История материаловедения в нефтегазовой отрасли

Введение

«История материаловедения» должна раскрывать эволюцию развития материаловедения как науки и учебной дисциплины в плане расширения номенклатуры веществ-материалов, используемых человечеством с древнейших времен и по настоящее время, технологий материалов и вклад выдающихся личностей в этот процесс.
Нефтяная отрасль является одной из самых сложных и при этом высокоэффективных отраслей в жизнедеятельности общества. Она имеет большую историю становления, в том числе в области материаловедения. Изучение истоков развития отрасли отражается на уровне развития отрасли на сегодняшний день и возможностях дальнейшего развития.
Объектом исследования является нефтегазовая отрасль.
Предметом исследования является история материаловедения в нефтегазовой отрасли.
Целью исследования является изучение истории становления материаловедения в области нефтегазовой отрасли.
Цель определила ряд задач:
Изучить историю развития материаловедения;
Изучить историю открытия и использования нефти
Рассмотреть развитие научной мысли о нефти.


1.ИСТОРИЯ НАУКИ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»


Отрасль научного знания о материалах существует на протяжении тысячелетий. Первоисточниками материаловедения были первые попытки познать свойства различных веществ в глубокой древности. Создание отдельных технологических процессов на протяжении эволюции человечества отражало совершенствование производственной практики и опыта. Однако становление промышленности отражало рост социума в новых материалах для удовлетворения своих потребностей. В настоящее время историки предполагают, что существуют три эволюционных этапа в существовании данной науки.
Так, в Древней Греции Аристотель совершил прорыв в среде своих современников, описав те состояния вещества, которыми оперирует современная наука - твердое, жидкое и газообразное соотносительно с энергетическими потоками в виде таких составляющих как земля, вода, воздух и огонь. Мыслитель Древнего Рима Тит Лукреций Кар, проживавший в 99–55 гг. до н.э., создавая монументальный труд «О природе вещей», раскрывал предположения о сути природных материалов и их структуре. Так, твердые субстанции, по мнению философа, сформированы прочными и плотно соединенными компонентами, которые по густоте и плотности автор сравнивал с ветвями в лесной чаще. Наиболее крепким материалом считался алмаз, структуру которого не могли повредить даже удары, затем по убывающей перечислялись твердые минералы и сплавы железа, а также медь. В древности материаловеды не разделяли науку, как на стадии натурфилософского развития знаний, применительно к конкретным разновидностям технологических материалов.
Первично развитие науки о материалах происходило в Средние века, когда исследовательская деятельность принадлежала алхимикам. Так, достижением эпохи следует понимать смену традиционных элементов, введенных Аристотелем, на три компонента, внедренные в науку согласно изысканиям Парацельса – соли, серы и ртути. Концепция Парацельса интуитивно отражала существующие между атомами веществ связи, от силы которых зависели их дальнейшие свойства.
Огромным значением обладал труд Реомюра (1683–1757 гг.), излагавшего предположения о структурных характеристиках железа и его трансформации, а практическое применение концепции позволило создать инновацию в мире средневековых материалов и получить ковкий чугун.
Такие авторы как Бирингуччо (1480–1539 гг.) и Агриколы (1494–1555 гг.), выпустившие сборники по вопросам материаловедения, подвели итог о прикладном применении технологических процессов в сфере литейного дела и кузнечества, о плавке руды и организации промышленных мощностей в металлургии. Так, в эпоху Средних веков Москва издала в 1584 г. «Каменный приказ» о таких используемых в строительстве материалах как камень, кирпич и известь, нормирующих стандарты качества [4].
Созиданию основ отечественного материаловедения посвятили годы плодотворного труда такие ученые как М.В. Ломоносов и Д.И. Менделеев. Деятельность М.В. Ломоносова (1711–1765 гг.) позволила сформировать фундаментальные идеи передовых философов и ученых России, направив их на путь активного изучения химических, физических и геологических закономерностей. Сам Ломоносов создал курс физической химии и химической атомистики, раскрывая истинность строения вещества из атомов и молекул. Так, в 1752 г. Ломоносов опубликовал труд «Введение в истинную физическую химию», придерживаясь взглядов корпускулярной концепции материи, где указывал более точные градации корпускул, представленные атомами и сформированными из них молекулами.
В моменту перехода отрасли материаловедения на стадию промышленно-индустриального развития, имевшего место с середины XIX в. и завершившегося к концу первой половины XX в., человечество смогло освоить выпуск «на поток» таких материалов и изделий их них, которые были получены искусственно или синтезированы. Данные соединения создавались в связи с растущей интенсивностью процессов в сфере строительства, активным развитием заводов и фабрик, внедрением электроснабжения, сооружением гидротехнических объектов, развитием нефтегазодобычи, поиска и разработки пластов месторождений.
Для данного периода типичным являлось целенаправленная работа над различными аспектами свойств создаваемых человеком материалов, оценке сырья и его качеств, рассмотрения специфики технологии переработки, а также оценка полученных материалов, стандартизируя важные для промышленности параметры, за счет чего происходило совершенствование технологии по всем этапам.
Начало XIX в. ознаменовалось открытием технологических принципов производства стального литья в Великобритании, откуда эта технология проникла на заводы Круппа, а затем – в Россию. Российские ученые изготовили и апробировали литье из стали в 1881 г., а к 1911 г. страна пользовалась собственными техническими условиями и стандартами для литых стальных изделий. Открытия в дальнейшем имели особый вес в капитальном промышленном строительстве, для освоения месторождений нефти и газа.
Настоящий этап именуется современным (постиндустриальным). Его начало имело место с середины ХХ в. и он еще не завершен. Так, человечество продолжает активно выпускать и изобретать инновационные материалы, а также более основательно подходить к их изучению благодаря таким наукам как физика и химия, а также приступило к систематизации данных о материалах, произведенных из них продуктов и потенциале конструктивного использования. Активное создание новинок материаловедения было обусловлено началом мощной промышленной добычи полезных ископаемых, некоторые из которых (нефть и газ) добывались высокотехнологичными методами, с использованием не только литья, но и продуктов металлургии сплавов и химической индустрии [6].
Деление научного знания на отрасли все еще продолжается. Так, произошло формирование смежных дисциплин в комплексном материаловедении нефтегазодобывающей промышленности, изучающих легированные и углеродистые стали и чугуны, а также цветные металлы – алюминий, медь, титан и никель. Введены принципы классификации полученных из цветных металлов сплавов – латуней, бронз, дюралюминов, силуминов. Отдельно агрегированы знания о синтезе сектора неметаллических материалов, представленных полимерами, композитами, резинами и ситаллами.
Такая практика позволила расширить наработки материаловедов в нефтегазодобыче и достигнуть успехов в освоении ископаемых ресурсов.
На современной стадии материаловедение направлено не только в прикладном ракурсе, но и интенсивно систематизирует теоретические достижения о материалах, возможности комбинации и сочетания, сроках службы и диапазоне применения. Так, ученым удалось сформулировать единые закономерности, которыми наделены стандартизированные природные материалы и синтетики, описать концептуальные моменты технологии практически всех отраслей материаловедения, описать оптимизацию их структурных характеристик, создать интегрированные параметры как в качественном, так и в количественном измерении, наработать базу для прогрессивных открытий.
Уникальный толчок внедрению новых концепций в материаловедение дали предположения, выдвинутые в сфере физико-химической механики, молодой отрасли научного знания, находящейся на рубеже физической химии и механики. Ее основоположником стал П.А. Ребиндер и его коллеги Н.А. Попов, А.Н. Попова, Г.И. Логгинов, М.П. Воларович, Н.Н. Иванов, И.А.Рыбьев, К.Ф. Жигач, Д.М. Толстой, Г.Д. Дибров, Б.В. Веденеев, Е.Е.Сигалова, Л.А. Казаровицкий, Л.П. Орентлихер, успехи которых были отмечены АН СССР. Данная отрасль занимается рассмотрением принципов управления технологией производства конструкционных материалов, свойства которых заданы заранее и характеризуются высокой прочностью и стойкостью, долговечны и надежны. Кроме того, наука отражает технологию успешного бурения и дробления твердых тел и пород сообразно специфике условий – давления, температуры, влажности, в которых происходит данный процесс [7].
На сегодняшний день отрасль материаловедения смогла совершить уникальный прорыв, особенно заметный в сфере прикладного применения материалов для нефтегазодобычи, переработки и транспортировки полезных ископаемых благодаря синтезу достижений физики и химики, за счет чего новые материалы имеют заранее заданные свойства, а уровень обработки выпущенных из них конструкций и оборудования поднялся на небывалую для прошедших эпох высоту.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕФТИ

Знакомство человека с нефтью началось еще в глубокой древности. Так, выше 5 000 лет назад разработки по добыче нефти шли на побережье Каспия. По данным археологических экспедиций, использование нефти на берегах Евфрата практиковалось порядка 6–4 тыс. лет до н. э.
Применение нефти было разнообразным – от строительства и освещения до медицины. В Древнем Египте асфальт (нефть, полученную при естественном окислении) применялся как средство для создания бальзамических составов. Как известно из труда Страбона, известнейшего историка и географа Древней Греции (63 г. до н. э. – 23–34 гг. н. э.), добыча асфальта производилась на побережье Мертвого моря.
Такие фракции нефти как битумы применялись для скрепления конструкций архитектурных сооружений, а также как смазка движущихся частей механизмов и оборудования

. Фракции нефти входили в рецептуру зажигательного оружия, известного как «греческий огонь».
На побережье Каспия добытой нефтью освещали жилые помещения, о чем пишет Плутарх, известный историк Древнего Рима. В эпоху Средневековья использование нефти как сырья для осветительных приборов имело место в городах Ближнего Востока, Южной Италии.
Недостатки сырой нефти послужили причиной для старта научных изысканий по оптимизации сырья, а к началу XIX века в России, вслед за Америкой, началось промышленное получение керосина, использовавшегося как расходного материала для уличного освещения. Керосин вошел в практику россиян широко и без промедлений. Так, при свете керосиновых ламп началась учеба, срочные оперативные вмешательства, сортировка почты, а также выполнение промышленных процессов.
Развитие технологий не позволяло до 1850-х гг. практиковать интенсивную добычу нефти, так как сырье извлекалось из открытых месторождений через колодцы, вблизи выходов нефтегазовых пластов на поверхность. Однако активизация использования нефти в промышленных целях для приведения в движения паровых механизмов на промышленных и транспортных объектах стала причиной роста нефтедобычи.
Осуществление первых попыток добычи нефти из скважин методом бурения ознаменовало момент рождения новой промышленной отрасли – нефтегазодобычи.
Изобретение и массовый выпуск моторов внутреннего сгорания на бензине и дизельном ходу в 1900-х гг. стали предпосылкой увеличения масштабов промышленной нефтедобычи.
Актуальное в настоящее время слово «нефть» имеет индоевропейское происхождение от слова «нафата» (вытекающая). Исходно нефть широко применялась как средство лечения различных патологий, о чем упоминал грек Гиппократ (около 460 – 377 гг. до н. э.), суммировавший итог всех известных в то время фармакопейных препаратов. Жители Древнего Египта применяли нефть как сырье для бальзамирующих составов.
Современные фармацевты и парфюмеры получают из нефти такие вещества как нашатырный спирт, хлороформ, формалин, аспирин, уротропин, вазелин, душистые вещества.
В России нефть использовалась на протяжении столетий для смазки подвод и телег, движущихся подъемных механизмов, а под названием «скального масла» с ХІІ-ХІІІ века применялась для лечения [1].
На сегодняшний день нефть и газ представляют фундамент глобального баланса топливной энергетики. Так, благодаря переработке различных фракций нефти различные сферы народного хозяйства пополняются новыми материалами и продуктами, а сама сфера нефтегазодобычи служит уникальным драйвером внедрения высокотехнологических достижений в отрасли черной и цветной металлургии, химической индустрии, транспортных технологий, геологических изысканий, социологических и демографических исследований.

РАЗВИТИЕ НАУЧНОЙ МЫСЛИ О НЕФТИ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

Концепция о природе нефти как соединений минерального происхождения прозвучала благодаря работам немецкого естествоиспытателя А. Гумбольдта в 1805 г. Так, ученый предположил, что глубинное происхождение нефти доказывается фракцией углеводородных соединений в продуктах, извергаемых при активизации вулканической активности. Вскоре рывок химиков в сфере неорганического синтеза углеводородов, осуществленный М. Бертло (1866) и Г. Биассоном (1871), позволил сформулировать гипотетические предположения о минеральной природе нефтегазовых ископаемых.
Так, в эксперименты французского химика М. Бертло позволили указать на свойство ацетилена, охлажденного до низких температур, изменять структуру, образуя более тяжелые углеводородные структуры. Опираясь на данную концепцию, Бертло сделал заявление о том, что полученные из метеоритных остатков углеводороды имеют в большинстве своем синтетическое происхождение, равно как и те углеводородные соединения, которые присутствуют в толще коры планет. В работах Г.Биассона было выдвинуто предположение о том, что нефть в природе стала продуктом химической реакции, происходившей при контакте воды, CO2 и H2S, взаимодействовавших с нагретыми до высоких температур частицами железа.
Позднее русский химик Дмитрий Менделеев опубликовал в 1877 г. труд «Нефтяная промышленность в Северо-Американском штате Пенсильвания и на Кавказе», где выдвинул гипотезу о том, что формирование пластов нефти происходило в земной коре на большой глубине в тех точках разломов, где присутствовала как вода, так и карбиды металлов. Более скрупулезно эти идеи были развиты в монографии «Нефть», изданной после 20-летнего периода разработки теории в Энциклопедическом словаре Брокгауза–Ефрона. В условиях лаборатории Менделееву удалось доказать, что пары воды в присутствии карбидов тяжелых металлов активируют синтез углеводородных соединений, имеющих аналогию с углеводородными молекулами фракций нефти.
Итак, Менделеев предполагал, что активная тектоника и формирование в земной коре разломов и трещин становятся причинами протекания воды к недрам, насыщенным карбидами тяжелых металлов. При слиянии реагентов выделяется фракция летучих углеводородов, которые благодаря газообразной природе перемещаются внутри слоев горных и осадочных пород, накапливаются в природных полостях и порах геологических пластов. При этом отдельные соединения конденсировались, образуя нефтяные месторождения, а иные напитывали породы, формируя горючие сланцы, жирные угли и прочие битуминозные среды [10].
Некоторые фракции выходили на поверхность и вступали в процессы окисления с атмосферным кислородом, образуя асфальты, а часть возгоралась, распадаясь до воды и углекислого газа.
Нефтеносные залежи, как полагал Менделеев, интенсивно формировались в периоды, когда на поверхности Земли происходило поднятие горных кряжей, когда в коре образовывались глубинные разломы, по которым влага просачивалась вглубь земной коры, а синтезированные газообразные нефть и газ выходили ближе к поверхности.
По свидетельству самого Менделеева, его поразила настолько элементарная связь точек выхода газа и нефти на поверхность при горных массивах. Однако в эпоху, которую работал Менделеев, глубинное бурение не проводилось, а научное сообщество было знакомо только с поверхностными выходами нефти, тогда как обширные залежи нефти без поверхностных выходов оставались не известными. Следовательно, Менделеев ввиду неосведомленности вывел общую закономерность о привязке нефтяных месторождений к горным хребтам, полагая, что по разломившимся участкам земной коры вода перемещается к недрам планеты, а навстречу ей поднимаются пары нефти и газа.
Интересная концепция зарождения нефти, содержащая предположения о ее абиогенности, прозвучала в формулировке в 1892 году из уст русского геолога Н.Соколова. Автор концепции соотносил процессы минерального синтеза нефти и газа как углеводородных соединений исключительно из простых веществ, которые имели место исключительно на стадии формирования самой планеты. Так, в газовой оболочке, покрывающей планету присутствовали углеводороды, но с понижением температуры а первичной атмосфере летучие углеводороды переходили в жидкое состояние и пропитывали участки коры. Скопления нефти и газа имели место в связи с выходом углеводородов из теряющей температуру магмы, вышедшей к поверхности. Концепция отталкивалась от присутствия углеродных углеводородных и водородных компонентов в спектре хвостов, оставляемых кометами и метеоритами.
Как известно на сегодняшний день, атмосфера Юпитера и Титана, равно как и скопления газа и пыли, рассредоточенные в космосе, богаты молекулами таких соединений как C2H2, C2H4, C2H6, С3Н8, HCN, C2N2. Попадающие на Землю метеоритные осколки (углистые хондриты) содержат углеродные твердые соединения, нормальные алканы, ряд аминокислот, но с точностью заявить о происхождении данных веществ сложно.
Так, небольшая концентрация соединений может найти достоверное пояснение тем фактом, что метеорит получил загрязнения в момент прохождения через слои атмосферы. В метеоритах стандартно присутствуют примитивные одноклеточные, идентичные древнейшей микрофлоре Земли. Так или иначе, но однозначно пояснить залегание такого минерала как нефть в толще земной коры присутствием органики в метеоритных обломках напрямую невозможно [2].
До середины XX века наука не интересовалась вопросами минеральной природы нефти, а ее поиск и разработка велись в мировом масштабе согласно концепции органической природы. Однако после 1950-х гг. в научных кругах отметился подъем заинтересованности минеральными аспектами природы нефти, так как органическая теория не позволяла внести ясность в ряд вопросов.
Активнее всего критиковалась концепция магматического синтеза нефти. В слоях, прилегающих к мантии Земли, под огромным температурным фактором и давлением углерод и водород реагируют до свободных углеводородных радикалов СН, СН2 и СН3. Из-за снижения градиента давления в зонах глубинных разломов, радикалы продвигаются в толще коры и выходя в прилежащие к поверхности геологические пласты. В условиях падения температуры и давления, в отдалении от мантии происходит реакция радикалов между собой и атомарным водородом, продуктами которой являются сложные углеводородные соединения, образующие нефть. В верхних слоях литосферы к поступающим из мантии углеводородам примыкают углеводороды, синтезированные из окиси углерода и водорода, равно как из карбидов различных металлов и воды согласно реакциям, определенным М. Бертло, Д.И. Менделеевым.
Широкий спектр геохимических реакций отражает вариативность углеводородных продуктов, входящих в состав сырой нефти. Перемещение летучих и жидких углеводородов выводит их непосредственно на земную поверхность, равно как и в ловушки, имеющие место в рыхлых пористых осадочных пластах или кристаллических породах. Перемещение углеводородных соединений возможно по разломам, в которых находится вода, а высочайшее давление в тех слоях мантии, где зарождается нефть, и низкая плотность нефти относительно воды позволяют углеводородам проникать к поверхности.
С точки зрения геологии, указания в пользу минеральной гипотезы происхождения нефти, отраженные в присутствии газообразного метана, а также фракций нефти в толще кристаллических пород на большой глубине, в вулканической лаве и газах, а также в выходе нефти из ряда глубинных разломов, следует толковать как непрямые ввиду возможности дуалистического толкования.
Выход мантии в вышерасположенные слои пород ведет к расплавлению осадочных пород, в которых присутствует органика биогенного происхождения