Трубопроводный транспорт нефти и газа

 
 
 
Е. Л. Полубоярцев, Е. В. Исупова 
 
 
 
 
 
 
 
ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ  
НЕФТИ И ГАЗА 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК 622.692.4 
ББК 33.36139.77 
П53 
 
 
 
Рецензенты: 
профессор кафедры транспорта и хранения нефти и газа 
Санкт-Петербургского горного университета доктор технических наук, 
профессор Шаммазов Ильдар Айратович; 
доцент кафедры проектирования и эксплуатации магистральных 
газонефтепроводов Ухтинского государственного технического университета 
кандидат технических наук Игнатик Анатолий Александрович 
 
 
 
 
Полубоярцев, Е. Л. 
П53  
Трубопроводный транспорт нефти и газа : учебное пособие / 
Е. Л. Полубоярцев, Е. В. Исупова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2022. - 212 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1000-7 
 
Приведены основные сведения об углеводородном сырье, его добыче и подготовке. Дана краткая история развития трубопроводного транспорта нефти и газа, классификация трубопроводов. Рассмотрены базовые понятия реологии, особенности транспорта аномальных нефтей, основные типы нефтеперекачивающих 
станций. Изложены основные способы защиты трубопроводов от коррозии. 
Для студентов нефтегазовых направлений подготовки. Может быть полезно специалистам нефтегазовой отрасли. 
 
УДК 622.692.4 
ББК 33.36139.77 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1000-7 
© Полубоярцев Е. Л., Исупова Е. В., 2022 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

Оглавление 
Введение ....................................................................................................................... 5
Глава 1. Основные сведения об углеводородном сырье ......................................... 6
1.1. Различные представления об образовании нефти и газа ................................. 6
1.2. Физико-химический состав углеводородного сырья 
...................................... 13
1.3. Транспорт нефти и газа 
...................................................................................... 41
Контрольные вопросы к главе 1 .............................................................................. 44
Глава 2. Добыча, сбор и подготовка углеводородного сырья .............................. 45
2.1. Разработка нефтяных и газовых месторождений ........................................... 45
2.2. Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений ...................................... 49
2.3. Системы сбора и подготовки углеводородного сырья 
................................... 52
2.3.1. Двухтрубная самотечная система сбора нефти 
............................................ 53
2.3.2. Герметизированные высоконапорные системы сбора ................................ 57
2.3.3. Системы сбора нефтепромыслового газа ..................................................... 60
2.3.4. Промысловая подготовка нефти 
.................................................................... 62
2.3.5. Системы промыслового сбора природного газа .......................................... 76
2.3.6. Промысловая подготовка газа 
........................................................................ 78
Контрольные вопросы к главе 2 .............................................................................. 87
Глава 3. Трубопроводный транспорт нефти и газа 
................................................ 88
3.1. Краткая история развития трубопроводного транспорта нефти и газа 
.............. 88
3.2. Классификация трубопроводов ........................................................................ 92
3.3. Назначение и классификация магистральных нефтегазопроводов .............. 94
3.4. Требования к трубам и материалам 
.................................................................. 97
3.5. Трубопроводная арматура и оборудование ..................................................... 99
Контрольные вопросы к главе 3 .............................................................................. 99
Глава 4. Особенности транспорта аномальных нефтей ...................................... 100
4.1. Возникновение и развитие реологии и реометрии ....................................... 100
4.2. Базовые понятия реологии .............................................................................. 102
4.3. Простые механические модели в реологии. Реологические модели Гука и 
Ньютона 
.................................................................................................................... 115
4.4. Техника реометрии нефти и нефтепродуктов ............................................... 124
4.5. Течение нефти и нефтепродуктов в трубах ................................................... 133
4.6. Трубопроводный транспорт нефти с разбавителями ................................... 147
4.7. Организация работ по последовательной перекачке нефти по одному 
нефтепроводу ........................................................................................................... 150
4.8. Особенности и технологические режимы перекачки нефти с аномальными 
свойствами ............................................................................................................... 152
Контрольные вопросы к главе 4 ............................................................................ 156
Глава 5. Основные объекты и сооружения магистральных нефтепроводов и 
газопроводов ............................................................................................................ 158
5.1. Устройство магистральных нефтепроводов 
.................................................. 158
5.1.1. Состав объектов и сооружений МН ............................................................ 158
5.1.2. Основные типы нефтеперекачивающих станций ...................................... 159
5.1.3. Основные технологические процессы на НПС 
.......................................... 160
5.1.4. Состав объектов и сооружений НПС .......................................................... 161
3 

5.2. Технологические схемы перекачки ................................................................ 168
5.3. Устройство магистральных газопроводов 
..................................................... 171
5.4. Особенности трубопроводного транспорта сжиженных газов ................... 174
5.5. Хранение нефти и газа ..................................................................................... 176
5.5.1. Классификация нефтебаз 
.............................................................................. 176
5.5.2. Операции, проводимые на нефтебазах ....................................................... 177
5.5.3. Резервуары нефтебаз 
..................................................................................... 180
5.5.4. Насосы и насосные станции нефтебаз ........................................................ 181
5.5.5. Подземные хранилища ................................................................................. 184
Контрольные вопросы к главе 5 ............................................................................ 188
Глава 6. Защита трубопроводов от коррозии ....................................................... 189
6.1. Классификация коррозионных процессов ..................................................... 189
6.2. Причины и механизм коррозии трубопроводов. Влияние неоднородности 
состава металла ........................................................................................................ 192
6.3. Основные способы защиты трубопроводов от коррозии. Защитные 
покрытия для трубопроводов 
................................................................................. 193
6.4. Дистанционный коррозионный мониторинг нефтегазопроводов 
............... 200
Контрольные вопросы к главе 6 ............................................................................ 207
Список рекомендуемой литературы 
...................................................................... 208
 
4 

Введение 
 
Топливно-энергетический комплекс - основа развития всех отраслей 
экономики России. Важнейшим его элементом является система магистральных 
трубопроводов для транспорта нефти, газа и продуктов их переработки. Географическое расположение месторождений нефти и газа в России и их потребителей ставит трубопроводный транспорт на первое место среди всех остальных 
видов. Только трубопроводный транспорт способен гарантировать бесперебойную и равномерную поставку значительных грузопотоков нефти, нефтепродуктов и газа, обеспечивая при этом наименьшие экономические затраты. 
Необходимо отметить, что успешное внедрение новых технологий в области трубопроводного транспорта углеводородного сырья требует масштабных инвестиций и научных разработок. Поэтому внедрение возможно прежде 
всего в развитых странах, в то время как другие страны вынуждены вести добычу нефти и газа устаревшими методами или покупать передовые технологии, 
попадая тем самым в технологическую и патентную зависимость. Без изменения такого положения невозможно решение глобальных задач по экономии углеводородных ресурсов и обеспечению экологической безопасности. 
Сегодня основным объектом конкуренции между отечественными и зарубежными компаниями становятся запасы энергоносителей и пути их транспортировки. В связи с этим, необходимо уделить особое внимание подготовке 
высококвалифицированных специалистов в нефтегазовой отрасли, с целью сохранения и развития научно-технического потенциала не только регионов, но и 
всей страны в целом.  
 
5 

Глава 1. Основные сведения об углеводородном сырье 
 
Нефть и ее производные используются людьми в течение многих тысяч 
лет, а представления о происхождении нефти развиваются два тысячелетия, беря начало от умозрительных версий античных ученых Витрувия и Страбона. 
В первой половине 18 века появилась гипотеза об органическом происхождении нефти. Впервые ее высказал М. В. Ломоносов в работе «О слоях земных» (1733), а затем немецкий ученый И. Генкель и французский ученый 
Б. де Молье. М. В. Ломоносов за исходное вещество нефти принимал каменный 
уголь, а И. Генкель и Б. де Молье - погребенные остатки растений и животных. 
В начале XIX века немецкий ученый А. Гумбольт предложил первую гипотезу 
о глубинном неорганическом происхождении нефти. Таким образом, к концу 
XIX века четко сформировалось два подхода к решению данной проблемы: органический и неорганический, которые уже тогда имели различные варианты. 
Интенсивное развитие нефтяной промышленности в первой половине 
ХХ века показало, что проблема происхождения нефти имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Знание геологических и геохимических условий образования нефти и газа необходимо для определения перспективно нефтегазоносных территорий и комплексов пород. Оно также необходимо для оценки ресурсов нефти и газа на Земле и обоснования методологии 
и методики поисков месторождений углеводородного сырья. 
Сложность проблемы происхождения нефти и газа связана и с их специфическим свойством - способностью мигрировать в земной коре вместе с 
пластовыми водами. О месте рождения нефти и газа можно судить только по 
косвенным признакам. На этом основании А. А. Бакиров и его последователи 
совершенно справедливо называют выявленные месторождения углеводородов 
(УВ) местоскоплениями. Подводя итоги разработки проблемы происхождения 
нефти и газа Ю. И. Пиковский отметил, что весь ХХ век геологи вели интенсивные исследования в этой области, но в конце нашего столетия, как и на его 
пороге, существуют две различные концепции - органическая и неорганическая. При этом сторонники этих концепций убеждены в том, что проблема решена однозначно.  
 
1.1. Различные представления об образовании нефти и газа 
 
Возможность образования УВ путем минерального синтеза доказал 
впервые французский химик М. Бертело. В 1860 году он синтезировал ацетилен 
(С2Н2) путем реакций щелочных металлов с углекислотой и водой. Лабораторные исследования в этом направлении проводили в это же время А. Биассон 
(1866) и С. Клоэц (1878). 
В 1877 году Д. И. Менделеев предложил «карбидную гипотезу», которая 
стала широко известной. По его мнению, вода проникает глубоко в недра по 
разломам и вступает в реакцию с карбидом железа. При этом образуются предельные и непредельные углеводороды по схеме: 2FeC  3H2O = Fe2O3  
6 

 C2H6, которые также по разломам поднимаются в породы-коллекторы. Свои 
предположения Д. И. Менделеев обосновал лабораторными исследованиями. 
При взаимодействии карбидов металлов с водой в опытах наблюдалось образование жидких углеводородов. 
В 1889 году В. Д. Соколов разработал космический вариант неорганической 
гипотезы. На основании установленного им факта присутствия УВ в метеоритах и 
хвостах комет В. Д. Соколов предположил возможность их поглощения магмой 
во время образования Земли, а впоследствии, при ее охлаждении, УВ по зонам 
разломов проникли в стратосферу. Таким образом, нефть по этой гипотезе является продуктом превращения первичных УВ космоса, попавших на Землю 
вместе с другой космической материей. 
Ю. Кост и Э. Штеберг предложили вулканический вариант гипотезы образования нефти, по которому УВ образуются в магме и затем поднимаются по 
разломам в верхние горизонты земной коры. В 30-х годах ХХ века эти гипотезы 
подверглись значительной критике со стороны академика И. М. Губкина - основоположника теории органического происхождения нефти. Однако он допускал, что «небольшие, не имеющие практического значения скопления нефти 
могли иметь и неорганическое происхождение, возникая в результате небольших выделений ее из магмы». 
В середине ХХ века были получены убедительные геологические и геохимические доказательства органического происхождения нефти, которые хорошо объясняли формирование подавляющего большинства нефтяных месторождений Земли. Однако, к этому же времени были получены данные о достаточно широком присутствии в оболочках ряда планет и в газовых облаках межзвездной среды различных углеродистых соединений, в том числе и углеводородов, а также данные о наличии в метеоритах аминокислот, УВ, порфиринов и 
других органических соединений. На этом основании в России и за рубежом 
вновь стали развиваться варианты гипотез космического (Н. А. Кудрявцев, 
В. Б. Порфирьев, Ф. Хойль) и магматического (П. Н. Кропоткин) синтеза УВ. 
В. Б. Порфирьев (1967) предположил, что нефть, находящаяся в подкоровых зонах, образовалась одновременно с другими минеральными веществами, вошедшими в состав Земли. Из подкоровых зон она поступает по глубинным разломам в осадочную оболочку Земли и при наличии ловушек образует 
залежи. 
Н. А. Кудрявцев (1973) также связал формирование залежей нефти и газа с разломами, а образование УВ видел как результат взаимодействия радикалов СН (метина), СН2 (метилена), СН3 (метила), которые выделяются из мантии 
Земли в определенной последовательности, в зависимости от термобарических 
условий. В верхних зонах литосферы, где температура понижается, начинает 
выделяться уже метан. Углеводородные радикалы легко вступают в реакции 
полимеризации и образуют различные углеводороды в верхних частях земной 
коры. По его предположению Земля образовалась из космического пылевого 
облака, которое содержало УВ. Под действием температур в несколько тысяч 
градусов в глубинных зонах Земли они распались на УВ радикалы и водород. 
7 

П. Н. Кропоткин (1985) считал, что УВ поступают в осадочную оболочку в результате дегазации мантии. Часть земной коры, лежащая ниже зоны гипергенеза (оксисферы), совместно с верхней мантией до глубины 150 км, называемая редуктосферой, характеризуется восстановительными условиями и содержит много водорода, метана и других УВ, а также паров воды, окиси углерода, сероводорода, азота и гелия. Дегазация мантии путем прорыва этих газов 
по разломам в стратосферу является по П. Н. Кропоткину причиной образования скоплений газа, газоконденсата и нефти. 
На большие масштабы выделения глубинных ювенильных газов - азота, 
метана и гелия обратил внимание еще В. И. Вернадский, образно назвав этот 
процесс «дыханием Земли». На этом основании американский исследователь 
Т. Голд выдвинул идею, связывающую метановую дегазацию мантии и земной 
коры с сейсмической активностью Земли. Землетрясения возбуждают дегазацию и создают пути миграции для газов. По его предположению на глубинах до 
15 км осадочные и кристаллические породы содержат УВ и, прежде всего, метан мантийного происхождения в таком количестве, что их достаточно для 
обеспечения населения Земли в течение тысячелетий. 
Представления о неорганическом синтезе УВ развивали во второй половине ХХ века многие ученые России и Украины: Г. Е. Бойко, К. Н. Волоссович, 
И. В. Гринберг, Г. Н. Доленко, Л. Н. Капченко, В. В. Колодий, А. И. Кравцов, 
В. Ф. Линецкий, И. А. Петерсилье, Ю. Ф. Степаник, Э. Б. Чекалюк и другие. 
При этом были получены лабораторные данные о том, что метан может полимеризоваться в тяжелые УВ при каталитическом воздействии силикатов, окислов железа и никеля, которые содержатся в горных породах. Эти же данные показали, что синтез УВ возможен из оксида и диоксида углерода и водорода в 
различных условиях в присутствии пород катализаторов по следующим реакциям: 
 
2
4
2
 
2
2
4
2
CO
H
CH
H O
CO
H
CH
H O
CO
H O
FeO
C H
Fe O
+
=
+
+
=
+
+
+
=
+
 
(1.1) 
          
3
       
4
2
2
3
7
.
2
2
2
6
2
3
 
Бурение глубоких и сверхглубоких скважин, в частности Тюменской, 
дают основание предполагать глубинные эманации (истечения) метана в осадочный чехол (Т. В. Белоконь, 1998). 
Основные факты, подтверждающие возможность неорганического синтеза УВ по мнению сторонников этой концепции следующие (по Н. С. Бескровному): 
1.Наличие органических соединений, в том числе УВ и оптически активных веществ в космической материи. 
2.Результаты термодинамических исследований, указывающие на возможность существования метана в условиях мантии Земли при температурах до 
1300-1500 ƒС и низкой летучести кислорода. 
3.Наличие углеродистых соединений, а также водорода, оксида углерода, спиртов, метана и некоторых, более сложных УВ в продуктах магматизма 
8 

мантийного происхождения, продуктах дифференциации и горячей дегазации 
мантии, а также в гидротермальных системах современного и древнего вулканизма. 
4.Существование углеводородной дегазации вещества мантии, проявляющейся в «холодных» немагматических условиях, например, водородная и 
метанововодородная дегазация в сквозных проницаемых зонах типа сейсмоактивного глубинного сбросо-сдвига Сан-Андреас в Калифорнии. 
5.Наличие запасов и ресурсов нефти и газа в осадочно-породных бассейнах, имеющих генетическую связь с грабенами, глубинными разломами и 
глубокопогруженными краями литосферных плит, которые ограничены сейсмоактивными геодинамическими поясами. 
6.Существование парагенезиса эндогенной средне- и низкотемпературной рудной минерализации (полиметаллов, ртути, урана и других) с непромышленными проявлениями УВ на складчатой периферии бассейнов, а также 
повышенное содержание металлов в скоплениях нефти, залегающих внутри 
осадочных бассейнов. 
7.Распространение нефти и газа по разрезу нефтегазоносных регионов 
до фундамента включительно (закономерность Н. А. Кудрявцева). 
8.Молодой неогеново-четвертичный возраст залежей природного газа и 
преимущественно кайнозойский возраст залежей нефти древних платформ, не 
согласующийся с возрастом вмещающих пород и другие. 
По существу, основные положения теории биоорганического происхождения нефти предсказал М. В. Ломоносов (1733) в своей гипотезе образования 
нефти из органического вещества (ОВ) при воздействии на него высокой температуры и последующей миграции и аккумуляции нефти в пористой среде. 
Только за источник нефтеобразования было принято не рассеянное, а концентрированное ОВ - ископаемые угли. Однако позже было установлено, что угленосные толщи генерируют горючие газы, а в некоторых случаях они могут 
выполнять роль и нефтематеринских пород. Близких взглядов на происхождение нефти придерживались в то время Ж. Бюффон, Дж. Геттон, а в ХIХ веке - 
Ч. Лайель, Г. Абих и Д. Ньюбери. 
Отдельные аспекты современной теории биоорганического происхождения нефти и газа были разработаны трудами ученых в конце XIX - начале ХХ 
столетия. Среди отечественных ученых того времени выделяются работы 
Н. И. Андрусова, А. Д. Архангельского, В. И. Вернадского, И. М. Губкина, 
Н. Д. Зелинского, К. П. Калицкого, Г. П. Михайловского, а среди зарубежных 
ученых - работы Э. Блюмера, Ф. Ван-Тайла, Г. Гефера, П. Мразека, Г. Потонье, 
П. Траска, Д. Ханта, К. Энглера, Д. Уайта и других. 
В середине XIX века произошло зарождение геохимии нефти и газа. Исследования английского химика Ч. Гатчетта показали сходство элементного состава природных битумов и растительных масел, смол и животных жиров, а 
также уменьшение содержание водорода в ряду природных битумов от жидких 
к твердым. 
 
9 

В 1863 году американский исследователь Винчел ввел в научную литературу понятие о нефтематеринских свитах осадочных пород как месте рождения нефти. Позже оно стало одним из ключевых в биоорганической теории образования нефти и газа. 
С момента появления органической концепции до 30-х годов ХХ века ее 
представители активно искали исходное нефтепроизводящее или нефтематеринское ОВ: М. В. Ломоносов принимал за него уголь, К. Энглер и Г. Гефер - 
останки рыб, рептилий и прочего ОВ, Г. Потонье, затем Г. Л. Стадников - сапропелиты, Г. П. Михайловский - рассеянное органическое вещество, К. П. Калицкий - морские водоросли зоостера в местах их обильного развития. Важными положениями для развития представлений о происхождении нефти, а также 
о механизме формирования ее скоплений были предположения М. В. Ломоносова и Г. Абиха о вторичной природе нефти в залежах, а также выводы Г. Абиха о приуроченности скоплений нефти и газа Апшеронского полуострова к антиклиналям. Таким образом, параллельно с вопросом о происхождении нефти 
формировались представления ее миграции от мест генерации к областям аккумуляции (накопления), то есть формирования скоплений нефти. Вопросу миграции УВ уделил внимание и Д. И. Менделеев в своей карбидной гипотезе. 
Ближе всех к решению проблемы нефтегазообразования подошел в начале 
ХХ века Г. П. Михайловский. В 1906 году он сформулировал основные научные 
положения гипотезы органического происхождения нефти. По его предположениям 
исходным веществом для ее образования является рассеянное ОВ смешанного растительного и животного происхождения, захороненное в глинистых морских осадках. В процессе погружения осадков ОВ битуминизируется, сначала под действием 
микроорганизмов, а затем - повышенной температуры и давления и образуется 
нефть. Складкообразующие процессы способствует перемещению УВ из глинистых отложений в песчаные породы-коллекторы. 
Интенсивно развивалось в первые десятилетия ХХ века учение о нефтематеринских или нефтепроизводящих свитах. Этой проблеме были посвящены 
в 30-х годах работы Н. И. Андрусова, А. Д. Архангельского, И. М. Губкина, 
Г. П. Михайловского в России; Ф. Траска и П. Патнода в США. Все большее 
признание получала в это время сапропелевая гипотеза нефтегазообразования, 
основанная на представлениях Г. Потонье. При этом допускалось, что нефтематеринскими породами могут быть породы, обогащенные рассеянным ОВ, преимущественно сапропелевого типа. 
Большое значение для развития органической гипотезы имели предположения Д. Уайта (1915) о зависимости нефтегазообразования от степени метаморфизма осадочных пород. Степень их метаморфизма он определял по углеродному коэффициенту (процентному содержанию углерода) ископаемых углей. Таким образом, была предсказана смена состава и фазового состояния УВ 
с глубиной. Важную роль в формировании теории биоорганического происхождения УВ сыграли труды В. И. Вернадского - основоположника геохимии и 
в том числе основ биогеохимии нефти. В 1934 году он разработал геохимическую систему взаимодействия углерода с живым веществом биосферы, назвав 
ее жизненным циклом углерода. 
10