Использование продуктов переработки нефти

     Стоимость строительства магистрального нефтепровода обычно окупается за 
2-3 года. Характерной особенностью развития нефтепроводного транспорта 
России является увеличение удельного веса трубопроводов большого диаметра, что объясняется их высокой рентабельностью.

     Сейчас  по грузообороту трубопроводного транспорта Россия стоит на первом месте. Протяженность  нефтепроводов составляет 66000 км. Строительство  магистральных нефтепроводов продолжается и в настоящее время. Так, например, в 2001 году введена в эксплуатацию первая очередь нефтепровода 
КТК на 28 млн.т/год (максимальная мощность – 65 млн.тонн), диаметром 1490 мм и протяженностью 1500 км, связывающая нефтяные месторождения юга России и западного Казахстана с терминалом на Черноморском побережье в г.Новороссийске. 

III. Происхождение нефти

1. Современный взгляд

     Вопросы об исходном веществе, из которого образовалась нефть, о процессах нефтеобразования и формирования нефти в концентрированную  залежь, а отдельных залежей в  месторождения до сего времени ещё  не являются окончательно решёнными. Существует множество мнений как об исходных для нефти веществах, так и  о причинах и процессах, обусловливающих  её образование. В последние годы благодаря трудам главным образом  советских геологов, химиков, биологов, физиков и исследователей других специальностей удалось выяснить основные закономерности в процессах нефтеобразования. В настоящее время установлено, что нефть органического происхождения, т.е. она, как и уголь, возникла в  результате преобразования органических веществ.

     Наиболее  благоприятные условия для формирования нефти – морские, с так называемым некомпенсированным прогибанием. В  теплых водах, на дне доисторического  моря, веками накапливалась сапропель  – глинистая почва, перемешанная с органическими останками умерших  рыб, водорослей, моллюсков и прочей живности. В ней шла биохимическая  стадия образования нефти. 
Микроорганизмы при ограниченном доступе кислорода перерабатывали белки, углеводы и т.д. При этом образовывался метан, углекислый газ, вода и немного углеводородов. Данная стадия происходила в нескольких метрах от дна моря. Затем осадок уплотнился: произошел диагенез. Вследствие природных процессов дно моря опускалось, а сапропель накрывали материалы, которые из- за природных разрушений или потоками воды сносились с гор. Органика попадала в застойные, бескислородные условия. Когда сапропель опустилась до глубины в 1,5 км, подземная температура достигла 100°C и стала достаточной для нефтеобразования. Начинаются химические реакции между веществами под действием температуры и давления. Сложные вещества разлагаются на более простые. Биохимические процессы затухают. Потом породу должна накрыть соль 
(в Прикаспийской впадине ее толщина достигает 4 км) или глина. С увеличением глубины растет содержание рассеянной нефти. Так, на глубине до 
1,5 км идет газообразование, на интервале 1,5-8,5 км идет образование жидких углеводородов – микронефти – при температуре от 60 до 160°С. А на больших глубинах при температуре 150-200°С образуется метан. По мере уплотнения сапропели микронефть выжимается в вышележащие песчаники. Это процесс первичной миграции. Затем под влиянием различных сил микронефть перемещается вверх по наклону. Это вторичная миграция, которая является периодом формирования самого месторождения.

     Весь  процесс занимает сотни миллионов  лет.

2. Другие теории  образования нефти

     Один  из первых, кто высказал научно обоснованную концепцию о происхождении нефти, был М.В. Ломоносов. В середине XVIII века в своём тракте «О слоях земных» великий русский учёный писал, что нефть произошла из каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть. М.В. Ломоносов первый указал на связь между горючими полезными ископаемыми – углём и нефтью и выдвинул первую в мире гипотезу о происхождении нефти из растительных остатков.

     В XIX в. среди ученых были распространены идеи, близкие к представлениям 
М.В. Ломоносова. Споры велись главным образом вокруг исходного материала: животные или растения? Немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглер в 1888 г. поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из животных организмов. Была произведена перегонка сельдевого жира при температуре 400 
°С и давлении 1 МПа. Из 492 кг жира было получено масло, горючие газы, вода, жиры и разные кислоты. Больше всего было отогнано масла (299 кг, или 
61 %) плотностью 0,8105 г/см3, состоящего на 9/10 из УВ коричневого цвета. 
Последующей разгонкой из масла получили предельные УВ (от пентана до нонана), парафин, смазочные масла, в состав которых входили олефины и ароматические УВ. Позднее, в 1919 г. академиком Н.Д. Зелинским был осуществлен похожий опыт, но исходным материалом служил органогенный ил преимущественно растительного происхождения (сапропель) из озера Балхаш. 
При его перегонке были получены: сырая смола – 63,2 %; кокс – 16,0%; газы 
(метан, оксид углерода, водород, сероводород) – 20,8 %. При последующей переработке смолы из нее извлекли бензин, керосин и тяжелые масла.

     В конце XIX в., когда в астрономии и физике получило развитие применение спектральных методов исследования и в спектрах различных космических тел были обнаружены не только углерод и водород, но и углеводороды, русский геолог Н.А. Соколов выдвинул космическую гипотезу образования нефти. Он предполагал, что когда земля была в огненно-жидком состоянии, то углеводороды из газовой оболочки проникли в массу земного шара, а впоследствии при остывании выделились на его поверхности. Эта гипотеза не объясняет ни географического, ни геологического распределения нефтяных месторождений.

     Академик  В.И. Вернадский обратил внимание на наличие в нефти азотистых  соединений, встречающихся в органическом мире.

     Предшественники академика И.М. Губкина, русские геологи  Андрусов и 
Михайловский также считали, что на Кавказе нефть образовалась из органического материала. По мнению И.М. Губкина, родина нефти находится в области древних мелководных морей, лагун и заливов. Он считал, что уголь и нефть – члены одного и того же генетического ряда горючих ископаемых.

     Уголь образуется в болотах и пресноводных водоёмах, как правило, из высших растений. Нефть получается главным образом  из низших растений и животных, но в  других условиях. Нефть постепенно образовывалась в толще различных  по возрасту осадочных пород, начиная  от наиболее древних осадочных пород  – кембрийских, возникших 600 млн. лет  назад, до сравнительно молодых –  третичных слоёв, сложившихся 50 млн. лет назад. 
Накопление органического материала для будущего образования нефти происходило в прибрежной полосе, в зоне борьбы между сушей и морем.

     По  вопросу об исходном материале существовали разные мнения. Некоторые учёные полагали, что нефть возникла из жиров погибших животных (рыбы, планктона), другие считали, что главную роль играли белки, третьи придавали большое значение углеводам. Теперь доказано, что нефть может  образоваться из жиров, белков и углеводов, т.е. из всей суммы органических веществ.

     И.М. Губкин дал критический анализ проблемы происхождения нефти и разделил органические теории на три группы: теория, где преобладающая роль в  образовании нефти отводится  погибшим животным; теория, где преобладающая  роль отводится погибшим растениям, и, наконец, теория смешанного животно- растительного происхождения нефти.

     Последняя теория, детально разработанная И.М. Губкиным, носит название сапропелитовой от слова “сапропель” – глинистый  ил – и является господствующей. В природе широко распространены различные виды сапропелитов.

     Различие  в исходном органическом веществе является одной из причин существующего разнообразия нефтей. Другими причинами являются различие температурных условий  вмещающих пород, присутствие катализаторов  и др., а также последующие преобразования пород, в которых заключена нефть.

     В СССР были проведены исследования, в результате которых удалось  установить роль микроорганизмов в  образовании нефти. Т.Л. Гинзбург- 
Карагичева, открывшая присутствие в нефти разнообразнейших микроорганизмов, привела в своих исследованиях много новых, интересных сведений. Она установила, что в нефтях, ранее считавшихся ядом для бактерий, на больших глубинах идёт кипучая жизнь, не прекращавшаяся миллионы лет подряд.

     Целый ряд бактерий живёт в нефти  и питается ею, меняя, таким образом, химический состав нефти. Академик И.М. Губкин в своей теории нефтеобразования придавал этому открытию большое  значение. Гинзбург- 
Карагичевой установлено, что бактерии нефтяных пластов превращают различные органические продукты в битуминозные.

     Под действием ряда бактерий происходит разложение органических веществ и  выделяется водород, необходимый для  превращения органического материала  в нефть. 

IV. Состав нефти

1. Состав нефти и химические свойства

     Нефть – это горная порода. Она относится  к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Мы привыкли считать, что порода – это твердое вещество, из которого состоит земная кора и  более глубокие недра Земли. Оказывается, есть и жидкие породы, и даже газообразные. 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.

     В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений. Главную часть нефтей составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые и ароматические. По углеводородному  составу все нефти подразделяются на: 1) метаново- нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3) ароматическо-нафтеновые, 4) нафтеново-ароматические, 5) ароматическо-метановые, 6) метаново- ароматические и 7) метаново-ароматическо-нафтеновые. Первым в этой классификации ставится название углеводорода, содержание которого в составе нефти меньше.

     Метановые УВ (алкановые или алканы) химически  наиболее устойчивы, они относятся  к предельным УВ и имеют формулу  CnH2n+2. Если количество атомов углерода в молекуле колеблется от 1 до 4 (СН4-С4Н10), то УВ представляет собой газ, от 5 до 16 (C5H16-C16H34) то это жидкие УВ, а если оно выше 16 
(С17Н36 и т.д.) – твердые (например, парафин).

     Нафтеновые (циклановые или алициклические) УВ (CnH2n) имеют кольчатое строение, поэтому их иногда называют карбоциклическими соединениями. Все связи углерода с водородом здесь также насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами.

     Ароматические УВ, или арены (СnНn), наиболее бедны водородом. Молекула имеет вид кольца с ненасыщенными связями углерода. Они так и называются – ненасыщенными, или непредельными УВ. Отсюда их неустойчивость в химическом отношении.

     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.

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

     В нефтях так же выделяют неуглеводородные соединения: асфальто-смолистую части, порфирины, серу и зольную часть.

     Асфальто-смолистая  часть нефтей – это темноокрашенное  вещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть  называется асфальтеном, нерастворившаяся – смолой. В составе смол содержится кислород до 93 % от общего его количества в нефтях.

     Порфирины – особые азотистые соединения органического  происхождения. 
Считают, что они образованы из хлорофилла растений и гемоглобина животных. 
При температуре 200-250оС порфирины разрушаются.

     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. Так, например, в газе Астраханского месторождения  содержание Н2S достигает 24 %.

     Зольная часть – остаток, получающийся при  сжигании нефти. Это различные минеральные  соединения, чаще всего железо, никель, ванадий, иногда соли натрия.