Энергия нефти и газа

В.В. ТЕТЕЛЬМИН
В.А. ЯЗЕВ





                ЭНЕРГИЯ
                НЕФТИ И ГАЗА








                  СЕРИЯ «Нефтегазовая инженерия»







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОёГОПруД№1Й
2010

УДК 547.665.9
Т 37
БК 35.514
Рецензенты:
Президент Международного университета природы, общества и человека «Дубна», доктор технических наук, профессор Кузнецов Олег Леонидович

Ректор Санкт-Петербургского Государственного горного института, доктор технических наук, профессор Литвиненко Владимир Степанович



   Тетельмин В.В., Язев В.А.

Т 37 Энергия нефти и газа. Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. — 352 с.: ил. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).

   ISBN 978-5-91559-090-7
       В книге даются сведения о свойствах нефти, природного газа и вмещающих их осадочных пород. Раскрываются особенности технологии добычи углеводородов, взаимовлияния добычи и геодинамики земной коры. Раскрывается энергетическая сущность процесса течения нефти и газа. Изложены основы технологических процессов, связанных с перекачкой нефти и газа по магистральным трубопроводам. Рассматриваются процессы преобразования энергии нефти и газа в тепловую и механическую энергию.
       Книга адресована студентам факультетов нефтяных специальностей и работникам нефтегазовой отрасли.

БК 35.514
УДК 547.665.9






ISBN 978-5-91559-090-7

         © 2010, Тетельмин В.В., Язев В.А.
        © 2010, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

               150-летию мировой нефтедобычи посвящается


ОГЛАВЛЕНИЕ




ВВЕДЕНИЕ..................................................5

Глава 1. СОТВОРЕНИЕ МИРА, ВОДОРОДА И УГЛЕРОДА...............7
        1.1. Большой взрыв и образование водорода.........7
        1.2. Образование звезд и Солнца..................13
        1.3. Образование углерода и других элементов.....17
        1.4. Планета Земля и литосфера...................20
        1.5. Уникальные свойства атома углерода..........28
        1.6. Геохронологическая шкала — геологическое время.33

Глава 2. ИСТОРИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО ДЕЛА.........................36
        2.1. Эволюция энергопотребления..................36
        2.2. История нефтяного дела......................41
        2.3. История газового дела.......................48
        2.4. Первые российские нефтяники.................51
        2.5. Д. Рокфеллер, П. Гетти. А. Хаммер...........58
        2.6. Транснациональные нефтегазодобывающие компании.... 64

Глава 3. ЭНЕРГИЯ, ЗАПАСАЕМАЯ УГЛЕВОДОРОДАМИ..............71
        3.1. Круговорот вещества и энергии в биосфере ......71
        3.2. Фотосинтез — начальное звено накопления энергии.... 75
       3.3. Концепция органического происхождения нефти и газа............................................82
        3.4. Преобразование органического вещества в нефть..88
        3.5. Формирование месторождений углеводородов....96
        3.6. Распределение углеводородов в земной коре..101
        3.7. Месторождения-гиганты......................107

Оглавление

Глава 4. НЕФТЬ И ГАЗ КАК ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ...................114
       4.1. Групповой и фракционный состав нефти..........114
       4.2. Физические свойства нефти.....................123
       4.3. Физические свойства углеводородных газов .....131
       4.4. Нефтяные топлива и масла......................139

Глава 5. ЭНЕРГИЯ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ.....................145
       5.1. Физика нефтяного пласта.......................145
       5.2. Особенности добычи углеводородов на суше и на море 162
       5.3. Упругая энергия продуктивного пласта..........180
       5.4. Фонтанный и другие способы добычи нефти ......188
       5.5. Добыча тяжелой нефти и битумов...............201
       5.6. Особенности разработки газовых месторождений.205
       5.7. Геодинамика и добыча углеводородов............212

Глава 6. ЭНЕРГИЯ ДОСТАВКИ УГЛЕВОДОРОДОВ..................220
       6.1. Нефте- и газопроводы.........................220
       6.2. Нагнетатели и перекачивающие станции.........228
       6.3. Реологические свойства нефти и нефтепродуктов 238
       6.4. Потери напора-энергии при перекачке нефти....249
       6.5. Особенности перекачки нефти и нефтепродуктов .256
       6.6. Хранение и перекачка природного газа.........262
       6.7. Автозаправочные и газонаполнительные станции.272
       6.8. Железнодорожный и водный транспорт нефти .....275

Глава 7. ЭНЕРГИЯ, ОТДАВАЕМАЯ УГЛЕВОДОРОДАМИ..............281
       7.1. Параметры процессов горения..................281
       7.2. Моторные топлива и детонационная стойкость...285
       7.3. Преобразование энергии углеводородов в тепловую энергию ......................................287
       7.4. Загрязнение атмосферы продуктами сгорания.....296
       7.5. Случаи крупных аварий при обращении с углеводородами..............................300
       7.6. Энергетика будущего...........................306

ГЛОССАРИЙ.................................................316
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................337
ЛИТЕРАТУРА................................................344

                         Лучше зажечь хоть небольшую свечку, чем проклинать темноту.

Введение

Прошло полтора века с тех пор, как Человек в больших количествах отыскал нефть в глубине земных недр, оценил ее и с тех пор лишил себя покоя. Нефть можно назвать высшим из творений природы, потому что она создана из органического вещества, прошедшего через жизнь. Как говорил поэт: «Этот камень рычал когда-то». Всех, кто добывал нефть не перечислить. Это люди, которые шли на риск ради власти над подземной стихией или ради денег. Они основали целые отрасли промышленности, строили города и дороги.
   Прошедший XX в. вошел в историю как эпоха нефти. Однако и в нынешнем столетии доля «черного золота» в структуре мирового энергобаланса составляет около 40%. По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА) этот показатель сохранится до 2025 г. Доля природного газа к этому времени может возрасти до 30%.
   Свойства природного газа — теплотехнические, экологические и экономические — превращают его в идеальный продукт для энергоснабжения в современном мире. США и другие страны ведут разработку энергетических технологий следующего поколения и источников возобновляемой энергии. Однако в ближайшие десятилетия природному газу отводится ключевая роль, и к 2015 г. «голубое топливо» выйдет на второе место в структуре мирового энергобаланса. По оценкам экспертов объем годового производства природного газа к 2030 г. возрастет до 4,9 трлн м³.
   В большинстве случаев месторождения жизненно важных источников энергии—нефти и природного газа расположены

Введение

не там, где потребность в них наиболее высокая. Это требует тесной увязки взаимных экономических интересов стран-производителей и стран-потребителей углеводородов. Импортная зависимость промышленно развитых стран от поставок нефти составляет 63%, а к 2030 г. возрастет до 85%. Зависимость от импорта природного газа возрастет к этому времени у европейских стран до 81 %.
   Нефть и природный газ не просто сырьевые товары, а товары, обеспечивающие энергетическую и экономическую безопасность. Прогнозные ресурсы российской нефти официально оцениваются в 44 млрд т и газа в 127 трлн м³. В России в расчете на душу населения приходится 142 т нефти, в то время как в мире на одного жителя планеты приходится 26 т нефти. По природному газу эти показатели, соответственно, составляют 33 тыс. м³ и 24 тыс. м³. Такое же конкурентное преимущество Россия имеет по другим важнейшим природным ресурсам: углю, железной руде, пресной воде, лесу и сельскохозяйственным угодьям. Наличие у России мощной ресурсной базы является не «сырьевым проклятием», а универсальным благом, основой для преобразований внутри страны.
   Для завоевания Россией лидерства в мировой энергетике необходимы инициативы в энергетических инновациях, разработка новых ресурсо- и энергосберегающих технологий. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» оценивает потенциал энергосбережения в стране свыше 400 млн т условного топлива или свыше 40% текущего потребления энергии.
   В настоящей книге рассматривается энергетическая история нефти от «сотворения мира». Дается цельное представление о процессах, сопутствующих рождению углеводородов, их добыче, транспортировке и использовании. При этом основные процессы обращения с нефтью и природным газом рассматриваются с энергетических позиций.

Глава 1

СОТВОРЕНИЕ МИРА, ВОДОРОДА И УГЛЕРОДА

1.1. Большой взрыв и образование водорода

Великий итальянец Галилей считал, что между небом и Землей существует глубокая связь. Когда он в 1609 г. впервые направил телескоп на небо, то обнаружил спутники Юпитера и темные пятна на Солнце. Эти факты позволили ему утверждать, что Вселенная гелиоцентрична. В 1666 г. Ньютон провозгласил, что падение яблока в саду и движение Луны вокруг Земли — результат действия одной и той же силы — силы всемирного тяготения.
   В начале XX в. наступила эра исследования неба с помощью больших телескопов. Небо только кажется пустым. Оказалось, что Земля теряется среди сотен миллиардов звезд галактики Млечный Путь, которая, в свою очередь, пропадает среди сотен миллиардов других галактик, населяющих Вселенную.
   Точные астрономические измерения и обработка спектров излучения удаленных от нас галактик с учетом эффекта Доплера подтвердили гипотезу о расширяющейся Вселенной. Экстраполяция положения галактик к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 15 млрд лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. При этом плотность вещества была как у нейтронной звезды 10¹⁵ г/см³. А еще раньше вся Вселенная представляла собой «нечто» с плотностью намного порядков выше ядерной. По каким-то причинам это «нечто» потеряло устойчивость и взорвалось с огромной силой. Этот момент принято называть Началом Большого Взрыва и можно принять за начало отсчета времени развития современной Вселенной.
   Еще одним подтверждением существования в прошлом горячей взрывающейся Вселенной является излучение, имеющее электромагнитную природу, которое наблюдается радио

Глава 1. Сотворение мира, водорода и углерода

астрономами в микроволновом диапазоне и соответствует спектру излучения черного тела с температурой около 3 К. Это, так называемое, реликтовое излучение пронизывает всю видимую Вселенную. Если умножить плотность энергии этого излучения на видимый объем Вселенной (4-10⁸¹ см³), то получается 4 -10⁶² Дж, что превышает кинетическую энергию всех звезд во Вселенной.
   Признанная большинством физиков и астрономов теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная родилась из особой точки, в которой температура и плотность достигали фантастических значений. Интересно, что Библия также полагает: Вселенная началась из крохотной частицы величиной с горчичное зерно. В начале все было уплотнено и запаковано в крохотную частицу пространства, температура в которой достигала 10³² градусов. Энергия и материя были так плотно сжаты, что находились в непрерывном взаимопревращении. У материи в точке зарождения Вселенной—в этом «зародыше мира», в тот момент был только потенциал обрести сущность и форму.
   Внутри этого первоначального точечного объема произошел взрыв, который выбросил энергию-материю по всем направлениям. По мере расширения Вселенной происходило понижение давления и температуры. При более умеренных условиях энергия в соответствии с законом ЭйнштейнаЕ= тс² начала превращаться в мельчайшие частицы: кварки и электроны. Одновременно с материей появилась антиматерия. Частицы и античастицы соединялись, порождая фотоны, а фотоны превращались в пары частица-античастица. Энергия и масса суть различные состояния единого континуума энергии-массы, как вода, пар и лед состоят из одной и той же сущности. Можно сказать, что энергия есть материя в ее неосязаемой форме, а материя есть энергия в ее осязаемой форме.
   Сразу после взрыва вся Вселенная представляла собой один сверхбольшой ядерный реактор. В горячей и плотной Вселенной при температуре 100 млрд градусов в свободном состоянии существовали только кварки и электроны. Далее в расширяющейся Вселенной по мере падения температуры до одного миллиарда градусов происходил нуклеосинтез —

1.1. Большой взрыв и образование водорода

9

рождение вещества: кварки соединялись, образуя протоны и нейтроны. Когда Вселенная остыла до 10 млн градусов, кварки объединились в группы по трое, чтобы дать рождение протонами нейтронам (барионам). Кварки в барионах связаны нейтральными безмассовыми частицами глюонами. Два и-кварка и один d-кварк образуют протон, два d-кварка и один u-кварк—нейтрон. Заключенные в барионах кварки находятся в постоянном движении и накрепко связаны глюонами, которые парят между кварками.
   В результате чистая потенциальная энергия выделилась в виде рождения частиц вещества и придания им кинетической энергии. Хотя кварки каждого протона и каждого нейтрона кружат в непрерывном движении, мы видим их как единые объекты со свойственной им массой, которая равна сумме масс и энергий составляющих их частиц. Почти вся масса протонов и нейтронов обусловлена кинетической энергией кварков и глюонов (остальное — масса покоя кварков).
   По прошествии нескольких тысяч лет после Большого Взрыва и дальнейшем понижении температуры наступила эпоха рекомбинации водорода — самого распространенного элемента во Вселенной. Большая часть нейтронов связывалась с протонами, образуя дейтерий и тритий, порождая гамма-фотоны. Некоторые протоны и нейтроны стали вступать в реакции синтеза ядер гелия-4.
   К окончанию первых суток после Большого взрыва 75% барионной компоненты Вселенной приходилось на протоны (ядра водорода) и 25%—на ядра гелия. В составе горячей плазмы в изобилии имелись фотоны, электроны и нейтрино. Помимо названных частиц, в новорожденной Вселенной присутствовали и присутствуют в настоящее время «темная материя» и «темная энергия», природа которых пока не выяснена.
   Находившиеся в смеси фотоны, свободные электроны и другие частицы (свет и материя) находились в состоянии непрерывных столкновений. По мере расширения Вселенной плотность плазмы из частиц и фотонов снижалась. Когда энергия отдельного фотона снизилась до одного электронвольта, фотоны утратили способность выбивать электроны из атомов.

Глава 1. Сотворение мира, водорода и углерода

Ядра возникших элементов стали присоединять электроны и превращаться в атомы. Электроны заняли свои места на стабильных орбитах в атомах водорода, гелия и их изотопов, а фотоны получили возможность двигаться свободно и стали видимыми.
   Атом— фундаментальная часть видимого вещества материи. Тйпичный размер атома водорода 1О⁻¹⁰ м. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, диаметр каждого из которых приблизительно равен 10⁻¹⁵ м. Масса протона равна 1,672 • 10"²⁴ г, нейтрон немного тяжелее протона. Окружение ядра состоит из электронов, масса которых в тысячу раз меньше массы протона. Протон несет положительный электрический заряд, электрон — отрицательный заряд. Атом электрически нейтрален, потому что имеет столько электронов, чтобы компенсировать положительный заряд ядра. Самая близкая к ядру электронная обита в атоме водорода имеет диаметр, который в 10⁵ раз больше диаметра протона.
   С формированием атомов во Вселенной исчезли голые электрические заряды. Излучение перестало взаимодействовать с веществом. Вещество и излучение отделились друг от друга. Эти события произошли примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва: непрозрачная плазма остыла до температуры 3—4 тыс. градусов и превратилась в прозрачный газ; свет во Вселенной отделился от вещества, внутри которого он был замкнут. Этот древний свет (реликтовое излучение) путешествует во Вселенной около 15 млрд лет и показывает нам сегодня картину ранней Вселенной.
   Таким образом, при температуре около 4 тыс. градусов электроны объединились с ядрами водорода и гелия, выстроили атомную материю и больше не препятствовали свободному движению фотонов. Вселенная стала прозрачной. В этот момент расширяющаяся Вселенная не способна была создать более сложные элементы, потому что ядра водорода и гелия не могли встретиться и вступить во взаимодействие.
   Сотворение мира привело к тому, что на современную видимую Вселенную приходится около 5% всей массы-энергии Вселенной. Эта знакомая нам вещественная часть Вселенной