книги / Нефтегазовое дело. Полный курс
.pdf12.4. Сварка, изоляция и профилирование трубопроводов........................... |
575 |
12.5. Классификация, состав и компоновка перекачивающих |
|
станций.............................................................................................................. |
580 |
12.6. Центробежные насосы и нагнетатели газа ............................................... |
585 |
12.6.1. Принцип действия центробежных нагнетателей................................. |
585 |
12.6.2. Гидравлические характеристики центробежных насосов |
|
и способы их изменения.......................................................................... |
586 |
12.6.8. Конструкции основных магистральных и подпорных насосов........ |
589 |
12.6.4. Схемы соединения магистральных и подпорных насосов. |
|
Рабочая точка системы............................................................................ |
596 |
12.6.5. Приведенные характеристики центробежных нагнетателей газа.... |
597 |
12.7. Приводы центробежных нагнетателей...................................................... |
601 |
12.8. Технологические схемы перекачивающих станций.............................. |
604 |
12.8.1. Нефтеперекачивающие станции............................................................ |
604 |
12.8.2. Компрессорные станции......................................................................... |
608 |
12.9. Камеры приема и пуска поточных средств очистки |
|
и диагностики................................................................................................... |
612 |
12.10. Вспомогательные системы насосного ц еха............................................... |
614 |
12.11. Силовые расчеты трубопроводов................................................................ |
616 |
12.11.1. Нагрузки, воздействия и напряжения в трубопрводах.................... |
616 |
12.11.2. Расчет толщины стенок труб................... |
619 |
12.11.3. Устойчивость подземных трубопроводов........................................... |
621 |
12.11.4. Балочные трубопроводы....................................................................... |
624 |
Г л а в а 13 |
|
Основы гидродинамического и технологического расчета |
|
магистральных трубопроводов................................................................................ |
628 |
13.1. Гидродинамические основы расчета.......................................................... |
628 |
13.1.1. Основные характеристики потока реальной жидкости....................... |
628 |
13.1.2. Режимы течения потока жидкости........................................................ |
630 |
13.1.3. Сдвиговое течение вязкопластичной жидкости в трубе..................... |
634 |
13.1.4. Потери напора на трение и местные...................................................... |
636 |
13.1.5. Коэффициент гидравлического сопротивления при течении |
|
вязкой нефти............................................................................................ |
637 |
13.1.6. Коэффициент гидравлического сопротивления при течении |
|
«неньютоновской нефти»........................................................................ |
638 |
13.1.7. Введение в поток нефти антитурбулентных присадок........................ |
640 |
13.1.8. Гидравлический удар в нефтепроводах................................................ |
643 |
13.2. Истечение нефти через отверстие.............................................................. |
646 |
13.3. Основы технологического расчета нефтепроводов................................. |
652 |
13.3.1. Уравнение баланса напоров для участка нефтепровода...................... |
652 |
13.3.2. Последовательное и параллельное соединения трубопроводов........ |
653 |
13.3.3. Самотечные участки нефтепровода....................................................... |
654 |
|
\3.3.4. Нефтепроводы с промежуточными перекачивающими |
|
|
станциями и их расстановка по трассе........................................... |
|
|
\ 3.3.5, Укрупненный расчет вариантов нефтепровода.............................. |
^ |
13.4. |
Транспорт природного газа................................................................... |
^ |
|
\3.4.1. Подготовка газа к транспортированию.......................................... |
|
|
13.4.2. Коэффициент сопротивления трения для потока газа в трубе .... |
|
|
13.4.3. Расчет изотермического течения газа в трубопроводе................... |
ggg |
|
13.4.4. Изменение температуры газа по длине газопровода...................... |
gg^ |
|
13.4.5. Расчет газопровода в стационарном режиме работы....................... |
gyg |
|
13.4.6. Способы интенсификации перекачки газа.......................................... |
072 |
Г л а в а |
14 |
|
Специальные способы транспортирования нефти и нефтепродуктов......... |
676 |
|
14.1. Последовательная перекачка нефти и нефтепродуктов..................... |
676 |
|
14.2. ^Горячая» перекачка нефти......................................................................... |
679 |
|
|
14.2.1. Особенности технологии «горячей» перекачки нефти......................... |
679 |
|
14.2.2. Теплообмен и коэффициент теплопередачи при стационарном |
|
|
режиме горячей перекачки.................................................................... |
682 |
|
14.2.3. Распределение температуры вдоль потока транспортируемой |
|
|
нефти........................................................................................................ |
684 |
|
14.2.4. Смена режимов течения и потери напора в «горячем» |
|
|
нефтепроводе........................................................................................... |
686 |
14.3. Перекачка водонефтяных эмульсий.......................................................... |
688 |
|
14.4. Применение депрессантов при перекачке нефти.................................... |
691 |
|
14.5. Перекачка газонасыщенной нефти............................................................. |
693 |
|
14.6. Мазут как транспортируемая среда.......................................................... |
696 |
|
14.7. Железнодорожный, водный и автомобильный транспорт |
|
|
|
углеводородов.................................................................................................. |
698 |
Г л а в а 15 |
|
|
Особенности эксплуатации магистральных трубопроводов........................... |
703 |
|
15.1. Риды дефектов, неразрушающий контроль и диагностика |
|
|
|
трубопроводов................................................................................................. |
703 |
15.2. Контроль работоспособности оборудования и трубопроводов............ |
709 |
|
15.3. Техническое обслуживание и ремонт центробежных |
|
|
|
нагнетателей.................................................................................................... |
715 |
15.4. Организация эксплуатации оборудования перекачивающих |
|
|
|
станций.............................................................................................................. |
718 |
15.5. Структура диспетчерской служ бы ............................................................ |
722 |
|
15.6. Пуск, остановка и ведение технологического процесса |
|
|
|
перекачки......................................................................................................... |
724 |
15.7. рыночные аспекты эксплуатации трубопроводов................................. |
728 |
|
\ |
Г л а в а 16 |
|
Экологические аспекты нефтегазового комплекса |
...734 |
16.1. Экологические риски и безопасность нефтегазовых объектов........... |
734 |
16.2. Техногенное воздействие добычи и использования углеводородов |
|
на геосферы Земли.......................................................................................... |
737 |
16.2.1. Воздействие на водную среду................................................................ |
737 |
16.2.2. Воздействие на атмосферу...................................................................... |
743 |
16.2.3. Воздействие на лочву.......................... |
747 |
16.2.4. Воздействие на недра.............................................................................. |
750 |
16.3. Проблема глобального потепления............................................................. |
754 |
16.4. Случаи крупных аварий при обращении с углеводородами................ |
758 |
16.5. Средства борьбы с нефтяными загрязнениями....................................... |
763 |
16.5.1. Методы и техника утилизации отходов бурения................................. |
763 |
16.5.2. Физико-химические средства борьбы с нефтяными загрязнениями |
|
на море...................................................................................................... |
767 |
16.5.3. Сорбционная технология борьбы с нефтяными загрязнениями......... |
769 |
16.6. Геоэкологическая экспертиза объектов недропользования................. |
772 |
Глоссарий....................................................................................................................... |
775 |
Приложение |
|
Размерности использованных в книге физико-механических |
|
величин..................................................................................................................... |
792 |
Литература |
....794 |
В В Е Д Е Н И Е
У нефти всегда есть ж елание под няться из земных глубин на поверх ность. Человек ей в этом помогает.
Определение нефтегазового дела
П рирода д ает довольно, чтобы удовлетворить наши потребности.
Сенека
П р и написании н астоящ ей книги авто р ы п р и д ер ж и в ал и сь нескольких учебны х программ , по которы м обучаю тся студ ен ты сп е ц и альн остей б акал авр и ата н ап р авл ен и я «Н еф тегазовое дело». В книге рассм отрен ы тех н и ч еск и е, техн ол о ги ч ески е и экологи чески е основы геологии, геохимии, р азвед ки , добы чи, п ереработки , тран сп орти ровки , хр ан ен и я и р асп ред ел ен и я н еф ти , га за и н еф тепродуктов.
Вот у ж е полтора столетия н еф ть обеспечивает ц иви лизации бы строе развитие. П ром ы ш ленная добыча природного газа началась сравнительно недавно, однако и газ у спел зан ять главенствую щ ее полож ение в эконо м ике многих стран. П о -настоящ ем у ш ироко н еф ть бы ла востребована, к а к только н ачал ась п р о м ы ш л ен н ая револю ция и обусловленны й ею техн и ческий прогресс. Н а первом этап е появились новы е м аш ины , ко торы е потребовали больш ое коли чество см азочны х м асел. Это п ар о вая м аш ина И. П олзунова (1763 г.), паровой д ви гатель Д. У атта (1784 г.), п а роход Р. Ф ултона (1807 г.), паровоз Д. С теф ен сона (1814 г.).
Во второй половине X IX в. н ач ал ся «керосиновы й период». П о сл е довавш ий д алее н еф тян ой бум и р азви ти е неф тяного д ел а бы ли обус ловлены вел ичайш им и изобретен иям и: д ви гатель внутреннего сгора н ия Н. О тто (1876 г.), автом обиль Г. Д ай м лера (1883 г.) и К. Б ен ц а (1886 г.), дизельны й двигатель Р. Д и зел я (1897 г.). В 1901 г. п ояви лся первы й т р а к -
тор, в 1903 г. — самолет и теплоход. П оявление моторов стало револю цией на транспорте, в энергетике, в военном деле и потребовало огром ного количества продуктов переработки нефти.
Сегодня 90 % добываемой неф ти сгорает в топках электростанций, в городских котельных, в пламени м артеновских печей, в ф орсунках хи мических аппаратов, в двигателях автомобилей, самолетов, граж данс ких и боевых судов — всюду, где необходима энергия, свет и тепло. Можно сказать, что именно нефть, стирая границы, полож ила начало процессу глобализации: вначале неф ть объединила лю дей в их стрем лении ж и ть без лучины при более ярком свете керосиновой лампы , з а тем она стала незаменимой при получении моторного топлива и синте зе ты сяч новых продуктов и материалов.
И стория происхож дения нефти неразрывно связана с историей Зем ли и представляет собой картину того, как развивался органический мир в целом. Углеводороды и сейчас образую тся в земны х недрах и в дон ных отлож ениях М ирового океана. Процесс этот непрерывны й, но очень медленный, а человек извлекает неф ть из недр в миллион р аз интен сивнее темпов ее образования. При этом объем остаю щ ейся в недрах нефти на отработанных м есторож дениях, по крайней мере, равен объе му извлеченной нефти. Н ельзя рассм атривать м иллиарды тонн остав ш ейся в недрах неф ти безвозвратно утерянны ми: следует соверш ен с т в о в а т ь технологию добычи той нефти, которая в настоящ ее врем я является недоступной.
В XXI веке в мире ежегодно добывается около 4 млрд т неф ти и око ло 3 трлн м3 газа. В России добыча неф ти с газовым конденсатом в 2007 г. составила более 490 млн т, газа — более 650 млрд м3. П риведенны е ц и ф ры свидетельствую т о необходимости соверш енствования технологи ческих процессов добычи углеводородов. В этой важ ной области чело веческой деятельности использую тся многие прогрессивные реш ения:
• бурятся горизонтально-разветвленны е скваж ины ;
•использую тся вторичны е и третичны е методы повы ш ения н еф те отдачи пластов;
•эксплуатирую тся морские м есторож дения с применением подвод
ного оборудования и подводных трубопроводов;
• увеличивается добыча тяж елой и сверхтяж елой нефти.
В основу перечисленны х технологий полож ены знания реологичес ких особенностей поведения неф ти. В общем объем е добы ваемой н е ф ти доля вы соковязких и вы сокозасты ваю щ их разновидностей н еф ти год от года будет возрастать. Реология объясняет многие ф ак ты и я в ления в технической и технологической деятельности человека. Д ля
неф тяников реология — это сам остоятельны й р азд ел в гидром ехани ческом цикле дисциплин. П оэтому в книге д ается описание ф и зи ч ес ких основ течен ия ненью тоновских ж идкостей в тех средах и тех ус ловиях, в которы х находится неф ть, неф тепродукты , буровы е и там понаж ны е растворы .
П роцессы , отр аж аю щ и е д ви ж ен и е и т р а н с ф о р м а ц и ю |
с о с т о я |
ний углерода о су щ ествл яю тся по сл ед у ю щ ей зам кн утой |
цепочке: |
СО., ф отосинтез —> углеводы и органическое вещ ество (ОВ) в биосф е ре —> ОВ в осадочных породах —» м икронеф ть —> зал еж ь углеводородов (УВ) —» добыча и переработка УВ —» сж игание УВ —» СО.,. Для сегодняш него человека-потребителя главными в этом цикле являю тся последние четы ре звена, которые в совокупности и составляю т основу н еф тегазо вого дела. В книге д ается цельное представление о процессах, сопут ствую щ их рож дению углеводородов, их добыче, транспортировке и ис пользованию .
С т р о и т е л ь с т в о скваж и н ы явл я ется слож ны м м ногоф акторны м процессом. С одной стороны, процесс бурения в значительной степени консервативен и состоит из последовательности обязательны х опера ций, с другой стороны, при бурении возникаю т различны е экстрем аль ные ситуации, требую щ ие от специалистов-буровиков м астерства и м уж ества.
Э ксперты определили , что сочетание р азл и ч н ы х возм ущ аю щ их ф акторов, влияю щ их на процесс бурения, приводит к возникновению почти миллиона различны х технологических ситуаций. Поэтому в реж и ме реального времени человек не способен осущ ествлять оптимальное управление режимом бурения. Эта особенность требует соверш енство вания систем автоматического управления процессом бурения, совер ш енствования телем етрических систем контроля, забойных двигателей и разработки долот с высокой стойкостью . В книге приводятся техни ческие и технологические основы строительства глубоких скваж ин на суш е и на море, которыми долж ен владеть специалист-неф тяник.
Н еож иданное возникновение авари й н ы х ситуаций на пром ы слах зачастую связано с недооценкой пространственно-врем енны х изм ене ний состояния земны х недр. К настоящ ему времени накоплена уникаль ная инф орм ация о современны х вертикальны х и горизонтальны х т е к то н и ч е с к и х д ви ж ен и ях земной коры. Кроме того, инструм ентально доказано, что аномальны е изм енения флю идного реж им а осадочного чехла, аварии на пром ы слах и локализованны е сейсм опроявления п р я мо или косвенно связаны с техногенным изм енением напряж енно -де формированного состояния недр. С ерьезны е компании не хотят ставить
на карту собственный престиж , поэтому начинаю т обращ ать внимание на геодинамические исследования, чтобы не допустить аварий на р а з рабатываемых месторождениях. Этим вопросам в книге такж е у д еля ется достаточное внимание.
М аги стральн ы е н е ф т е - и газопроводы — это непреры вны й и са мый эф ф ективны й способ подачи сотен миллионов тонн углеводоро дов от мест их добычи до пунктов потребления. Россия им еет п р и м ер но 155 тыс. км м агистральны х газопроводов, 50 тыс. км м агистральны х нефтепроводов и 20 тыс. км нефтепродуктопроводов. Среди них ш ести ниточная тран ско н ти н ен тальн ая систем а газопроводов д и ам етром 1220— 1420 мм от газовы х месторож дений Уренгоя и Ямала в страны Западной Европы общ ей протяж енностью 35 тыс. км. П роектная про пускная способность одной только нефтепроводной системы Восточная Сибирь—Тихий океан (ВСТО) составляет 80 млн т н еф ти в год. В насто ящем учебном пособии излагаю тся основные ф изические законы, осо бенности и расчетны е зависимости, определяю щ ие динамику течения нефти и газа в магистральны х трубопроводах.
Чтобы месторождение поступило в разработку, геологи и геоф изи ки определяю т его параметры , бурильщ ики и специалисты по буровым растворам проходят скваж ины и вскры ваю т продуктивны е горизонты, затем технологи по добыче преодолеваю т множество трудностей, свя занных с извлечением углеводородов на поверхность. Д алее неф тепе реработчики и неф техимики получаю т из неф ти и газа необходимые технические продукты, а инж енеры -транспортники обеспечиваю т их эф ф ективную подачу к м есту потребления. П ри этом на всех этапах обращ ения с нефтью : от обустройства м есторож дений до бензоколон ки — необходимо уделять серьезное внимание вопросам охраны окру жаю щ ей среды.
Все перечисленные процессы являю тся составляю щ и м и н е ф т е га зового дела и последовательно рассмотрены в настоящ ей книге. П остав ленную авторами задачу можно было реш ить только ш ироким охватом материала, поэтому объем книги получился достаточно солидным. Ус воение излож енной информации позволит читателям овладеть базовы ми знаниями и принципами нефтегазовой инж енерии, чтобы в дальней шем получать более тонкие и специальны е знания.
Г Л А В А |
ПРО Ш Л О Е, Н АСТО ЯЩ ЕЕ |
1 |
И Б УД УЩ ЕЕ М И Р О В О Й Д О Б Ы Ч И |
УГЛ Е В О Д О Р О Д О В |
1.1.ОБЪЕМЫ ДОБЫЧИ И ПОТРЕБЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ РЕСУРСОВ
С ч и тается , что н еф т ед о б ы ч а как сам ост оя т ел ьн ая о т р асл ь п р ом ы ш ленности б ер ет свое начало с 1859 г., когда п ер в оотк р ы в ател ь Э двин Д р ей к в ш тате П ен си л ьв ан и я (С Ш А ) и з ск в аж и н ы гл уби н ой 23 м п ол учи л п ер в ую ам ер и к ан ск ую н еф ть . С л е д у е т отм ети ть, что за д о л го д о этого собы тия н еф т ь в отн оси тельн о н ебол ь ш и х к ол и ч ест в ах д о б ы в алась и п ер ер абаты в ал ась в « осв ети тел ьн ое м асло» в Р о сси и , Р у м ы нии и Галиции. П оэтом у н ев о зм о ж н о н азв ать к он к р етн ую д а т у п о я в л е ния н еф т ед о б ы ч и как м ировой отр асли . М ож н о усл ов н о счи тать, что в п ер в ом д еся т и л ет и и X X I в. и сп ол н я ет ся 150 л е т м и р ов ой н е ф т е д о б ы ваю щ ей пром ы ш ленности .
В табл. 1.1 д аю т ся св ед ен и я о м и р ов ой н еф т ед о б ы ч е за годы е е с у щ ествов ан и я, а т а к ж е ср авн и тел ьн ы е д ан н ы е по д в у м основны м н е ф тедобы в аю щ и м странам : Р о сси и и С Ш А . Б о л ее 100 л ет п ер в о е м ест о по годовы м ур овн ям добы ч и зан и м ал и С Ш А . Р о сси я с сам ого н ачал а бы ла второй . В 1974 г. С оветск и й С ою з вы ш ел на п ер в о е м есто по д о б ы ч е н е ф ти . Н а у р ов ен ь д обы ч и в оди н м и л л и он тонн м и р вы ш ел в 1871 г., на ур ов ен ь в од и н м и л л и а р д тон н — в 1960 г. В 1979 г. м и р ов ая н е ф т е д о б ы ча д ости гл а р ек о р д н о вы сок ой отм етк и , п р ео д о л ев ц и ф р у в 3 м л р д т. К 2001 г. ур о в ен ь н еф т ед о б ы ч и п р и б л и зи л ся к 3,4 м л р д т.
Б у р н о е р а зв и т и е м и р ов ой н еф т ед о б ы ч и бы ло вы зван о ст и м у л и р у ю щ и м п рон и к н овен и ем н е ф т еп р о д у к т о в в р азл и ч н ы е о бл асти п р ом ы ш лен н ости , тр ан сп ор т а и бы та. К эт о м у с л е д у е т добав и ть бы стр ы й р о ст чи сл а н еф т ед о б ы в а ю щ и х ст р ан (табл. 1.2). К н ач ал у 1920 г. во в сем м и р е бы ло 24 н еф т едобы в аю щ и х страны , н аи бол ее к р уп н ы е и з к отор ы х С Ш А , М ек си к а, Р осси я , И н д о н ези я , И р ан , Р ум ы н и я . К 2000 г. н асч и ты в ал ось у ж е 93 н еф т ед о б ы в а ю щ и е страны .
Таблица 1.1. Мировая добыча нефти и доля в ней России и США
Годы |
Добыча, млн т |
Россия, % |
|
США, % |
I860 |
0,07 |
1,0 |
|
98,0 |
1870 |
0.80 |
4,2 |
1 |
89,3 |
1880 |
4,10 |
9,3 |
|
86,2 |
1890 |
10.5 |
36.8 |
|
58,8 |
1900 |
19,8 |
54,0 |
|
43,3 |
1910 |
44,9 |
25,1 |
|
68,9 |
1920 |
94,3 |
4,1 |
|
63,3 |
1980 |
193 |
9,6 |
|
62,7 |
1940 |
294 |
10,6 |
|
62,0 |
1950 |
521 |
7.3 |
|
51,1 |
1960 |
1051 |
14,1 |
|
33,0 |
1970 |
2290 |
15,4 |
|
20,7 |
1980 |
2975 |
20,3 |
|
14,3 |
1990 |
2995 |
16,7 |
|
12 |
2000 |
3455 |
9,2 |
|
8,4 |
Таблица 1.2. Годы начала нефтедобычи в некоторых странах
Год |
Страна |
! |
Год |
Страна |
1927 |
Ирак |
|| |
1956 |
Ангола |
1933 |
Бахрейн |
|
1957 |
Нигерия |
1936 |
Саудовская Аравия |
|
1961 |
Ливия |
193.9 |
Китай |
|
1962 |
ОАЭ |
1946 |
Кувейт |
|
1966 |
Тунис |
1949 |
Катар |
|
1971 |
Норвегия |
1950 |
Чили |
j, |
1979 |
Филиппины |
П риблизительно до 1940 г. мировое потребление неф ти увеличива лось медленно. Бурны й рост потребления неф ти произош ел в последу ющие 20 лет. В настоящ ее врем я мировое потребление неф ти на душ у населения стабилизировалось на уровне 580 кг/ год. Основные потреби тели углеводородов — это промыш ленно развиты е страны.
Зап асы неф ти в той или иной стране не являю тся главным ф акто ром, определяю щ им объемы ее добычи. В 1930— 1950 гг. в районе П ер сидского залива было откры то больш ое число крупны х месторож дений неф ти, однако добыча ее велась низкими темпами. Г лавная причина заклю чалась в неготовности мировой индустрии того времени обеспе чить бы стры е тем пы освоения ближневосточной нефти. Н еф тяная про мыш ленность — это м еталлоем кая отрасль. Больш ое количество м етал ла расходуется на строительство скваж ин, трубопроводов, танкеров и оборудования для неф теперерабаты ваю щ их заводов. П отребители не ф ти, в особенности транспорт, тож е нуж даю тся в м еталле, а м еталла в ту пору не хватало, что сдерж ивало развитие неф тяной промыш ленно сти мира.
В последние десятилетия тем пы роста нефтедобы чи замедлились. П ричин том у несколько. В о -первы х, по всем у м иру стало зам етн о ум еньш ение прироста запасов н еф ти по сравнению с количеством до бываемой неф ти. В о-вторы х, повы ш ение цен на н еф ть заставило с тр а н ы -и м п ортеры п роводить п оли ти ку энергосбереж ен ия. В -тр етьи х , экологические и экономические соображ ения заставили увеличить ис пользование природного газа.
В XX в. объем используемы х энергетических ресурсов увеличился в 15 раз, а численность населения вы росла в 3,8 р аза — с 1,7 до 6,3 млрд человек. То есть потребление энергии на душ у населения возросло в четы ре раза, составив 1,5 т нефтяного эквивалента (н. э.) на человека в год. В первы е годы X X I в. уровень ежегодного глобального спроса на энергию превы сил 11 м лрд т н. э. И з 230 стран мира 99 добываю т угле водороды. Данные по основным странам приводятся в табл. 1.3.
По п роизводству н еф ти ли дирую т Б л и ж н и й Восток, где из недр и зв л ек ается 26 % общ емирового объем а, и С еверн ая А м ерика — 24 % общ емирового объем а добычи. С тоим ость производства н еф ти в а р ь ируется: на Б л и ж н ем В остоке со ставл яет 4,2 дол л ./б ар р .; в а зи а тс кой части России, СШ А и К анаде — 8,0; в Западной Европе — 9,6; на глубоководном ш ельф е Л атинской А мерики — 10,4 долл./барр.
Впоследние годы значительно увеличилось число месторож дений
искваж ин, введенны х в эксплуатацию на ш ельф е. В 2006 г. в эксплуа тацию введено 197 морских месторождений: началось извлечение нефти