Она — в бензине, которым заправлен ваш автомобиль. В пластике смартфона, который вы держите в руках. В асфальте под колесами, в лекарствах домашней аптечки, в косметике, еде и синтетической ткани одежды. Но мало кто задумывается, какой путь проходит нефть, прежде чем стать частью повседневности. Ученые Пермского Политеха рассказали, почему даже с учетом самых современных технологий мы можем извлечь только 30-40% запасов нефти, а остальное остается в недрах земли, и какова цена ошибки — почему добыча с некоторых месторождений может привести к экологическим катастрофам и техногенным авариям.
Губка, трубочка и нить — нефтедобыча простыми словами
Многие думают, что под слоями земли скрываются целые нефтяные озера и реки. Однако это всего лишь миф, далекий от реальности. На самом деле, она содержится в порах камня, который может залегать на глубине нескольких километров. Его называют коллектором.
— Представьте себе обычную кухонную губку, пропитанную водой — точно так же нефть заполняет мельчайшие поры подземных пород. А для того, чтобы понять, как происходит процесс нефтедобычи, вспомните коктейль и соломинку: подобно тому, как жидкость поднимается по коктейльной трубочке, нефть поступает на поверхность через скважину — цилиндрический ствол, пробуренный сквозь многокилометровую толщу горных пород. Функцию соломинки здесь выполняет бурильная колонна — длинная цепь стальных труб, — поясняет профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук Инна Пономарева.
Скважины редко бывают вертикальными — в менее 10% случаев.
— Пробурить абсолютно вертикальную скважину невозможно. Чтобы убедиться в этом, проведите эксперимент — разложите на полу нитку длиной два метра и попробуйте добиться, чтобы она лежала абсолютно ровно, не натягивая с двух концов. Также и скважина: прямыми и вертикальными они никогда не бывают. На это влияет, например, неравномерная плотность горных пород на разных глубинах — где-то твердая, где-то мягкая и рыхлая. Также сам вес бурильной колонны — сотни тонн заставляют металл прогибаться под тяжестью, — дополняет Инна Пономарева.
Больше всего бурится наклонно-направленных и даже горизонтальных скважин. Количество последних активно растет и в России, и в мире ввиду развития нужных технологий. Как правило, они обходятся компаниям дороже, сама технология выкачивания нефти сложнее, но эффективнее. Это особенно важно для труднодоступных месторождений, где нефть «заперта» в породах или рассредоточена по большой площади. Такой метод увеличивает площадь контакта с пластом в десятки раз: одна горизонтальная скважина может заменить 5-10 вертикальных.
Согласно данным «Роснефти» за 2024 год компания ввела в эксплуатацию более трех тысяч новых скважин, из которых 72% горизонтальных. В отчете группы компании «Лукойл» сказано, что из 964 новых нефтяных скважин 37% пришлось на горизонтальные и многозабойные. Последние имеют еще более сложную конструкцию с несколькими боковыми ответвлениями. Представьте водопроводную трубу, от которой в разные комнаты дома расходятся тонкие шланги — так и многозабойная скважина через одно устье добывает нефть сразу с нескольких труднодоступным участков.
Нефтяной фонтан, кислота и взрыв — как добывают нефть?
Процесс добычи нефти можно разделить на традиционный, устоявшийся в промышленности, и инновационный, требующий больших технологических и финансовых затрат.
Самый простой способ — фонтанный, при котором нефть буквально вырывается из недр земли под естественным давлением пласта как пробка из бутылки шампанского. При таком методе не используются насосы — только труба, по которой «черное золото» поднимается наверх самостоятельно. Первые нефтяные фонтаны в Баку и Пенсильвании в XIX веке били на десятки метров в высоту. Сейчас подобные скважины есть в странах Персидского залива, но и в России их предостаточно, например, Ромашкинское месторождение в Татарстане, Самотлорское и Приобское в Ханты-Мансийском автономном округе.
— Но естественной энергии нефти бывает недостаточно. В таких случаях прибегают к другому традиционному способу — в скважину спускают насос. Его приводят в движение с помощью станка-качалки, который стал самым узнаваемым символом нефтедобычи. Обычно именно его образ всплывает в голове, когда люди представляют себе нефтяную промышленность. Сам насос работает по принципу шприца. Для того чтобы набрать лекарство, мы тянем поршень, и жидкость буквально втягивается в цилиндр. Точно также работает и насос: его плунжер (аналог поршня) движется вверх, создавая зону пониженного давления, и нефть из пласта устремляется в скважину. Только масштабы другие — если в шприце ход поршня пару сантиметров, то в скважине он может достигать нескольких метров, а вместо пальцев насос качает многотонная качалка, — уточняет Инна Пономарева.
Но даже самые эффективные насосы могут извлечь лишь 10% нефти. Добыча большего количества требует более сложных и дорогих технологий. Например, в горные породы добавляют специальные жидкости, начиная от простой воды, заканчивая сложными химическими композициями.
— Представьте промывку забитого фильтра в кофемашине: вода под давлением вымывает частички кофе. Так же и в нефтяном пласте — закачанная через специальные нагнетательные скважины вода вытесняет нефть из породы, направляя ее к добывающим скважинам. Но иногда нужны более «хитрые» растворы: кислоты, растворяющие горную породу как уксус накипь в чайнике; углеводороды, счищающие парафин со стенок как средство для посуды; или поверхностно активные вещества, которые, подобно мылу, отмывают капельки нефти, намертво прилипшие к породе. Эти технологии позволяют увеличить добычу нефти, — рассказывает Инна Пономарева.
Нетрадиционное извлечение нефти — процесс более сложный, требующий иных технологий. В таких случаях ее выкачивают уже не из коллекторов (пористого камня, где нефть содержится как вода в губке), а из сланца — плотной породы, где флюид оказывается буквально «взаперти».
— Добыча нефти из такой горной породы как сланец требует специальных технологий, которые не только дороги, но и небезопасны. Есть мнение, что зоны добычи нетрадиционной нефти могут стать зонами отчуждения, непригодными для жилья. В сланцевых горных породах поры, в которых заложена нефть настолько маленькие, что она попросту не может по ним перемещаться и каналы для ее выкачивания создают искусственно: в пластах проводят многократные взрывы, а они, в свою очередь, чреваты множеством техногенных аварий и катастроф, — комментирует профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук Дмитрий Мартюшев.
Химикаты для гидроразрыва могут просачиваться в грунтовые воды, которые становятся непригодными для питья. Нарушение структуры пород может вызвать землетрясение, просадку грунта и даже образование провалов, включая большие метровые воронки. Также взрывы могут спровоцировать выброс токсичных газов на поверхность. Такие примеры в истории были и даже заканчивались гибелью людей.
Нефть со дна
Нефть добывают не только на суше, но и в морях и океанах. Правда, она залегает не в воде, а глубоко под ней, в тех же геологических пластах. Чтобы до нее добраться, нефтяники создают настоящие плавучие острова — буровые платформы, которые сначала проходят водную толщу, а затем и подводные слои пород.
— Ставят плавучую платформу, на ней располагают буровую вышку и уже с платформы добывают нефть привычным образом, проходя сначала толщу воды, а потом все, что отделяет нефтяное месторождение от морского дна. В России такой проект реализован в Пермском крае — сооружение искусственных островов в акватории крупных рек, которые стали площадками для бурения и добычи нефти. В мире подобные острова также есть в ОАЭ: национальная нефтяная компания Абу-Даби (ADNOC) строит их в районе газовой концессии Гаша, — рассказывает Дмитрий Мартюшев.
Бурить скважины посреди бушующего океана — все равно что играть в шахматы во время урагана. Морская платформа должна быть устойчивой: никакие штормы и другие стихийные явления не должны помешать стабильной и непрерывной работе расположенного на ней оборудования. Любое нарушение целостности способно привести к авариям и серьезным экологическим бедствиям: разливам нефти, пожарам. Так, в 2010 году в Мексиканском заливе произошла авария на американской платформе Deepwater Horizon. В результате аварии в течение 87 дней в залив попало около пяти миллионов баррелей нефти. Поэтому современные компании учитывают все необходимые риски в работе для предотвращения подобных катастроф.
Что происходит после выкачки нефти на поверхность?
Отдельный цикл нефтедобычи начинается на поверхности, после подъема в устье — верх скважины.
В наше время, обычная сырая нефть не пользуется таким спросом, как нефтепродукты, которые из нее перерабатываются. Бензином заправляют автомобили, керосином — самолеты и ракеты, мазут широко применяется как топливо в судостроении, бензол — для изготовления масляных красок (впрочем, ввиду токсичности продукта, его использование сократили), а из толуола создают популярные жаропонижающие и обезболивающие лекарства: например, ибупрофен. Нефть есть в косметике (парафин), жвачке (каучук), и даже колбасе (паприн).
— Сразу после выхода из скважины нефть похожа на грязный коктейль — она может содержать воду, песок, газ, соли, примеси металлов. Поэтому необходим комплекс этапов, главная цель которых — убрать все лишнее и обеспечить подачу в большие центральные нефтепроводы, ведущие к перерабатывающим заводам. Таким образом, жизнь сырой нефти начинается в мельчайшей поре на глубине нескольких километров под землей, а заканчивается уже на нефтеперерабатывающем заводе, когда она превращается в ценный нефтепродукт, — поясняет Инна Пономарева.
Автор: Дарья Пономарева