История развития машин и оборудования добычи нефти и газа

Изображения этих устройств  встречаются всюду в нефтегазовой отрасли: на эмблемах, плакатах, гербах нефтяных городов и так далее. Внешний вид станка-качалки известен всем. Вот как он выглядит. Станок-качалка и есть один из элементов эксплуатации скважин штанговым насосом. По сути, станок-качалка является приводом штангового насоса, расположенного на дне скважины. Это устройство по принципу действия очень похоже на ручной насос велосипеда, преобразущий возвратно-поступательные движения в поток воздуха. Нефтяной насос возвратно-поступательные движения от станка-качалки преобразует в поток жидкости, которая по насосно-компрессорным трубам (НКТ) поступает на поверхность.  Если по порядку описать происходящие процессы при данном виде эксплуатации, то получится следующее. На электродвигатель станка-качалки подается электричество. Двигатель вращает механизмы станка-качалки так, что балансир станка начинает двигаться как качели и подвеска устьевого штока получает возвратно-поступательные движения. Энергия передается через штанги – длинные стальные стержни, скрученные между собой специальными муфтами. От штанг энергия передается штанговому насосу, который захватывает нефть и подает ее наверх. При эксплуатации скважины штанговыми насосами к добываемой нефти не предъявляются строгие требования, которые имеют место при других способах эксплуатации. Штанговые насосы могут качать нефть, характеризующуюся наличием механических примесей, высоким газовым фактором и так далее. К тому же, данный способ эксплуатации отличается высоким КПД. 

В России изготавливаются  станки-качалки 13 типоразмеров по ГОСТ 5688-76. Штанговые насосы производят ОАО  «Элкамнефтемаш» г.Пермь и ОАО  «Ижнефтемаш» г.Ижевск. Эксплуатация скважин бесштанговыми насосами.

Для отбора из скважин  больших объёмов жидкости применяется  лопастный насос с рабочими колесами центробежного типа, обеспечивающий высокий напор при заданных подачах  жидкости и габаритах насоса. Наряду с этим, в нефтяных скважинах некоторых районов с вязкой нефтью необходима большая мощность привода относительно подачи. В общем случае эти установки носят название погружные электронасосы. В первом случае — это установки центробежных электронасосов (УЗЦН), во втором — установки погружных винтовых электронасосов (УЗВНТ). Скважинные центробежные и винтовые насосы приводятся в действие погружными электродвигателями. Электроэнергия подводится к двигателю по специальному кабелю. Установки ЭЦН и ЭВН довольно просты в обслуживании, так как на поверхности имеются станция управления и трансформатор, не требующие постоянного ухода. При больших подачах УЭЦН имеют достаточный КПД, позволяющий конкурировать этим установкам со штанговыми установками и газлифтом. При этом способе эксплуатации борьба с отложениями парафина проводится достаточно эффективно с помощью автоматизированных проволочных скребков, а также путем нанесения покрытия на внутреннюю поверхность НКТ. Межремонтный период работы УЭЦН в скважинах достаточно высок и достигает 600 суток. Скважинный насос имеет 80-400 ступеней. Жидкость поступает через сетку в нижней части насоса.

Погружной электродвигатель маслозаполненный, герметизированный. Во избежание попадания в него пластовой жидкости устанавливается узел гидрозащиты. Электроэнергия с поверхности подается по круглому кабелю, а около насоса — по плоскому. При частоте тока 50 Гц частота вращения вала двигателя синхронная и составляет 3000 мин(-1). Трансформатор (автотрансформатор) используют для повышения напряжения тока от 380 (напряжение промысловой сети) до 400— 2000 В. Станция управления имеет приборы, показывающие силу тока и напряжение, что позволяет отключать установку вручную или автоматически. Колонна НКТ оборудуется обратным и сливным клапанами. Обратный клапан удерживает жидкость в НКТ при остановках насоса, что облегчает запуск установки, а сливной освобождает НКТ от жидкости перед подъемом агрегата при установленном обратном клапане.

Для повышения эффективности  работы для извлечения вязких жидкостей используется скважинные винтовые насосы с погружным электродвигателем.

Установка скважинного  винтового насоса, подобно установке  ЭЦН, имеет погружной электродвигатель с компенсатором и гидрозащитой, винтовой насос, кабель, обратный и  сливной клапаны (встроенные в НКТ), оборудование устья, трансформатор и станцию управления. За исключением насоса, другие части установки идентичны.

Хранение и  транспортировка

Транспортировка нефти  и газа на нефтеперерабатывающие  химические заводы и на электростанции очень удобна. По железным и автомобильным дорогам нефть перевозят в цистернах, а по морям и океанам—в нефтеналивных судах—танкерах. Но во многих случаях нефть и газ можно подавать на любые расстояния по трубам.

Нефтепроводы и газопроводы—магистрали из стальных труб, уложенных неглубоко в земле, — протянулись на десятки тысяч километров.

А вот хранить нефть  и газ сложнее, чем уголь и  руду.

Для хранения нефти и  получаемых из нее нефтепродуктов, например бензина, нужно строить  специальные металлические резервуары. Они похожи на гигантские консервные банки. Стенки нефтехранилищ окрашивают серебристой алюминиевой краской, хорошо отражающей солнечные лучи, чтобы нефть и нефтепродукты не нагревались. Для хранение газа необходимы герметичные, газонепроницаемые резервуары. Чтобы газ при хранений (и при перевозке через моря и океаны) занимал как можно меньше места, его сжижают, охлаждая до температуры — 160° С и ниже. Сжиженный газ хранят в резервуарах из прочных алюминиевых сплавов и специальной стали. Стенки делают двойные, а между стенками закладывают какой-нибудь материал, плохо проводящий тепло, чтобы газ не нагревался.

Но самые крупные  хранилища газа удобнее и дешевле  сооружать под землей.

Стенками подземных  газохранилищ служат непроницаемые  пласты горных пород. Чтобы эти породы не вываливались и не обрушивались, их бетонируют. Существует несколько способов хранения сжиженных газов под землей. В одних случаях хранилище представляет собой полость, горную выработку, расположенную довольно глубоко. В других случаях — яму, котлован, закрытый герметичной металлической крышкой, или, лучше сказать, крышей.

Переработка нефти  и газа

В начале нефть и продукты ее переработки (керосин) применяли  для освещения. Потом нефть и  мазут стали употреблять как  топливо для паровых котлов (пароходных и паровозных), а также для получения смазочных материалов.

С появлением двигателей внутреннего сгорания, в том числе  дизелей, продукты переработки нефти  — керосин, соляровое масло и  более тяжелые масла стали  широко применять как топливо. Именно это вызвало быстрое развитие добычи и переработки нефти. Наиболее простой метод переработки нефти — прямая гонка. Этот метод заключается в перегонке нефти при нагревании в закрытых котлах или трубчатых печах. Сначала отгоняются наиболее легкокипящие погоны (бензин, лигроин), потом более тяжелый — керосин. Бензины состоят из углеводородов с 5—10 атомами углерода в молекуле, а керосиновые погоны—из углеводородов с 10—15 атомами углерода. После перегонки остается мазут — густая черная жидкость. Он употребляется как топливо или подвергается новой перегонке, чтобы выделить смазочные масла: легкие—соляровые, более тяжелые – веретенные и машинные и, наконец, тяжелые — цилиндровые.

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

Русский химик Н. Д. Зелинский  предложил усовершенствовать крекинг  с помощью ускорителей процесса — катализаторов. В качестве катализатора он применил хлористый алюминий.

Французскими инженерами был предложен алюмосиликатный  катализатор. В его присутствии происходило образование фракций, содержащих высококачественный бензин, пригодный для авиационных двигателей.

Однако жизнь шла  вперед. Бензиновые двигатели внутреннего  сгорания становились все быстроходнее, все мощнее и в то же время все  легче и меньше по размерам.

Этого удалось достичь, повышая степень сжатия топлива  в цилиндрах двигателя. Однако в  момент сильного и быстрого сжатия паровоздушная смесь преждевременно взрывалась — детонировала. Это  приводило к стукам в двигателе  и потере мощности. Борьба с детонацией на долгое время стала главной задачей улучшения методов нефтепереработки. Оказалось, что различные углеводороды, содержащиеся в бензинах, детонируют с различной легкостью. Углеводороды с сильно разветвленными цепочками атомов, а также ароматические детонировали труднее, чем углеводороды с нормальной цепочкой атомов углерода.

Способность бензинов противостоять  детонации характеризуют так  называемым октановым числом: чем  оно выше, тем бензин лучше. Значит, и нефть: нужно перерабатывать так, чтобы получать бензины с возможно большими октановыми числами. Кроме каталитического крекинга появились новые процессы нефтепереработки — риформинг, платформинг. Особое значение в них получили реакции ароматизации нефтяных углеводородов, открытые и разработанные советскими химиками. Промышленность стала даже на путь синтеза углеводородов с разветвленной цепью (изооктана и триптана), чтобы использовать их как добавки к бензинам и повышать, таким образом, антидетонационные свойства. Особенно успешно стали применять специальные добавки к топливу — так называемые антидетонаторы. Добавленные в небольшом количестве к бензину, они значительно повышают его октановое число. Таков тетраэтилсвинец (сокращенно ТЭС). Бензин с этим антидетонатором (этилированный) очень ядовит. Будьте всегда осторожны с этилированным бензином: не обливайте им руки, старайтесь, чтобы бензин случайно не попал вам в рот или в глаза.

Теперь найден лучший антидетонатор, чем ТЭС. Это вещество со сложным названием — циклопентадиенилтрикарбонил  марганца, или ЦТМ. Как видно из названия, это органическое вещество содержит марганец. Скоро появятся в гаражах “марганцевые” бензины.

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

И это еще не все! До сих пор речь шла о применении нефтепродуктов в качестве топлива. Менялись типы двигателей: от паровых машин к дизелям, к бензиновым моторам, потом к реактивным двигателям. Но в них использовалось только тепло образующееся при сгорании топлива!

Для химика-органика сжигание нефтяных углеводородов — непростительное  расточительство. Ведь эти углеводороды так нужны для химического синтеза! Из них можно сделать так много ценных химических продуктов! И нефтехимический синтез выступил мощным конкурентом транспорта в потреблении нефти. Прежде всего пошли в дело нефтяные газы, состоящие из углеводородов с маленькими цепочками атомов углерода — от 1 до 5. Из этилена СН₂ = СН₂ можно получать этиловый спирт, а из него — синтетический каучук (СК). Из этилена же получается прекрасный широко известный полимер полиэтилен. Из пропилена СН₃СН = СН₂ можно получить изопропиловый спирт и ацетон; пропилен нужен для производства фенола, наконец, из него можно получить полипропилен и акрилонитрил—сырье для производства синтетической шерсти. Другие нефтяные газы тоже находят важное применение в нефтехимическом синтезе. Значит нефтепереработку нужно вести иначе. Нужно получать как можно больше газов, молекулы которых содержат двойные связи между атомами углерода.

Между нефтью — топливом и нефтью — химическим сырьем началась напряженная борьба.

Конечно, в настоящее  время и в ближайшее время нефть будут использовать главным образом как топливо. Однако доля нефти, расходуемая на химическую переработку, непрерывно возрастает.

А совсем недавно появился еще один возможный потребитель  нефти. Он пока еще “младенец”, и  ему много нефти не нужно. Но как знать? Это микробиологическая переработка нефти на... белки. Нашлись бактерии, которые хорошо живут на нефти потребляя ее в пищу. Нефть исчезает, бактерии растут. Постепенно (и не так уж медленно) исчезает значительная часть нефти, и вместо нее образуется масса клеток бактерий, содержащая много белка, которой можно использовать как корм. В настоящее время предпринимаются попытки вырастить такие бактерии, которые поглощали бы из нефти только ненужные примеси. Это может привести к появлению микробиологических нефтеочистительных заводов, побочной продукцией которых будет кормовой белок.

До сих пор шла  речь о газах нефтепереработки. Однако есть и природный газ, образующий громадные скопления в толще  земли. Природный газ в основном состоит из метана СН₄. Он добывается в громадных количествах и используется как горючее для промышленных и бытовых целей. Вместе с нефтяными газами, сопутствующими нефти, и газам нефтепереработки природный газ является важным источником для синтеза разнообразных органических веществ. Самый большой химический потребитель газа — промышленность полимерных материалов.