Proces wydobycia ropy naftowej jest niezwykle kosztowny i czasochłonny. Wymaga dokonania szeregu pomiarów, badań, pobrania próbek, a finalnie dokonania odwiertów w celu potwierdzenia obecności surowca. Oczywiście napotyka się przy tym na szereg utrudnień, takich jak np. porowatość skały czy też lepkość samego podłoża. W przeszłości z odkrytego złoża wydobywano zaledwie 10% surowca, pozostawiając resztę pod ziemią. Dzięki nowoczesnym technologiom wydobywczym stopień odzysku ropy naftowej i gazu ziemnego wzrósł do ponad 60%.
Wydobycie gazu ziemnego
Gaz ziemny występuje w zewnętrznej warstwie skorupy ziemskiej, czyli litosferze. Powstał on w wyniku przemian substancji organicznych w różnych warunkach ciśnienia i temperatury, zachodzących przez wiele milionów lat. Gaz ziemny składa się w głównej mierze z metanu (CH4) i jego homologów (C3-C4). Jego skład jest silnie uzależniony od rodzaju złoża, z którego jest wydobywany. Oczywiście oprócz metanu i jego homologów gaz ziemny zawiera również szereg niepożądanych składników, takich jak azot, woda, siarkowodór czy też dwutlenek węgla.
W warunkach naturalnych gaz ziemny może towarzyszyć ropie naftowej lub występować oddzielnie. Występuje głównie w dwóch formach: jako gaz swobodnie rozpuszczony w wodzie lub ropie, bądź w postaci zaabsorbowanej w skałach albo węglu.
Gaz wytwarzany metodami przemysłowymi
Stosując metody przemysłowe można otrzymać kilka rodzajów gazów:
a) Gazy płynne – popularnie określane jako LPG (Liquefied Petroleum Gas). Ich głównymi składnikami są propan (C3H8) oraz butan i izobutan (C4H10). Otrzymywane są głównie poprzez stabilizację surowej gazoliny, ropy naftowej lub też przez przeróbkę gazów rafineryjnych pochodzących z procesów reformingu, krakingu i pirolizy,
b) Gaz miejski – otrzymywany w warunkach nisko- i średniotemperaturowego wytlewania węgla,
c) Gaz koksowniczy – produkowany w procesie wysokotemperaturowego odgazowania węgla,
d) Gaz ze zgazowania węgla – otrzymywany jest poprzez oddziaływanie na węgiel brunatny lub kamienny mieszaniną pary wodnej z tlenem w temperaturach powyżej 900°C. Jego skład jest zależny od zastosowanej technologii zgazowania. Największe znaczenie gospodarcze ma wytwarzanie mieszaniny CO i H2 (tzw. gaz syntezowy).
Zastosowanie i zalety paliw gazowych
Paliwa gazowe posiadają szereg zalet. Charakteryzuje je przede wszystkim wysoka sprawność energetyczna. Ponadto zapewniają stałą temperaturę spalania, nie wymagają magazynowania u użytkownika oraz spalają się bezdymnie (bez popiołu i emisji tlenków siarki). Gaz ziemny jest cennym nośnikiem energii oraz ważnym surowcem w przemyśle: chemicznym (wytwarzanie gazu syntezowego), energetycznym (tłokowe silniki spalinowe, turbiny gazowe, generatory), budowlanym (produkcja, szkła, cementu i ceramiki budowlanej) i hutnictwie (piece grzewcze).
Wydobycie ropy naftowej
Wybór lokalizacji nowego pola naftowego to bardzo skomplikowany i kosztowny proces. Zaczyna się od wykonania badań sejsmicznych w celu poszukiwania odpowiednich struktur geologicznych mogących tworzyć złoża ropy naftowej. Wykorzystuje się w tym celu dwie metody badawcze. Pierwsza obejmuje dokonywanie podziemnych eksplozji w pobliżu złoża i obserwowanie reakcji sejsmicznych, które pozwalają uzyskać informacje na temat jego położenia i wielkości. Druga metoda polega na pozyskiwaniu tych danych z naturalnie występujących fal sejsmicznych.
Pierwszy etap wydobycia ropy naftowej polega na dokonaniu długiego odwiertu w ziemi. Następnie w wywierconym otworze umieszczana jest obudowa (stalowa rura), zapewniająca stabilność całej konstrukcji. W dalszym etapie wykonuje się więcej otworów, tak aby umożliwić zwiększony przepływ wydobywanej ropy naftowej. W celu rozpuszczenia zanieczyszczeń w odwiercie często stosuje się kwas solny, który skutecznie zakwasza formacje węglanowe i wapienne oraz usuwa osady z kamienia, rdzy i karbonitu. Kwas chlorowodorowy jest także stosowany w celu usunięcia resztek cementów pozostałych po zakończeniu procesu wiercenia. W kolejnym etapie na górze odwiertu stawiana jest specjalna instalacja, nazywana czasami „choinką świąteczną”. Jest to zestaw połączonych zaworów, rur i armatury, które mają na celu regulację ciśnienia i przepływu ropy oraz gazów.
Po podłączeniu całej aparatury następuje etap odzyskiwania pierwotnego. W celu wydobycia ropy w tym procesie wykorzystuje się wiele naturalnych mechanizmów, takich jak np. drenaż grawitacyjny. Współczynnik odzysku w etapie pierwotnym zazwyczaj nie przekracza 15%. Wraz z dalszym wydobyciem ciśnienie pod ziemią spada i staje się niewystarczające, aby nadal wypierać ropę na powierzchnię. W tym momencie zaczyna się etap odzyskiwania wtórnego.
Wyróżnia się wiele technik wtórnego odzyskiwania ropy naftowej. Polegają one zazwyczaj na dostarczeniu energii zewnętrznej do złoża przez wstrzykiwanie płynów (np. wody) lub gazów (np. powietrze, dwutlenek węgla) w celu zwiększenia ciśnienia pod ziemią. Średni współczynnik odzysku po pierwotnych i wtórnych operacjach odzyskiwania ropy zazwyczaj nie przekracza 45%. Ostatnim etapem procesu wydobycia jest tzw. odzysk trzeciego rzędu, który można uzyskać, wykorzystując różne techniki. Pierwsza z nich zmniejsza lepkość ropy poprzez ogrzewanie termiczne. Kolejna polega na wtrysku gazu do złoża (zatłaczanie dwutlenkiem węgla). Ostatnią metodę stanowią tzw. powodzie chemiczne. Polegają one na mieszaniu gęstych, nierozpuszczalnych polimerów z wodą i wstrzykiwaniu ich pod ziemię. Trzeciorzędowe odzyskiwanie pozwala na osiągnięcie dodatkowych 15% wydobycia ropy ze złoża.
Ze względu na kończące się rezerwy lądowych złóż ropy, rozpoczęto poszukiwania jej zasobów pod dnem morskim. W tym celu budowane są platformy wiertnicze, co jest skomplikowanym, kosztownym i czasochłonnym procesem – budowa platformy wydobywczej trwa przeważnie 2 lata. Mogą być one przytwierdzone na stałe do dna (głębokość do 90m) lub dryfować na specjalnych pływakach, zamocowanych systemem kotwic. Morskie platformy wiertnicze zazwyczaj są połączone z siecią kilkudziesięciu odwiertów, które wydobywają ropę znajdującą się w porowatych skałach. Oprócz wydobycia ropy naftowej na platformie wiertniczej dochodzi także do jej oddzielenia od gazu. Tak otrzymany surowiec transportowany jest systemem rurociągów do rafinerii lub do statku wydobywczo-przeładunkowego. Następnie ropa i gaz są przesyłane do tankowca, który przewozi ją na ląd.
Oczywiście ilość odzyskiwanej ropy naftowej nie zależy tylko od zastosowanych technik odwiertu. Kluczowymi w tym wypadku są czynniki geologiczne, takie jak przepuszczalność skały, siła naturalnych napędów, porowatość złoża czy też sama lepkość ropy.
Przetwarzanie ropy naftowej
Wydobytą ropę poddaje się przeróbce w rafineriach, otrzymując paliwa, oleje, smary, asfalty oraz inne produkty. Najczęściej ropę naftową rozdziela się na frakcje bez chemicznej zmiany jej składników. Uzyskuje się w ten sposób gazy rafineryjne lotne w temperaturze pokojowej, eter naftowy o temperaturze wrzenia 35-60°C, benzynę lekką i ciężką, naftę, oleje napędowe o różnych temperaturach wrzenia oraz mazut, czyli pozostałość o temperaturze wrzenia powyżej 350°C.
Ropę naftową przerabia się w wielu różnych procesach, takich jak:
a) Kraking – polega na rozkładzie długich węglowodorów alifatycznych, znajdujących się w ciężkich frakcjach mazutu i olejów, na związki o krótszych łańcuchach występujących w benzynie i oleju napędowym. Oprócz węglowodorów alifatycznych o krótkich łańcuchach w procesie powstają także: metan, LPG, nienasycone węglowodory oraz koks. Kraking może być inicjowany metodami termicznymi, katalitycznymi lub radiacyjnymi,
b) Reforming – jest to proces stosowany wobec lekkich frakcji ropy naftowej lub też produktów otrzymanych z krakowania w celu otrzymania paliw o wysokiej liczbie oktanowej. Proces prowadzony jest w obecności wodoru z zastosowaniem bardzo kosztownych katalizatorów platynowych. W procesie reformingu otrzymuje się wodór, gaz rafineryjny, LPG, a także izobutan i n-butan,
c) Destylacja – ma na celu rozdzielenie ropy naftowej na frakcje wrzące w różnych zakresach temperatur. Dzięki temu procesowi otrzymywane są podstawowe frakcje, takie jak: gaz suchy i mokry, benzyna lekka i ciężka, nafta, olej napędowy, mazut oraz gudron,
d) Alkilacja – jest to reakcja olefin z izobutanem, w wyniku której powstają izoparafiny o wyższej masie cząsteczkowej i liczbie oktanowej. W procesie alkilacji funkcję katalizatora może pełnić kwas siarkowy,
e) Piroliza – proces degradacji prowadzony bez dostępu tlenu w bardzo wysokich temperaturach. Stosuje się go w celu rozkładu ciężkich frakcji ropy naftowej na popirolityczną benzynę, oleje i smołę.
Oferta Grupy PCC dla przemysłu wydobywczego
W celu usprawnienia procesu wydobycia i przeróbki ropy naftowej kluczowym jest stosowanie różnych substancji pomocniczych. Ług sodowy wykorzystywany jest w procesie rafinacji ropy naftowej, olejów mineralnych, paków i asfaltów oraz wydobycia gazów z łupków. Wodorotlenek sodu w Grupie PCC wytwarzany jest w procesie elektrolizy membranowej i dostarczany w postaci roztworu o stężeniu ok. 50%. Kolejnym zastosowaniem wodorotlenku sodu w przemyśle wydobywczym jest przeróbka ścieków i ciekłych produktów koksowania.
Ważną grupą produktów mających ogromne zastosowanie w wydobyciu oraz produkcji ropy i gazu są surfaktanty. Środki powierzchniowo czynne obniżają napięcie międzyfazowe pomiędzy ropą naftową a skałą. Dzięki temu maleją siły adhezji i dodatkowe porcje ropy mogą zostać uwolnione ze złoża. Surfaktanty mają także zastosowanie jako środki do zmniejszania szkód ekologicznych powstałych w wyniku wycieków ropy naftowej i substancji ropopochodnych. Środki powierzchniowo czynne używane są też do czyszczenia cystern i statków transportujących wydobyty surowiec.
Jedną z najważniejszych grup środków powierzchniowo czynnych stosowanych w preparatach czyszczących są alkiloeterosiarczany oferowane przez Grupę PCC w postaci serii SULFOROKAnol. Produkty te ze względu na swój anionowy charakter świetnie sprawdzą się w formulacjach z innymi anionowymi, niejonowymi oraz amfoterycznymi związkami powierzchniowo czynnymi. Ich zdolności myjące, emulgujące i pianotwórcze sprawiają, że są stosowane jako składniki formulacji czyszczących różne powierzchnie. Podobne zastosowanie ma także kwas alkilobenzenosulfonowy (ABS) i jego sole, np. ABSNa. Kwas ABS/1 należy do grupy anionowych środków powierzchniowo czynnych. Dzięki swojej rozpuszczalności w ropie naftowej może on stanowić składnik środków pomocniczych stosowanych do jej wydobycia i przeróbki. Dodatkowo, Kwas ABS/1 dzięki swoim właściwościom detergencyjnym wykorzystywany jest do procesów mycia i odłuszczania np. cystern i statków. W skład formulacji czyszczących, stosowanych w przemyśle naftowym, mogą również wchodzić produkty serii ROKAmid. Charakteryzują się one zdolnością do tworzenia gęstej i stabilnej piany nawet w niewielkim stężeniu. Dzięki swojej ciekłej postaci ROKAmidy znacząco ułatwiają wszelkie operacje związane z ich magazynowaniem, transportem, a także dozowaniem.
Kolejną grupą produktów niezbędnych w procesach wydobycia ropy naftowej i gazu ziemnego są emulgatory. Znajdują one zastosowanie w przemysłowych metodach odwadniania i odsalania ropy. Procesy te polegają na podgrzewaniu ropy wraz z dodatkiem emulgatorów w urządzeniach zwanych elektrodehydratorami. Tak podgrzaną mieszaninę przetłacza się przez przestrzeń koncentrycznego układu elektrod. Obdarzone ładunkiem krople wody ulegają deformacji, tracą swój ładunek i łatwiej łączą się ze sobą, tym samym oddzielając się od ropy. Odwodniona i odsolona ropa naftowa może być poddawana dalszym przeróbkom. Doskonale w roli emulgatorów w przemysłowych procesach odwadniania i odsalania sprawdzą się ROKAnole. Są to niejonowe środki powierzchniowo czynne należące do grupy alkoksylowych alkoholi tłuszczowych. ROKAnole mogą być stosowane w bardzo szerokim zakresie temperatur, a także w środowisku kwaśnym, obojętnym i słabo alkalicznym. Produkty serii ROKAnol mogą również wchodzić w skład odtłuszczających środków czyszczących, stosowanych w przemyśle naftowym.
Bardzo dobrymi właściwościami emulgującymi wykazują się również etoksylowane pochodne estrów sorbitanu, takie jak ROKwinol 60 i ROKwinol 80. Produkty te mogą stanowić składniki płuczek wiertniczych stosowanych przy wydobyciu ropy naftowej. Z kolei estry sorbitanu, takie jak ROKwin 60 i ROKwin 80, mogą być stosowane przy wycieku substancji ropopochodnych do wód jako środki dyspergujące.