Происхождение нефти издавна привлекало внимание естествоиспытателей. В 1546 г. Агрикола писал, что нефть и каменные угли имеют неорганическое происхождение. М.В.Ломоносов высказал идею о дистилляционном происхождении нефти под действием глубинного тепла из органического вещества. Со второй половины XIX века усиливается интерес к нефти в связи с развитием нефтяной промышленности. В 1886 г. химик М.Бертло предположил, что нефть образуется в недрах земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы. В 1871 г. химик Г.Биссон высказал идею о происхождении нефти путем взаимодействия воды, диоксида углерода, сероводорода с раскаленным железом. В 1877 г. Д.И.Менделеев предложил минеральную гипотезу, согласно которой возникновение нефти связано с проникновением воды в глубь земли по разломам, где под действием ее на углеродистые металлы — карбиды — образуются углеводороды и оксид железа. В 50–60 гг. XX века были также выдвинуты различные гипотезы неорганического происхождения нефти, однако в 1963–1983 гг. на международных конгрессах эти гипотезы не получили поддержки. Большинство геологов-нефтяников в России и за рубежом — сторонники концепции органического происхождения нефти.
Нефть — горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространенная в осадочной оболочке земли, являющаяся важнейшим полезным ископаемым. Нефть образуется вместе с газообразными углеводородами обычно на глубине более 1,2–2 км. Вблизи земной поверхности нефть преобразуется в густую мальту, полутвердый асфальт и др. Нефть в залежах в различной степени насыщена газом, в основном легкими углеводородами. По своему химическому составу и физическим свойствам нефть — это сложное природное образование, состоящее из углеводородов (метановых, нафтеновых и ароматических) и неуглеводородных компонентов (в основном кислородных, сернистых и азотистых соединений).
Около одной трети всей добываемой в мире нефти содержит свыше 1% серы. Химический состав нефти различных месторождений колеблется в широких пределах. Компонентами нефти являются также газы, растворенные в ней (от 30 до 300 м3 на 1 т нефти), вода и минеральные соли. Содержание золы (минеральных веществ) в большинстве случаев не превышает десятых долей процента. Например, вольфрама — 0,015%, никеля — 0,005%, меди — 0,0007% и т. д.
Цвет нефти варьирует от светло-коричневого до темно-бурого и черного. Плотность от 800 до 1050 кг/м3. Температура начала кипения нефти выше +28°С Температура застывания колеблется от +26 до –60°С и зависит от содержания парафина. Температура вспышки колеблется от 35 до +120°C в зависимости от фракционного состава и давлений насыщенных паров. Нефть растворима в органических растворителях, в воде при обычных условиях практически не растворима.
Основу технологической классификации нефти в России составляют: содержание серы; содержание фракций, выкипающих до 350°С; содержание масел; качество масел; содержание парафина. За рубежом нефть сортируют в основном по плотности и содержанию серы.
Добыча нефти
Почти вся добываемая в мире нефть извлекается посредством нефтяных скважин, закрепленных стальными трубами высокого давления. Для подъема нефти и сопутствующих ей газа и воды на поверхность скважина имеет герметичную систему труб, механизмов и запорной аппаратуры.
Добыче нефти при помощи буровых скважин предшествовали примитивные способы: сбор ее на поверхности водоемов (в России в 1745 г, с поверхности реки Ухты); обработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью; посредством колодцев (в 1825 г. из колодцев в г. Баку было добыто 4126 т). Добыча нефти посредством скважин начала широко применяться с 60-х годов XIX века.
Процесс добычи нефти, начиная от притока по пласту к забою скважин и до внешней перекачки товарной нефти, разделяется на три этапа: разработка нефтяной залежи или месторождения (движение нефти по пласту к скважине благодаря искусственно создаваемой разности давлений в пласте и забоях скважин); эксплуатация скважин (движение нефти от забоев скважин до их устьев на поверхность); сбор нефти и сопровождающих ее газа и воды на поверхности, их разделение, удаление воды и минеральных солей из нефти (так называемая подготовка нефти), закачка воды в пласт через нагнетательные скважины, сбор попутного нефтяного газа.
Процесс добычи нефти с помощью скважин и технологических установок называется эксплуатацией нефтяного промысла. Нефтяным промыслом называется технологический комплекс, состоящий из скважин, трубопроводов и установок различного назначения, с помощью которых на месторождении осуществляют извлечение нефти и сопровождающего ее газа из недр земли.
Под разработкой нефтяного месторождения понимают осуществление процесса перемещения жидкостей (нефти и воды) и газа в пластах к эксплуатационным скважинам. Управление процессом движения жидкостей и газа достигается размещением на месторождении нефтяных, нагнетательных и контрольных скважин, количеством и порядком ввода их в эксплуатацию, а также режимом работы скважин.
Одним из важнейших показателей, характеризующих разработку нефтяного месторождения, является нефтеотдача. Нефтеотдача — это мера полноты извлечения нефти из пласта. Под нефтеотдачей понимают также меру истощенности нефтяного пласта. Нефтеотдача зависит от свойств нефти в пластовых условиях, физико-химической характеристики пласта, режима эксплуатации и системы разработки месторождения. По мере развития нефтяной промышленности, совершенствования систем воздействия на нефтяные пласты коэффициент нефтеотдачи возрастал от 0,3 до 0,5, по отдельным месторождениям — до 0,7.
Современные системы разработки в большинстве случаев предусматривают нагнетание воды в пласт (до 75% добычи). Применяют два вида заводнения: законтурное, или приконтурное (для небольших залежей); внутриконтурное (залежи среднего размера и крупные).
Заводнение — закачка воды в нефтяные пласты в целях поддержания и восстановления пластового давления.
Пластовое давление — давление, под которым находятся жидкость (нефть, вода) и газ, насыщающие поровое пространство и трещины коллекторов нефтяных и газовых месторождений. В нетронутом массиве оно приблизительно равно гидростатическому. Оно увеличивается примерно на 1 МН/м2 через 10 м глубины.
Наиболее распространены системы внутриконтурного заводнения, когда залежь разделяется нагнетательными скважинами на полосы, в которых располагаются три или пять рядов эксплуатационных скважин (рис. 8.3).
Расстояние между скважинами составляет 400–800 м. Извлечение нефти из скважин производится либо за счет естественного фонтанирования под действием пластового давления, либо путем использования одного из механизированных способов подъема жидкости. Обычно сначала преобладает фонтанная добыча, по мере ее ослабления скважины переводят на механизированный способ добычи.
К механизированным относят: газлифтный (эрлифтный) и турбинонасосный (штанговые, погруженные центробежные, гидропоршневые и винтовые насосы). Применение различных способов подъема нефти примерно таково: фонтанный — 15%, штанговые насосы — 69%, погруженные центробежные — 12%, газлифтные скважины — 4%.
Добыча природных газов
Природные горючие газы из естественных источников использовались человеком с давних времен. Однако зарождение газовой промышленности относится к концу XVIII — началу XIX веков, когда искусственный горючий газ, полученный сухой перегонкой каменного угля, начали применять для освещения улиц городов в Великобритании, Франции, Бельгии и др. К середине XIX века относят использование природного газа как технологического топлива.
В дореволюционной России не существовало газовой промышленности в современном ее понимании. На промыслах Баку и Грозного вместе с нефтью в незначительных объемах добывался нефтяной газ, который частично использовался для местных нужд, а основное его количество выпускалось в атмосферу или сжигалось в факелах. Месторождения природного газа были неизвестны. После 1917 г. были начаты планомерное освоение месторождений природного газа и создание отечественной газовой промышленности.
Газовая промышленность — отрасль топливно-энергетического комплекса, включающая разведку, разработку и эксплуатацию месторождений природного газа, его комплексную переработку, подземное хранение, транспортирование по магистральным трубопроводам, а также поставку различным отраслям промышленности и коммунально-бытовому хозяйству для использования в качестве источника энергии и химического сырья.
В 1928 г, добыча газа составила 0,3 млрд. м3, в 1940 г.— 3,2 млрд. м3. С 1946 по 1955 г. газовая промышленность развивалась главным образом за счет разработки газовых месторождений Саратовской области, Коми АССР, Украины и Азербайджана. Были открыты месторождения Шебелинское, Северо-Ставропольское, Газлинское и др. Большим достижением поисково-разведочных работ явилось получение промышленного притока газа в опорной скважине в поселке Березово Тюменской области, что ознаменовало собой открытие Западно-Сибирской нефтегазовой провинции. В этот период развития газовой промышленности накоплен опыт разведки и разработки газовых месторождений и строительства магистральных газопроводов.
Добыча природных газов включает; разработку газового месторождения (извлечение газов из недр, их сбор, учет и подготовку к транспортированию потребителю); эксплуатацию скважин и наземного оборудования.
Газовое месторождение — совокупность газовых залежей, приуроченных к общему участку поверхности и контролируемых единым структурным элементом.
Газовые месторождения разделяются на многопластовые и однопластовые. Многопластовые месторождения эксплуатируют как раздельно — скважинами, пробуренными на каждый горизонт, так и скважинами, одновременно вскрывающими все залежи. Чисто газовые месторождения имеют в составе газа 94—99% метана и незначительное количество этана, пропана.
Особенность добычи газов из недр состоит в том, что весь сложный путь газа от пласта к потребителю герметизирован.
Разработку газового месторождения осуществляет газовый промысел, представляющий собой сложное, размещенное на большой территории хозяйство, которое включает технологический комплекс, предназначенный для добычи и сбора газа с площади месторождения, а также обработки газа и конденсата с целью подготовки их к дальнейшему транспортированию.
Сооружения и коммуникации на промысле условно можно разделить на основные и вспомогательные. К основным относятся эксплуатационные, наблюдательные и разведочные скважины, газосборные коллекторы, газовые сборные пункты с технологическим оборудованием промысловой подготовки газа и конденсата, компрессорные станции. Вспомогательные сооружения и коммуникации — объекты энергохозяйства, водоснабжения, канализации и связи, мехмастерские, транспортная сеть, автохозяйство, склады и т.п.
Добыча газа обеспечивается фондом эксплуатации скважин. На площади месторождения скважины располагаются отдельными объектами или кустами по 2–5 скважин. Особенно эффективно кустовое расположение скважин при разбуривании месторождений в северных районах. Начальный дебит скважины изменяется примерно от 100 тыс. до 1,5–2 млн. м3 в сутки. Контроль за разработкой месторождения осуществляется с помощью наблюдательных скважин. В среднем по масштабам в газовом промысле имеются десятки скважин, которые расположены на территории, исчисляемой сотнями квадратных километров.
Газовая скважина служит для вскрытия газового пласта и извлечения из него газа, а также для закачки газа в подземное хранилище и последующего его отбора. Газовые скважины подразделяются на эксплуатационные, нагнетательные, наблюдательные. Конструкция газовой скважины выбирается исходя из особенностей геологического строения залежи, климатических условий, физико-химических характеристик газа, распределения температур от забоя до устья, условий эксплуатации и бурения, а также технико-экономических показателей.
Оборудование ствола газовой скважины состоит из ряда обсадных колонн, фонтанных труб, спускаемых для подачи газа от забоя до устья, забойных и приустьевых штуцеров, клапанов-отсекателей для предупреждения открытого фонтанирования в аварийных ситуациях. Диаметр обсадных колонн от 114 до 340 мм.
Основные технологические задачи газового промысла: обеспечение запланированного режима работы скважины; подготовка газа к транспортировке (выделение твердых и жидких примесей, конденсата тяжелых углеводородов, осушка газа и очистка от сероводорода, содержание которого не должно превышать 2 г на 100 м3).
Разработка газового месторождения состоит из двух этапов: опытно-промышленной эксплуатации (2–5 лет), в ходе которой уточняется характеристика залежи — свойства пласта, запасы газа, продуктивность скважин и т.п., месторождение подключается к ближайшему газопроводу или служит для газоснабжения местных потребителей; промышленной эксплуатации, основанной на достаточно полных сведениях о месторождении, полученных в результате опытно-промышленной разработки, В этой стадии различают три основных периода: нарастающий (3–5 лет), постоянный и падающей добычи.
Первый период связан с бурением скважин и оснащением газового промысла. Во второй период добывается 50–60% газа. Третий период — падающей добычи — не ограничен во времени. Разработка газовой залежи происходит в основном 15–20 лет. За этот период извлекается 80–90% запасов газа.
Продуктивность газовых скважин зависит от свойств пласта, метода его вскрытия и конструкции забоя скважины.
Для увеличения продуктивности скважин осуществляют: обработку забоя скважины соляной кислотой (в карбонатных породах — доломитах, известняках), которая, реагируя с породой, расширяет каналы притока газа; торпедирование забоя (в крепких породах), в результате которого призабойная зона пласта приобретает сеть трещин, облегчающих движение газа; гидравлический разрыв пласта, при котором в пласте образуется одна или несколько трещин.
Скважины на площади месторождения располагаются равномерно по квадратной или треугольной сетке, либо неравномерно — группами. Чаще применяют групповое размещение, при котором облегчается обслуживание скважин, возможна комплексная автоматизация процесса сбора, учета и обработки продукции (рис. 8.4).
Транспортировка газа по территории страны в основном осуществляется сетью магистральных газопроводов. Кроме газопроводов, транспорт газа осуществляется водным путем — специальными танкерами — метановозами-газовозами.
Для обеспечения надежности снабжения газом, а также покрытия сезонных и суточных пиков газопотребления создана сеть газовых хранилищ, в основном подземного типа.
список литературы
1. Бобер Е.А., Егоишн B.B., Кухаренко Е.В. Основы горного дела: Учеб. пособие, Ч. 1 /Кузбас. гос. техн. ун-т. — Кемерово, 1996. —131 с.
2. Бобер Е.А., Егоров П.В. Основы горного дела: Учеб. пособие. Ч. 2 / Куз-бас. гос. техн. ун-т.— Кемерово, 1997. — 150 с.
3. Бобер Е.А., Егоров П.В., Гордиенко Б.В., Удовицкий В.Н. Основы горного дела. Ч.3 /Кузбас. гос. техн. ун-т. — Кемерово, 1997. — 100 с.
4. Бурчаков A.С., Жежелевский Ю.А., Ярунин С.А. Технология и механизация подземной разработки пластовых месторождений. — М.: Недра 1989. — 336 с.
5. Васючков В.Ф. Горное дело. — М.: Недра, 1990. — 512 с.
6. Горное дело: Терминологический словарь / Г.Д. Лидин, Л.Д.Воронина, Д.Р.Каплунов и др. — М.: Недра, 1990. — 694 с.
7. Жигалов М.Л., Ярунин С.А. Технология н механизация подземных горных работ. — М.: Недра, 1990. — 356 с.
8. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капи-тальных и подготовительных горных выработок: Справочник — М.: Heдрa, 1989. — 571 с.
9. Килячков А.П. Технология горного производства. — М.: Недра, 1992 — 415 с.
10. Мельников Н.В. Краткий справочник по открытым горным работам. — М.: Недра, 1986, —338 с.
11 Некрасовский Я.Э., Колоколов О.В. Основы технологии горного производства. — М.: Недра, 1981. — 200 с.
12. Правила безопасности в угольных шахтах. — Самара: Самар. Дом печати, 1995. — 242 с.
13. Технология и безопасность взрывных работ: Справочное пособие / Л.В. Баранов, В.В. Першин, А.П. Муратов, В.М. Колмогоров. — М.: Недра, 1993. — 237 с.
14. Шилаев В.П. Основы обогащения полезных ископаемых. — М.: Недра, 1986. — 230 с.
15. Шахты Кузбасса: Справочник / В.Е. Брагин, П.В. Егоров, Е.А. Бобер и др. — М.: Недра, 1994, —352 с.
оглавление
предисловие..... 2
1 основные элементы горнопромышленного комплекса..... 4
1.1 Горное производство и горные предприятия... 4
1.2 Основные сведения о горных породах и полезных ископаемых... 7
1.3 Формы и элементы залегания полезных ископаемых... 8
1.4 Понятие о запасах и потерях полезных ископаемых при разработке... 10
1.5 Горные выработки.... 11
1.6 Вертикальные выработки.... 11
1.7 Горизонтальные выработки.... 12
1.8 Наклонные выработки.... 13
1.9 Камеры и очистные выработки.... 14
2 Основы разрушения горных пород..... 15
2.1 Общие сведения о горных работах и способы разрушения горных пород... 15
2.2 Основные свойства и классификация горных поорд... 16
2.3 Механическое разрушение горных пород... 19
2.4 Гидравлическое разрушение горных пород... 20
2.5 Способы ведения взрывных работ... 21
2.6 Шпуровой метод ведения взрывных работ... 21
2.7 Определение основных параматров взрывных работ при проведении горных выработок 22
2.8 Бурение шпуров... 24
2.9 Взрывчатые вещества... 26
2.10 Средства взрывания... 28
3 основы проведения подземных горных выработок..... 31
3.1 Основы механики горных пород... 31
3.2 Крепежные материалы..... 32
3.3 Крепь горных выработок... 34
3.3.1 Классификация крепей горных выработок... 34
3.3.2 Требования к крепям горных выработок... 35
3.3.3 Принципы выбора крепей горных выработок... 35
3.3.4 Деревянная крепь... 36
3.3.5 Металлическая крепь... 37
3.3.6 Монолитная бетонная и железобетонная крепь... 40
3.3.7 Сборная железобетонная крепь... 41
3.3.8 Анкерная крепь... 42
3.3.9 Комбинированная и смешанная крепь... 42
3.3.10 Межрамные ограждения... 43
3.3.11 Тюбинговая крепь из углепласта... 43
3.3.12 Временная крепь... 43
3.3.13 Крепь вертикальных выработок... 44
3.4 Форма и размеры поперечного сечения горных выработок... 45
3.5 Способы и технологические схемы проведения горных выработок... 47
3.6 Проведение горизонтальных и наклонных горных выработок в крепких однородных породах 48
3.6.1 Буровзрывные работы..... 49
3.6.2 Проветривание... 51
3.6.3 Уборка горной массы..... 52
3.6.4 Возведение крепи.... 55
3.6.5 Вспомогательные процессы..... 57
3.7 Проведение горизонтальных горных выработок в мягких однородных породах. 58
3.8 Проведение горизонтальных горных выработок в неоднородных породах... 61
3.9 Проведение наклонных горных выработок... 62
3.10 Проведение восстающих... 63
3.11 Технологический паспорт проведения горных выработок... 63
3.12 Поддержание горных выработок... 65
3.13 Технологические схемы проходки вертикальных стволов... 66
4 основы подземной разработки пластовых месторождений..... 68
4.1 Стадии разработки месторождений.... 68
4.2 Производственная мощность и срок службы шахты..... 68
4.3 Шахтное поле и деление его на части.... 69
4.4 Порядок отработки частей шахтного поля... 72
4.5 Общая характеристика вскрывающих выработок... 73
4.6 Общая характеристика вскрытия пластовых месторождений.... 74
4.7 Вскрытие пластовых месторождений.... 75
4.7.1 Вскрытие одиночных пластов... 75
4.7.2 Вскрытие пологих и наклонных пластов вертикальными стволами.... 76
4.7.3 Вскрытие крутонаклонных и крутых пластов... 77
4.7.4 Вскрытие свиты пластов наклонными стволами.... 78
4.7.5 Вскрытие штольнями.... 79
4.7.6 Комбинированное вскрытие... 79
4.8 Подготовка пластов в шахтном поле... 80
4.8.1 Основные понятия... 80
4.8.2 Индивидуальная и групповая подготовка пластов... 81
4.8.3 Подготовка выемочных полей.... 82
4.9 Околоствольные дворы..... 84
4.10 Технологический комплекс поверхности шахт... 86
4.11 Очистные работы в угольных шахтах... 88
4.11.1 Технологические схемы очистных работ... 88
4.11.2 Механизированная выемка угля в длинных очистных забоях... 89
4.11.3 Доставка угля в очистных забоях... 92
4.11.4 Классификация пород кровли.... 93
4.11.5 Горное давление в очистном забое... 94
4.11.6 Крепь очистных выработок... 96
4.11.7 Управление горным давлением в очистных забоях........................................... 104
4.11.8 Технология и организация очистных работ. 108
4.11.9 Концевые операции в очистном забое. 109
4.12 Системы разработки пластовых месторождений. 110
4.12.1 Понятие о системах разработки и их классификация. 110
4.12.2 Сплошная система разработки. 111
4.12.3 Столбовая система разработки. 112
4.12.4 Системы разработки с короткими очистными забоями. 115
4.12.5 Слоевые системы разработки. 116
5 основы подземной разработки рудных месторождений.. 119
5.1 Общая характеристика и особенности рудных месторождений. 119
5.2 Потери и разубоживание руды.. 120
5.3 Вскрытие и подготовка рудных месторождений. 121
5.4 Основные производственные процессы.. 123
5.4.1 Общие сведения. 123
5.4.2 Способы отбойки руды.. 123
5.4.3 Вторичное дробление руды.. 125
5.4.4 Выпуск и доставка руды.. 126
5.4.5 Управление горным давлением.. 129
5.5 Системы разработки рудных месторождений. 130
5.5.1 Общие сведения о системах разработки. 130
5.5.2 Системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства. 130
5.5.3 Системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород. 132
5.5.4 Системы разработки с искусственным поддержанием очистного пространства 134
6 основы открытой разработки месторождений полезных ископаемых 136
6.1 Общие сведения. 136
6.2 Объекты и условия открытой разработки. 137
6.2.1 Отличительные признаки открытых горных работ. 137
6.2.2 Технологические свойства горных пород. 137
6.2.3 Условия залегания месторождений, разрабатываемых открытым способом.. 138
6.2.4 Достоинства и недостатки открытой разработки. 138
6.3 Производственные процессы.. 139
6.3.1 Элементы карьера и основные горнотехнические понятия. 139
6.3.2 Подготовка горных пород к выемке. 141
6.3.3 Выемочно-погрузочные работы.. 142
6.3.4 Карьерный транспорт. 144
6.3.5 Отвалообразование. 146
6.3.6 Рекультивация земель. 147
6.4 Вскрытие месторождений и подготовка карьерных полей. 148
6.4.1 Вскрытие горизонтальных и пологих месторождений. 148
6.4.2 Вскрытие наклонных и крутых месторождений. 148
6.5 Системы открытой разработки. 149
6.5.1 Бестранспортные системы разработки. 149
6.5.2 Транспортные системы разработки. 150
6.5.3 Комбинированные системы разработки. 150
6.5.4 Элементы и параметры системы разработки. 150
7 основы переработки и обогащения полезных ископаемых.. 153
7.1 Общие сведения. 153
7.1.1 Значение и роль обогащения при использовании различных полезных ископаемых 153
7.1.2 Методы и процессы обогащения полезных ископаемых, область их применения. 154
7.1.3 Технологические показатели обогащения. 155
7.2 Грохочение. 156
7.2.1 Общие сведения. 156
7.2.2 Гранулометрический состав. 156
7.2.3 Конструкции грохотов. 157
7.2.4 Просеивающие поверхности грохотов и эффективность грохочения. 158
7.3 Дробление. 159
7.3.1 Назначение операции дробления. 159
7.3.2 Щековые дробилки. 159
7.3.3 Дробилки ударного действия. 160
7.4 Гравитационные процессы обогащения. 161
7.4.1 Отсадка. 161
7.4.2 Обогащение в тяжелых средах. 163
7.5 Флотационные методы обогащения. 164
7.5.1 Общие представления о флотационном разделении минералов. 164
7.5.2 Флотационные реагенты.. 165
7.5.3 Флотационные машины.. 167
7.6 Магнитные методы обогащения. 168
7.7 Окускование полезных ископаемых. 169
7.7.1 Агломерация и окомкование. 169
7.7.2 Брикетирование. 171
7.8 Опробование и контроль качества угля. 171
8 ОСНОВЫ ДОБЫЧИ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 173
8.1 Общие сведения. 173
8.2 Происхождение и условия залегания нефти. 174
8.3 Добыча нефти. 175
8.4 Добыча природных газов. 176
список литературы... 179
оглавление.. 180
