзлоты (способствующей увеличению вязкости нефти), например в Ухтинском нефтепромысловом районе (Россия).

6.4. Хранение и транспортировка нефти и нефтепродуктов

Техника хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов имеет большое значение в экономике и географии нефтяной промышленности.

Для хранения нефти и жидких нефтепродуктов в настоящее время применяют резервуары емкостью до 10 тыс. т, изготовленные из листовой стали. Такие резервуары различных размеров применяют на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих заводах, на нефтебазах у железнодорожных станций и пристаней, в крупных автомобильных хозяйствах, совхозах.

Крупные резервуары – это не простые сооружения. Они оборудованы клапанами, поддерживающими в них нормальное давление, оросителями холодной водой для охлаждения в летнее время, снабжены противопожарным оборудованием и различными контрольно-измерительными приборами. Особые требования предъявляются к резервуарам для хранения бензина; они должны выдерживать внутреннее давление до 0,6 МПа, так как бензин во избежание испарения хранят под давлением.

Нефть и жидкие нефтепродукты транспортируют различными средствами. Наиболее дешевый способ транспортировки нефти – в наливных судах – танкерах, которые составляют уже более 36% тоннажа мирового морского флота. Тоннаж отдельных танкеров достигает сотен тысяч тонн. По рекам нефть перевозят в самоходных и буксируемых наливных баржах.

Второе место по дешевизне транспортировки нефти и ее жидких продуктов занимают трубопроводы (нефтепроводы и продуктопроводы), имеющие протяженность в десятки, сотни и тысячи километров. Транспортировку нефти по магистральным трубопроводам осуществляют непрерывным перекачиванием ее от одной насосной станции к другой. Насосные станции располагают через каждые 50-100 км. Диаметр магистральных трубопроводов свыше 1000 мм, а давление при перекачке – до 5 МПа и более. Скорость движения нефти в трубопроводе обычно 1-1,5 м/с; она зависит от технического состояния трубопровода, вязкости и удельного веса перекачиваемой нефти. По продуктопроводу возможна последовательная перекачка различных нефтепродуктов.

Немалое количество жидких нефтепродуктов перевозят и по железным дорогам в специальных цистернах. Такая перевозка обходится значительно дороже из-за сравнительно небольшой емкости цистерн и, кроме того, из-за того, что в обратном направлении цистерны всегда следуют порожняком.

Для снабжения нефтепродуктами мелких потребителей используют специальные автомобильные цистерны.

6.5. ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ГАЗА

Виды горючих газов. В Украине создана и развивается новая крупная отрасль промышленности – газовая, использующая огромные запасы природных горючих газов Прикарпатья и Юго-востока Украины (Шебелинка), а также искусственные (промышленные) горючие газы. К искусственным относят газы, получаемые переработкой (газификацией) твердого топлива, а также коксовые газы, крекинг-газы, доменные газы и др. Хотя производство искусственных газов имеет довольно значительные объемы, удельный вес их в общей добыче и потреблении газов в стране невелик.

К природным газам относят, прежде всего газы, своим происхождением связанные с нефтью. Вместе с нефтью всегда добывают нефтяные или попутные газы. Во многих случаях насыщенность нефти газом очень высока: на одну тонну нефти попутно добывают 100-150 м2газа. Месторождения, в которых нефть отличается высоким содержанием газов, называют нефтегазовыми.

Наибольшее значение имеют чисто газовые и газоконденсатные месторождения, своим происхождением также связанные с нефтью. Будучи очень подвижными, газы легко перемещаются по пористым и трещиноватым породам и в удобных для этого местах часто скапливаются в огромных количествах. Такие свободные (в отличие от нефтяных) газы составляют подавляющую часть ресурсов природного газа.

Практическое значение имеют и шахтные или рудничные газы. Они выделяются из угольных пластов и скапливаются в шахтах. Дегазация шахт, т.е. удаление из них газа, является одним из важнейших условий нормальной их эксплуатации (рудничные газы, содержащие метан, вредны для здоровья людей и опасны в отношении взрывов и пожаров). Из угольных шахт ежегодно удаляют десятки миллионов кубометров газа. Использование этого горючего газа приобретает большое промышленное и коммунально-бытовое значение, особенно в таких крупнейших угольных бассейнах, как Донецкий, Приднепровский и Львовско-Волынский.

Однако основу современной газовой промышленности составляет добыча и транспортировка свободных природных газов. Природные газы являются самым дешевым и вместе с тем высокотеплотворным топливом. На 1 т условного топлива в виде природного газа затрачивается в 20 раз меньше труда, чем на добычу такого же количества топлива в виде угля, и в 5 раз меньше, чем на добычу 1 т условного топлива в виде нефти. Экономически очень эффективна и транспортировка газа по газопроводам, себестоимость которой во много раз ниже себестоимости перевозки любого другого вида топлива (особенно твердого).

Состав природных газов и их использование. Природные газы – это смесь различных газообразных углеводородов, из которых до 98% составляет метан СН4. В попутных нефтяных газах содержание метана ниже (50–90%) и соответственно выше содержание других углеводородов – этана, пропана и бутана.

Кроме углеводородов, в природном газе содержится некоторое количество азота, кислорода, водорода, окиси углерода, углекислого газа, сероводорода и других веществ в газообразном состоянии.

Природные газы, будучи дешевым и удобным в использовании топливом, в настоящее время уже широко используют как коммунально-бытовые потребители, так и главным образом промышленность.

Наибольшее значение имеет использование газа в качестве топлива на электростанциях и в промышленной энергетике, где сейчас потребляется много добываемого в стране газа. С каждым годом расширяется применение газа в металлургии, цементной промышленности, машиностроении и других отраслях. Замена газом других видов топлива на тепловых электростанциях и в технологических процессах многих производств дает экономию топлива и труда, упрощает и интенсифицирует производственные процессы, уменьшает загрязненность атмосферы продуктами горения и т.д.

Большие перспективы имеет использование природных газов в качестве сырья для химической промышленности. Содержащиеся в газе углеводороды можно переработать в важнейшие химические продукты (аммиак, ацетилен, метанол, сажу и др.). На основе природного газа производят наиболее дешевые азотные удобрения.

Добыча, транспортировка и хранение природного газа. Простота передачи газов на большие расстояния позволяет значительную часть их использовать вдали от мест добычи. Для этой цели сооружают магистральные газопроводы протяженностью в сотни и тысячи километров.

Первые магистральные газопроводы прокладывали из труб малого диаметра (300-500 мм). Новые газопроводы сооружают – из труб диаметром 1000-1400 мм и более. Увеличение диаметра газопровода резко повышает его пропускную способность и сокращает относительный расход металла и капиталовложений на единицу мощности (пропускной способности) газопровода, снижает себестоимость транспортировки газа.

Технический прогресс значительно ускорил строительство газопроводов, которые сооружают теперь в несколько раз быстрее, чем 20-30 лет назад. Специальные машины (роторные экскаваторы) роют траншеи; другие машины подвозят трубы, сваривают их, очищают от ржавчины, покрывают особым антикоррозионным раствором и слоем изоляции (битумом, синтетической пленкой, специальной бумагой), укладывают подготовленные трубы в траншею и засыпают её.

Добычу, транспортировку и хранение природного газа осуществляют следующим образом. Для вскрытия газоносного пласта пробуривают скважины, через которые благодаря пластовому давлению (иногда достигающему 20-24 МПа и более) газ устремляется на поверхность. Если на газовом месторождении есть несколько скважин, то их связывают специальным газосборным кольцом, к которому подключены отдельные газовые скважины. Газ из всех скважин поступает на головную компрессорную станцию. Здесь его сушат и очищают от сероводорода.

В течение первых 2-5 лет происходит опытно-промышленная эксплуатация газовой залежи, в ходе которой уточняют свойства пласта, запасы газа, продуктивность скважины, степень подвижности пластовых вод. В это время бурят скважины и ведут освоение газового промысла. Для извлечения газа из недр, его сбора, учета, транспортировки готовят к эксплуатации скважины и наземное оборудование. Одновременно добывают 10-20% от общих запасов газа.

В процессе второго периода длительностью до 10 лет идет промышленная разработка, при которой добывают около 60% запаса газа. Для поддержания объема добычи на определенном уровне бурят новые эксплуатационные скважины, т.к. отбор газа из ранее пробуренных постепенно снижается. При снижении давления в скважине вводят в действие дополнительную компрессорную станцию, повышающую давление газа, отбираемого из залежи.

Третий период разработки месторождений не ограничен во времени и длится до исчерпания запасов. В этот период проводят мероприятия по увеличению добычи газа из скважин: расширяют каналы скважин с помощью обработки соляной кислотой или гидропескоструйным методом; производят обратную закачку газа, из которого удалены тяжелые углеводороды, в залежи по нагнетательным скважинам закачивают воду (обводнение).

Общая разработка газовой залежи длится 15-20 лет. В отличие от твердого и жидкого топлива природный газ должен сразу направляться непосредственно к потребителю. Поэтому добыча газа представляет собой комплексный процесс, состоящий из его добычи и транспортировки.

Очищенный газ под давлением в 5,5–7,5 МПа, сообщаемым компрессорами головной станции (если пластовое давление недостаточно велико), направляют в магистральный газопровод. Компрессорные станции располагают на газопроводе через каждые 100–150 км. Пройдя это расстояние, газ имеет давление уже только в 3-4 МПа. Очередная компрессорная станция вновь поднимает давление газа в магистрали. Так, от одной компрессорной станции к другой газ передают на тысячи километров.

На подходе к большому городу газопровод обычно разветвляется на два полукольца, что улучшает распределение газа по городским газовым сетям и способствует поддержанию в них равномерного давления. Перед поступлением в городскую газовую сеть не имеющий запаха природный газ проходит через специальную одорирующую установку, в которой он получает определенный запах. Это необходимо для быстрого обнаружения случаев утечки газа из сети, что делает безопасным пользование им. Иногда одорирование производят на промышленной газораспределительной станции.

Для хранения горючего газа иногда сооружают огромные резервуары, называемые газгольдерами. Однако удобнее хранить газы в сжиженном виде. При температуре –160° С и большом давлении природный газ переходит в жидкое состояние и занимает при этом объем в 600 раз меньший, чем в газообразном состоянии. Значительно легче (при обычной температуре и сравнительно невысоком давлении) сжижаются пропан и бутан, выделяемые из нефтяных газов.

Перевозится сжиженный газ в специальных цистернах и баллонах. Применение сжиженного газа позволяет газифицировать города, к которым газопроводы еще не проложены, и снабжать газом небольших потребителей, к которым из-за небольшого объема потребления газа прокладка газопровода невыгодна.

Самыми емкими и удобными являются подземные хранилища газа. Хранение газа в них обходится в 250 раз дешевле, чем в газгольдерах. В качестве таких хранилищ можно использовать различные подземные выработки, в которые под большим давлением закачивают газ, герметически изолируемый от атмосферы.

Более экономичными газохранилищами являются истощенные (выработанные) газовые и нефтяные месторождения, в пористые пласты которых можно закачивать огромное количество сжатого газа. Находясь под большим давлением, этот газ легко выделяется и по скважине поступает в газопроводную сеть.

Для хранения газа используют также и водоносные пласты, в которые закачивают газ, оттесняющий из пласта воду. Газохранилища в водоносных пластах наиболее распространены в странах СНГ. Они созданы около крупнейших городов.

Крупные газохранилища имеют большое значение в регулировании добычи и потреблении газа: при снижении потребления газа его излишки направляют в хранилище, откуда он поступает в газопроводную сеть, когда расход газа значительно возрастает.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Углеводороды

Топливные нефтепродукты

Газойль

Мазут

Коллектор

Залежь нефти

Вращательное бурение

Ротор

Шарошка

Турбобур

Электробур

Цементация

Пластовая вода

Эрлифтный метод

Штанговый насос

Законтурное заводнение

Танкер

Природный газ

Газоконденсатное месторождение

Магистральные газопроводы

Газгольдер

Сжиженный газ

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Физические и химические свойства нефти.

2. Продукция из нефти.

3. Особенности пород, вмещающих нефть.

4. Раскройте сущность бурения нефтяных скважин.

5. С какой целью выполняют цементацию нефтяных скважин?

6. Изложите сущность способов извлечения нефти на поверхность.

7. Раскройте необходимость и сущность вторичных методов добычи нефти.

8. Хранение нефти перед транспортировкой.

9. Транспортирование нефтепродуктов к потребителям.

10. Виды горючих газов.

11. Классификация газовых месторождений

12. Использование шахтных газов.

13. Состав природных газов и их использование

14. Добыча, транспортировка и хранение природного газа.

Глава 7. Система ТЕХНОЛОГИй МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

7.1. Понятие о металлургическом заводе и комбинате

Металлургия – это область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающая процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов. К металлургии относятся: добыча руд из недр Земли; предварительная подготовка и обработка этих руд; процессы получения и рафинирования металлов и металлических сплавов; придание им определенной формы путем получения слитков, заготовок при отливке, обработки металлов давлением; термическая, термомеханическая, химико-термическая и другие виды обработки металлов и сплавов для придания им соответствующих свойств.

Черная металлургия – это отрасль тяжелой промышленности, состоящая из ряда взаимосвязанных подотраслей: добыча, подготовка железорудного сырья, собственно металлургическое производство (доменное, сталеплавильное, прокатное, ферросплавное), трубное, метизное, коксохимическое производство, производство огнеупоров и ряд других подотраслей.

Чугун, стальные слитки, прокат (рельсы, балки, швеллеры, уголки, трубы, плиты, листовая и рулонная сталь, стальные канаты, проволока), метизы – вот краткий перечень продукции металлургического производства.

Современный металлургический завод – сложное разветвленное хозяйство с большой концентрацией производства. Его основная продукция – чугун, металлические сплавы. Металлургический комбинат работает по полному замкнутому циклу, т.е. имеет в своем составе все виды металлургического производства, включая прокатное. Его производственная мощность – от 6 до 15 млн. тонн стали в год. В то же время существуют заводы неполного металлургического цикла, в составе которых отсутствуют цехи подготовки рудной шихты, доменные цехи (так, например, Московские заводы “Серп и молот” и “Электросталь”).

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, используемых человеком. Будущее человечества также связано с применением новых сплавов и материалов на металлической основе. Это относится к освоению космического пространства, прямому получению электроэнергии путем использования высокотемпературной плазмы и т.д.

Сегодня известно около 80 металлов, среди них главные – железо, хром, никель, медь, алюминий. Железо и его сплавы являются основными конструкционными материалами в современной технике.

7.2. Исходные материалы для выплавки чугуна

Исходными материалами для производства чугуна являются руды, топливо и флюсы. Основным видом сырья служат железные руды, содержащие химические соединения железа с кислородом и пустые породы из глинозема (Al2O3), оксидов кальция и магния (СаО, MgO) и др.

Ценность железной руды определяется содержанием в ней железа. Наличие вредных примесей (серы, фосфора и др.) обусловливает ухудшение качества получаемого чугуна и необходимость дополнительных затрат по их удалению.

В Украине добываются железные руды: красный железняк (Fe₂O₃) с содержанием железа 55-60% (Криворожское месторождение) и бурый железняк (2Fe₂O₃ 3H₂O) с содержанием железа 35-50% (Керченское месторождение).

Железные руды кроме основного компонента содержат никель, ванадий, кобальт и другие элементы, которые при доменной плавке переходят в чугун, легируют его и улучшают физико-химические свойства.

Источниками тепла для расплавления руды служит топливо – кокс, который получают из коксующихся углей путем их нагрева в специальных печах до 1000-1100 градусов без доступа воздуха. Кокс также участвует в химических реакциях производства чугуна.

В число сырых материалов при выплавке чугуна входят флюсы – минеральные вещества, добавляемые в шихту для снижения температуры плавления пустой породы и удаления в виде шлака ненужных компонентов (золы, серы, пустой породы).

Руда, топливо и флюсы, взятые в определенных дозах (по массе), называются шихтой. Для получения высококачественного чугуна необходима соответствующая подготовка шихтовых материалов. Подготавливаемая к плавке руда должна иметь требуемый состав и определенный размер кусков (20-40 мм), поэтому крупные куски подвергают дроблению, а мелкие и пылевидные фракции – окускованию. При низком содержании в руде железа её подвергают обогащению (бедные железные руды Криворожских ГОКов) в основном путем магнитной сепарации в сочетании с обжигом и флотацией.

В настоящее время более 25% железных руд проходят предварительную подготовку к плавке с тем, чтобы в доменную печь поступало железорудное сырье определенной крупности, равномерного химического состава, с высоким содержанием железа и хорошей восстановимостью. Чем тщательнее подготовлена руда к плавке, тем ниже расход топлива и выше качество чугуна.

Основными видами подготовки железных руд являются обогащение руд и окускование рудной мелочи. Наиболее распространенные способы окускования – агломерация и производство окатышей (окомкование). Агломерация руд заключается в том, что в шихту вводят флюсы и другие полезные добавки и путем сжигания топлива в слое спекаемого материала получают пористый, прочный и хорошо восстанавливаемый в доменной печи материал – офлюсованный агломерат. С развитием способов обогащения руд и увеличением удельного веса концентрата в общем объеме сырья начал применяться новый способ подготовки руды – окомкование. Сущность процесса состоит в окатывании частиц исходной шихты и последующем обжиге полученных окатышей размером 25-30 мм, которые содержат 70-95 % железа, однородны по составу и имеют высокую механическую прочность.

7.3. Технология выплавки чугуна

Доменная печь (рис. 7.1) представляет собой шахтную печь круглого сечения, заключенную в металлический цельносварной корпус толщиной 25-30 мм в верхней и 35-50 мм в нижней части. Изнутри печь выложена (футерована) огнеупорным кирпичем.

Современная доменная печь состоит из колошника, шахты, распара, заплечиков и горна. В верхней части печи на колошнике установлен засыпной аппарат 1, служащий для засыпки шихтовых материалов, и газоотводные трубы 2, по которым отводится доменный газ.

Нижняя часть – горн имеет цилиндрическую форму. В верхней части горна расположены фурмы 3, через которые в печь подаются подогретый до 1000-1200 градусов воздух и природный газ. Нижняя часть горна, в которой собирается чугун и шлак, называют лещадью. Выше ее находится летка 5 для выпуска чугуна, а на высоте 3-3,5 м шлаковая летка 4. Обе летки забиваются огнеупорной массой, а перед выпуском чугуна пробиваются.

Сущность доменного процесса заключается в восстановлении оксидов железа, что обеспечивается непрерывным взаимодействием опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока горючих газов, образующихся при горении кокса в горне.

При нагревании шихты происходит удаление влаги и разложение карбонатов, а оксиды железа под действием газов СО, Н2и твердого углерода кокса постепенно превращаются в железо по схеме F₂O₃, F₃O₄, FeO, Fe.

Основной и важнейший процесс в горне доменной печи – сжигание углерода кокса. В результате горения кокса выделяется необходимое для процесса тепло, образуются восстановительные газы и освобождается объем, что способствует движению шихты сверху вниз. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Постоянно контактируя с доменным газом и раскаленным коксом, губчатое железо, восстановленное из кусков агломерата, окатышей или руды, постепенно насыщается углеродом. При 1135 градусах в железе может растворяться 4,3% углерода.

Науглероживание железа, т.е. насыщение его углеродом, в основном, происходит в области заплечиков печи. Здесь образуются капли сплава FeC, которые струйками стекают в горн печи. При движении вниз жидкий металл соприкасается с кусками раскаленного кокса, происходит растворение углерода в железе, концентрация углерода повышается до 3,5-4,5%. Кроме углерода в расплав железа переходят восстановленные частично кремний, марганец, фосфор и сера. Этот многокомпонентный сплав железа назван чугуном. В зависимости от состава шихты в чугуне могут быть также хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк.

Выпуск продуктов плавки производится раздельно: чугуна – через каждые 1,5-2 часа, шлака – 1 час. Чугун выпускается в чугуновозные ковши и транспортируется для разлива в чушки или для дальнейшей переработки в сталеплавильные цехи. Доменная печь работает непрерывно в течение 10-12 лет, после чего подвергается капитальному ремонту.