Нефть: запасы, добыча, переработка, применение

Если бы вы могли заглянуть в нефтяную скважину и увидеть там нефть где ее создала сама природа, то вы бы удивились. Многие люди думают, что там под толщей пород есть большое нефтяное озеро. Нефть не существует в глубоких черных озерах или бассейнах. На самом деле, подземная нефтяная формация или нефтяной пласт — выглядят очень похоже на любой другой горный массив. Нефть существует в этом виде под землёй в форме крошечных капелек, закрытых в пространствах, называемыми «порами», внутри горных пород коллекторов, такие как песчаник, известняк или глинистый сланец. Эти поры и капельки нефти можно увидеть только под микроскопом. Эти капельки прилипают к породе, как капли воды прилипают к оконному стеклу.

Где находится нефть?

Запасы нефти встречаются по всему миру. Однако, некоторые страны добывают больше нефти, чем другие. Основные страны производители нефти — это Саудовская Аравия, Россия, США, Иран и Китай. В России нефть добывается во многих областях и регионах еще с советских времен. Больше всего нефти добывается в ЯНАО, ХМАО, Коми, Красноярский край и в центральной части страны.

Соединенные Штаты являются одной из ведущих стран — производителей, ее потребность в нефти превышает количество внутреннего производства, и чтобы избежать дефицит сырья, часть нефти (около 60 процентов) приходится импортировать из зарубежных стран. Страны импортеры для США — Канада, за ней следуют Саудовская Аравия, Мексика, Венесуэла и Нигерия.

Где применяют нефть?

Вы, вероятно, уже знакомы с основным видом использования нефти – бензин. Он используется для заправки большинства автомобилей во всем мире. Но нефть также используется для производства многих других продуктов, которые мы используем ежедневно. Большая часть добываемой нефти в мире превращается в источник энергии. Помимо бензина, нефть также может быть использована для производства мазута, дизельного топлива, топлива для авиации и другие продуты. Она также может быть превращена в нефтехимическое сырье — продукт, получаемый из нефти, в основном для производства химикатов, синтетического каучука и пластмасс. Нефть используется для производства многих обычных бытовых продуктов, включая детские мелки, жидкости для мытья посуды, дезодоранты, очки, шины, аммиак и другие товары народного потребления.

Бурение на нефть — разведка

Первым шагом к бурению скважины на нефть является определение месторождения. Поскольку это дорогостоящее мероприятие, нефтедобывающим компаниям необходимо получить информацию о нефтяном пласте, прежде чем начать бурение. Они должны знать о размере и качестве порового пространства в породах пласта, как быстро капли нефти будут двигаться через поры, а также где находятся естественные трещины в пласте чтобы знать, где бурить.

Хотя в прошлом, чтобы найти место для бурения, могло потребоваться несколько предположений и несколько неудачных попыток, чтобы найти правильное место для бурения, ученые открыли новые способы определения нужных мест для нефтяных скважин. Используя звуковые волны ученые могут определить характеристику горных пород под землей (геофизика). Звук проходит с разной скоростью через различные типы пород. Для прослушивая звуковых волн используют устройства, так называемые «геофоны». С ними ученые могут измерить скорость, с которой звуковые волны проходят через породу и определить, где могут находиться нефтеносные породы. Ученые также могут использовать электрические импульсы вместо звуковых волн для достижения того же эффекта. Такие методы использовали еще братья Шлюмберже в 20 веке, когда открыли электрическое сопротивление горных пород. Также геологи могут изучить саму породу. Для этого бурится разведочная скважина, и образцы породы, называемые керном поднимаются на поверхность. Эти образцы изучают под микроскопом, чтобы увидеть, капли нефти в породе или признаки нефтеснасыщения.

Бурение на нефть — добыча

Как только специалисты убедятся, что нашли нужный вид подземного пласта, они могут начать бурение эксплуатационных скважин. Когда во время бурения породоразрушающий инструмент — долото впервые попадает в пласт, часть нефти может сразу просочиться из коллектора из-за разницы давления в пласте в открытый ствол скважины. Давление от миллионов тонн перекрывающих толщ пород, лежащих на нефти, и от естественного тепла Земли нарастает в залежи и расширяет любые газы, которые могут находиться в породе. Когда скважина пробивает залежь, это давление высвобождается, подобно воздуху, выходящему из воздушного шара. Под действием давления нефть проходит через породу и поднимается по скважине на поверхность.

Много лет назад, когда оборудование при бурении было не таким совершенным, иногда было трудно предотвратить «извержение» нефти на сотни метров из земли в виде гейзера. Однако сегодня нефтяные компании устанавливают на своих скважинах специальное оборудование под названием ПВО (противовыбросовое оборудование), которое предотвращает выбросы и помогает контролировать давление внутри скважины. Когда на новом нефтяном месторождении только начинается добыча нефти, естественное давление в пласте заставляет нефть проникать через поры породы и трещины в добывающие скважины. Этот естественный поток нефти называется «первичной добычей».

Она может продолжаться несколько дней или лет. Но через некоторое время нефтяной пласт начинает терять давление. Естественный приток нефти начинает уменьшаться, и нефтяные компании вынуждены использовать погружные насосы, чтобы поднять нефть на поверхность. Нередко вместе с нефтью обнаруживается природный газ, так как любая нефтеносная ловушка содержит газ, нефть и пластовую воду. Нефтяные компании могут отделить газ от нефти и закачать его обратно в пласт, чтобы увеличить давление и поддержать приток нефти. Но иногда этого недостаточно для поддержания потока нефти, и много нефти остается в земле. Тогда для увеличения количества добываемой из скважины нефти используется вторичная добыча.

Бурение на нефть – вторичная добыча

Нефтедобывающие компании бурят дополнительные скважины чтобы создать повторную репрессию на нефтяной пласт в процессе вторичной добычи. Компании бурят скважины, которые называются «нагнетательными», и используют их как гигантские подземные шланги для закачки воды в нефтяной пласт. Вода выдавливает часть оставшейся нефти из пор породы и проталкивает ее через пласт к добывающим скважинам. Это называется «заводнение».

Предположим, что в нефтяном пласте изначально было 10 баррелей нефти (в реальном пласте могут быть миллионы баррелей нефти). Это называется «первоначальная нефть». Из этих первоначальных 10 баррелей при первичной добыче будет добыто около двух с половиной баррелей естественным путем, то есть из-за давления пласта. При «заводнении» будет добыто еще от половины до одного барреля. Это означает, что в нашем воображаемом нефтяном пласте из 10 баррелей после первичной добычи и «заводнения» останется от шести с половиной до семи баррелей нефти.

Другими словами, на каждый добытый баррель нефти мы оставляем в породе около двух баррелей. Именно с такой ситуацией сталкиваются современные нефтяные компании. Например, за всю историю нефтяной промышленности США было добыто более 195 миллиардов баррелей нефти, но более 400 миллиардов баррелей осталось в земле.

Бурение на нефть – повешение нефтеотдачи пласта

Нефтяники работают над способами извлечения огромных объемов нефти, которые остаются после первичной и вторичной добычи. С помощью методов повышения нефтеотдачи (ПНП — повышенная нефтеотдача пласта) можно добывать от 30 до 60 процентов исходной нефти в пласте. Современные исследования в области методов повышения нефтеотдачи включают в себя, вот некоторые:

• Термическое восстановление, которое включает в себя введение тепла, например, закачку пара для снижения вязкости, или разжижения тяжелой вязкой нефти и улучшение ее текучести через пласт. На долю тепловых методов приходится более 50 процентов добычи нефти в США, в основном в Калифорнии.
• Закачка газа, при которой используются газы, такие как природный газ, азот или двуокись углерода, расширяющиеся в пласте, чтобы вытолкнуть дополнительную нефть к стволу добывающей скважины, или другие газы, растворяющиеся в нефти, чтобы снизить ее вязкость и улучшить скорость потока. На закачку газа приходится почти 50 процентов производства ПНП в США.
• Химическая закачка, которая может включать использование длинноцепочечных молекул, называемых полимерами, для повышения эффективности «заводнения», или использование детергентоподобных поверхностно-активных веществ для снижения поверхностного натяжения, которое часто препятствует движению капель нефти по пласту. На химические методы приходится менее 1 процента добычи нефти в США.

Метод повышения нефтеотдачи пластов, который вызывает наибольший интерес, — это ПНП с использованием диоксида углерода (CO2). CO2 – это тот же газ, который придает газировке шипучесть — в нефтяном пласте он разжижает оставшуюся там сырую нефть, повышает давление и помогает переместить ее в добывающие скважины на месторождении. Когда вся оставшаяся экономически извлекаемая нефть будет добыта, пласт и прилегающие пласты могут стать местом для хранения CO2, образующегося при сжигании ископаемого топлива на электростанциях и в других процессах, которые производят большое количество CO2.

Улавливая выбросы CO2 из этих источников и закачивая его в истощающиеся нефтяные пласты, мы не только увеличиваем добычу из скважины, но и храним CO2 под землей, чтобы предотвратить его выброс в атмосферу, где он может повлиять на климат и увеличить парниковый эффект на всей планете. Потенциал секвестрации CO2 в истощенных нефтяных и газовых резервуарах огромен. Например, министерство энергетики США задокументировало местонахождение более 152 миллиардов тонн потенциала секвестрации CO2 -EOR в Соединенных Штатах и Канаде. В настоящее время в США ежегодно закачивается около 48 миллионов тонн CO2, в основном природного происхождения, для операций по повышению нефтеотдачи пластов.

Переработка нефти

Сырая нефть, добываемая из недр земли сразу не пригодна для использования. Прежде чем ее использовать в промышленности, ее необходимо переработать. Ее очищают и разделяют на фракции для получения различных видов топлива и химических веществ, производимых именно из нефти. Состав нефти содержит различные углеводороды, которые имеют различные температуры кипения, это означает, что их можно разделить путем дистилляции. Для этого нефть пропускают через горячие резервуары, и в зависимости от веса углеводорода и его температуры кипения образуются различные жидкости и пары. Самые легкие компоненты, такие как бензин, испаряются и поднимаются наверх, где они конденсируются и снова превращаются в жидкость. Более тяжелые компоненты опускаются вниз емкости. Это позволяет отделить компоненты друг от друга и превратить их в соответствующий продукт или топливо.

После нефтеперерабатывающего завода полученный бензин и другие виды сырья готовы к распределению для потребителей. Например, по всей территории России проходит система трубопроводов для транспортировки нефти и топлива из одного места в другое. По трубопроводам сырая нефть транспортируется от нефтяной скважины до нефтеперерабатывающего завода. На НПЗ есть дополнительные трубопроводы, по которым готовый продукт транспортируется на различные терминалы хранения, где его можно перегрузить на грузовики для доставки, например, на заправочную станцию.

Морское бурение

Иногда нефть находится в шельфовых зонах под толщей воды, и для ее добычи необходимо использовать морское бурение. Для размещения оборудования, необходимого для бурения скважин, строятся платформы; тип используемой платформы зависит от различных характеристик места и проекта разработки, включая глубину воды и то, как далеко под водой находится объект бурения. Противовыбросовое устройство так же используется, как и на обычных скважинах, построенных на суше. Оно помогает предотвратить утечку нефти из скважины в воду и предотвратить экологическую катастрофу.

В настоящее время в Мексиканском заливе насчитывается более 4 000 действующих платформ, ведущих бурение на нефть. Большинство из них расположены на глубине менее 200 метров (650 футов), но около 30 находятся в районах, где глубина воды превышает 800 метров (2 400 футов).

Стратегический нефтяное резерв

Нефть — очень важный товар для любой страны мира. Она служит топливом для автомобилей и автобусов, а также для оборудования многих заводов и нефтеперерабатывающих предприятий. Поскольку большая часть нефти, которую мы используем сегодня, импортируется, что произойдет, если мы не сможем получать достаточно нефти, чтобы удовлетворить спрос? Нефтяное эмбарго в 1970-х годах перекрыло поставки нефти, импортируемой в США с Ближнего Востока, что привело к длинным очередям на заправках и даже к некоторому дефициту топлива. Хотя идея создания запасов возникала и раньше, эмбарго помогло укрепить идею о том, что нефтяной резерв действительно необходим.

В 1975 году Конгресс принял Закон об энергетической политике и энергосбережении, согласно которому Соединенные Штаты должны были создать резерв сырой нефти объемом до 1 миллиарда баррелей. К 1977 году нефть стала поступать в новый Стратегический нефтяной резерв (СНР). В настоящее время существует четыре объекта СНР, расположенные в Техасе и Луизиане, которые в общей сложности способны вместить 727 миллионов баррелей сырой нефти (заполнены по состоянию на декабрь 2009 года), что делает его крупнейшим аварийным запасом нефти в мире. В России в настоящее время не существует стратегического нефтяного резерва. Большая часть нефти идет сразу на экспорт.

Хранение нефти

В США в районах СНР сырая нефть хранится в подземных соляных кавернах. Соляные каверны вырезаются из подземных соляных куполов с помощью процесса, называемым «добыча раствора». По сути, этот процесс заключается в бурении скважины в соляном пласте и закачивании в нее большого количества пресной воды. Вода растворяет соль. При создании каверн для СНР растворенная соль удаляется в виде рассола или закачивается в пустые скважины, иногда сливается за несколько миль от берега в Мексиканский залив. Тщательно контролируя процесс закачки пресной воды, можно создать соляные каверны очень точных размеров. Помимо того, что это самый дешевый способ хранения нефти в течение длительного периода времени, использование глубоких соляных каверн является одним из самых экологически безопасных. На глубине от 2 000 до 4 000 футов (610 — 1 220 метров) соляные стены соляных каверн «самовосстанавливаются». Под воздействием экстремального геологического давления и температуры стены каверны становятся твердыми и, если в них появляются трещины, они почти мгновенно заполняются, предотвращая не герметичного резервуара.

Дополнительным преимуществом глубоких соляных каверн является естественная разница температур между верхней частью каверны и подошвой — расстояние около 2 000 футов. Благодаря разнице температур сырая нефть постоянно циркулирует в кавернах, поддерживая ее постоянное качество. Тот факт, что нефть легче воды, лежит в основе механизма, используемого для перемещения нефти в каверны СНР и обратно. Для извлечения сырой нефти в подошву каверны закачивается пресная вода. Вода вытесняет сырую нефть на поверхность. После извлечения нефти из каверн по трубопроводам она направляется на различные терминалы и нефтеперерабатывающие заводы по всей стране.

Откуда берется нефть для хранения

В истории США нефть для СНР покупалась правительством у нефтяных компаний в 1970-х и 1980-х годах. В конце 1990-х годов для СНР начали использовать нефть с роялти в натуральной форме — нефть, которую нефтяные компании отдают правительству в качестве оплаты за аренду принадлежащих им участков Внешнего континентального шельфа в Мексиканском заливе, находящихся в федеральной собственности. Вместо того чтобы платить за аренду деньгами, компании передают правительству нефть, которая затем помещается в стратегические резервуары для хранения.

Когда используют нефтяные резервы

В чрезвычайной ситуации, когда ограниченные запасы нефти в США приводят к неблагоприятному воздействию на национальную безопасность или экономику страны, президент может отдать приказ об использовании стратегических запасов нефти. Президент может издать приказ даже о полном «сокращении», при котором вся нефть из резерва будет выпущена на рынок. Ограниченное сокращение может быть принято в случаи, когда мировые события, угрожающее энергоснабжению и экономике страны, менее серьезные или ожидается, что события будут непродолжительным по времени. Ограниченное сокращение имеет количественный лимит на нефть, которая может быть использована в определённый временной срок.

Президент США также может отдать приказ о проведении пробной продажи, в ходе которой проверяется процесс выпуска нефти на рынок, чтобы убедиться, что весь персонал знает процедуры сокращения и все оборудование работает. В случае сокращения запасов министерство энергетики США, которое управляет СНР, предложит программу для выпуска на рынок определенное количество баррелей сырой нефти. Департамент выберет компании, которые будут продавать нефть с поставкой ее на рынок в течение 13 дней. Нефть из резерва может выкачиваться с максимальной скоростью 4,4 миллиона баррелей в день в течение 90 дней, прежде чем скорость выкачивания начнет снижаться по мере опустошения каверн. При дебите 1 миллион баррелей в день резерв может непрерывно поставлять нефть на рынок в течение почти полутора лет.

Из истории, стратегический резерв использовался дважды, когда происходило экстренное сокращение запасов. Первое произошло в 1991 году во время войны в Персидском заливе. Для поддержания стабилизации нефтяного рынка во время операции «Буря в пустыне» правительство выставило на продажу 33 миллиона баррелей нефти. В результате было куплено чуть более 17 миллионов баррелей, и поставки начались в течение месяца.

Второе чрезвычайное сокращение запасов произошло в 2005 году после того, как ураган «Катрина» повредил нефтеперерабатывающие заводы в районе побережья Мексиканского залива. Министерство энергетики также уполномочено обменивать нефть из СНР. В прошлом такие обмены использовались для замены менее подходящих сортов сырой нефти на более качественные. Обмен также использовался для ограниченных, краткосрочных действий, чтобы помочь нефтяным компаниям решить проблемы с доставкой нефти, как, например, обмен CITGO/Conoco в 2000 году, когда рухнул коммерческий сухой док, перекрыв каналы отгрузки на нефтеперерабатывающие заводы.

В настоящее время, из-за подорожания бензина на внутреннем рынке США, и высокой стоимости нефти на мировом рынке президент США Джо Байден – принял программу по использованию 50 миллионов баррелей для снижения цен на бензин и стабилизации цены нефти. Это третий случай в истории СНР, когда используются стратегические запасы сырой нефти в США.