История открытия нефти кратко
Обновлено: 02.07.2024
Поэтому и борьба за первенство в нефтегазовой отрасли идет не только за текущую рыночную долю или будущую добычу, но и за прошлые изобретения. Есть сотни примеров, когда одни и те же уравнения или подходы называются по-разному в разных языках. Кто же был первым? И насколько это вообще важно?
Первая нефтяная скважина
Нефть добывалась с незапамятных времен с поверхности в местах естественного просачивания. Известны упоминания о добыче нефти из построенных колодцев глубиной до 50 метров (в районе Баку с 1594 года).
Считается, что первую промышленную эксплуатационную скважину построил в 1858 году Эдвин Дрейк. После выхода на пенсию железнодорожник Дрейк мог путешествовать по стране бесплатно. Это и случайная встреча в отеле дало Дрейку работу геологоразведчика, оклад в $1000 в год и несколько акций компании Seneca Oil.
Строительство глубоких скважин в Пенсильвании до Дрейка считалось неразрешимой задачей из-за быстрого обрушения грунта. Промышленными новациями Дрейка стало применение парового двигателя вместо ручного привода и обсаживание ствола скважины наращиваемой чугунной трубой в процессе углубления ствола. Именно так 2500 лет назад китайцы бурили скважины глубиной до 500 метров для добычи рассола. Как повествуют китайские летописи, иногда в обсаженной бамбуком скважину прорывался горючий газ или нефть. Неудивительно, что единственным буровиком, согласившимся на авантюру Дрейка, был Вильям Смит — специалист по бурению скважин на соль.
Штанговый насос на эксплуатационной скважине. Насос приводится в движение паровой машине, которая топится дровами. Tarr Farm, Долина Нефтяной ручей (Oil Creek Valley), Пенсильвания, 1868. Фотография из музея Скважины Дрейка.
Паровую же машину для бурения в России впервые применили лишь в 1859 году близ г. Подольска. Первая эксплуатационная скважина была построена в России на Кубани в 1864 году. Отставание в применении механизированного бурения определило и последующее отставание в применении других технологий добычи нефти. В них до поры просто не видели необходимости.
Пласт на разрыв
Ранние технологии бурения приводили к загрязнению призабойной зоны фильтратом бурового раствора на несколько метров вглубь пласта. Кроме того, скважины, пробуренные ударно канатным способом, не полностью вскрывали весь пласт, т.к. иначе обсадная колонна Дрейка перекрывала бы продуктивную зону. Дебит скважины из-за этого мог быть в десятки раз ниже возможного.
Следующей технологией стало перфорирование обсадной трубы с помощью многозарядного перфоратора, что позволило спускать обсадную колонну ниже продуктивной зоны и вскрывать при этом весь пласт. C 1930 по 1956 год Ira McCullough получает множество патентов на перфораторы. Однако пласт перфорируется недостаточно глубоко, и добыча остается в несколько раз ниже потенциальной.
Для решения этой проблемы в 1947 году Floyd Farris и Joseph B. Clark (Stanolind Oil and Gas Corporation) нанимают компанию Halliburton для создания в пласте искусственной трещины – гидроразрыва пласта (ГРП), проходящей сквозь повреждение и заполненной более проводящим расклинивающим материалом — пропантом. Для этого нужно было поднять давление жидкости на забое выше горного давления и держать трещину открытой несколько часов, пока пропант закачиваемый с жидкостью займет свое место и насосы можно будет выключать.
Полевой эксперимент по гидроразрыву был проведен в 1947 году на газовом месторождении в Канзасе. Выкладки по газовому месторождению Hugoton, Канзас (глубины 730 метров) показывали необходимое давление 50-100 атм на устье (130-180 атм на забое) и объемы закачки несколько кубометров геля на базе дизельного топлива, смешанного с речным песком. Процесс был запатентован нефтяной компаний и тут же переуступлен по лицензии Halliburton. Первая промышленная операция 17 марта 1949 года в 12 милях от г. Данкэн, штат Оклахома. В тот же день вторая операция была проведена в соседнем Техасе.
К 1980 году на 500 000 скважин США было проведено более 150 000 операций ГРП. Повторные ГРП были проведены на 35% из них. Первая операция по созданию трещины третий раз в той же скважине (tri-frac) проведено в 1955 году. Максимальное количество операций ГРП было отмечено в 1955 г. — примерно 54 000 ГРП в год.
В СССР ГРП начали применять с 1952 г. Задолго до изобретения современных компьютеров, в 1955 году советские ученые Христианович и Желтов разработали первую двухмерную модель — KGD (Kristianovitch-Geertsma-de Klerk). В 1961 вторую 2D модель — PKN разработали Perkins и Kern, с модификаций Nordgren (1971). По прошествии полувека на рынке конкурируют десятки программ для псевдо-3D дизайна и оптимизации ГРП на базе модели PKN, подавляющее большинство создается и дорабатывается в США и Канаде. Более точное, полностью трехмерное одновременное моделирование геомеханики, гидравлики и процесса переноса требует вычислений длиной в несколько месяцев и не используется на практике.
Основной вектор развития моделей – более точный и быстрый прогноз многостадийных операций на нескольких горизонтальных скважинах одновременно (zip fracs). Также интересно описание интерференции трещин (stress shadowing) и транспорт пропанта, а также комбинирования вспомогательных технологий, включая закачку трассёров, использование оптоволокна, и микросейсмический мониторинг. В более далекой перспективе – потребуется переизобрести ранее протестированное использование пен на базе CO2 и азота.
Наращивая объемы
Благодаря тому, что нефть часто легче воды, давление в пласте способно доставить нефть на поверхность фонтаном. Но при этом дебит нефти получается в пять раз ниже максимально возможного, и энергии пласта хватает ненадолго. Для традиционных коллекторов – несколько месяцев, для сланцевых месторождений – до нескольких лет.
И опять промышленным новатором выступил Дрейк, взяв с кухни ручную помпу. Создав с поверхности разряжение в одну атмосферу, он увеличил добычу с 10 до 25 баррелей в день, оставив весь городок Titusville без оборотных бочек под виски. Этот пример хорошо показывает опасность сравнения только данных по дебиту. Без данных по давлению – финансовые аналитики могут легко ошибиться в несколько раз, сравнивая фонтанирующую через штуцер скважину со скважиной, работающей в пустой забой (AOF).
Насос на поверхности может создать разряжение и прибавить атмосферное давление к энергии самого пласта. Создать же большее разряжение можно насосом в скважине, но как привести его в движение? Первое решение – механическая передача с поверхности, но тогда нужна длинная штанга, ход которой и ограничит максимальный дебит. В 1865 году, только когда перестали фонтанировать скважины из первой волны промышленного бурения, американцы начали массовое использование погружных плунжерных насосов, с поршнем, приводимым в действие двигателем с поверхности через балансир от бурового станка и деревянную штангу (см. рисунок 1). В России новация нашла свой рынок только в 1874 году.
А что если скважины становятся все глубже и глубже и требуется создать давление в несколько сотен атмосфер? И буровики научились бурить наклонные скважины под нужным углом?
Тогда разумно поместить и насос, и двигатель в саму скважину. Для этого требуется сверхмалый размер устройства и большая мощность на единицу объема. Электрический двигатель был единственным на тот момент вариантом. В 1911 году Армаис Арутюнов открывает в Екатеринославле свою компанию и создает высокооборотный компактный электрический мотор, который может работать полностью погруженным в воду. А в 1916 году, доводит до ума работающую на одном валу пару: мотор и центробежный насос. При этом мощный мотор располагается ниже насоса и охлаждается набегающим потоком жидкости.
В 1919 году Арутюнов эмигрируют сначала в Берлин, затем, в 1923 году в Лос-Анджелес, где пытался убедить внедрить свою разработку. Везде следовал отказ был со словами, что устройство противоречит известным законам электричества. Примечательно, что за 50 лет до этого в Австрии профессор Грацкого университета Яков Пешль прочитал лекцию о неосуществимости использования переменного тока в электродвигателях одному из своих студентов. Студента звали Никола Тесла, а имя профессора Пешля навсегда останется в истории инженерного дела.
В 1928 году Арутюнов переезжает в Оклахому и с партнером Frank Phillips (директор Phillips Petroleum Co.) открывает свою компанию. В 1930 компания была переименована в REDA pump Co. (от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff). В ней нашли работу сотни уволенных в Великую депрессию американских рабочих. К концу 30х годов REDA имела более 90 патентов, а Арутюнов ни в чем себе не отказывал до конца жизни. Его портрет висит в Зале Славы штата Оклахома.
Первый ЭЦН в СССР был спущен в 1943 г., когда из США по ленд-лизу были получены 53 насоса REDA. Отечественный аналог спущен 20 марта 1951 г. в скважину № 18/11 Грознефти. Западносибирскую провинцию стали осваивать гораздо позже месторождений Оклахомы и Техаса, поэтому дебиты остаются выше, чем на в США и требуют мощных насосов. До сих пор в России больше 80% нефти добываются ЭЦН. Ими оснащено более 80 000 скважин.
Новые технологии и пилотные образцы часто появляются за пределами США, но удивительно системно штаты становятся местом их массового применения, доработки и превращения в массовый экспортных продукт. Изобретатели-счастливчики возможно и делает один уникальный прорыв, но истинные перевороты в индустрии делают люди, систематически перепробовавшие сотни и тысячи подходов и нашедшие верную комбинацию известных ранее технологий. Поэтому не сильно важно где технология родилась, важно кто первым догадался скрестить ее с несколькими уже известными и довести продукт для массового использования.
Американцы связывают рождение нефтяной индустрии с Дрейком не потому, что он был выдающимся изобретателем или хотя бы успешным бизнесменом. У него не было деловой хватки и метод бурения остался незапатентованным. Проигравшись на бирже в 1863 году, он был вынужден в старости жить на специальную пенсию штата $1,500/год (немыслимая по тем временам щедрость), в полтора раза выше своего стартового оклада от Seneca Oil.
Дрейк стал известен потому, что пошел против мнения специалистов по бурению водяных скважин, проскакал 90 миль в поисках буровика-соледобытчика, который возьмется за безумный заказ. Кроме того, он совместил известный способ бурения с известной технологией откачки воды. Добыча увеличилась в разы и стала коммерческой.
История помнит бакинские промыслы, советских математиков и российских инженеров, но рынку не нужны идеи, или удачные поисковые скважины. Нужна добыча, безотказно работающие устройства и программные пакеты, содержащие как детальную физику процесса, так и скоростные солверы для решения матричных уравнений. Но и это не главное, если в программе не будет сотен известных индустрии жидкостей ГРП и типов пропантов с библиотеками свойств, а учебник будет скорее рекламным буклетом.
Текст статьи отражает мнение автора и не отражает официальную позицию Texas A&M University
До середины XIX в. нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи ее естественных выходов на поверхность земли. Но в конце столетия спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и мощных источников света. Внедрение в конце 1860-х бурения нефтяных скважин считается началом зарождения нефтегазовой промышленности.
На рубеже XIX―XX вв. были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания, что привело к бурному развитию нефтедобывающей промышленности. В связи с этим перед учеными встала задача — определить, откуда берется нефть и где ее лучше искать.
В дальнейшем сформировались две научные концепции происхождения нефти. Представители одной из них — органики — полагают, будто нефть и газ возникли в осадочном чехле земной коры в результате преобразования останков животных и растений, населявших древние моря и озера. Адепты другой теории — неорганики — доказывают, что нефть и газы образовались в мантии Земли неорганическим путем.
В начале XX в. Г. Потонье выдвинул гипотезу о происхождении нефти из сапропеля — илистого отложения перегнивших останков растений и животных. В 1919 г. академик Н. Зелинский произвел перегонку сапропеля озера Балхаш и выделил сырую смолу, кокс и газ. Газ состоял из метана, окиси углерода, водорода и сероводорода. После вторичной перегонки безводной смолы были получены керосин, тяжелые масла и бензин, куда входили метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды.
В 1921 г. японский ученый Кобаяси получил искусственную нефть при перегонке жира рыб без давления, но в присутствии катализатора — гидросиликата алюминия. Подобные опыты были проведены и другими исследователями, и это натолкнуло их на мысль, что такими катализаторами в природных условиях могут быть глинистые толщи, содержащие первичное рассеянное органическое вещество.
Что касается идеи минерального происхождения нефти, то впервые ее высказал немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт в 1805 г., основываясь на присутствии углеводородов в продуктах деятельности вулканов. Д. Менделеев, который до 1867 г. придерживался теории органического происхождения нефти, в 1877 г. сформулировал гипотезу ее минерального происхождения, согласно которой нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов. В настоящее время сторонники неорганической концепции отмечают, в частности, что в мире известно около 30 промышленных или полупромышленных залежей нефти, связанных с изверженными и метаморфическими породами.
Впрочем, в вопросе о происхождении нефти есть приверженцы и комплексного подхода: они считают, что могли существовать оба механизма (органический и неорганический), некоторым образом дополняя друг друга или действуя на разных стадиях процесса.
В середине XIX в., с развитием автомобильной промышленности, был открыт химический метод переработки нефти — крекинг, состоящий в расщеплении углеводородов под действием высокой температуры, в результате чего образуются молекулы с меньшим количеством атомов углерода. Главной целью крекинга было получение большого количества бензина. Дело в том, что в процессе физической переработки (перегонки, предполагающей простое разделение продукта на фракции) при нагревании нефти первыми испаряются углеводороды с самым легким удельным весом — из их смеси и получается бензин. При дальнейшем нагревании испаряются более тяжелые углеводороды, образующие керосин, смазочные масла, солярку. В итоге доля бензина составляет лишь пятую часть от общего выхода, а это ничтожно мало.
Потому решено было тяжелые фракции, образующиеся после первичной перегонки, подвергать еще и крекингу. Перегретый водяной пар пропускали через подогреваемую нефть, и он присоединял к себе более легкие углеводороды. Эту смесь бензина, керосина и воды отстаивали в холодильнике и сливали, в результате чего сверху оказывался слой бензина, дальше шел более тяжелый слой керосина, а еще более тяжелая вода оставалась внизу. Керосин подвергался очистке, а нефть тем временем сильно нагревалась, чтобы большие молекулы тяжелого углеводорода распались на несколько более мелких молекул с разным удельным весом и температурой кипения.
Первая в мире промышленная установка непрерывного термического крекинга была создана и запатентована инженером В. Шуховым и его помощником С. Гавриловым в 1891 г. Но самые оптимальные условия для этого процесса нашел английский химик Д. Бартон и в 1913 г. запатентовал способ выделения бензина из тяжелых фракций. В промышленных условиях крекинг-процесс, предложенный Бартоном, впервые осуществили в 1916 г. Этот метод положил начало новому этапу в развитии нефтеперерабатывающей промышленности, ведь с применением крекинг-процесса выход бензиновых фракций возрос до 50―60 %.
Нефть представляет собой одно из главных богатств страны, в которой ее добывают. История открытия этого удивительного творения природы сложна и противоречива, как и само земляное масло. Первые упоминания о горючей жидкости встречаются еще в Библии.
Как гласит священный источник
Согласно Ветхому Завету во время переселения в Индию древние иудеи скрыли в колодце священный жертвенный огонь, из-за чего вода стала густой и пылающей ярким пламенем. По преданию именно черное золото, которым Ной обмазал свой ковчег, помогло выстоять судну в безудержном потоке Всемирного потопа. Не обошлось без нефти и строительство Вавилонской башни. Природный асфальт, полученный в процессе длительного выветривания горючего вещества, заменял связывающий раствор.
Есть сведения о том, что огонь Прометея тоже на половину состоял из нефти. Народы, проживающие на южном берегу Каспийского моря, издавна использовали горючее вещество в качестве источника света для своего жилища. В средневековье нефть помогала освещать улицы в городах Южной Италии и на Ближнем Востоке. В XIX веке из нее научились получать керосин, которым наполняли лампы.
Поначалу нефть добывали в небольшом количестве из колодцев небольшой глубины. Во второй половине XIX века с появлением паровых машин и интенсивным развитием промышленности потребность в источниках света и надежном смазочном веществе стала возрастать. По этой причине дата 28 августа 1859 года известна миру как начало добычи нефти из первой пробуренной американским полковником Эдвином Л. Дрейком скважины на глубине 22 м.
Нефть известна человеку с древнейших времен. Люди уже давно обратили внимание на черную жидкость, сочившуюся из-под земли. Есть данные, что уже 6500 лет назад люди, жившие на территории современного Ирака, добавляли нефть в строительный и цементирующий материал при строительстве домов, чтобы защитить свои жилища от проникновения влаги. Древние египтяне собирали нефть с поверхности воды и использовали ее в строительстве и для освещения. Нефть также использовалась для герметизации лодок и как составная часть мумифицирующего вещества.
Не везде нефть собирали только с поверхности. В Китае более 2000 лет назад при помощи стволов бамбука с металлическим наконечником бурили небольшие скважины. Изначально скважины предназначались для добычи соленой воды, из которой извлекалась соль. Но при бурении на бо́льшую глубину из скважин добывали нефть и газ.
Хотя, как мы видим, нефть была известна с древнейших времен, она находила довольно ограниченное применение. Современная история нефти начинается с 1853 года, когда польский химик Игнатий Лукасевич изобрел безопасную и удобную в обращении керосиновую лампу. Он же по данным некоторых источников открыл способ извлекать из нефти керосин в промышленных масштабах и основал в 1856 году нефтеперегонный завод в окрестностях польского города Ulaszowice.
Еще в 1846 году канадский химик Абрахам Геснер придумал, как получать керосин из угля. Но нефть позволяла получать более дешевый керосин и в гораздо большем количестве. Растущий спрос на керосин, использовавшийся для освещения, породил спрос на исходный материал. Так было положено начало нефтедобывающей промышленности.
По данным некоторых источников первая в мире нефтяная скважина была пробурена в 1847 году в районе города Баку на берегу Каспийского моря. Вскоре после этого в Баку, входящем в то время в состав Российской империи, было пробурено столько нефтяных скважин, что его стали называть Черный город.
Тем не менее, рождением российской нефтяной промышленности принято считать 1864 год. Осенью 1864 года в Кубанской области был осуществлен переход от ручного способа бурения нефтяных скважин к механическому ударно-штанговому с использованием паровой машины в качестве привода бурового станка. Переход к этому способу бурения нефтяных скважин подтвердил свою высокую эффективность 3 февраля 1866 года, когда было закончено бурение скважины 1 на Кудакинском промысле и из нее забил фонтан нефти. Это был первый в России и на Кавказе фонтан нефти.
Практически всем благам цивилизации, которые имеются у нас сегодня, мы обязаны нефти. Начиная с XX века эта маслянистая горючая жидкость является самым важным полезным ископаемым. Из него изготавливается топливо для всех видов транспорта, различные виды материалов вроде пластмассы, красители, моющие средства, а также многое другое. Если верить историческим документам, человечество начало добывать и использовать нефть в IV веке нашей эры. Именно тогда жители Китая использовали это вещество в качестве оружия, бросая наполненные им емкости во врагов, заранее его поджигая. Потом, уже другие народы, использовали нефть для освещения домов, добавляя его в примитивные светильники в качестве топлива. Промышленная добыча нефти была начата только в XIX веке, но кто занялся этим первым, однозначно сказать невозможно. Но давайте попробуем разобраться в предположениях.
Современная скважина для добычи нефти
Как использовали нефть в древности?
Как я уже отметил в начале статьи, первыми добытчиками нефти в мире считаются жители Китая. Они открыли нефть случайно, пытаясь найти под землей воду, чтобы извлечь из нее соль. Чтобы достичь цели, они использовали чуть ли не первую в мире нефтяную скважину. Она представляла собой стволы бамбука с металлическими наконечниками для проделывания отверстия. Вместе с солью на поверхность иногда выходила маслянистая жидкость черного цвета и специфическим запахом — это и была нефть. Помимо использования в качестве оружия, жители Китая применяли его как топливо для ламп.
В древности нефть использовали в качестве оружия
Путешественник Марко Поло
Первая промышленная добыча нефти
Долгое время человечество не понимало, какую еще пользу можно извлечь из нефти. Осознание пришло только ближе к началу XX века, когда начали появляться первые автомобили, военная техника, пластмасса и так далее. Одной из первых компаний по добыче нефти стала Seneca Oil. На момент ее основания интерес к нефти был низок, но бывший железнодорожник Эдвин Дрейк чувствовал потенциал этого вещества и купил несколько акций компании. Получая оплату в размере 1000 долларов в год, он занимался поиском нефти не на поверхности, а в глубинах земли. Сначала попытки не приносили никакого результата, поэтому от его услуг компания Seneca Oil отказалась.
Эдвин Дрейк — первый человек, который добыл нефть в Америке
Однако, как обычно и бывает в таких ситуациях, именно после этого Эдвин Дрейк нашел месторождение нефти на территории флоридского города Тайтусвилл. Это произошло 27 августа 1859 года. Он основал собственную компанию и добывал по 25 баррелей нефти в день. Только вот он не успел запатентовать свою технологию добычи нефти и потерял все деньги на биржевых спекуляциях. К счастью, за заслуги перед нефтяной индустрией, власти штата Пенсильвания учредили ему пенсию в размере 1500 долларов в год.
Добыча нефти в Тайтусвилле
Тот факт, что Эдвин Дрейк является первым человеком, который добыл нефть, не является общепринятым. Дело в том, что есть множество свидетельств о том, что первая промышленная добыча нефти была произведена в других государствах вроде Российской империи, Германии и Канады.
Первая нефтяная скважина в Азербайджане
Добыча нефти в месторождении Биби-Эйбат в XIX веке
Нефть была и остается самым главным полезным ископаемым. Как бы человечеству не хотелось отказаться от нее, чтобы сберечь природу, сделать это будет непросто. На данный момент инженеры активно развивают электрические автомобили, которые должны уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу нашей планеты. Но многие не учитывают, что используемые в них батареи имеют небольшой срок службы, а при утилизации окружающей среде тоже наносится большой вред. Так как от нефти сегодня зависит очень многое, человечество вряд ли сможет отказаться от нее в ближайшие 100 лет. А хороших альтернативных источников энергии, как показывает практика с электрическими автомобилями, сегодня очень мало.
Читайте также: