Jak wydobywa się ropę naftową? Metody na lądzie i na morzu
Spis treści
Wydobywanie ropy naftowej polega na dowierceniu się do pułapki geologicznej, w której ropa wypełnia pory skały, i wyprowadzeniu jej odwiertem na powierzchnię, na lądzie albo z platformy morskiej. Dopóki ciśnienie złożowe pokonuje ciężar słupa płynu w otworze, ropa płynie sama. Później trzeba ją pompować, a w końcu wypierać wodą, gazem lub parą. Mimo to 40–70% ropy zostaje w złożu.
Czym jest ropa naftowa i z czego się składa?
Ropa naftowa to naturalna, ciekła mieszanina węglowodorów, czyli związków węgla i wodoru, z domieszką związków siarki, azotu i tlenu oraz śladowych ilości metali. W ropie surowej, takiej, jaka wypływa z odwiertu, węgiel stanowi zwykle 83–87% masy, a wodór 10–14%. Proporcje między alkanami, cykloalkanami i węglowodorami aromatycznymi zmieniają się jednak od złoża do złoża.
Z tego powodu ropa ropie nierówna. Podstawowym kryterium podziału jest gęstość ropy: lekka ma poniżej ok. 0,87 g/cm³, ciężka powyżej ok. 0,92 g/cm³. Gęstość ropy z polskich złóż karpackich, podawana w danych Państwowego Instytutu Geologicznego, mieści się między 0,750 a 0,943 g/cm³. Zakres ten obejmuje więc oba krańce skali.
Różnica ma skutki praktyczne. Ropa lekka łatwo płynie w skale i daje w rafinerii więcej benzyny oraz oleju napędowego. Ciężka jest lepka, trudniej ją wydobyć i drożej przetworzyć. Te trudności dotyczą choćby zasobów ropy Wenezueli, w dużej części złożonych z ropy ciężkiej.
Jak powstaje złoże ropy?
Złoże ropy powstaje przez miliony, a często dziesiątki i setki milionów lat z materii organicznej – głównie planktonu i glonów – zasypanej osadami na dnie mórz i jezior. Bez dostępu tlenu szczątki nie rozkładają się do końca. Pod naciskiem kolejnych warstw zmieniają się w kerogen: nierozpuszczalną substancję organiczną rozproszoną w drobnoziarnistej skale, zwanej skałą macierzystą.
Kerogen przechodzi w ropę dopiero w oknie naftowym. Ten zakres zaczyna się przy ok. 60°C i kończy przy ok. 150°C. Odpowiada to zwykle głębokości 2–5 km, zależnie od tempa przyrostu temperatury w danym basenie. Przebieg tej przemiany obliczono na podstawie próbek z 29 morskich skał macierzystych z całego świata. Badanie opisano w publikacji w AAPG Bulletin. Przy powolnym, geologicznym tempie nagrzewania połowa kerogenu zmienia się w ropę średnio w ok. 136°C. Powyżej górnej granicy okna powstaje już głównie gaz ziemny.
Powstała ropa jest lżejsza od wody wypełniającej pory skał, więc wypierana ze skały macierzystej wędruje ku górze – to migracja ropy. Złoże konwencjonalne tworzy się tylko tam, gdzie skała zbiornikowa leży pod nieprzepuszczalną warstwą uszczelniającą, na przykład porowaty piaskowiec albo wapień pod iłem, solą lub anhydrytem. Taki układ nazywa się pułapką geologiczną; najczęstsza jest antyklina, czyli fałd wygięty ku górze, ale ropę zatrzymują też uskoki i wysady solne. Bez pułapki ropa uchodzi na powierzchnię jako naturalny wyciek.
Z budowy złoża wynikają dwie rzeczy ważne dla wydobycia. W złożu konwencjonalnym pułapka wyznacza miejsce odwiertu, bo poza nią ropy nie ma w ilości wartej eksploatacji. Uszczelnienie utrzymuje zaś w złożu ciśnienie, od którego zależy, czy ropa popłynie sama.
Jak wydobywa się ropę na lądzie?
Przemysłowe wydobycie zaczęło się w połowie XIX wieku od dwóch różnych technik. W 1854 roku w Bóbrce koło Krosna Ignacy Łukasiewicz ze wspólnikami założył jedną z pierwszych kopalń ropy, w której szyby kopano ręcznie. Pięć lat później w Titusville w Pensylwanii Edwin Drake przystosował do poszukiwania ropy technikę wiercenia studni solankowych. Jak odnotowuje muzeum Drake Well, od jego odwiertu zaczął się amerykański przemysł naftowy. Z tej techniki wywodzi się dzisiejsza metoda otworowa.
Współczesne wydobycie ropy naftowej na lądzie wymaga odwiertu, który powstaje w czterech etapach:
- Teren bada się metodą sejsmiczną. Fale sprężyste wzbudzone wibratorem odbijają się od granic warstw, a z czasu ich powrotu powstaje przestrzenny obraz pułapek.
- Otwór wierci się obrotowym świdrem na przewodzie z rur, którym krąży płuczka wiertnicza. Płuczka chłodzi świder, wynosi zwierciny i równoważy ciśnienie skał.
- Każdy odcinek otworu zabezpiecza się rurą okładzinową i cementuje przestrzeń za nią, by odizolować wody podziemne i warstwy o różnym ciśnieniu.
- Na wysokości złoża przestrzeliwuje się rury i montuje na powierzchni głowicę eksploatacyjną z zaworami, potocznie zwaną choinką.
Gdy skała zbiornikowa słabo przepuszcza płyny, pionowy otwór styka się z nią na zbyt krótkim odcinku. Wtedy stosuje się wiercenie poziome: na głębokości złoża otwór zakręca i biegnie wzdłuż warstwy przez setki metrów, a nawet kilka kilometrów. Drugim zabiegiem jest szczelinowanie hydrauliczne, w którym woda z piaskiem tłoczona pod wysokim ciśnieniem rozrywa skałę. Ziarna piasku podpierają powstałe szczeliny. Bez tych dwóch zabiegów ropa z łupków nie dopływałaby do odwiertu w opłacalnej ilości.
Od czego zależy, czy ropa popłynie sama? Od relacji między ciśnieniem złożowym a ciężarem słupa płynu w otworze i oporami przepływu. Opory te rosną, gdy skała słabo przepuszcza płyny, a ropa jest lepka. Dopóki ciśnienie złożowe pokonuje ten ciężar wraz z oporami przepływu, ropa wypływa samoczynnie i wystarczy regulować ją zaworami głowicy. Gdy ciśnienie spada, montuje się kiwak pompowy, który porusza żerdziami tłokowej pompy wgłębnej, albo gas lift – wtłaczanie gazu do rur wydobywczych, obniżające gęstość mieszaniny. O sposobie wydobycia decyduje więc złoże: jego ciśnienie, przepuszczalność skały i lepkość ropy.
W piaskach bitumicznych ropa ma postać bitumu zbyt lepkiego, by płynąć w temperaturze złoża. Płytko leżące pokłady, pod kilkudziesięcioma metrami nadkładu, wyznaczają granicę metody otworowej i wydobywa się je odkrywkowo. Bitum oddziela się następnie od piasku gorącą wodą. Głębsze pokłady udrażnia się wtryskiem pary i eksploatuje znów otworami.
Wydobycie ropy spod dna morza
Głębokość wody decyduje o tym, jaka jednostka może pracować nad złożem. Samo wiercenie przebiega tak jak na lądzie. Na płyciznach do ok. 100–120 m wierci się z platform samopodnośnych typu jack-up, które opuszczają nogi na dno i podnoszą kadłub ponad fale. Długotrwałą produkcję na wodach do ok. 500 m prowadzi się zwykle z platform stałych, czyli stalowych kratownic albo betonowych konstrukcji posadowionych na dnie.
Głębiej oparcie na dnie przestaje się zwykle opłacać. Platforma półzanurzalna unosi się na zatopionych pontonach i trzyma pozycję kotwicami albo pędnikami. Statek wiertniczy z pozycjonowaniem dynamicznym wiercił już przy 3628 m wody, w rekordowym odwiercie z 2021 roku. Głowice takich odwiertów stoją na dnie jako system subsea. Ropa płynie z nich rurociągami do FPSO, czyli statku, który ją wstępnie oczyszcza, magazynuje i przekazuje tankowcom.
Według analizy amerykańskiej agencji EIA w 2015 roku wydobycie morskie stanowiło 29% światowego wydobycia ropy. 64% tej produkcji dawały płytkie wody. Za głębokowodne agencja uznaje wody głębsze niż 125 m. Przewaga płycizn ma uzasadnienie ekonomiczne: wydobycie na płytkich wodach jest tańsze i technicznie mniej wymagające.
Każdy dodatkowy metr wody oznacza dłuższe przewody, droższe jednostki i trudniejszą kontrolę odwiertu. Głowicę przeciwerupcyjną, która w razie niekontrolowanego wypływu zamyka otwór, stosuje się przy każdym wierceniu, także lądowym. Przy wierceniu z jednostek pływających montuje się ją na dnie. Na platformach samopodnośnych i na lądzie stoi na powierzchni.
Dlaczego ze złoża nie da się wydobyć całej ropy?
Duża część ropy zostaje w skale na zawsze. Nawet gdy złoże przejdzie wszystkie trzy etapy odzysku, pozostaje w nim zwykle 40–70% pierwotnej ilości ropy. Dlaczego odwiert nie opróżnia złoża jak zbiornika? Ropa nie stoi w podziemnym jeziorze, tylko wypełnia drobne pory skały, w których trzymają ją siły kapilarne i jej własna lepkość.
Współczynniki odzysku podane w opracowaniu Departamentu Energii USA liczone są narastająco, jako odsetek pierwotnej ilości ropy w złożu.
- Odzysk pierwotny – ropę wypycha energia samego złoża, czyli rozprężający się gaz, napór wód i grawitacja, wspomagane pompami; wydobywa się zwykle tylko około 10%.
- Odzysk wtórny – do złoża zatłacza się wodę lub gaz, które wypierają ropę w stronę odwiertu wydobywczego; łącznie 20–40%.
- Odzysk trzeciego rzędu – zmienia się właściwości ropy albo płynu, który ją wypiera. Wtrysk pary obniża lepkość ropy. Dwutlenek węgla, azot, polimery i środki powierzchniowo czynne poprawiają wypieranie. Łącznie daje to 30–60% lub więcej.
Każdy kolejny etap kosztuje więcej na baryłkę, więc stosuje się go tylko wtedy, gdy cena ropy pokrywa koszt pary, gazu albo chemikaliów. To, jaka ilość ropy ze złoża trafi ostatecznie na powierzchnię, zależy zatem zarówno od geologii, jak i od ekonomiki.
Gdzie wydobywa się ropę w Polsce?
Wydobycie ropy naftowej w Polsce opiera się na dwóch obszarach, na których widać obie metody: na lądzie w zachodniej części Niżu Polskiego i z platform na szelfie Bałtyku.
Największe jest lądowe złoże Barnówko–Mostno–Buszewo (BMB), które ma 5,1 mln ton zasobów wydobywalnych i jest eksploatowane kilkudziesięcioma otworami. Jego roczna produkcja wynosiła 239 tys. ton. W tym samym regionie działa też Kopalnia Lubiatów.
Czy Polska „leży na ropie”? Złóż jest wiele, ale są małe: wszystkie udokumentowane mają łącznie 19,5 mln ton zasobów wydobywalnych bilansowych. W zagłębiu karpackim, kolebce polskiego przemysłu naftowego, ruchy górotwórcze pocięły skały na drobne bloki, więc pułapki mieszczą niewiele ropy. Tamtejsze złoża mają dziś marginalne znaczenie gospodarcze.
