Из чего состоит нефть
Нефть состоит из углеводородов
Основные элементы – углерод (C) и водород (H)
Атом углерода может образовывать четыре связи, потому что на его внешней электронной оболочке имеется 4 электрона, а каждый атом стремится, чтобы было 8 электронов. Остальные 4 электрона он забирает у других атомов, например, у соседнего атома (С). Пара электронов между двумя атомами становится общей. Это и есть валентная химическая связь.
К остальным неспаренным электронам могут присоединяться атомы водорода (H), у которого имеется один неспаренный электрон. Так образуются углеводороды. Для того чтобы было проще, пару электронов принято изображать чертой или двумя точками.
Как уже было сказано, в нефти присутствуют различные углеводороды, каждый из которых обозначается свой брутто-формулой. Единой химической формулы нефти просто не существует. Нефть – это целый список химических формул, поскольку это множество веществ в одной маслянистой смеси.
Строение углеводородов
На реальных производствах чаще всего используют понятие фракционного состава.
Химический состав нефти
В химическом отношении нефть – взаиморастворимая смесь газообразных, жидких и даже твердых углеводородов с примесями гетероорганических соединения серы, азота, кислорода и других элементов. В зависимости от состава нефть имеет цвет от буро-коричневого до черного. Элементарный состав нефти различен для разных типов и для разных месторождений. В среднем он может быть охарактеризован следующими цифрами: углерод – (82,5 – 87) %, водород – (11,5 – 14,5) %, кислород – (0,1 – 0,35) %, азот – до 1,8 %, сера – до 10 % [1].
Углеводороды в нефти представлены соединениями различных классов. В основном это парафиновые углеводороды (алканы) – CnH2n+2; нафтеновые углеводороды (цикланы) – CnH2n; ароматические соединения – углеводороды, содержащие в своем составе разнообразные гомологи бензола, а так же гибридные углеводородные соединения.
Цвет нефти меняется в зависимости от ее фракционного состава. Чем выше температура выкипания, тем темнее будет нефть или ее фракция.
Углеводороды
Углеводороды (hydrocarbon) – это органические соединения, состоящие из углерода и водорода.
Углеводороды служат фундаментальной основой органической химии: молекулы любых других органических соединений рассматривают как их производные.
Соотношения между углеродом и водородом в углеводородах колеблются в широких пределах (10-90 %).
Соединения углеводородов отличаются друг от друга количеством атомов углерода и водорода, строением углеродного скелета и типом связей между атомами.
Большинство углеводородов в природе встречаются в сырой нефти.
Кроме того, основными источниками углеводородов являются природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ, горючие сланцы, уголь, торф.
Алкены (олефины) относятся к непредельным углеводородам общей формулы CnH2n.
В молекуле алкена кроме σ-связей содержится одна π-связь.
Первый представитель гомологического ряда – этилен С2Н4, поэтому алкены называют также «этиленовыми углеводородами».
Диеновые углеводороды содержат в молекуле 2 двойные связи.
Общая формула СnН2n-2.
Первым представителем ряда является бутадиен СН2=СН–СН=СН2.
Алкинами называются углеводороды общей формулы CnH2n-2, молекулы которых содержат тройную связь.
Первый представитель гомологического ряда – ацетилен С2Н2, поэтому алкины называют также «ацетиленовыми углеводородами».
Молекулы циклоалканов содержат циклы разной величины, атомы углерода в которых связаны между собой только σ-связью.
Общая формула СnH2n.
Циклоалкены содержат одну двойную связь и имеют общую формулу СnН2n-2.
Углеводороды, имеющие кратные связи, легко вступают в реакции присоединения по месту разрыва π-связей.
Ароматические углеводороды (арены) – углеводороды общей формулы CnH2n-6.
Первые представители ароматических углеводородов были выделены из природных источников и обладали своеобразным запахом, поэтому и получили название «ароматические».
Важнейшим представителем ароматических углеводородов является бензол С6Н6.
В молекуле бензола 6 атомов углерода, соединяясь σ-связями, образуют правильный шестиугольник.
В результате сопряжения 6 свободных р-электронов образуется единое π-электронное облако над и под плоскостью кольца.
Природные источники углеводородов
Каменный уголь – плотная осадочная порода черного, иногда сepo-черного цвета, дающая на фарфоровой пластинке черную черту.
Каменный уголь представляет собой продукт глубокого разложения остатков растений, погибших миллионы лет назад (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений).
В органическом веществе угля содержится 75-92 % углерода, 2,5-5,7 % водорода, 1,5-15 % кислорода.
Международное название элемента углерода происходит от лат. carbō («уголь»).
Нефть – смесь углеводородов от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом.
Нефть намного легче воды и в ней не растворяется.
В зависимости от происхождения нефть может содержать большое количество алифатических, циклических или ароматических углеводородов.
Так, например, бакинская нефть богата циклоалканами и содержит сравнительно небольшое количество алифатических предельных углеводородов.
Значительно больше алканов в грозненской, ферганской, а также нефти штата Пенсильвания (США).
Пермская нефть содержит ароматические углеводороды.
В небольших количествах в состав нефти могут входить также кислородсодержащие соединения, как, например, альдегиды, кетоны, эфиры и карбоновые кислоты.
Нефть
Нефть – горючая, маслянистая жидкость, преимущественно темного цвета, представляет собой смесь различных углеводородов
Химический состав нефти
В нефти встречаются следующие группы углеводородов:
Основные характеристики нефти: вес, сладость ( сернистость), плотность и вязкость.
Сладость
Плотность
Вязкость
Пластовые условия
природная жидкая смесь разнообразных углеводородов с небольшим количеством других органических соединений; ценное полезное ископаемое, залегающее часто вместе с газообразными углеводородами (попутные газы, природный газ).
Соединения нефти
Все углеводороды могут быть подразделены на алифатические (с открытой молекулярной цепью) и циклические, а по степени ненасыщенности углеродных связей – на парафины и циклопарафины, олефины, ацетилены и ароматические углеводороды.
Парафиновые углеводороды
Парафиновые углеводороды (общей формулы CnH2n + 2) относительно стабильны и неспособны к химическим взаимодействиям.
Соответствующие олефины (CnH2n) и ацетилены (CnH2n – 2) обладают высокой химической активностью: минеральные кислоты, хлор и кислород реагируют с ними и разрывают двойные и тройные связи между атомами углерода и переводят их в простые одинарные; возможно, благодаря их высокой реакционной способности такие углеводороды отсутствуют в природной нефти.
Соединения с двойными и тройными связями образуются в крекинг-процессе при удалении водорода из парафиновых углеводородов во время деструкции последних при высоких температурах.
Циклопарафины
Ароматические углеводороды
Сернистые соединения.
Кислородные соединения.
Азотсодержащие соединения.
Зола содержит кремнезем, алюминий, известь, оксиды железа и марганца. Используя такие методы, как экстракция растворителем, иногда выгодно получать соединения ванадия из сажи, образующейся при сгорании ванадийсодержащей нефти.
Однако, как правило, использование нефтяной золы ныне весьма ограничено.
Откуда берется нефть
Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает
Две гипотезы
У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.
Необходимые условия для превращения органики в нефть возникают на глубине в так называемом нефтяном окне — при температуре от 70 до 190°C. В верхней его части температура недостаточно высока — и нефть получается «тяжелой»: вязкой, густой, с высоким содержанием смол и асфальтенов. Внизу же температура пластов поднимается настолько, что молекулы органического вещества дробятся на самые простые углеводороды — образуется природный газ. Затем под воздействием различных сил, в том числе градиента Градиент давления характеризует степень изменения давления в пространстве, в данном случае — в зависимости от глубины пласта давления, углеводороды мигрируют из нефтематеринского пласта в выше- или нижележащие породы.
60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков
Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.
Состав и свойства нефти
ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — водород — и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др.).
От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.
Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?
Этапы образования нефти
СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ
В ловушке
Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.
В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.
Под действием различных факторов углеводороды отжимаются из нефтематеринских пород в породы-коллекторы, способные вмещать флюиды (нефть, природный газ, воду). Таким образом, нефтяное месторождение — вовсе не подземное «озеро», заполненное жидкостью, а достаточно плотная структура. Коллекторы характеризуются пористостью (долей содержащихся в них пустот) и проницаемостью (способностью пропускать через себя флюид). Для эффективного извлечения нефти из коллектора важно благоприятное сочетание обоих этих параметров.
Типы коллекторов
БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ
Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.
Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.
Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др.) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.
Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.
Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.
Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.
Углеводороды нефти
Нефть — это важное полезное ископаемое, которое используется и как топливо, и как промышленное сырье. Возьмите в руки смартфон, посмотрите в окно, посмотрите на стены, на мебель, на одежду — все это производные нефти. Лаки, краски, удобрения, парфюмерия, вся пластмасса, даже асфальт — это все производные нефти. Но мне бы хотелось, чтобы сейчас мы поговорили о нефти не как о топливе и промышленном сырье, а как об источнике фундаментальных знаний о жизни нашей планеты, чтобы мы изучили ее состав на молекулярном уровне.
Рекомендуем по этой теме:
Микробиолог Александра Пошибаева о поиске новых месторождений нефти, неорганической теории ее происхождения и роли прокариот и эукариот в образовании углеводородов
Как известно, нефть и газ залегают на различных глубинах, иногда они выходят на поверхность земли. Нефть и газ находятся не в озерах, не в огромных пустотах под землей, а в породах-коллекторах, которые имеют большую пористость, чтобы туда могло войти много нефти, и проницаемость, чтобы эта нефть могла оттуда выйти. В качестве аналога можно представить обычную губку, наполненную водой. Чтобы нефть сохранилась в породах, необходимо наличие вышезалегающих непроницаемых слоев, которые называются породами-покрышками. Породами-коллекторами могут служить известняки, песчаники, а породами-покрышками — соляные и глинистые толщи.
Считается, что нефть и газ образовались в нефтегазоматеринских толщах, то есть таких породах, где находится огромное количество органического вещества. Откуда взялось это органическое вещество? Многие горные породы, а именно осадочные породы, образовались в результате осадков, например, морского ила или глубоководной глины. В этих осадках происходило захоронение колоссальных количеств биомассы. Трудно представить, какое количество органического вещества накапливается и осаждается в Мировом океане каждый день. Можно только предположить, сколько осадилось его за всю геологическую летопись нашей планеты.
При определенных условиях в нефтегазоматеринских толщах могут образоваться нефть и газ. По мельчайшим трещинами, по пустотам они могут мигрировать в вышележащие слои пород-коллекторов, причем в определенных геологических структурах земной коры могут образоваться колоссальные скопления нефти и газа. Сохранность таких скоплений обеспечивается наличием вышезалегающих непроницаемых пород-покрышек. Нефти залегают в древних породах. Например, возраст самой древней породы, в которой была найдена нефть, более одного миллиарда лет. Есть и молодые нефти, залегающие в породах, которым сотни и десятки миллионов лет.
Нефти бывают разные. У одних нет легкой фракции, например у бензина и керосина. Бывают тяжелые нефти — это остаточные нефти, из которых мигрировали легкие углеводороды или биодеградированные нефти. Исследование углеводородов нефти на молекулярном уровне помогает решать как теоретические вопросы, связанные с происхождением нефти, так и практические вопросы, связанные с поиском и разведкой новых нефтяных месторождений и промышленным освоением уже разрабатываемых месторождений. Всеми этими вопросами занимается органическая геохимия.
Эта дисциплина возникла в 1960-е годы. Ее целью является изучение на молекулярном уровне особенностей состава и строения органических молекул земной коры, морей и океанов. Причем если биогеохимия — это геохимия живого вещества, то органическая геохимия занимается изучением мертвого органического вещества, которое захоранивалось в осадочных породах. Исследуются как современные соединения, так и соединения, которые были накоплены сотни миллионов лет тому назад. В нашей стране существует несколько крупных школ. Это школа академика Алексея Эмильевича Конторовича в Новосибирске и школа профессора Александра Александровича Петрова в Москве, а сейчас его ученика профессора Гурама Николаевича Гордадзе.
Из каких соединений состоит нефть? В основном это углеводороды, а также смолы и асфальтены. Подробно остановимся на наиболее изученном классе углеводородов — это углеводороды нефти. Дело в том, что все нефти мира от самых древних до самых молодых содержат один и тот же набор углеводородов. Это насыщенные углеводороды, то есть алканы, циклоалканы и углеводороды алмазоподобного строения, а также ароматические углеводороды. Причем кроме углеводородов алмазоподобного строения превалируют углеводороды-биомаркеры — соединения, сохранившие черты строения, свойственные исходным биоорганическим молекулам. Например, нормальные алканы образовались из нормальных и насыщенных жирных кислот. А изо- и антеизоалканы образовались из изо- и антеизокислот за счет процесса декарбоксилирования. То есть происходит только декарбоксилирование, то есть отщепление COH-группы, а сам углеводородный фрагмент остается неизменным.
Рекомендуем по этой теме:
Три вопроса про нефть
Эксперты исследовательских институтов Канады, Австралии и Великобритании отвечают на главные вопросы о нефти
Изопренаны — это углеводороды, содержащие изопреновые кирпичики 2-метилбуто-1,3-диен. Считается, что они образовались из фитола — спирта, являющегося боковой цепочкой хлорофилла, который находится у растений. Интересно отметить, что только в самых древних нефтях мира обнаружены 12 и 13 метилалканы. Об их происхождении пока известно лишь то, что алканы такого строения в нефтях более молодого возраста не обнаружены. Помимо этого, в нефтях есть и циклические углеводороды-биомаркеры, моноциклы, циклопентаны, циклогексаны, бициклы, декалины, гидринданы, трициклы хелантаны, тетрациклы стераны и пентациклы терпаны. А также углеводороды алмазоподобного строения: адамантаны, диамантаны, триамантаны, тетрамантаны.
В нефтях континентального генезиса наблюдается превалирование углеводородов ряда циклогексана стерана состава 29 C и присутствует терпан или анан. А в нефтях морского генезиса превалируют углеводороды ряда циклопентана стерана состава 27 C, а терпан или анан вовсе отсутствуют. Что касается углеводородов алмазоподобного строения, для них характерно то, что они выдерживают очень высокие температуры и не подвергаются биодеградации. В то время как на ранних стадиях биодеградации бактериями сначала съедаются нормальные алканы, потом изоалканы, затем циклоалканы и даже ароматические углеводороды.
Таким образом, изучая углеводородный состав нефтей и органического вещества пород на молекулярном уровне, мы можем сделать следующие важные выводы. Какое исходное органическое вещество было для данной нефти — морское или континентальное. В каких литолого-фациальных условиях эта нефть образовалась. Иными словами, в каких породах нефть образовалась — глинистых или карбонатных. Например, мы можем сказать о том, какова степень солености вод в конкретном бассейне осадконакопления, окислительно-восстановительные условия. Мы можем определить степень преобразованности нефти, то есть зрелости.
В исходном органическом веществе для нефти находятся термодинамически слабоустойчивые углеводороды. В процессе созревания органического вещества эти соединения преобразуются в более термодинамически устойчивые углеводороды. То есть мы можем проследить эволюцию органического вещества в конкретном бассейне осадконакопления. Мы можем сказать о биодеградации нефти. И наконец, изучая углеводородный состав нефтей на молекулярном уровне, мы можем сказать о геологическом возрасте данной нефти. А под геологическим возрастом мы подразумеваем возраст тех нефтематеринских толщ, которые эту нефть генерировали.
Все перечисленные выводы имеют большое значение в нефтегазопоисковой, нефтегазопромысловой геохимии. А какое будущее у исследований углеводородов на молекулярном уровне? Это, безусловно, проведение междисциплинарных комплексных исследований совместно с геологами, химиками, микробиологами, палеонтологами. Важно изучать не только нефти, но и рассеянное органическое вещество пород.
Рекомендуем по этой теме:
Директор Центра добычи углеводородов Сколтеха Михаил Спасенных о нетрадиционных источниках нефти и методах их разработки
Мы исследовали нефти и органическое вещество пород в нижнекембрийских отложениях на юге Восточной Сибири. Промышленная значимость этих нефтеносных толщ очень велика. До недавнего времени считалось, что источниками этой нефти являются более древние толщи. Предполагалось, что эта нефть мигрировала в вышележащие слои. Однако в результате комплексных исследований мы показали, что это не так, а именно: порода, которая содержит в себе нефть, то есть порода-коллектор, является одновременно нефтегазоматеринской. То, что раньше геологи считали просто природным резервуаром для нефти, то есть породой-коллектором, может являться той породой, в которой образуется эта нефть. Учитывая, что породы такого типа широко распространены в этом регионе, обнаружение новых месторождений в этих отложениях возрастает в несколько раз.
Таким образом, изучение углеводородного состава нефтей и рассеянного органического вещества имеет огромное значение при поисках, разведке и разработке нефтяных месторождений. Помимо этого, изучение углеводородного состава нефтей помогает нам ответить на вопросы, связанные с эволюцией жизни на нашей планете.