Нефтегазовое дело. Полный курс

В.В. ТЕТЕЛЬМИН
В.А. ЯЗЕВ


НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО
ПОЛНЫЙ КУРС
Второе издание




                         СЕРИЯ «Нефтегазовая инженерия»




Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

Доёгопруд^1Й
                                                 2014

УДК 547.665.9
БК 35.514
Т 37
Рецензент:
заведующий кафедрой
техники и технологии нефтегазового производства Московского государственного открытого университета (МГОУ),
доктор технических наук, профессор Ю.Н. Захаров




    Тетельмин В.В., Язев В.А.

Т 37 Нефтегазовое дело. Полный курс. Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А. — 2 изд. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 800 с.: ил. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).
    ISBN 978-5-91559-063-8


       Второе издание основополагающего учебного пособия, широко используемого в ведущих российских университетах и на предприятиях нефтегазового комплекса.
       Книга содержит систематическое и полное описание нефтегазовых технологий и сопряженных с ними дисциплин. Сведения по общей и нефтепромысловой геологии включают динамику земной коры. Рассмотрены состав и свойства нефти и природных газов, звенья глобального цикла углерода и эволюция органического вещества в осадочных породах.
       Изложение основных стадий производства буровых работ, испытания и обустройства нефтяных и газовых скважин дополнено сведениями о механике разрушения горных пород и инженерном обеспечении бурения на континентальном шельфе.
       Рассмотрены физика нефтяного пласта и процессы разработки месторождений. Описаны способы эксплуатации скважин, системы промыслового сбора и подготовки углеводородов к транспортировке. Вводятся реологические модели для нефти, нефтепродуктов, буровых и тампонажных растворов. Даётся анализ течения «неньютоновской» нефти в трещинах горных пород.
       Описаны нефте- и газохранилища, сооружения и оборудование магистральных нефте- и газопроводов. Изложены способы переработки нефти и газа. Проанализировано техногенное воздействие процессов добычи и использования углеводородов на геосферы Земли.
       Для студентов и преподавателей нефтегазовых и геологических факультетов, специалистов - технологов и инженеров, разработчиков оборудования.
БК 35.514
УДК 547.665.9





ISBN 978-5-91559-063-8

                   © 2009, Тетельмин В.В., Язев В.А.
© 2014, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

       150-летию мировой нефтедобычи посвящается

       ОГЛАВЛЕНИЕ









Введение............................................................14

Глава1 Прошлое, настоящее и будущее мировой добычи углеводородов...........18

   1.1. Объемы добычи и потребления углеводородных ресурсов.........18
   1.2. Транснациональные нефтегазодобывающие компании..............26
   1.3. Первые нефтяники России.....................................32
   1.4. История первого барреля нефти...............................35
   1.5. Нефтяные топлива и масла....................................38
   1.6. Биотопливо..................................................41
   1.7. Возможности водородной энергетики...........................45
   1.8. Энергетика будущего.........................................48

Глава 2
Элементы общей и нефтепромысловой геологии..........................53

   2.1. Геосферы Земли..............................................53
      2.1.1. Планета Земля..........................................53
      2.1.2. Атмосфера Земли........................................56
      2.1.3. Гидросфера Земли.......................................57
      2.1.4. Земная кора — литосфера................................57
      2.1.5. Биосфера Земли.........................................62
   2.2. Геохронологическая шкала —геологическое время...............63
   2.3. Физико-механические свойства осадочных пород................65
      2.3.1. Разновидности осадочных пород..........................65
      2.3.2. Плотность, упругость и прочность пород.................66
      2.3.3. Классификация горных пород по твердости и абразивности.71
      2.3.4. Пористость и проницаемость осадочных пород.............75
      2.3.5. Теплофизические свойства и тепловой режим горных пород......................................................81
      2.3.6. Горное и пластовое давление............................84

Оглавление -Лг 5

   2.4. Геодинамика земной коры.....................................86
       2.4.1. Тектоника литосферных плит............................86
       2.4.2. Лунно-солнечные приливы...............................92
       2.4.3. Геодинамика земной коры и добыча углеводородов........94
       2.4.4. Тектоника земной коры и нефтегазоносность пород......101
   2.5. Складкообразование и типы складок..........................103
   2.6. Формирование залежей углеводородов.........................105
   2.7. Аномальное пластовое давление в осадочной толще бассейна...111
   2.8. Физика нефтяного пласта....................................113
       2.8.1. Структурные модели продуктивного пласта..................113
       2.8.2. Геолого-промысловая характеристика продуктивного пласта..116
       2.8.3. Условия залегания флюидов в продуктивных пластах.........120
       2.8.4. Упругий запас флюидов в продуктивном пласте..........125
       2.8.5. Капиллярно-реологические эффекты в пористом пласте.......129
   2.9. Поиск и разведка месторождений углеводородов...............132

ГлаваЗ
Образование углеводородов, их состав и свойства....................138

   3.1. Углерод и формы его нахождения на Земле....................138
   3.2. Основные циклы углерода на Земле...........................141
       3.2.1. Общий глобальный цикл углерода.......................141
       3.2.2. Круговорот вещества и энергии в биосфере.............143
       3.2.3. Фотосинтез как основной процесс образования органического вещества................................................... 146
       3.2.4. Органическое вещество в осадочных породах............149
   3.3. Концепция образования углеводородов........................152
   3.4. Эволюция органического веществав осадочных породах.........155
       3.4.1. Исходный материал органического вещества осадочных пород.155
       3.4.2. Накопление и преобразование органического вещества в диагенезе..................................................158
       3.4.3. Трансформация органического вещества в катагенезе........161
       3.4.4. Миграция нефти и газа в горных породах...............162
   3.5. Состав нефти...............................................165
       3.5.1. Групповой состав нефти...............................165
       3.5.2. Фракционный состав нефти.............................170
       3.5.3. Неуглеводородные составляющие нефти..................171
       3.5.4. Нефть как коллоидно-дисперсная система...............173
   3.6. Водонефтяные дисперсные системы............................176
   3.7. Газонефтяные дисперсные системы............................178
   3.8. Физические свойства нефти..................................181
       3.8.1. Плотность и молекулярная масса нефти.................181
       3.8.2. Характерные температуры нефти и нефтепродуктов ......184

JI, Оглавление

       3.8.3. Вязкость и поверхностное натяжение нефти.............186
       3.8.4. Теплофизические свойства нефти.......................188
   3.9. Состав и свойства углеводородных газов.....................190
       3.9.1. Состав природных и попутных газов....................190
       3.9.2. Плотность и вязкость газов............................192
       3.9.3. Критические параметры газов...........................194
       3.9.4. Газовые гидраты в осадочных бассейнах................196
       3.9.5. Тепловые свойства углеводородных газов...............198

Глава! Реология нефти, буровых и тампонажных растворов....................202

   4.1. Основные реологические модели текучих сред.................202
       4.1.1. Реологические модели Гука, Ньютона и Сен-Венана .....202
       4.1.2. Степенное уравнение Оствальда де-Виля................205
       4.1.3. Реологические модели Максвелла и Фойгта—Кельвина. Релаксация напряжений.......................................208
       4.1.4. Реологическая модель Бингама. Тиксотропия............211
   4.2. Техника реометрии текучих сред.............................213
       4.2.1. Классификация методов реометрии......................213
       4.2.2. Причины неинвариантности реологических параметров жидкостей...................................................222
   4.3. Реологические свойства нефти и нефтепродуктов..............225
       4.3.1. Нефть как вязкопластичная жидкость...................225
       4.3.2. Реологические свойства нефти.........................228
       4.3.3. Реологические свойства нефтепродуктов................231
       4.3.4. Способы улучшения реологических свойств нефти........235
   4.4. Реологические свойства буровых и тампонажных растворов......238
       4.4.1. Вязкость суспензий...................................238
       4.4.2. Реологические свойства буровых растворов.............240
       4.4.3. Реологические свойства тампонажных смесей............242
   4.5. Особенности течения вязкопластичных жидкостей в трещинах....245
       4.5.1. Кинетика поступательного течения вязкопластичной жидкости в трещине....................................................245
       4.5.2. Радиальное течение вязкопластичной жидкости в трещине.251
       4.5.3. Дальность проникновения коллоидно-дисперсных систем при нагнетании их в трещину.................................256
       4.5.4. Силовое воздействие радиального потока вязкопластичной жидкости в трещине на пласт.................................258

Глава5
Породоразрушающие инструменты и механизм разрушения горных пород бурением.....................................................263

   5.1. Буровые скважины и их классификация........................263
   5.2. Классификация породоразрушающих инструментов...............265

Оглавление -J\r     7

   5.3. Конструктивные особенности долот.........................269
      5.3.1. Шарошечные долота...................................269
      5.3.2. Лопастные долота...................................276
      5.3.3. Алмазные долота....................................278
      5.3.4. Бурильные головки..................................282
      5.3.5. Долота для специальных целей.......................283
   5.4. Напряженное состояние и устойчивость горных пород в прискважинной зоне.........................................285
   5.5. Развитие трещин с позиций механики хрупкого разрушения...287
   5.6. Особенности разрушения горных пород бурением.............292
      5.6.1. Механизм образования трещин в горных породах при вдавливании инденторов.................................................292
      5.6.2. Механизм разрушения горных пород при вдавливании элемента вооружения долота.........................................295
      5.6.3. Механизм разрушения горных пород при ударном воздействии элемента вооружения долота................................298
   5.7. Гидравлический разрыв горных пород......................300
   5.8. Воздействие высокоскоростной струи промывочной жидкости на горную породу.............................................304
   5.9. Технико-экономические показатели работы долот. Выбор рациональных типов долот.....................................306

Главаб Буровые промывочные жидкости и технология промывки скважин......310

   6.1. Функции буровых промывочных жидкостей...................310
   6.2. Растворы на глинистой основе............................311
      6.2.1. Водные дисперсии глин..............................311
      6.2.2. Свойства буровых растворов на основе глин..........313
      6.2.3. Глинистые растворы с добавками......................316
   6.3. Буровые растворы на нефтяной основе.....................317
   6.4. Утяжеление буровых растворов.............................318
   6.5. Бурение с очисткой забоя водой..........................319
   6.6. Бурение с очисткой забоя воздухом.......................320
   6.7. Оборудование для приготовления и очистки буровых растворов....................................................321
   6.8. Гидравлические расчеты при промывке скважин.............323
   6.9. Предупреждение и борьба с поглощениями бурового раствора.....................................................325
   6.10. Критерии назначения плотности бурового раствора........326
   6.11. Выбор типа бурового раствора...........................327

Оглавление

Глава? Вращательное бурение на нефть и газ..............................329

   7.1. Технологическая схема бурения вращательным способом......329
   7.2. Установки глубокого бурения..............................332
   7.3. Буровые вышки и спускоподъемное оборудование.............336
   7.4. Оборудование и инструмент для бурения скважин............341
   7.5. Полный цикл строительства скважин........................345
   7.6. Подготовительные работы к бурению скважины.......................347
   7.7. Бурильная колонна................................................350
       7.7.1. Конструкция элементов бурильной колонны............350
       7.7.2. Условия работы колонны бурильных труб..............356
       7.7.3. Комплектование и эксплуатация бурильной колонны....360
   7.8. Режимы бурения скважин...................................361
       7.8.1. Влияние параметров режима бурения на показатели бурения....361
       7.8.2. Особенности режима бурения роторным способом.......365
       7.8.3. Особенности режима бурения турбинным способом......366
       7.8.4. Особенности режима бурения винтовыми забойными двигателями.370
       7.8.5. Особенности режима бурения электробурами...........372
       7.8.6. Контроль параметров режима бурения и каротажные работы.....373
   7.9. Нарушение целостности стенок скважины............................377
   7.10. Бурение наклонных скважин.......................................380
       7.10.1. Самопроизвольное искривление скважин и его предупреждение.380
       7.10.2. Бурение наклонно-направленных скважин.............383
       7.10.3. Кустовое и многозабойное бурение скважин..........386
   7.11. Крепление скважин.......................................388
       7.11.1. Конструкция скважин...............................388
       7.11.2. Обсадные колонны..................................391
       7.11.3. Цементирование скважин............................393
   7.12. Заканчивание и освоение скважин.........................396
       7.12.1. Опробование и испытание пластов...................396
       7.12.2. Вскрытие продуктивных горизонтов и заканчивание скважин...398
       7.12.3. Освоение скважин после цементирования эксплуатационной колонны................................................... 401
   7.13. Газовые и нефтяные проявления...................................402

Глава8
Бурение скважин на шельфе................................................406

   8.1. Особенности разработки морских месторождений нефти и газа........406
   8.2. Инженерное обеспечение буровых работ на море.............409
   8.3. Искусственные острова............................................413
   8.4. Самоподъемные плавучие буровые установки.........................414

Оглавление -J\r     9

   8.5. Полупогружные плавучие буровые установки.................415
   8.6. Морские стационарные платформы...........................418
   8.7. Особенности бурения скважин с буровых судов..............420
   8.8. Конструкции морских скважин..............................422
   8.9. Особенности бурения на Арктическом шельфе................425

ГлаваЭ Разработка месторождений углеводородов...........................431

   9.1. Режимы работы залежей углеводородов......................431
   9.2. Эксплуатационные объекты и системы их разработки.........436
   9.3. Гидродинамические методы исследования скважин............438
      9.3.1. Цели исследования скважин и пластов.................438
       9.3.2. Исследование скважин на приток при установившихся режимах фильтрации................................................439
       9.3.3. Исследование скважин при неустановившихся режимах фильтрации................................................441
   9.4. Особенности разработки нефтяных месторождений............442
   9.5. Особенности упругого режима работы пласта................446
   9.6. Добыча тяжелой нефти и битумов...........................449
   9.7. Особенности разработки газовых и газоконденсатных месторождений..................................................452
   9.8. Искусственные методы воздействия на нефтяные пласты......455
   9.9. Нормы отбора углеводородов из скважин и пластов..................460
   9.10. Реологические аспекты разработки месторождений нефти....461
      9.10.1. Режим установившейся фильтрации нефти в пласте.....461
      9.10.2. Приток вязкой нефти к галерее в упругом режиме фильтрации..464
      9.10.3. Приток вязкой нефти к скважине в упругом режиме фильтрации.466
       9.10.4. Приток вязкопластичной нефти к скважине в жестком и упругом режимах фильтрации........................................469
      9.10.5. Образование застойных зон в пласте при добыче нефти........471
       9.10.6. Увеличение нефтеотдачи за счет улучшения реологических свойств пластовых флюидов.................................472

Глава 10 Эксплуатация добывающих скважин, системы сбора и промысловой подготовки углеводородов.........................................476

   10.1. Подготовка скважины к эксплуатации......................476
   10.2. Эксплуатация нефтедобывающих скважин....................479
      10.2.1. Движение газожидкостной смеси в скважине...........479
      10.2.2. Фонтанный способ эксплуатации добывающих скважин...481
      10.2.3. Газлифтный способ эксплуатации скважин.............484
      10.2.4. Насосный способ эксплуатации скважин...............487

¹⁰ -V

Оглавление


       10.2.5. Оборудование ствола добывающих скважин.............492
       10.2.6. Оборудование устья добывающих скважин..............495
   10.3. Особенности конструкции газовых скважин и добычи природного газа................................................500
   10.4. Измерение количества добываемой и перекачиваемой жидкости.503
  10.5. Системы промыслового сбора углеводородов..................506
       10.5.1. Промысловый сбор скважинной продукции..............506
       10.5.2. Системы промыслового сбора природного газа.........509
  10.6. Системы промысловой подготовки углеводородов..............511
       10.6.1. Промысловая подготовка нефти.......................511
       10.6.2. Установка комплексной подготовки нефти.............514
       10.6.3. Промысловая подготовка газа........................515

Гл ава 11 Переработка и хранение углеводородов..............................518

  11.1. Переработка нефти.........................................518
       11.1.1. Продукты переработки нефти.........................518
       11.1.2. Первичная переработка нефти........................520
       11.1.3. Вторичная переработка нефти........................524
       11.1.4. Очистка нефтепродуктов.............................529
       11.1.5. Типы нефтеперерабатывающих заводов.................530
  11.2. Переработка газов и газофракционирующие установки.........533
  11.3. Производство нефтехимического сырья.......................537
  11.4. Хранение нефти и нефтепродуктов...........................544
       11.4.1. Классификация нефтебаз.............................544
       11.4.2. Объекты нефтебаз и их размещение...................545
       11.4.3. Резервуары и их оборудование.......................547
       11.4.4. Потери нефти и нефтепродуктов из резервуаров.......550
  11.5. Хранение и распределение газа.............................552
  11.6. Автозаправочные и газонаполнительные станции..............555

Гл ава 12
Основные сооружения магистральных трубопроводов, оборудование и системы перекачивающих станций..................................558

  12.1. Состав сооружений магистральных трубопроводов.............558
       12.1.1. Магистральные нефтепроводы.........................558
       12.1.2. Магистральные газопроводы..........................561
12.2. Проектирование и конструктивные решения магистральных трубопроводов..................................................563
       12.2.1. Порядок проектирования магистральных трубопроводов.563
       12.2.2. Конструктивные решения магистральных трубопроводов.567

  12.3. Трубы и арматура для магистральных трубопроводов..........570