Строение молекулы нефти. Основные физико-химические свойства нефти и ее состав

Владимир Хомутко

Время на чтение: 6 минут

А А

Химическая формула нефти и описание составляющих

Нефть является природным полезным ископаемым, которое представляет собой маслянистую горючую жидкость, нередко – черного цвета, хотя встречаются нефти и других цветовых оттенков (коричневого, вишневого, зеленоватого, желтоватого и прозрачного). Её добывают с помощью такой горной выработки, как нефтяная скважина, для формирования которой применяется бурение горных пород.

По своему химическому составу нефть представляет собой сложную смесь углеводородов с различными примесями. В её состав включены соединения таких хим. элементов, как сера, азот и так далее.

Запах этого хим. вещества также различается, в зависимости от содержания в нем сернистых соединений и углеводородов ароматической группы.

Из чего состоит нефть? Хим. состав нефти

Нефть состоит из углеводородов, которые с химической точки зрения представляют собой соединения атомов углерода и водорода. В общем виде нефть – формула, описываемая как C x H y .

К примеру, такой самый простой углеводород, как метан, состоит из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода. Другими словами, формула метана – CH 4 . Он относится к так называемым легким углеводородам и всегда есть в составе любой нефти.

В зависимости от того, какова концентрация в этом веществе различных видов углеводородных соединений, хим. и физические могут быть различны. Другими словами, компоненты нефти влияют на её свойства и внешний вид. Она может быть как текучей и прозрачной, так и черной и малоподвижной, причем настолько, что из-за высокой вязкости не выливается даже из перевернутого из сосуда.

Хим. состав обычной нефти представлен следующими хим. элементами:

углеродом (около 84-х процентов);
водородом на уровне 14-ти процентов;
серой и её соединениями в количестве от одного до трех процентов (сульфиды, дисульфиды, сероводород и сама сера);
азотом, доля которого – меньше процента;
кислородом (также меньше 1-го %);
различными металлами, общая концентрация которых также меньше 1 % (железо, ванадий, никель, хром, медь, молибден, кобальт и так далее);
различными солями, доля которых также менее процента (например, хлоридом кальция, хлоридом магния, хлоридом натрия и прочими).

Нефть и сопутствующий ей, как правило, углеводородный газ могут залегать на глубине от десятков метров до пяти-шести километров. Стоит сказать, что при глубине залегания более шести километров находят только газ, а если глубина залегания продуктивного слоя менее одного километра, то встречается только нефть. В основном продуктивные пласты находятся глубже одного, но выше шести километров, и там бывают как нефтеносные, так и газоносные слои.

Породы, в которых залегает углеводородное сырье, называются коллекторы. Если описать коллектор простыми словами, то нефть как бы находится в плотной и твердой губке, состоящей из нефтеносных слоев различной пористости.

Общая химическая структура нефти

Состав и свойства нефти оказывают большое влияние на её дальнейшую переработку. Содержание углеводорода в нефти может варьироваться от 83-х до 87-ми процентов, водорода – от 12-ти до 14-ти %, а содержание серы колеблется в районе 1-го – 3-х %. Эту сложную химическую смесь в основном представляют различные соединения углерода и водорода: парафиновые, нафтеновые и ароматические.

Основные компоненты нефти – это углеводородные соединения, которые бывают следующих видов:

Парафиновые углеводороды

Этот компонент нефти имеет и другое название – алканы. Общая химическая формула – С n Н 2n + 2 .

Если в парафинах менее четырех атомов углерода, то это – газы, известные нам как этан, метан, бутан. пропан, изобутан. Их отличает высокий показатель детонационной стойкости. Другими словами, их октановое число (если считать по моторному методу) – более 100.

Если в таких углеводородах от пяти до пятнадцати углеродных атомов, то это – жидкости. Если атомов углерода больше 15-ти, то это – твердые вещества.

В различных видах топлива и смазочных материалов концентрация алканов весьма высока, вследствие чего для этих нефтепродуктов характерна высокая стабильность. Для автомобильных бензинов высокого качества крайне желательно наличие в их составе изопарафиновых соединений, поскольку они весьма устойчивы к кислородному воздействию в условиях высоких температур.

Наличие в составе топлива нормальных парафинов, которые при высоких температурных значениях легко окисляются, значительно уменьшает уровень детонационной стойкости бензина, однако одновременно уменьшает время, которое проходит с момента подачи бензина в двигатель внутреннего сгорания до воспламенения топливной смеси, а это позволяет наращивать давление более плавно, что благотворно влияет на работу двигателя. В связи с этим наличие нормальных парафиновых соединений желательно в более тяжелом дизельном топливе, хотя в его зимних сортах количество таких парафинов ограничивается.

Углеводороды нафтеновой группы

Другое название – цикланы. Представляют собой насыщенные циклические углеводородные соединения, общая формула которых выглядит как С n Н 2n . В нефти цикланы представлены как циклопентан(С 5 Н 10) и циклогексан(С 6 Н 12).

Благодаря своему циклическому строению, цикланы отличаются высокой химической прочностью. Углеводороды нафтеновой группы при сгорании выделяют меньше теплоты (если сравнивать их с парафиновыми соединениями), однако также обладают высокой детонационной стойкостью. В связи с этим желательно их присутствие в топливах, используемых в карбюраторных двигателях, а также и зимних сортах дизтоплива.

Смазочные нефтепродукты, содержащие нафтеновые углеводороды, более вязкие и маслянистые.

Другое название – арены. Их эмпирическая формула – С n Н 2n – 6 . В нефти они представлены как бензол (формула С 6 Н 6) и его гомологи.

Благодаря высокому показателю своей термической устойчивости, арены являются желательными компонентами в карбюраторных топливах, октановое число которых должно быть как можно выше. Однако, поскольку арены обладают высокой нагарообразующей способностью, их содержание в бензинах допустимо до отметки 40 – 45 процентов.

Из-за своей высокой термической стабильности наличие аренов в дизельных видах топлива нежелательно.

Непредельные углеводороды

Другое название – олефины. В сырой нефти они не содержатся, а образуются во время нефтепереработки. Непредельные углеводородные соединения – это важнейшее сырье, необходимое для получения топлива с помощью нефтехимических методов и основным органическим синтезом.

Общая эмпирическая формула таких углеводородов – С n Н 2n (к примеру, С 2 Н 4 – это всем известный этилен).

Низкий уровень химической стойкости олефинов негативно сказывается на практической эксплуатации нефтепродуктов, поскольку снижает уровень их стабильности. К примеру, бензины, получаемые с помощью термического крекингового процесса, в результате окисления содержащихся в них олефинов осмоляются в процессе хранения и загрязняют карбюраторные жиклеры и впускные трубопроводы. Другими словами, присутствие олефиновых соединений в любых видах нефтепродуктов нежелательно.

На большом числе месторождений добывают сернистую или высокосернистую нефть.

При переработке такого сырья необходимы дополнительные затраты, поскольку увеличение концентрации серы в бензине с 0,033 до 0,15 процентов приводит к:

снижению мощности двигателя на 10,5 процентов;
увеличению расхода топлива на 12 процентов;
возрастанию количества необходимых капремонтов вдвое.

Помимо этого, того, сернистое топливо сильно вредит экологии окружающей нас среды.

Соединения серы делятся на активные и не активные. Активные вызывают коррозию металлов в нормальных атмосферных условиях. К ним относятся:

И в растворенном, и во взвешенном состоянии, они оказывают сильное коррозионное воздействие на металлы практически при любых температурах, поэтому их присутствие в нефтепродуктах – недопустимо.

Неактивные соединения серы в нормальных условиях коррозию не вызывают.

Однако, после полного сгорания топлива они образуют в двигателе серные и сернистые ангидриды, которые в соединении с водой образуют серную и сернистую кислоту.

Малосернистая нефть содержит от 0,1 до 0,5 процента соединений серы, а сернистая – до 4-х %.

Кислородные соединения

В сырой нефти это – кислоты, фенолы, эфиры и прочие соединения. Большую часть таких веществ содержат высококипящие нефтяные фракции.

Способны вызывать сильную коррозию некоторых видов цветных металлов (цинк, свинец и так далее), из-за чего их содержание в различных нефтепродуктах строго ограничивается стандартами.

Представляют собой сложные высокомолекулярные смеси таких элементов, как азот, кислород, сера и некоторые металлы. В сырой нефти их может быть от долей процента до десятков целых процентов.

Обладая высокой красящей способностью, именно эти соединения и определяют цвет нефти. Они очень неустойчивы, легко изменяются и крайне плохо испаряются, что негативно сказывается качестве топлива и различных видов масел.

Соединения азота

Заметного влияния на качество получаемых нефтепродуктов не оказывают, поскольку их содержание в сырой нефти – крайне мало.

Физические и химические свойства, природа происхождения нефти давно интересует ученых. Благодаря успешному изучению физико-химических свойств нефти, человечество получило возможность открывать новые месторождения этого полезного ископаемого, находить ему новое применение и получать максимальный эффект от использования.

Характеристика нефти в глубинных пластах и на поверхности земли сильно отличаются, так как в первом случае она подвергается воздействию экстремальной температуры и высокого давления.

Хотя сегодня мало кто сомневается в органической природе нефтепродуктов, сторонники их минерального происхождения не сдаются. Родоначальником теории о неорганической природе нефти является Д. И. Менделеев. На основе состава нефти он выдвинул гипотезу об ее минеральном происхождении и вывел химическую формулу, согласно которой под воздействием высокой температуры на больших глубинах земли может происходить процесс синтеза углеводородов в результате взаимодействия воды и карбида металлов.

Позднее немецкий ученый К. Шорлеммар, изучая нефть и ее свойства, обнаружил в составе образцов из Пенсильванских месторождений предельные углероды метанового ряда. В 1861 году А. М. Бутлеров представил подробное разъяснение о строении углеводородов, составе и физических свойствах нефти.

Химический состав и формула

В этом разделе рассматриваются основные химические свойства нефти. Постараемся узнать, имеется ли определенная химическая формула нефти. Предельно важными характеристиками для исследования являются: элементарный, фракционный и углеводородный состав нефти.

Начиная изучать химический состав нефти, исходим из ее определения. Нефть – это смесь углеводородов, молекулы которых содержат в своем составе примеси кислорода, серы, азота с чистыми углеводородами (т.е. не содержащими примеси других химических элементов).

Фракционный состав

Качественные показатели сырья определяются лабораторным путем при ее ректификации. Этот процесс основан на разделении первичного сырья на фракции при нагревании. Каждая фракция имеет определенную температуру кипения, после которой она начинает испаряться. Различают следующие виды фракций:

Легкие. К таковым относят петролейные и бензиновые фракции с предельной температурой выкипания до 140 °С (при атмосферном давлении).
Средние. Их получают путем перегонки при атмосферном давлении. К этим нефтям относят керосиновые, дизельные, лигроиновые фракции, выкипающие в диапазоне температур от 140 до 350 °С.
Тяжелые. Подлежат только вакуумной перегонке. При температуре 350-500 °С получают вакуумный газойль, более 500 °С – гудрон.

Легкие и средние фракции относятся к светлым дистиллятам, тяжелые фракции называют мазутом. Обычная нефть содержит 31 % бензина, 10 % керосина, 15 % дизельного топлива, 20 % масел, 24 % мазута.

Групповой углеводородный состав

Согласно исследованиям групповой состав нефти можно выразить тремя большими соединениями углеводородов:

предельных;
непредельных;
ароматических.

Предельные углеводороды

Очень часто их называют метановыми из-за простого строения, а химическое название группы – алканы. Формула метана по структуре напоминает амебу – в качестве ядра выступает атом углерода, роль протоплазмы играют 4 атома водорода. Цепочку структуры алканов нормального строения можно выразить по формуле CnH2n+2, т.е. каждый последующий углеводород будет иметь больше предыдущего на 1 атом углерода, окруженный оболочкой из атомов водорода. Представители этого ряда встречаются как в газообразном виде – СН4-С4Н10, так и в жидком состоянии – С5Н12-С17Н36. Начиная с С18Н38, углеводороды обретают вид кристалла, входящего в состав парафина. Отсюда происходит их название – парафиновые углеводороды.

Наличие изомеров можно назвать их отличительной особенностью. Начиная с 4-го по порядку члена, углеводороды имеют одинаковые формулы, но отличаются по строению молекул. При этом главный член ряда построен в виде несложной цепочки, а изомеры имеют ветвистую цепь.

Изомеры отличаются от нормальных углеводородов по структуре, а также по прочности связей, что приводит к отличию и в свойствах. У них более низкая температура плавления и кипения. Разнообразие этих углеводородов вызывает повышенный интерес к ним, главным образом, из-за возможности создания новых видов топлива, а также схожестью некоторых изомеров с органическими веществами по строению. Сегодня лучшие бензины получают из изомеров. Несмотря на это изомеры остаются не изученными до конца, так как 11-й член ряда имеет 159 видов, 18-й (октодекан) – более 60 тысячи разновидностей изомеров.

Непредельные углеводороды

Они имеют структуру по формуле CnH2n. Они представляют собой циклические насыщенные углеводороды, у молекул которых не достает 2-х атомов водорода. Эти углеводороды называются нафтеновыми кислотами или алкенами. В природной нефти они отсутствуют, их образование связано со вторичной обработкой сырья. Нафтены могут иметь несколько колец. Этим объясняется название полициклических аренов (ароматических углеводородов) со структурными формулами CnH2n2, CnH2n_4. Эта группа углеводородов имеет и другое название – циклопарафины в связи с тем, что их кольца способны удерживать вокруг себя цепочки метановых углеводородов. Этим вызваны их большая плотность, высокая температура кипения и плавления в сравнении с метановыми углеводородами. Циклопарафины легко вступают во взаимодействие с галогенами и кислородом. В обычных условиях они находятся в жидком состоянии.

Ароматические углеводороды

Название этих углеводородов происходит из греческого «арома», т.е. пахучее вещество. Их структурная формула представлена в виде CnH2n-m, где m – четное число. Характерным представителем этих углеводородов является бензол – С6Н6 и его гомологи (производные). В ароматических углеводородах имеет место сильный дефицит атомов водорода. Несмотря на это они химически не активны, в нормальных условиях находятся в жидком состоянии с температурой застывания от -25 до -88 °С.

От соотношения этих 3-х групп углеводородов происходит название нефти: метановый, нафтеновый или ароматический. Возможно и комбинированное название, если в составе нефти к преобладающей группе имеется не менее 25% другого углеводорода. Например, метанонафтеновый бензин.

Элементарный состав

Хотя существует множество видов углеводородов, элементарный состав нефти не отличается многообразием. Элементный состав нефти состоит из следующих компонентов:

углерода – 83-87%;
водорода – 11-14%;
смолисто-асфальтовых веществ – 2-6%.

Последние из перечисленного компонентного состава нефти представляют собой органические соединения углерода, водорода, серы, азота и различных металлов. К ним можно отнести нейтральные смолы, асфальтены, карбены и карбоиды.

При сгорании нефти образуется зола, но на ее долю приходится сотые доли процента. Она состоит из оксидов различных металлов. В нефти имеется небольшое количество сероводорода. Взаимодействуя с металлами, сера вызывает очень сильную коррозию. Она имеет резкий запах. Различают несколько групп нефти по содержанию серы: несернистые (до 0,2 %), малосернистые (0,2 — 1,0 %), сернистые (1,0 — 3,0 %), высокосернистые (более 3 %). Азот является безвредной и инертной примесью, его доля составляет не более 1,7 %.

Физические свойства

Различают следующие основные физические свойства нефти: плотность, вязкость, сжимаемость и другие.

Плотность определяется как соотношение массы к объему. Различают легкую и тяжелую нефть, в зависимости от того по какую сторону она находится от плотности 900 кг/м3. Газовые конденсаты, бензин, керосин относятся к легкой, а мазут к тяжелой нефти.

Электрические свойства

Рассматривая электрические свойства нефти необходимо отметить, что во многом они зависят от ее состава. Безводная нефть является диэлектриком, парафины могут выступать в качестве изоляторов, а некоторые масла годятся для заливки трансформаторов. Она также способна удерживать и накапливать электрические заряды, возникающие от ее трения об стенки резервуаров. Эту способность можно отнести к вредным и опасным свойствам нефти, создающим угрозу возникновения пожара от малейшей искры.

Кроме того, определенный интерес вызывают реологические свойства нефти. При определенных условиях некоторые ее виды обладают свойством самопроизвольного повышения прочности с течением времени. К таковым можно отнести нефть с большим содержанием парафинов и асфальто-смолистых веществ. Неньютоновская жидкость не обладает реологическими свойствами.

Вязкость нефти

Вязкость нефти определяется ее подвижностью, т.е. способностью сопротивляться перемещению частиц относительно друг друга. Другим словом, вязкость это свойство, которое отвечает на вопрос, какое ее свойство используют в первую очередь, перекачивая по нефтепроводу. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Первая из них зависит от времени и измеряется в паскалях секундах. Кинематическая вязкость характеризует ее изменение в зависимости от температуры.

СТУДЕНТАМ: Надо написать РУКОПИСНЫЙ КОНСПЕКТ в тетради и выучить. Промысловую подготовку нефти и газа смотрите в книге Коршака и Шаммазова. Все остальные вопросы есть в лекциях.

Физические свойства нефти

Природные газы и их свойств

Поровые и трещинные коллекторы нефти и газа

Строение газонефтяной залежи, ВНК, ГНК, контуры

Геофизические исследования скважин (каротаж)

Оборудование призабойной зоны скважин

Режимы нефтяных и газовых залежей

Варианты заводнения нефтяных залежей

Подготовка воды для заводнения

Методы слежения за обводнением добычных скважин

Механические методы повышения производительности скважин

Химические методы повышения производительности скважин

Кислотные обработки песчаных пластов

Кислотные обработки карбонатных пластов

Физические методы повышения производительности скважин

Методы повышения нефтеотдачи и газоотдачи пластов:

Закачка в пласт воды

Нагнетание в пласт газов-растворителей

Термические методы

Фонтанный способ эксплуатации

Компрессорная эксплуатация скважин

Насосная эксплуатация скважин:

Штанговая скважинная насосная установка

Пгружной электроцентробежный насос

Стадии разработки нефтяных месторождений

Разработка газовых и газоконденсатных месторождений

Насыпи, свайные и крупноблочные основания

Платформы гравитационного типа

Каркасные, самоподъемные и полупогружные платформы

Промысловая подготовка нефти:

Дегазация

Обезвоживание

Обессоливание и стабилизация

Промысловая подготовка газа

Очистка от механических примесей

Очистка от сероводорода и углекислого газа

Состав нефти

Нефть – это жидкое полезное ископаемое, состоящее в основном из углеводородных соединений. По внешнему виду это маслянистая, обычно коричневатая или чёрная жидкость со специфическим запахом. Однозначно говорить о составе нефти сложно, потому что в ней присутствуют сотни различных твёрдых, жидких и газообразных соединений. Важнейшими характеристиками нефти являются её элементный, фракционный и групповой состав.

2.2.1. Элементный и фракционный состав нефти

Элементный состав нефтей характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов – C, H, O, N и S. Углерода в нефти 82,5–87 %, водорода 11,5–14,5 %, кислород встречается в виде различных соединений (кислоты, фенолы, эфиры) в количестве 0,05–3,6 %. Азота в нефти не более 1,7 %, содержание серы составляет от десятых долей процента до 5–8, редко 14 %. Сера – крайне нежелательный компонент нефти, потому что она способствует коррозии оборудования.

При сжигании нефтей образуется небольшое количество золы – обычно сотые доли процента. В золе обнаружены кальций, магний, железо, алюминий, кремний, фосфор, ванадий, никель, германий, хром и др. Считается, что эти элементы входили в состав органических соединений, из которых образовалась нефть.

Нефть состоит из многокомпонентной смеси углеводородов. Обычными методами перегонки не удаётся разделить их на индивидуальные соединения со строго определёнными физическими константами. Поэтому пользуются понятием фракционного состава нефти. Фракция (дистиллят) – это доля нефти, выкипающая в заданном интервале температур. При температуре начала кипения выпадает первая капля сконденсировавшихся паров. Испарение фракции прекращается при температуре конца кипения . Процентное содержание фракций в нефтях характеризует возможность получения дистиллятов моторных топлив и смазочных масел. Бензины выкипают в пределах 30–205 о С, керосины при 150–315, дизельные топлива при 180–350, масла до 350 о С и выше. Большинство нефтей содержит 15–25 % бензиновых фракций, выкипающих до 180 о С, и 45–55 % фракций с температурой конца кипения 300–350 о С.

2.2.2. Групповой состав нефти

Групповой состав нефти характеризует количественное содержание трёх основных групп углеводородов: парафиновых, нафтеновых и ароматических (рис. 2.2). Выбор метода переработки, ассортимент и эксплуатационные свойства получаемых нефтепродуктов зависят от группового состава.

Парафиновые (метановые, или алканы) углеводороды имеют химическую формулу С n H 2 n +2 , где n – число атомов углерода. Оно может меняться от 1 до 60. В нормальных условиях при атмосферном давлении и температуре плюс 20 о С соединения с числом атомов углерода от 1 до 4 – это газы метан, этан, пропан, бутан. Если n равно 5–15, то это жидкости; при n ³16 парафины представляют собой твёрдые вещества. Температура плавления парафинов находится в пределах 52–62 о С. На глубине в условиях высоких температур и давлений они находятся в жидком состоянии, но при добыче начинают выпадать из нефти на забое скважин, в подъёмных трубах или промысловых нефтепроводах, тем самым засоряя их.

а б в

Рис. 2.2. Структурные формулы углеводородов:

а – парафиновые, или метановые (алканы); б – нафтеновые (цикланы);

в – ароматические (арены)

В парафиновых углеводородах валентность всех атомов углерода насыщена до предела. Каждый атом углерода связан с соседями простыми одинарными связями, поэтому метановые углеводороды называют насыщенными , или предельными. Химическая активность таких соединений небольшая.

Нафтеновые углеводороды (цикланы) открыл в 1880-х гг. русский учёный В. В. Марковников. Цикланы имеют общую формулу С n H 2 n , их молекулы циклического строения. Нафтеновые углеводороды, как и метановые, тоже насыщенные . Они являются основными компонентами моторных топлив и смазочных масел.

Ароматические углеводороды (арены) – важная и обширная группа. Их формула С n H 2 n -6 , где n начинается с 6. В структуре аренов имеются особые связи: атомы углерода через один соединены не одинарными, а двойными связями. Арены – непредельные углеводороды (ненасыщенные), для них характерны реакции замещения атомов водорода атомами других элементов – хлора, брома, йода; они вступают в реакцию с кислотами. Ещё ароматические углеводороды легко реагируют с водородом и в присутствии катализатора могут восстанавливаться до нафтенов. Это свойство используется при переработке нефтей на нефтеперерабатывающих заводах. Арены – хорошие растворители органических веществ, но они ядовиты. Индивидуальные ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилолы, нафталин – ценное сырьё для нефтехимического и органического синтеза.

Нефть - это один из самых ценных видов полезных ископаемых, добываемых на нашей планете. Продукты ее переработки используются не только для выработки энергии и топлива, но и в качестве сырья текстильной и даже пищевой промышленности. В наших домах почти все изготовлено с использованием нефти - краски и лаки, пластмассы, ткани и так далее. Этот чудесный продукт образовывался в недрах Земли в течение сотен миллионов лет, поэтому его относят к не возобновляемым ресурсам, то есть в ближайшем будущем нефтяные «хранилища» в земной коре пополнятся не будут. Основная теория происхождения нефти состоит в том, что в определенный период эволюции Земли условия для развития живых организмов были настолько благоприятны, что их отмершие части опускались на дно теплых морей в огромном количестве и не успевали разлагаться полностью. В результате с течением времени и под действием высоких температур и давления образовывались жидкие углеводороды, которые составляют основу нефти. Несмотря на то, что продукт, добываемый в разных уголках земного шара, носит одно и то же название, состав у них может очень сильно отличаться, в зависимости от примесей, входящих в состав нефти. От этого же зависит и ее качество. В состав нефти входят органические соединения, а именно углеводороды, большую часть которых составляют низкомолекулярные соединения (алканы, циклоалканы, арены, парафиновые и ароматические углеводороды). Свой специфический неприятный запах нефть приобретает благодаря ароматическим углеводородам, несмотря на то что их количество всего менее 30%. Рассматривая атомарный состав нефти, получается, что углерод составляет боле 80% от общего количества, далее водород (менее 15%), остальное составляют кислород, азот и сера. Примеси других атомов незначительны. Непосредственную ценность для энергетики имеют именно углеводороды, при их сжигании выделяется большее количество энергии. В качестве примесей присутствуют вода, минеральные вещества, твердые примеси, попадающие в нефтеносные слои из соседних пород. По своем физическому составу нефть тоже неоднородна. Помимо основной жидкой фракции, имеются газовая, твердая, маслянистая. В процессе добычи газ отводится и либо сжигается, либо отправляется в хранилища. Остальные части отделяются в процессе перегонки нефти. При изучении нефтяных проб в лаборатории определяют ее фракционный состав с помощью разницы в температурах кипения различных составных частей нефти. Наименьшую температуру кипения имеют бензиновая, лигроиновая, керосиновая, дизельная фракции - от 140 до 350 градусов Цельсия. Эти продукты используются для производства топлива. Более тяжелые, темные дистилляты имеют начальную температуру кипения более 350 градусов, называются мазутом, более 500 градусов - гудрон. Мазут подразделяется на легкие, тяжелые и средние масляные фракции. Нефть и нефтепродукты используются человеком многие тысячелетия. Гудрон и асфальт обнаружены в стенах зданий древнеиндийской цивилизации, возраст которых насчитывает более пяти тысяч лет. Запасы того ископаемого топлива истощаются, но постоянно открывают новые, на первый взгляд, недоступные. Эти залежи углерода - следы давно ушедших жизней неизвестных микроорганизмов важны не только для человека, но и для окружающей среды. Постоянное опустошение внутренних слоев земной коры приводят к тектоническим подвижкам, изменению плотности, снижению давления на более глубокие породы. Нарушается естественный баланс, созданный природой, но при этом возникают совершенно новые условия как для развития жизни на земле, так и для эволюции самой земной коры.

Происхождение нефти

Свойства нефти

Физические свойства

Средняя молекулярная масса

Плотность

лёгко й, 0,831-0,860 - средней , выше 0,860 - тяжёлой .

(обычно > фракционным составом

Температура кристаллизации парафина лёгких фракций

Вязкость фракционным составом нефти и её температурой

Удельная теплоёмкость 1,7-2,1 кДж/(кг∙К).

43,7-46,2 МДж/кг.

2,0-2,5

от до .

Температура вспышки

Химический состав

Общий состав

Углеводородный состав

парафиновые нафтеновые (10-20, реже 35 %) и смешанного

Геология нефти

Заключающие нефть породы обладают сравнительно высокой пористостью и достаточной для её извлечения проницаемостью. Породы, допускающие свободное перемещение и накопление в них жидкостей и газов, называются коллекторами. Пористость коллекторов зависит от степени отсортированности зёрен, их формы и укладки, а также и от наличия цемента. Проницаемость определяется размером пор и их сообщаемостью. Главнейшими коллекторами нефти являются пески, песчаники, конгломераты, доломиты, известняки и другие хорошо проницаемые горные породы, заключённые среди таких слабопроницаемых пород, как глины или гипсы. При благоприятных условиях коллекторы могут быть трещиноватые метаморфические и изверженные породы, находящиеся в соседстве с осадочными нефтеносными породами.

Различного типа залежи нефти в гидравлически незамкнутых (1-3) и замкнутых (4-6) ловушках: 1 - пластовые сводовые нефтяные и газонефтяные залежи; 2 - массивная сводовая газонефтяная залежь; 3 - нефтяная залежь в выступе палеорельефа, первичного (напр., рифа) или вторичного (эрозионного); 4 - нефтяная залежь, экранированная стратиграфическим несогласием; 5 - нефтяная залежь в ловушке первичного (фациального, литологического) выклинивания коллектора; 6 - тектонически экранированная залежь нефти; а - нефть; б - газ; в - вода.

Часто нефтяная залежь занимает лишь часть коллектора и поэтому в зависимости от характера пористости и степени цементации породы (гетерогенности залежи) обнаруживается различная степень насыщенности нефтью отдельных её участков в пределах самой залежи.

Обычно нефть в залежи сопровождается водой, которая ограничивает залежь вниз по падению слоёв либо по всей её подошве. Кроме того, в каждой залежи нефти вместе с ней находится т. н. плёночная, или остаточная вода, обволакивающая частицы пород (песков) и стенки пор. В случае выклинивания пород коллектора или обрезания его сбросами, надвигами и т п. дизъюнктивными нарушениями залежь может либо целиком, либо частично ограничиваться слабопроницаемыми породами. В верхних частях нефтяной залежи иногда сосредоточивается газ (т. н. «газовая шапка»).

При добыче нефти скважинами не удаётся целиком извлечь всю нефть из залежи, значительное количество её остаётся в недрах земной коры. Для более полного извлечения нефти применяются специальные приёмы, из которых большое значение имеет метод заводнения (законтурного, внутриконтурного, очагового) . Нефть в залежи находится под давлением вследствие чего вскрытие залежи, особенно первыми скважинами, сопровождается риском газонефтепроявлений (очень редко фонтанными выбросами нефти).

Предложено несколько классификаций месторождений и залежей нефти как в России, так и за рубежом. Нефтяные месторождения различаются друг от друга по типу структурных форм и условиям их образования. Залежи нефти и газа различаются друг от друга по формам ловушек-коллекторов и по условиям образования в них скоплений нефти.

Сорта нефти

Введение сортности необходимо в связи с разностью состава нефти (содержания серы, различного содержания групп алканов, наличия примесей) в зависимости от месторождения. Стандартом для цен служит нефть сортов WTI и Light Sweet (для западного полушария и вообще ориентиром для других сортов нефти), а также Brent (для рынков Европы и стран ОПЕК).

Чтобы упростить экспорт были придуманы некие стандартные сорта нефти, связанные либо с основным месторождением, либо с группой месторождений. Для России это тяжёлая Urals и лёгкая нефть Siberian Light. В Великобритании - Brent, в Норвегии - Statfjord, в Ираке - Kirkuk, в США - Light Sweet и WTI. Часто бывает, что страна производит два сорта нефти - лёгкую и тяжёлую. Например в Иране это Iran Light и Iran Heavy.

Очистка нефти

Первый завод по очистке нефти был построен в России в 1745 году, в период правления Елизаветы Петровны, на Ухтинском нефтяном промысле. В Санкт-Петербурге и в Москве тогда пользовались свечами, а в малых городах - лучинами. Но уже тогда во многих церквях горели неугасаемые лампады. В них наливалось горное масло, которое было ничем иным, как смесью очищенной нефти с растительным маслом.

В конце XVIII столетия была изобретена керосиновая лампа. С появлением ламп возрос спрос на керосин. Очистка нефти - удаление из нефтепродуктов нежелательных компонентов, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства топлив и масел. Химическая очистка производится путём воздействия различных реагентов на удаляемые компоненты очищаемых продуктов. Наиболее простым способом является очистка 92-96 % серной кислотой или олеумом, применяемая для удаления непредельных и ароматических углеводородов. Физико-химическая очистка производится с помощью растворителей, избирательно удаляющих нежелательные компоненты из очищаемого продукта. Неполярные растворители (пропан и бутан) используются для удаления из остатков переработки нефти (гудронов) ароматических углеводородов (процесс деасфальтации). Полярные растворители (фенол и др.) применяются для удаления полициклических ароматических углеродов с короткими боковыми цепями, сернистых и азотистых соединений из масляных дистиллятов. При адсорбционной очистке из нефтепродуктов удаляются непредельные углеводороды, смолы, кислоты и др. Адсорбционную очистку осуществляют при контактировании нагретого воздуха с адсорбентами или фильтрацией продукта через зерна адсорбента. Каталитическая очистка - гидрогенизация в мягких условиях, применяемая для удаления сернистых и азотистых соединений.

Применение нефти.

Непосредственно сырая нефть практически не применяется (сырая нефть наряду с нерозином применяется для пескозащиты - закрепления барханных песков от выдувания ветром при строительстве ЛЭП и трубопроводов). Для получения из неё технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья для химической промышленности, её подвергают переработке. Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля её в общем потреблении энергоресурсов составляет 48 %. В перспективе эта доля будет уменьшаться вследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а также увеличения стоимости и уменьшения добычи.

В связи с быстрым развитием в мире химической и нефтехимической промышленности, потребность в нефти увеличивается не только с целью повышения выработки топлив и масел, но и как источника ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, ПАВ, моющих средств, пластификаторов, присадок, красителей, и др. (более 8 % от объёма мировой добычи). Среди получаемых из нефти исходных веществ для этих производств наибольшее применение нашли: парафиновые углеводороды - метан, этан, пропан, бутаны, пентаны, гексаны, а также высокомолекулярные (10-20 атомов углерода в молекуле); нафтеновые; ароматические углеводороды - бензол, толуол, ксилолы, этилбензол; олефиновые и диолефиновые - этилен, пропилен, бутадиен; ацетилен. Нефть уникальна именно комбинацией качеств: высокая плотность энергии (на тридцать процентов выше, чем у самых качественных углей), нефть легко транспортировать (по сравнению с газом или углём, например), наконец, из нефти легко получить массу вышеупомянутых продуктов. Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и др. причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.

Так же продукты нефтепереработки используются в панелях солнечных батарей. Солнечные панели могут помочь домовладельцам и бизнесменам использовать возобновляемые и энергии, то есть энергию солнечного света, но большинство панелей по-прежнему состоят из нефтяных смол, а пластмассовые детали из фотоэлектрических элементов. В скором времени это могут произойти изменения, поскольку многие компании начали разрабатывать новые био-смолы и биопластик, которые могли бы заменить компоненты батарей на нефтяной основе.

Как уже было сказано, в России производится нефть сорта Urals, которая получается смешением тяжелой, высокосернистой нефти Урала и Поволжья с легкой западносибирской нефтью.

Urals - сорт высокосернистой нефти (содержание серы около 1,3%), которая представляет собой смесь из нефти, добываемой в Ханты-Мансийском автономном округе и Татарстане. Основные производители черного золота Urals - это организации ««Роснефть»», «Лукойл», «Сургутнефтегаз», «нефтяная компания «Газпром нефть»», «ТНК-BP» и «группа Татнефть». Цена российской нефти определяется дисконтированием цены на Brent, поскольку российская нефть считается менее качественной ввиду высокого содержания серы, а также тяжёлых и циклических углеводородов.

В последнее время в Российской Федерации предпринят ряд шагов для того, чтобы повысить качество черного золота Urals путём исключения из него высокосернистой татарстанской нефти (в республике Татарстан планируется построить новые нефтеперерабатывающие мощности для того, чтобы из местной нефти делать бензин, а не пускать её в газопровод). Сама по себе Западно-Сибирская нефть приемлемого качества. За рубежом она известна под маркой Siberian Light.

Нефть марки Urals поставляется через Новороссийск и по системе газопроводов «Дружба».

Siberian Light - сорт нефти (содержание серы около 0.57%), добываемой в Ханты-Мансийском автономном округе. Основные производители черного золота Siberian Light - это фирмы ««Роснефть»», «Лукойл», «Сургутнефтегаз», «НК «Газпром нефть»», «ТНК-BP».

В отрасли теплоснабжения в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей нашел свое применение продукт переработки нефти – мазут. Мазу́т, жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350-360°С.

Мазут обладает почти в полтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Он занимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Замена твердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водном транспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитию основных отраслей промышленности и транспорта.

Заключение.

Таким образом, нефть относится к невозобновляемым ресурсам. Разведанные запасы нефти составляют (на 2004) 210 млрд т (1200 млрд баррелей), неразведанные - оцениваются в 52-260 млрд т (300-1500 млрд баррелей). Мировые разведанные запасы нефти оценивались к началу 1973 года в 100 млрд т (570 млрд баррелей). Таким образом, в прошлом разведанные запасы росли (также растёт и потребление нефти - за последние 35 лет оно выросло с 20 до 30 млрд баррелей в год). Однако, начиная с 1984 г., годовой объем мировой нефтедобычи превышает объём разведываемых запасов нефти.

Мировая добыча нефти в 2006 г. составляла около 3,8 млрд т в год, или 30 млрд баррелей в год. Таким образом, при нынешних темпах потребления, разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной - ещё на 10-50 лет.

Несмотря на существование таких прогнозов, правительство России планирует увеличение добычи нефти к 2030 году до 530 млн т в год. Также имеются большие запасы нефти (3400 млрд баррелей) в нефтяных песках Канады и Венесуэлы. Этой нефти при нынешних темпах потребления хватит на 110 лет. В настоящее время компании ещё не могут производить много нефти из нефтяных песков, но ими ведутся разработки в этом направлении.

Список использованной литературы.

1. http://ru.wikipedia.org – описание свойств нефти.

2. http://enc.fxeuroclub.ru – описание добычи нефти.

3. http://omrpublic.iea.org/supplysearch.asp - точные данные по добыче нефти.

4. Виноградов А. П. Галимов Э. М. «Изотопия углерода и проблема происхождения нефти.» - «Геохимия». 1970. № 3

Нефть: определение и описание.

Нефть - природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.

Нефть обнаруживается вместе с газообразными на глубинах от десятков метров до 5-6 км. Однако на глубинах свыше 4,5-5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1-3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. образования - например, битуминозные пески и битумы.

Происхождение нефти

Нефтеобразование - стадийный, весьма длительный (обычно 50-350 млн лет) процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Выделяется ряд стадий:

· Осадконакопление - во время которого остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов;

· биохимическая - процессы уплотнения, обезвоживания и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;

· протокатагенез - опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5-2 км, при медленном подъёме температуры и давления;

· мезокатагенез или главная фаза нефтеобразования (ГФН) - опускание пласта органических остатков на глубину до 3-4 км, при подъёме температуры до 150 °C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит отгонка нефти за счёт перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в песчаные пласты-коллекторы, а по ним в ловушки;

· апокатагенез керогена или главная фаза газообразования (ГФГ) - опускание пласта органических остатков на глубину более 4,5 км, при подъёме температуры до 180-250 °C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и реализовывает метаногенерирующий потенциал.

И. М. Губкин выделял также стадию разрушения нефтяных местозарождений.

История добычи нефти исчисляется с 6-го тысячелетия до н.э. Наиболее древние промыслы известны на берегах Евфрата, в Керчи, в китайской провинции Сычу-ань. Первым способом добычи - сбор нефти с поверхности водоемов, который до нашей эры применялся в Мидии, Вавилонии и Сирии.

Свойства нефти

Физические свойства

Нефть - жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета.

Средняя молекулярная масса 220-300 г/моль (редко 450-470).

Плотность 0,65-1,05 (обычно 0,82-0,95) г/см³.

Нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгко й, 0,831-0,860 - средней , выше 0,860 - тяжёлой .

Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно >28 °C, реже ≥100 °C в случае тяжёлых не́фтей) и фракционным составом - выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определённых температурных пределах, как правило до 450-500 °C (выкипает ~ 80 % объёма пробы), реже 560-580 °C (90-95 %).

Температура кристаллизации от −60 до + 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и лёгких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже).

Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до 265,90 мм²/с для различных не́фтей, добываемых в России), определяется фракционным составом нефти и её температурой (чем она выше и больше количество лёгких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто-асфальтеновых веществ (чем их больше, тем вязкость выше).

Удельная теплоёмкость 1,7-2,1 кДж/(кг∙К).

Удельная теплота сгорания (низшая) 43,7-46,2 МДж/кг.

Диэлектрическая проницаемость 2,0-2,5

Электрическая проводимость [удельная] от до .

Нефть - легковоспламеняющаяся жидкость. Температура вспышки от −35 до +121 °C (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворённых газов).

Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. В технологии для отделения от нефти воды и растворённой в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.

Химический состав

Общий состав

Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80-90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые). Остальные компоненты - растворённые углеводородные газы (C1-C4, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси.

Углеводородный состав

В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30-35, реже 40-50 % по объёму) и нафтеновые (25-75 %). В меньшей степени - соединения ароматического ряда (10-20, реже 35 %) и смешанного , или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические).