Нефть

Нефть — (от тур. neft, перс. нефт) горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространённая в осадочной оболочке Земли, являющаяся важнейшим полезным ископаемым. Образуется вместе с газообразными углеводородами (природными горючими газами) обычно на глубинах более 1,2—2 км. Вблизи земной поверхности нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др.

Нефть состоит из различных углеводородов – УВ (алканов, циклоалканов, аренов — ароматических углеводородов — и их гибридов) и соединений, содержащих, помимо углерода и водорода, гетероатомы — кислород, серу и азот.

Нефть сильно варьирует по цвету (от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти чёрной) и по плотности — от весьма лёгкой (0,65—0,70 г/см3 ) до весьма тяжёлой (0,98—1,05 г/см3 ). Пластовая нефть, находящаяся в залежах на значительной глубине, в различной степени насыщена газообразными углеводородами. По химическому составу нефти также разнообразны. Поэтому говорить о среднем составе нефти или «средней» нефти можно только условно. Менее всего колеблется элементный состав: 82,5—87% С; 11,5—14,5% Н.; 0,05—0,35, редко до 0,7% О; 0,001—5,3% S; 0,001—1,8% N. Преобладают малосернистые нефти (менее 0,5% S), но около 1/3 всей добываемой в мире нефти содержит свыше 1% S.

Нефть относится к группе горных осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Она обладает одним важным свойством – способностью гореть и выделять тепловую энергию. Среди других горючих ископаемых она имеет наивысшую теплотворную способность. Например, для подогрева котельной или другой установки требуется нефти значительно меньше по весу, чем каменного угля. Все горючие породы принадлежат к особому семейству, получившему название каустобиолитов (от греческих слов «каустос»- горючий, «биос» – жизнь, «литос» – камень, т.е. горючий органический камень). 

В химическом отношении нефть – сложная смесь углеводородов (УВ) и углеродистых соединений. Она состоит из следующих основных элементов: углерод (84-87%), водород (12-14%), кислород, азот, сера (1-2%). Содержание серы может доходить до 3-5%. В нефтях выделяют следующие части: углеводородную, асвальто-смолистую, порфирины, серу и зольную. В каждой нефти имеется растворенный газ, который выделяется, когда она выходит на земную поверхность. 

Главную часть нефтей составляют углеводороды различные по своему составу, строению и свойствам, которые могут находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. В зависимости от строения молекул они подразделяются на три класса – парафиновые, нафтеновые и ароматические. Но значительную часть нефти составляют углеводороды смешанного строения, содержащие структурные элементы всех трех упомянутых классов. Строение молекул определяет их химические и физические свойства. 

Для углерода характерна способность образовывать цепочки, в которых его атомы соединены последовательно друг с другом. Остальными связями к углероду присоединены атомы водорода. Количество атомов углерода в молекулах парафиновых УВ превышает количество атомов водорода в 2 раза, с некоторым постоянным во всех молекулах избытком, равным 2. Иначе говоря, общая формула углеводородов этого класса СnН2n+2. Парафиновые углеводороды химически наиболее устойчивы и относятся к предельным УВ. 

В зависимости от количества атомов углерода в молекуле углеводороды могут принимать одно из трех агрегатных состояний. Например, если в молекуле от одного до четырех атомов углерода (СН4 – С4Н10), то УВ представляют собой газ, от 5 до 16 (С5Н16 – С16Н34) - это жидкие УВ, а если больше 16 (С17Н36 и т.д.) – твердые. 

Таким образом, парафиновые углеводороды в нефти могут быть представлены газами, жидкостями и твердыми кристаллическими веществами. Они по-разному влияют на свойства нефти: газы понижают вязкость и повышают упругость паров; жидкие парафины хорошо растворяются в нефти только при повышенных температурах, образуя гомогенный раствор; твердые парафины также хорошо растворяются в нефти образуя истинные молекулярные растворы. Парафиновые УВ (за исключением церезинов) легко кристаллизуются в виде пластинок и пластинчатых лент. 

Нафтеновые (циклановае, или алициклические) УВ имеют циклическое строение (С/СnН2n), а именно состоят из нескольких групп – СН2 -, соединенных между собой в кольчатую систему. В нефти содержатся преимущественно нафтены, состоящие из пяти или шести групп СН2: Все связи углерода и водорода здесь насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами. По сравнению с парафинами, нафтены имеют более высокую плотность и меньшую упругость паров и имеют лучшую растворяющую способность. 

Ароматические УВ (арены) представлены формулой СnНn, наиболее бедны водородом. Молекула имеет вид кольца с ненасыщенными связями углерода. Простейшим представителем данного класса углеводородов является бензол С6Н6, состоящий из шести групп СН: Для ароматических УВ характерны большая растворяемость, более высокая плотность и температура кипения. 

Асфальто-смолистая часть нефтей представляет собой вещество темного окраса, которое частично растворяется в бензине. Растворившееся часть – асфальтены. Они обладают способностью набухать в растворителях, а затем переходить в раствор. Растворимость асфальтенов в смолисто-углеродных системах возрастает с уменьшением концентрации легких УВ и увеличением концентрации ароматических углеводородов. Смола не растворяется в бензине и являются полярными веществами с относительной молекулярной массой 500-1200. В них содержатся основное количество кислородных, сернистых и азотистых соединений нефти. Асфальтосмолистые вещества и другие полярные компоненты являются поверхностно-активными соединениями нефти и природными стабилизаторами водонефтяных эмульсий. 

Порфиринами называют особые азотистые соединения органического происхождения. Предполагают, что они образовались из гемоглобина животных и хлорофилла растений. Эти соединения разрушаются при температуре 200-250C. 

Сера широко распространена в нефтях и углеводородном газе и содержится как в свободном состоянии, так и в виде соединений (сероводород, меркаптаны). 

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

Свойства нефти определяют направление ее переработки и влияют на продукты, получаемых из нефти, поэтому существуют различные виды классификции, которые отражают химическую природу нефтей и определяют возможные направления переработки.

Например, в основу классификации, отражающей химический состав, положено преимущественное содержание в нефти какого-либо одного или нескольких классов углеводородов. Различают нафтеновые, парафиновые, парафино-нафтеновые, парафино-нафтено-ароматические, нафтено-ароматические, ароматические. Так, в парафиновых нефтях все фракции содержат значительное количество алканов; в парафино-нафтено-ароматических углеводороды всех трех классов содержатся примерно в равных количествах; нафтено-ароматические нефти характеризуются преимущественным содержанием циклоалканов и аренов, особенно в тяжелых фракциях. 

Также используется классификация по содержанию асфальтенов и смол. В технологической классификации нефти подразделяют на классы - по содержанию серы; типы - по выходу фракций при определенных температурах; группы - по потенциальному содержанию базовых масел; виды - по содержанию твердых алканов (папафинов).

Происхождение нефти

История науки знает много случаев, когда вокруг какой-нибудь проблемы разгораются жаркие споры. Такие споры идут вокруг проблемы происхождения нефти.

1 этап - с древнейших времён по 1760. В этот период представления о происхождении нефти, так или иначе, были связаны с различными представлениями о "флогистоне ", происхождение Земли и др. Первая теория была сформулирована в 950 годы арабским учёным Их - Ван - эс-Сафа. "Вода и воздух - писал он - созревают действием огня и образуют огненную серу и водяную ртуть. Эти два вторичных элемента смешиваются с разным количеством земли и в зависимости от температуры образуют минералы, находящиеся в земле, включая битуминозную субстанцию, такие, как нефть. Поэтому они имеют "высокий" воздух и нефть, сжимается и огнеопасны. " В конце 17 века (1697) итальянский учёный П. С. Бекконе, ссылаясь на мнение англ. учёного В. Чарметона, считая, что янтарь и битумы имеют одинаковое происхождение и нефть образуется "вулканическими силами из земли и серного начала". В качестве доказательства он приводил пример землетрясения 1683 года, которое повлияло на интенсивность нефтепроявлений в Сицилии. Судя по работе французского учёного Н. Лемери, в конце 17 века существовало представление об образовании нефти в результате перегонки янтаря; каменный уголь является остатком этой перегонки. Однако сам Лемери считал, что нефть образуется в результате перегонки битума. Пожалуй, самое интересное предположение высказал в начале 18 века немецкий учёный П. Ф. Генкель. По его мнению, нефть образуется из остатков животных и растений. Существование к 1739 году представления о нефти были обобщены русским академиком И. Вейбрехтом, который, разделяя мнение о нефти как о смеси "огненной", водной и земляной субстанций, в то же время считал, что нефть либо образовалась под влиянием тепла Земли, либо находилась в её недрах изначально. На основании нахождения нефти в теплых странах вблизи морей с соленой водой и длительности ее притоков снизу. Вейбрехт считал, что нефть-" это преобразованная, огненная сущность солей, оставляемая морской водой. При чрезмерном накоплении горючих веществ в одном месте при их воспламенении происходят землетрясения и оседания почвы". Любопытен вывод этого исследования о том, что "масляные части растений близки по своим свойствам к нефтяным маслам". На этом основании делалось предположение: «быть может, огненные и масляные части всех растений происходят от нефти, которую растения вытягивают из земли. «Эти представления завоевывали все большее и большее признание. В 1750 немецкий ученый Шпильман писал, что нефть образуется из растений, преимущественно из ели. Член французской академии наук, химик по специальности П.Ж. Макер в 1758 высказал мнение о том, что битумы образуются в результате взаимодействия "растительных масел" и "кислот".

2 этап (1761-1859).Этот этап продолжался почти 100 лет. Он начался с работы М.В.Ломоносова. В середине 18 века в своем трактате "О слоях земных" великий русский ученый писал: " Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя... и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменного масла, жидковская смола, нефть. Которые хотя чистотой разнятся. Однако из одного начала происходят" Таким образом, более 200 лет назад была высказана мысль об органическом происхождении нефти из каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть и газ. Родилась органическая гипотеза. М.В. Ломоносов был не единственный, кто высказался по интересующему нас вопросу в 18 веке. Правда, другие гипотезы того времени носили курьёзный характер. Так, один варшавский каноник утверждал, что Земля в райский период была настолько плодотворна, что на большую глубину содержала жировые примеси. После грехопадения этот жир частично испарился, а частично погрузился в землю , смешиваясь с различными веществами. Всемирный потоп содействовал превращению его в нефть. Также известна ещё одна гипотеза. Авторитетный немецкий геолог-нефтяник Г.Гефер рассказывает об одном американском нефтепромышленнике конца прошлого века, считавшим, что нефть возникла из мочи китов на дне полярных морей. По подземным каналам она проникла в Пенсильванию. Немецкий химик К. Райхенбах в 1834 привел перегонку каменного угля с водой и получил 0,0003% масла, очень похожего на скипидар и на нефть Италии. На основании этого он предположил, что нефть "представляет собой скипидар доисторических пиний (итальянских сосен), находилась в углях в готовом виде и выделялась из них под действием теплоты Земли" В 19 веке среди учёных были распространены идеи, близкие к представлениям Ломоносова. Споры велись главным образом вокруг исходного материала :животные или растения?"

3 этап - (1860-1905). Немецкие учёные Г. Гефер и К. Энглер в 1888 поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из животных организмов. Позднее, в 1919 академиком Н.Д. Зелинским был осуществлен опыт, исходным материалом которого был органогенный ил преимущественно растительного происхождения из озера Балхаш. При его перегонке были получены: сырая смола -63,2%, кокс-16% , газы (метан, окись углерода, водород, сероводород.)-20,8%. При последующей переработке смолы из нее извлекли бензин, керосин и тяжелые масла. Итак, опытным путём было доказано, что нефть - производные при разложении органики либо животного, либо растительного происхождения, либо их смеси. Таковой была органическая гипотеза. Но также существовала и неорганическая гипотеза, выдвинутая Д. И. Менделеевым, и получившая название карбидной. Ученый считал, что во время горообразовательных процессов по трещинам, рассекающим земную кору, поверхностная вода просачивалась вглубь Земли к металлическим массам. Взаимодействие ее с карбидами железа приводило к образованию окислов металла и углеводорода. У.В. по тем же трещинам поднимались в верхние слои земной коры и насыщали пористые породы, образуя месторождения. Однажды, побывав в г. Баку, Менделеев от русского учёного Г. В. Абиха узнал, что часто месторождения нефти территориально приурочены к сбросам - особого типа трещинам земной коры. В этом Менделеев видел неоспоримые докозательства своих воззрений. Таким образом, к концу прошлого столетия четко обособились 2 полярных взгляда на проблему происхождения нефти: органическая и неорганическая.

4 этап- (1932-1950). Выход в свет в 1932 книги академика И. М. Губкина "Учение о нефти" положил конец колебаниям между указанными группами представлений, и в течение последующего этапа господствовала гипотеза образования нефти из рассеянного органического вещества, накапливавшегося в значительных количествах в осадках морских бассейнов.

5 этап - (1951 - настоящее время). Этот этап можно смело назвать этапом становления теории органического происхождения нефти, или, как ее правильно назвал Н.Б. Вассоевич, теории осадочно-миграционного происхождения нефти и углеводородных газов. Начало данного этапа следует считать 1950 год потому, что именно этот год почти одновременно с советскими и американскими учёными были обнаружены углеводороды в современных осадках. Американские исследователи под руководством П.В.Смита открыли углеводороды в современных осадках Мексиканского залива, прикалифорнийской части Тихого океана, а также некоторых пресноводных бассейнов. И хотя дальнейшие исследования показали, что углеводороды, содержащиеся в современных осадках, существенно отличаются от нефти, значение указанных открытий трудно переоценить. Они показали, во-первых, что углеводороды образуются в осадках из остатков растительных и животных организмов. Тем самым был положен конец продолжавшейся в течение более двух столетий дискуссии о том, какое органическое вещество может быть исходным для образования нефти. Во-вторых, оказалось, что процессы нефтегазообразования могут развиваться почти в любых субаквальных осадках и что для этого не требуется каких-то особых экстраординарных условий.