Нефть и нефтепродукты

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Реферат

Нефть и нефтепродукты

свойство состав нефть углеводород нефтепродукт

Нефть (греч. нбциб, или через тур. neft, от персидск. нефт; восходит к аккад. напатум -- вспыхивать, воспламеняться) -- природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых 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.

NYMEX цены на нефть West Texas Intermediate 1996--2010

Общие сведения

Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами 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. По химическому составу и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту. Эти ископаемые объединяют под общим названием петролитов. Петролиты относят к ещё более обширной группе так называемых каустобиолитов -- горючих минералов биогенного происхождения, которые включают также ископаемые твёрдые топлива ^[1].

Исторические сведения о нефти

Нефть известна человечеству с древнейших времён, что иллюстрируется следующими данными:

В средние века интерес к нефти, в основном, основывался на её способности гореть. Так сохранились сведения о «горючей воде -- густе», привезённой с Ухты в Москву при Борисе Годунове.
До начала 18 века нефть преимущественно использовалась в натуральном, то есть непереработанном и неочищенном виде. Большое внимание на нефть в качестве полезного ископаемого было обращено только после того, как:

· в России заводской практикой братьев Дубининых (с 1823),

· в Америке химиком Б. Силлиманом (1855),

было доказано, что из неё можно выделить керосин -- осветительное масло, подобное фотогену, уже в то время вырабатывавшемуся из некоторых видов каменных углей и сланцев и получившему широкое распространение. Преимущественное использование переработанной нефти началось только во 2-й половине 19 века, чему способствовал возникший в это время новый способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев. Первая в мире добыча нефти из буровой скважины состоялась в 1848 году на Биби-Эйбатском месторождении вблизи Баку.^[2]

Происхождение

Нефть -- результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях.

Нефтеобразование -- стадийный, весьма длительный (обычно 50-350 млн лет)^[3] 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.

Убедительные доказательства биогенной природы нефте-материнского вещества были получены в результате детального изучения эволюции молекулярного состава углеводородов и их биохимических предшественников (прогениторов) в исходных организмах, в органическом веществе осадков и пород и в различных нефтях из залежей. Важным явилось обнаружение в составе нефти хемофоссилий -- весьма своеобразных, часто сложно построенных молекулярных структур явно биогенной природы, то есть унаследованных (целиком или в виде фрагментов) от органического вещества. Изучение распределения стабильных изотопов углерода (¹²C, ¹³C) в нефти, органическом веществе пород и в организмах (А. П. Виноградов, Э. М. Галимов) также подтвердило неправомочность неорганических гипотез.

Тем не менее, и в настоящее время некоторые ученые отстаивают неорганические гипотезы. В частности, утверждается, что к образовавшейся в древние эпохи органическим путем нефти постоянно добавляется нефть, образующаяся неорганическим путем. Если это верно, то это означает практическую неисчерпаемость запасов нефти.

Свойства нефти

Физические свойства. Нефть -- жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (хотя бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти). Средняя молекулярная масса 220--300 г/моль (редко 450--470). Плотность 0,65--1,05 (обычно 0,82--0,95) г/смі; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831--0,860 -- средней, выше 0,860 -- тяжёлой. Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления^[5]. 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 немфтей) 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 ммІ/с для различных немфтей, 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 2•10^?10 до 0,3•10^?18 Ом^?1•см^?1.

Нефть -- легковоспламеняющаяся жидкость; температура вспышки от ?35^[6] 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 (частицы глины, песка, известняка).

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).

Элементный состав нефти и гетероатомные компоненты

Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие -- H₂S, меркаптаны, моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны, а также полициклические и т. п. (70--90 % концентрируется в остаточных продуктах -- мазуте и гудроне); азотсодержащие -- преимущественно гомологи пиридина, хинолина, индола, карбазола, пиррола, а также порфирины (большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках); кислородсодержащие -- нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества (сосредоточены обычно в высококипящих фракциях). Элементный состав (%): 82-87 C; 11-14,5 Н; 0,01-6 S (редко до 8); 0,001-1,8 N; 0,005--0,35 O (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V(10^?5 -- 10^?2%), Ni(10^?4?10^?3%), Cl (от следов до 2Ч10^?2%) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.

Классификация нефти по углеводородному составу

Класс углеводородов, по которому нефти даётся наименование, должны присутствовать в количестве более 50 %. Если присутствуют углеводороды также и других классов и один из классов составляет не менее 25 %, выделяют смешанные типы нефти: метано-нафтеновые, нафтено-метановые, ароматическо-нафтеновые, нафтено-ароматические, ароматическо-метановые и метано-ароматические; в них первого компонента содержится более 25 %, второго -- более 50 %.

Растворители нефти

По способности растворяться в органических жидкостях, в том числе в:

· сероуглероде,

· хлороформе,

· спиртобензольной смеси нефть, как и:

· другие петролиты,

· вещества, извлекаемые этими растворителями из торфа,

· вещества, извлекаемые этими растворителями из ископаемых углей

принято относить к группе битумов.

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. Иногда этой причиной обусловливается наличие непродуктивных участков 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»). Дебит скважин, помимо физических свойств коллектора, его мощности и насыщения, определяется давлением растворённого в нефти газа и краевых вод. 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 (упругого расширения и/или краевой воды и/или газа, как растворённого так и газовой шапки) вследствие чего вскрытие залежи, особенно первыми скважинами, сопровождается риском газонефтепроявлений (очень редко фонтанными выбросами нефти). Весьма продолжительное время (со 2-й половины XIX в.) геологи полагали, что нефтяные залежи приурочиваются почти исключительно к антиклинальным складкам, и только в 1911 И. М. Губкиным был открыт в Майкопском районе новый тип залежи, приуроченной к аллювиальным пескам и получившей название «рукавообразной». Спустя более 10 лет подобные залежи были обнаружены в США. Дальнейшее развитие разведочных работ в СССР и в США завершилось открытием залежей, связанных с соляными куполами, приподнимающими, а иногда и протыкающими осадочные толщи. Изучение нефтяных месторождений показало, что образование нефтяных залежей обусловлено различными структурными формами изгибов пластов, стратиграфическими соотношениями свит и литологическими особенностями пород. 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.^[7]

Разработка и применение нефти

Добыча нефти

Чертёж, иллюстрирующий обвязку устья нефтедобывающей скважины

По способам современные методы добычи флюидов или скважинной жидкости^{[источник не указан 382 дня]}(в том числе нефти) делятся на:

-- фонтан (выход флюида осуществляется за счёт разности давлений)

-- газлифт

-- установка электро-центробежного насоса (УЭЦН)

-- ЭВН установка электро-винтового насоса (УЭВН)

-- ШГН (штанговые насосы)

-- другие

Первый центробежный насос для добычи нефти был разработан в 1916 Российским изобретателем Армаисом Арутюновым. В 1923 году Арутюнов эммигрировал в США, и в 1928 году основал фирму Bart Manufacturing Company, которая в 1930 была переименована в «REDA Pump» (аббревиатура от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff), которая многие годы была лидером рынка погружных насосов для нефтедобычи. В СССР большой вклад в развитие электрических погружных насосов для добычи нефти внесло Особое конструкторское бюро по конструированию, исследованию и внедрению глубинных бесштанговых насосов (ОКБ БН) созданном в 1950 г. Основателем ОКБ БН был Богданов Александр Антонович.

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 гарное масло, которое было ничем иным, как смесью очищенной нефти с растительным маслом. Купец Набатов был единственным поставщиком очищенной нефти для соборов и монастырей. В конце XVIII столетия была изобретена 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

Сырая нефть непосредственно почти не применяется. 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.

Размещено на Allbest.ru