Происхождение нефти и газа. Физические свойства нефти и газа

 

Нефть — это смесь около тысячи различных веществ, из которых приблизительно 80% составляют жидкие углеводороды (более пятисот веществ). На долю сернистых веществ в нефти (а их около двухсот пятидесяти) приходится примерно 3%. Несколько меньше кислородных (80-85) и азотистых (30) веществ. Также в нефти может содержаться до 10% воды и до 4% растворенных углеводородных газов. В состав нефти входит и некоторое количество металлосодержащих веществ с содержанием никеля и ванадия. Ну и кроме всего прочего, в нефти в различных пропорциях могут содержаться и минеральные соли, и растворы солей различных органических кислот, и, конечно же, всевозможные механические примеси.

Наибольший процент в любой нефти составляют углеводородные соединения, так называемые нафтеновые и парафиновые. В зависимости от месторождения их доля может составлять и более 80% - вплоть до 90%. Нафтеновые к объему всего углеводорода составляют от 25 до 70%, а парафиновых может содержаться от 30 до 50%. Также в составе нефти представлены и ароматические углеводородные соединения, и гибридные: нафтено-ароматические, парафино-нафтеновые и другие.

Различают парафиновые, нафтеновые, метановые, ароматические нефти. Нефти дается наименование по тому классу углеводородов, которых в ней присутствует более 50%. Если же доминируют два каких-то класса (например, по 30% парафиновых и нафтеновых углеводородов), этот тип нефти получает двойное название по обоим классам. В нашем примере это парафино-нафтеновый тип. Первым в названии идет класс углеводородов, который представлен в том или ином типе нефти в несколько большем количестве. Поэтому различают, например, метано-ароматический и ароматическо-метановый тип, нафтено-ароматический и ароматическо-нафтеновый, нафтено-метановый и метано-нафтеновый и т.д.

Нефть вместе с газом относят к тому же классу горных пород, что уголь (антрацит, каменный и бурый), торф и сланцы, а именно – к классу каустобиолитов (kaustikos – жгучий, bios – жизнь и lithos – камень).

Также они относится к числу горючих полезных ископаемых (минералам).

В химическом отношении нефть – сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы – тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато соответственно, большее количество водорода и кислорода.

Нефть – это горная порода. Она относится к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Одно из важных свойств нефти – способность гореть.

В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и количественный состав. Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5-87,5% и водорода – 11,0-14,5% от массы нефти. Кроме них в нефтях присутствуют еще три элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5-8%. В незначительных концентрациях в нефтях встречаются элементы: ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий. Их общее содержание не превышает 0,02-0,03% от массы нефти. Указанные элементы образуют органические и неорганические соединения, из которых состоят нефти. Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии. Сера может встречаться в свободном состоянии или входить в состав сероводорода.

Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов – алканы, нафтены и арены.

Алканы (предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) химически наиболее устойчивы. Их общая формула СnH(2n+2). Если число атомов углерода в молекуле не более четырех, то при атмосферном давлении алканы будут газообразными. При 5-16 атомах углерода это жидкости, а свыше – уже твердые вещества, парафины.

К нафтенам относят алициклические углеводороды состава CnH2n, CnH(2n-2) и CnH(2n-4). В нефтях содердится преимущественно циклопентан С5Н10, циклогексан С6Н10 и их гомологи.

И наконец, арены (ароматические углеводороды). Они значительно беднее водородом, соотношение углерод/водород в аренах самое высокое, намного выше, чем в нефти в целом. Содержание водорода в нефтях колеблется в широких пределах, но в среднем может быть принято на уровне 10-12% тогда как содержание водорода в бензоле 7,7%. А что говорить о сложных полициклических соединениях, в ароматических кольцах которых много ненасыщенных связей углерод-углерод! Они составляют основу смол, асфальтенов и других предшественников кокса, и будучи крайне нестабильными, осложняют жизнь нефтепереработчикам.

Посмотрите, как устроены молекулы пентана С5Н10, циклогексана С6Н12 и бензола С6Н6 – типичных представителей каждого из этих классов:

Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть.

Асфальто-смолистая часть – темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворяющуюся, понятно, смолой. В составе смол содержится кислород до 93 % от общего его количества в нефтях.

Асфальтены представляют собой черное твердое вещество. По составу они сходны со смолами, но характеризуются иными соотношениями элементов. Они отличаются большим содержанием железа, ванадия, никеля и др. Если смолы растворяются в жидких углеводородах всех групп, то асфальтены нерастворимы в метановых углеводородах, частично растворимы в нафтеновых и лучше растворяются в ароматических. В “белых” нефтях смолы содержатся в малых количествах, а асфальтены вообще отсутствуют.

Порфирины – особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. При температуре 200-250оС порфирины разрушаются.

Наряду с углеводородами в нефтях присутствуют химические соединения других классов. Обычно все эти классы объединяют в одну группу гетеросоединений (греч. “гетерос” – другой). В нефтях также обнаружено более 380 сложных гетеросоединений, в которых к углеводородным ядрам присоединены такие элементы, как сера, азот и кислород. Большинство из указанных соединений относится к классу сернистых соединений – меркаптанов. Это очень слабые кислоты с неприятным запахом. С металлами они образуют солеобразные соединения – меркаптиды. В нефтях меркаптаны представляют собой соединения, в которых к углеводородным радикалам присоединена группа SH. Сера широко распространена в нефтях и в углеводородном газе и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1% до 5%, но бывает и значительно больше

Меркаптаны разъедают трубы и другое металлическое оборудование буровых установок и промысловых объектов.

Сера широко распространена в нефтях и в углеводородном газе и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1% до 5%, но бывает и значительно больше, она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов. Так, например, в газе Астраханского месторождения содержание Н2S достигает 24 %.

И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе, обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ.

Кислород в нефтях встречается в связанном состоянии также в составе нафтеновых кислот (около 6%) – CnH2n-1(COOH), фенолов (не более 1%) – C6H5OH, а также жирных кислот и их производных – C6H5O6(P). Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная его масса содержится в смолах. Содержание смол в нефтях может достигать 60% от массы нефти, асфальтенов – 16%.

Геологический сосед нефти – природный газ – тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего – до 95% по объему – в этой смеси метана. Присутствуют также углекислый газ (CO2), азот в виде молекул (N2 этан, пропан, бутаны и другие алканы – от С5 и выше. Из неуглеводородных составляющих природного газа отметим, помимо уже описанных азота и диоксида углерода (углекислого газа), водород (H2), гелий (He) и сероводород (H2S).

 

Заключение

 

Что такое нефть и газ?

Сырая нефть — природная легко воспламеняющаяся жидкость, которая находится в глубоких осадочных отложениях и хорошо известна благодаря ее использованию в качестве топлива и сырья для химического производства. Химически нефть — это сложная смесь углеводородов с различным числом атомов углерода в молекулах; в их составе могут присутствовать сера, азот, кислород и незначительные количества некоторых металлов.

Природный (нефтяной) газ, состоящий из метана и других легких насыщенных углеводородов, — весьма дешевое и удобное топливо.

Нефть и газ - ценнейшие природные ископаемые, открывшие перед человеком удивительные возможности "химического перевоплощения".

Всего производных нефти насчитывается уже около 3 тысяч. Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом хозяйстве. Ее доля в общем потреблении энергоресурсов непрерывно растет. Нефть составляет основу топливно-энергетических балансов всех экономически развитых стран. В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов. Нефть останется в ближайшем будущем основой обеспечения энергией народного хозяйства и сырьем нефтегазохимической промышленности.

В проблеме рационального использования нефти и газа большое значение имеет повышение коэффициента их полезного использования. Одно из основных направлений здесь предполагает углубление уровня переработки нефти в целях обеспечения потребности страны в светлых нефтепродуктах и нефтехимическом сырье. Другим эффективным направлением является снижение удельного расхода топлива на производство тепловой и электрической энергии, а также повсеместное снижение удельного расхода электрической и тепловой энергии во всех звеньях народного хозяйства.

 

Долгое время сосуществуют две теории. Согласно первой, общепризнанной, нефть — невозобновляемый ресурс, имеет органическое происхождение и образуется с участием останков древней флоры и фауны.

Альтернативная теория предполагает неорганическое происхождение: образуется благодаря круговороту воды в природе. Таким образом вода переносит углеводороды, вступающие в реакцию с водородом из недр Земли. Поэтому нефть — возобновляемый ресурс.

Так, специалист известнейшего в мире Института проблем нефти и газа Российской Академии наук Азарий Баренбаум уверен: традиционное мнение о том, что нефть образуется из остатков отмерших живых организмов - в корне неверно. Он развил теорию Менделеева, а заодно и опроверг теорию парникового эффекта. Как все происходит? Углерод, попадающий в атмосферу, вымывается из нее дождями и с дождевой водой снова падает в землю в форме гидрокарбоната. Одновременно с накоплением в земной коре углерода в толще недр из мантии выделяются мощные потоки водорода. При высоких температурах и давлении происходят химические реакции, в результате которых появляются газы, в том числе метан и капельная нефть. И что особенно удивительно, весь этот процесс происходит не за миллионы, а всего за несколько десятков лет. Выводы ученого подтверждают возобновление запасов нефти на давно эксплуатируемых нефтегазовых месторождениях, а потом заброшенных в 40 — 50-е годы прошлого века: в Татарии, Чечне, Мексике, американских штатах Техас и Оклахома.

Так на чем же основан феномен необъяснимого роста запасов существующих месторождений? Один из авторов открытия, профессор ГАНГ Виктор Гаврилов может часами перечислять примеры таких «аномалий». Суть его теории - природа умеет пополнять свои кладовые. Известно, что углеводороды постоянно поднимаются из глубин планеты к поверхности земной коры. Считалось, что это происходит очень медленно. Для восстановления запасов месторождений нужны десятки миллионов лет.

Но ученые из ГАНГ уверены, что процесс идет значительно быстрее. Чтобы вновь наполнить скважины «черным золотом», достаточно времени, сопоставимого с продолжительностью жизни человека. «Мы проводили эксперименты на Талинском месторождении в Западной Сибири. Оказалось, что скорость перемещения нефтяных флюидов (летучих компонентов нефти) от скважины к скважине составляет почти 6 км/сутки», - рассказывает Гаврилов.

Если нефть и газ действительно окажутся возобновляемыми ресурсами, в этом не будет ничего удивительного. Они - одни из главных загадок природы. Известен их химический состав, совершенствуются методы добычи, но их происхождение - тайна за семью печатями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Ермолкин В.И., Керимов В.Ю. Геология и геохимия нефти и газа.- М.: Недра, 2012.- 460 с.
2. Баженова О.К., Бурлин Ю.К., Соколов Б.А., Хаин В.Е. Геология и геохимия нефти и газа.- М.: МГУ, 2000.- 384 с.
3. Гаврилов В.П. Происхождение нефти.- М.:Наука, 1986
4. Бакиров Н.А. Геология нефти и газа.- М.:Недра,1990
5. С. Миронов, В. Порфирьев Происхождение нефти и газа.- М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1960
6. Бакиров А.А., Табасаранский З.А. Геология и геохимия нефти и газа.- М.: Недра, 1982
7. Еременко Н.А. Геология нефти и газа.- М.: Недра, 1968
8. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии.- Махачкала: Издательско-полиграфическое объединение "Юпитер", 1996
9. Судо М.М. Нефть и горючие газы в современном мире. - М.: Недра, 1984
10. Хант Д. Геохимия и геология нефти и газа.- М., 1982
11. Баженова О.К. Геология и геохимия нефти и газа.- М., 2004
12. www.neftrus.com