XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нефть - полезное ископаемое. К 100-летию Республики Коми
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность темы
Данный проект является очень значимым для каждого жителя Земли. Темой нашего исследования стала нефть и особенности ее добычи. Почему мы взяли для исследования именно эту тему? Почему нефть называют чёрным золотом и основой цивилизации?
Во-первых, на занятиях по робототехнике мы сделали модель «Нефтекачалка», и нас очень заинтересовала тема добычи нефти. Во-вторых, нефть - это геологический ресурс является самым важным на нашей планете. Это главная стратегическая жидкость наших дней. В процессе изучения темы у нас возникли вопросы, которые мы систематизировали и решили по ним провести исследовательскую работу.
Цель проекта: Узнать, что такое нефть и как ее добывают?
Задачи проекта:
1. Собрать информацию о том, что такое нефть и для чего ее добывают.
2. Изучить, где используют нефть и продукты нефтепереработки.
3. Ответить, как добывают нефть.
4.Собрать модель «Нефтекачалка» (установки для добычи нефти) из LEGO.
Гипотеза:
Мы предположили, что:
1. Нефть – очень полезна;
2. Добыча нефти и ее переработка очень сложный процесс.
Объект исследования: нефть.
Предмет исследования: установка для нефтедобычи «Нефтекачалка»
Методы и приёмы:
сбор информации;
работа с литературой;
просмотр видеоматериалов;
обработка собранной информации и анализ.
cоздание модели из LEGO
Практическая значимость: работа может быть использована на уроках химии, географии, физики и во внеурочной деятельности для изучения темы «Полезные ископаемые» и понимания сложности их добычи. Актуальным считается проблема невозобновляемых ресурсов, поэтому остро стоит вопрос о разумном и бережном отношении к ним.
Введение
Основная цель данной работы - рассказать о нефти и нефтяной индустрии просто и понятно. Что же такое нефть? Как она образуется? Каким образом ее находят, какими методами? Нужна ли нам нефть на самом деле? Это все важные и правильные вопросы. Но на некоторые из них ответить не так-то просто. На сегодняшний день нефть и продукты ее переработки прочно вошли в нашу жизнь. Что мы уже не можем представить, как без столь ценного ресурса обходились раньше люди. Но мало кто задумывается, какой путь приходится проделать нефти, чтобы из жидкого ресурса прийти к нам на стол в виде компьютера или мобильного телефона.
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. 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. Примерно 750 лет назад известный путешественник Марко Поло в описании своих путешествий на Восток упоминает использование нефти жителями Апшеронского полуострова в качестве лекарства от кожных заболеваний и топлива для освещения. Первые упоминания о нефти на территории России относятся к XV веку. Двинская летопись упоминает «горючую воду», которую использовали местные племена, собирая её с поверхности реки Ухты. К концу XVII века об ухтинской нефти узнали и в Европе: в 1692 году в Амстердаме вышла книга авторства голландского путешественника Николаса Витсена, где был описан в том числе Печорский край.
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, использущийся для освещения, породил спрос на исходный материал. Так было положено начало нефтедобывающей промышленности.
Основная часть
Что такое нефть? Как появляется нефть?
Нефть - полезное ископаемое, представляющее из себя маслянистую жидкость. Это горючее вещество, часто черного цвета, хотя цвета нефти в разных районах различаются. Она может быть и коричневой, и вишнёвой, зелёной, желтой, и даже прозрачной. С химической точки зрения нефть - это сложная смесь углеводородов с примесью различных соединений, например, серы, азота и других. Ее запах также может быть различным, так как зависит от присутствия в ее составе ароматических углеводородов, сернистых соединений.
В зависимости от количественного соотношения различных углеводородов, составляющих нефть, ее свойства также различаются. Нефть бывает прозрачной и текучей как вода. А бывает черной и настолько вязкой и малоподвижной, что не вытекает из сосуда, даже если его перевернуть.
Образование нефти – процесс весьма длительный. Он проходит в несколько стадий и занимает по некоторым оценкам 50-350 млн. лет. Наиболее доказанной и общепризнанной на сегодняшний день является теория органического происхождения нефти или, как ее еще называют, биогенная теория. Согласно этой теории нефть образовалась из останков микроорганизмов, живших миллионы лет назад в обширных водных бассейнах (преимущественно на мелководье). Отмирая, эти микроорганизмы образовали на дне слои с высоким содержанием органического вещества. Слои, постепенно погружаясь всё глубже и глубже, испытывали воздействие усиливающегося давления верхних слоев и повышения температуры. В результате биохимических процессов, происходящих без доступа кислорода, органическое вещество преобразовывалась в нефть.
Поскольку плотность нефти, как правило, значительно меньше плотности воды, которая в ней всегда присутствует, нефть неизменно перемещается вверх и скапливается выше воды. Если присутствует газ, он будет на самом верху, выше нефти.
В некоторых районах нефть и углеводородный газ, не встретив на своем пути ловушку, выходили на поверхность земли. Здесь они подвергались воздействию различных поверхностных факторов, в результате чего рассеивались и разрушались.
Почему нефть называют черным золотом
Почему нефть называют черным золотом? Как оказалось, многие живо интересуются этим вопросом. Неожиданно для себя мы обнаружили, что на этот занятный вопрос не так-то легко ответить. Черное золото – образный перифраз слова «нефть». Это выражение настолько часто употребляется в житейских разговорах, в новостях, фильмах, книгах и конечно в интернете, что, казалось бы, найти первоисточник этого выражения не такая уж трудная задача. Но оказалось, что задачка эта не так проста.
Почему же нефть называют черным золотом?
Вообще, золотым принято называть все, что важно и полезно для человека. Все наверняка знают такое выражение как у него «золотые руки». Или у нее «золотое сердце». Нефть действительно важный и полезный ресурс. Поэтому недаром она ассоциируется с золотом. Нефть определенно имеет схожие черты с этим драгоценным металлом. Даже, несмотря на то, что нефть жидкая, а золото твердое. И нефть, и золото – это полезные ископаемые, залегающие в недрах земли. Чтобы их найти и добыть, необходимо приложить огромные усилия. Причем количество и того и другого ископаемого ограничено. И нефть, и золото относятся к невозобновляемым ресурсами. Поэтому требуют разумного, взвешенного и бережного отношения. И нефть, и золото обладают большой ценностью. Золото – как финансовый инструмент. Нефть – как источник энергии. При этом и нефть, и золото находят применение и в промышленности.
История Коми нефти
В рейтинге нефтегазоносных регионов нашей страны одну из ведущих позиций по праву занимает Республика Коми – территория небывалых природных богатств. В 2019 году нефтегазовая отрасль республики отметила 90-летие, однако углеводороды прославили этот край задолго до XX века. Первое письменное упоминание о получении нефти в России, первый нефтяной завод – всё это вехи в истории ухтинской земли, которая заслуженно считается колыбелью отечественной нефтедобычи.
Когда получили первую нефть в Коми? В веке XX или может в XIX, ответите вы. А вот и нет. По преданию, еще племя чудь, населявшее некогда Печорский край, добывало здесь нефть в ямах и применяло ее как целебное вещество и как смазочный материал. О добывании нефти на реке Ухте и об использовании ее для лечения некоторых болезней и для смазки осей телег упоминается и в Двинской летописи XV века. К концу XVII века об ухтинской нефти узнали и в Европе: в 1692 году в Амстердаме вышла книга авторства голландского путешественника Николаса Витсена, где был описан в том числе Печорский край. «Река Ухта является притоком реки Печоры, – сообщал Витсен. – На этой речке в полутора милях от Волока есть мелкое место, где выделяется маслянистое вещество, которое плавает по воде и представляет собой черную нефть». Однако путь от известности до серьезной, планомерной промышленной разработки оказался долгим, и звездный час ухтинского черного золота наступил не один и даже не два века спустя.
Интерес к северной нефти проявил первый российский император. Когда в 1721 году в Берг-коллегию поступила информация от рудоискателя из Архангельской губернии Григория Черепанова, нашедшего нефтяной ключ в Пустоозерском уезде на реке Ухте, Петр I приказал: «Нефтяной ключ освидетельствовать, взять нефтяную пробу и прислать в Санкт-Петербург для анализа». Пробы были доставлены для анализа, однако смерть Петра надолго положила конец правительственному интересу к ухтинской нефти.
Следующей важной вехой стал 1745 год, когда купец и рудознатец из Архангельской губернии Фёдор Прядунов обратился в Берг-коллегию за разрешением «завести в Пустозерском уезде при малой реке Ухте нефтяной завод». Много интересных подробностей о том, как добывали первую нефть в Коми крае, расскажет книга К. В. Кострина «Федор Прядунов и его нефтяной завод». Вот лишь несколько интересных фактов, приведенных в книге:
- уже в 18 веке на Севере России, на берегах реки Ухты, начала работать нефтеперегонная установка;
- создателем первого в мире нефтеперерабатывающего предприятия был архангельский рудоискатель, промышленник и землепроходец Федор Савельевич Прядунов;
- в 1745 году Прядунов построил в Пустоозерском уезде, «в двухстах верстах от урочища Ижменского села, в пустом месте при малой реке Ухте, невтяной завод», строительство которого обошлось ему в 500 рублей. А вот серьезное – промышленное – освоение нефтяных месторождений Коми началось в XX веке.
Началом собственно нефтяной промышленности края следует признать 21 августа 1929 года, когда была отправлена Ухтинская экспедиция ОГПУ, которая состояла из 139 заключенных, в том числе 68 инженеров и техников. История северной нефти – это история созидания. Она дала жизнь не только промыслам, но и новым городам и поселкам: Ухте, Войвожу, Нижнему Одесу, Усинску; послужила развитию нефтехимии, энергетики, строительного комплекса, транспорта, научно-технического потенциала. Путь, проделанный нефтегазовой отраслью республики, вывел ее на нынешние позиции – позиции региона с мощным промышленным потенциалом и хорошими перспективами
Применение нефти
Нефть в сыром виде почти нигде не используется. Она становится ценным ископаемым уже после первичной обработки, которая позволяет получить различные нефтепродукты. Наибольший интерес нефть представляет в виде разных видов топлива. Жидкость проходит несколько стадий очистки, разделения на фракции, в результате чего удается получить бензин, керосин, дизель и мазут. Полученные вещества отличаются недостаточно высоким качеством. Для их применения требуется дополнительная очистка, а также вторичная переработка. Вторичные процессы переработки нефти могут быть разными. Все зависит от того, какой продукт необходимо получить на выходе. Жидкость подвергается химическим процессам с целью получения высококачественных видов топлива, масел, битумов и т.п.
Области применения
- основной продукт переработки – различные виды топлива;
- пластмассовые изделия;
- искусственные ткани (синтетика);
- синтетические каучуки для изготовления шин;
- трубопроводы, линии электропередач (используется сырая нефть);
- солнечные батареи;
- пищевые продукты (белок синтетического происхождения, жевательная резинка и др.);
- косметика;
- медицина.
Интересный факт: до того, как человечество начало активно использовать продукты нефтепереработки, большим спросом пользовался китовый жир из-за его уникальных свойств. Это привело вплоть до массового истребления китов в 19 веке. Таким образом, благодаря прогрессу в области переработки нефти этим животным удалось избежать вымирания.
Продукты нефтепереработки и сама нефть окружают нас каждый день. 3.8 миллиарда тонн нефти потребляется в мире ежегодно, но только половина этого применяется в топливной промышленности. Наши автомобили ездят на бензине, а грузовики и тепловозы на дизельном топливе. Многие котельные для обогрева наших домов работают на котельном топливе. Кроме топлива нефть применяют в строительстве. Это и битум – материал для покрытия пола, стен, потолка, и асфальт из которого делают дороги, и различные растворители и лакокрасочные покрытия, и конечно же пластмассы из которых можно сделать окна, двери, линолеум и многое другое.
Каждый год в мире создается около 180 миллионов тонн пластмассы. А это, как известно самый распространенный материал, использующийся в производстве предметов быта, и получают его путем переработки нефти. Сюда входит и одежда, и обувь, и сумки с чемоданами, удобрения, спички, и даже кондитерские изделия и взрывчатые вещества, а также бытовая техника и электроника.
В настоящие время нефть служит сырьем для производства не только топлива, но также масел, смазок и многих других продуктов, таких как самых различных моющих средств, спиртов, гербицидов, взрывчатых веществ, медицинских препаратов, серной кислоты, синтетического белка и т.д. В процессе переработки из нефти получают мазут и бензин, разнообразные виды смазок, масла, растворители и охлаждающие жидкости. Строительные материалы в большом количестве, в частности битум, синтезируется из нефти. Современная, сегодняшняя промышленность автомобилей также полностью зависит от переработки нефти, а в частности нефтепродуктов. И неудивительно, ведь пластмассовые детали, которые находятся внутри салона, колеса, которые изготовлены из резины; краска, которой покрыт кузов – это все нефтепродукты. Нефть также служит сырьем при производстве белковых добавок для скота. И даже асфальтовое покрытие, по которому колесят автомобили – то же звено, из той же цепочки!
Способы добычи нефти.
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.
Датой начала промышленной мировой нефтедобычи, по данным большинства источников, принято считать 27 августа 1859 года.
Самыми известными способами разработки нефтяных месторождений являются: фонтанный, сланцевый, механический (насосный).
Фонтанный способ
Фонтанный способ — самый экономичный. Он основан на том, что нефтяной пласт в недрах находится под давлением пород, и жидкость сама поднимается на поверхность. Оборудование скважины состоит в этом случае только из труб в скважине и арматуры на поверхности, которая регулирует силу фонтана. Со временем напор, бьющий из скважины, ослабевает, тогда на место арматуры устанавливается механизированное оборудование, собирающее сырье в специальные резервуары.
Фонтанный метод добычи нефти считатся самым простым и эффективным, особенно на новых участках. Для этого способа не требуется значительных финансовых затрат на подъем сырья, а во время его применения используют исключительно избыточное давление внутри пласта. Фонтанный способ добычи нефти, относится к самым дешёвым в России. Через некоторое время после начала эксплуатации давление в скважине уменьшается и фонтан иссякает. С целью того чтобы добыча на этом не останавливалась разработаны способы извлечения за счет внешнего источника энергии, которая способствует подъему нефти на земную поверхность.
Сланцевый метод добычи нефти
Сланцевая добыча нефти является самой дорогостоящей. Она осуществляется с помощью бурения вертикальной скважины с поворотом бура в горизонтальную плоскость вдоль нефтеносного пласта. После горизонтального пробуривания делается гидравлический разрыв для интенсификации поступления нефти в скважину. Сланцевая революция началась с разработки в США двух месторождений Bakken и Eagle Ford. Учёные утверждают, что запасов сланцевой нефти на планете хватит на 300 лет. Есть мнение, что сланцевый метод добычи нефти может быть очень опасен для окружающей среды.
Механический (насосный) способ добычи нефти
Механический означает бурение скважины трубами на глубину залегания пласта, установку насосного оборудования и откачка нефти с помощью компрессора. Компрессор находится на поверхности, от него к насосу подводится шнур для питания насоса энергией.
Принцип работы насоса-качалки прост и надежен. Электродвигатель приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, который, в свою очередь, заставляет работать погружной скважинный штанговый насос. Он выглядит как длинный (2-4 метра) цилиндр, внутри которого двигается поршень-плунжер.
Плунжер и штанга оснащены клапанами, которые позволяют подниматься жидкости при движении поршня вверх (как набирает лекарство шприц). При движении поршня вниз закрывается клапан, через который она попала внутрь, и открывается другой, через который она под давлением поступает вверх.
Эти насосы благодаря своей простоте чрезвычайно надежны, могут эксплуатироваться очень долго. Когда запасы углеводородов в скважине истощаются, в подземный резервуар начинают закачивать газ или пресную воду, искусственно создавая избыточное давление.
В России и арабских странах нефть добывают традиционно механическим и фонтанным способами. Обходится она для российских нефтедобывающих компаний примерно в 15 долларов за баррель, в Саудовской Аравии — 6 долларов, в Америке сланцевая добыча рентабельна при себестоимости около 40 долларов за баррель. Добывают нефть не только на суше, но и на море, устанавливая плавучие нефтедобывающие платформы.
Современные способы нефтедобычи
Многие нефтедобывающие компании до сих пор работают по старинке, качая нефть качалками, производя ручной забор проб и отбивая уровень в скважине вручную. Однако, все меняется и в этой классической отрасли. Незаметно для нас с вами происходят большие изменения. Это связано, в первую очередь, с тем, что легкой нефти практически не осталось, а добыча сложной нефти требует рационального подхода и новых цифровых технологий.
Современные компании пользуются более эффективными способами. Весь процесс максимально автоматизирован и оснащен удаленным контролем. Станция управления насосами снабжена приборами слежения и управления насосами, которые находятся в скважинах. На обслуживании скважин работают специально обученные люди - операторы. Работа на добыче нефти осуществляется сменным вахтовым методом. Операторы следят за давлением в скважинах, уровнем и температурой.
Все управление осуществляется удаленно из центра управления добычей (ЦУД). У каждого оператора есть смартфон со специальным приложением, на который поступают задания из ЦУДа. Вся информация, поступающая в ЦУД, может быть визуализирована, что позволяет мультифункциональной команде принимать своевременные обоснованные решения, учитывающие все возможности и ограничения, отслеживать их качественное исполнение. Кроме процессов нефтедобычи здесь отображаются и другие направления производства. Вот, например, маршрут движения автомобиля нашей группы с визуализацией на карте, временем в пути и занятости водителя. Это позволяет оптимизировать не только производственные процессы, но и кадровую занятость.
При бурении скважин, добыче и транспортировке нефти большое внимание отводится сохранению экологии. Все отходы вывозятся и утилизируются, а побочные продукты, такие как газ и вода, идут на вторичную переработку.
2.7. Практическая часть
Станок-качалка — тип наземных приводов глубинных штанговых насосов при эксплуатации нефтедобывающих скважин. Операторы по добыче нефти и газа определяют этот привод как «Индивидуальный механический привод штангового насоса», народное название: «качалка». Первые качалки начали применять почти 100 лет назад. В процессе эволюции многократно совершенствовались, но основной принцип работы остался неизменным. Техническим языком можно описать так: вращательно поступательное движение преобразуется в поток жидкости посредством штангового насоса.
Модель «Станок-качалка» совершает возвратно-поступательные движения, передающиеся от двигателя зубчатой передачей.
Заключение
Подведем итог нашему проекту, целью которого было – изучение нефти и то, как она появляется. Мы исследовали свойства нефти, познакомились с продуктами её переработки, способами добычи. Считаем, что нефть справедливо называют «чёрным золотом», а проще говоря – одним из самых важных элементов современной жизни. Ведь она дает силы сердцам и мускулам машин, сотням отраслей промышленности, и даёт возможность осуществить самые смелые проекты.
Наша гипотеза о том, что нефть – очень полезна, подтвердилась. А добыча нефти и ее переработка - это очень сложный процесс.
Нефть является самым важным источником энергии в мире, на ее долю приходится 33% мирового энергопотребления. Она обладает высокой энергоемкостью и удобна для транспортировки, что делает ее практически незаменимым энергетическим ресурсом. Нефть очень важна для процветания нации, так как она дает энергию для развития транспортной системы и промышленности. Она также важна для выживания нации, так как в значительной степени влияет на обороноспособность страны. Ведь многие военные машины используют ее и продукты ее переработки в качестве топлива. Поэтому ничего удивительного, что нефть оказывается в центре многих политических и военных конфликтов. Нефть делает отдельных людей очень богатыми, приносит огромную прибыль компаниям и может бедные страны превратить в процветающие. Нефть может быть как благословением, так и проклятием. Все зависит от умения стран распоряжаться доставшимся им потенциалом.
4.Литература:
1. https://tehnowar.ru/83392-kak-dobyvajut-neft.html
2. https://vseonefti.ru/neft/pochemu-neft-chernoe-zoloto.html
3. http://energetika.in.ua/ru/books/book-1/part-2/section-8/8-1
4.https://www.gazprom-neft.ru/press-center/sibneft-online/archive/2015-july-august-projects/1108606/
5. https://myfin.by/wiki/term/neft
6. http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/081/487.htm
7. https://neb.nbrkomi.ru/docs/common/RKOMIBIBL0000768188
8. Кострин К. В. Федор Прядунов и его нефтяной завод: к вопросу о возникновении в XVIII в., впервые в мире, переработки нефти на Ухте. - Сыктывкар, 1959. - 39 с.