12.4: Нафта

Нафта - це природна рідина від жовтого до чорного кольору, що зустрічається в геологічних утвореннях під поверхнею Землі, яка зазвичай переробляється на різні види палива.

Малюнок 1. Pumpjack накачування нафтової свердловини поблизу Лаббока, Техас

Він складається з вуглеводнів різної молекулярної маси та інших органічних сполук. Назва нафти охоплює як природну необроблену сиру нафту, так і нафтопродукти, що складаються з рафінованої сирої нафти. Викопне паливо, нафта, утворюється, коли велика кількість мертвих організмів, як правило, зоопланктону та водоростей, закопуються під осадовою породою і піддаються інтенсивному нагріванню та тиску.

Нафта видобувається в основному за допомогою буріння нафти (природні нафтові джерела зустрічаються рідко). Це відбувається після досліджень структурної геології (в масштабі колектора), аналізу осадового басейну, характеристики колектора (в основному з точки зору пористості і проникності геологічних колекторних споруд). Його рафінують і відокремлюють, найлегше шляхом дистиляції, на велику кількість споживчих товарів, від бензину (бензину) і гасу до асфальту та хімічних реагентів, що використовуються для виготовлення пластмас і фармацевтичних препаратів. Нафта використовується у виробництві найрізноманітніших матеріалів, і, за оцінками, світ споживає близько 90 мільйонів барелів щодня.

Занепокоєння з приводу виснаження кінцевих запасів нафти Землі та впливу, який це матиме на залежне від неї суспільство, - це поняття, відоме як пікова нафта. Використання викопного палива, такого як нафта, негативно впливає на біосферу Землі, пошкоджуючи екосистеми через такі події, як розливи нафти та вивільнення ряду забруднюючих речовин у повітря, включаючи наземний озон та діоксид сірки від домішок сірки в викопному паливі.

СКЛАД

У найсуворішому розумінні нафта включає лише сиру нафту, але в загальному використанні вона включає всі рідкі, газоподібні та тверді вуглеводні. При поверхневому тиску і температурних умовах легші вуглеводні метан, етан, пропан і бутан виникають у вигляді газів, тоді як пентан і важчі - у вигляді рідин або твердих речовин. Однак у підземному нафтовому резервуарі пропорції газу, рідини та твердої речовини залежать від умов надр та діаграми стану нафтової суміші.

Нафтова свердловина видобуває переважно сиру нафту, з розчиненою в ній деякою кількістю природного газу. Оскільки тиск нижче на поверхні, ніж під землею, частина газу вийде з розчину і буде відновлена (або спалена) як попутний газ або розчин газу. Газова свердловина видобуває переважно природний газ. Однак, оскільки підземна температура та тиск вищі, ніж на поверхні, газ може містити важчі вуглеводні, такі як пентан, гексан та гептан у газоподібному стані. У поверхневих умовах вони конденсуються з газу, утворюючи природний газовий конденсат, часто скорочений до конденсату. Конденсат за зовнішнім виглядом нагадує бензин і схожий за складом на деякі летючі легкі сирі нафти.

Частка легких вуглеводнів у нафтовій суміші сильно варіюється серед різних родовищ нафти, починаючи від 97 відсотків за вагою в більш легких оліях до всього 50 відсотків у більш важких оліях і бітумах.

Вуглеводні в сирої нафти - це переважно алкани, циклоалкани та різні ароматичні вуглеводні, тоді як інші органічні сполуки містять азот, кисень та сірку, а також слідові кількості металів, таких як залізо, нікель, мідь та ванадій. Багато нафтові резервуари містять живі бактерії. Точний молекулярний склад варіюється в широких межах від утворення до утворення, але частка хімічних елементів варіюється у досить вузьких межах наступним чином:

Склад по вазі

Елемент	Діапазон відсотків
Вуглець	від 83 до 85%
Водень	Від 10 до 14%
Азот	Від 0,1 до 2%
Кисень	Від 0,05 до 1,5%
Сірка	Від 0,05 до 6,0%
Метали	< 0,1%

Чотири різних типи молекул вуглеводнів з'являються в сирої нафти. Відносний відсоток кожного варіюється від масла до масла, визначаючи властивості кожного масла.

Склад по вазі

вуглеводневий	Середній	Діапазон
Алкани (парафіни)	30%	Від 15 до 60%
Наффен	49%	Від 30 до 60%
Ароматичні речовини	15%	Від 3 до 30%
Асфальтика	6%	залишок

Сира нафта сильно різниться за зовнішнім виглядом в залежності від її складу. Зазвичай він чорний або темно-коричневий (хоча може бути жовтуватим, червонуватим або навіть зеленуватим). У резервуарі він зазвичай зустрічається у зв'язку з природним газом, який легше утворює газовий ковпачок над нафтою, а солона вода, яка, будучи важчою за більшість форм сирої нафти, як правило, опускається під нею. Сира нафта також може бути знайдена в напівтвердій формі, змішаної з піском і водою, як в нафтових пісках Атабаска в Канаді, де її зазвичай називають сирим бітумом. У Канаді бітум вважається липкою, чорною, смолоподібною формою сирої нафти, яка настільки густа і важка, що її потрібно нагріти або розбавити, перш ніж вона потече. Венесуела також має велику кількість нафти в нафтових пісках Оріноко, хоча вуглеводні, що потрапили в них, є більш текучими, ніж в Канаді, і зазвичай їх називають надзвичайно важкою нафтою. Ці ресурси нафтових пісків називаються нетрадиційною нафтою, щоб відрізнити їх від нафти, яку можна видобувати традиційними методами нафтових свердловин. Між ними Канада і Венесуела містять приблизно 3,6 трлн барелів (570×10 ⁹ м ³) бітуму і надважкої нафти, що приблизно вдвічі перевищує обсяг світових запасів звичайної нафти.

Нафта використовується здебільшого за обсягом для виробництва мазуту та бензину, як важливих джерел «первинної енергії». 84 відсотки за обсягом вуглеводнів, присутніх у нафті, перетворюються на багате енергією паливо (паливо на основі нафти), включаючи бензин, дизельне паливо, реактивний, опалювальний та інші мазути, і скраплений вуглеводневий газ. Більш легкі сорти сирої нафти дають найкращі врожаї цих продуктів, але оскільки світові запаси легкої та середньої нафти виснажуються, нафтопереробним заводам все частіше доводиться переробляти важку нафту та бітум, а також використовувати більш складні та дорогі методи для виробництва необхідної продукції. Оскільки важчі сирі нафти мають занадто багато вуглецю і недостатньо водню, ці процеси, як правило, включають видалення вуглецю з молекул або додавання водню та використання каталітичного крекінгу рідини для перетворення довших, більш складних молекул в нафті до коротших, простіших у паливі.

Завдяки високій щільності енергії, легкій транспортабельності та відносній великій кількості, нафта стала найважливішим у світі джерелом енергії з середини 1950-х років. Нафта також є сировиною для багатьох хімічних продуктів, включаючи фармацевтичні препарати, розчинники, добрива, пестициди та пластмаси; 16 відсотків, які не використовуються для виробництва енергії, перетворюються на ці інші матеріали. Нафта знаходиться в пористих гірських утвореннях у верхніх шарах деяких ділянок земної кори. Є і нафта в нафтових пісках (дьогтяних пісках). Відомі запаси нафти, як правило, оцінюються приблизно в 190 км ³ (1,2 трлн (короткомасштабних) барелів) без нафтових пісків або 595 км ³ (3,74 трлн барелів) з нафтовими пісками. Споживання в даний час становить близько 84 мільйонів барелів (13,4 × 10 ⁶ м ³) на день, або 4,9 км ³ на рік. Що, в свою чергу, дає залишкову пропозицію нафти лише близько 120 років, якщо поточний попит залишається статичним.

ФОРМУВАННЯ

Нафта - це викопне паливо, отримане з давніх скам'янілих органічних матеріалів, таких як зоопланктон та водорості. Величезна кількість цих залишків осідає на дно моря або озера, змішуючись з відкладеннями та поховані в аноксичних умовах. Оскільки подальші шари осідають до морського або озерного русла, в нижніх регіонах наростає сильна спека та тиск. Цей процес змусив органічну речовину перетворитися спочатку на восковий матеріал, відомий як кероген, який міститься в різних сланцях по всьому світу, а потім з більшою кількістю тепла в рідкі та газоподібні вуглеводні за допомогою процесу, відомого як катагенез. Освіта нафти відбувається з вуглеводневого піролізу в різних переважно ендотермічних реакціях при високій температурі і/або тиску.

Малюнок 2. Природне нафтове джерело в Корні, Словаччина

Існували певні теплі середовища, багаті поживними речовинами, такі як Мексиканська затока та стародавнє море Тетіс, де велика кількість органічного матеріалу, що падає на дно океану, перевищувала швидкість, з якою вона могла розкладатися. Це призвело до того, що великі маси органічного матеріалу були поховані під наступними родовищами, такими як сланці, утворені з бруду. Це масивне органічне родовище пізніше нагрівалося і перетворилося під тиском в нафту.

Геологи часто називають температурний діапазон, в якому масло утворюється як «масляне вікно» — нижче мінімальної температури масло залишається в пастці у вигляді керогену, а вище максимальної температури масло перетворюється на природний газ в процесі термічного крекінгу. Іноді нафта, що утворюється на крайніх глибині, може мігрувати і потрапляти в пастку на набагато меншому рівні. Нафтові піски Атабаски є одним із прикладів цього.

Альтернативний механізм був запропонований російськими вченими в середині 1850-х років Абіогенного нафтового походження, але цьому суперечать геологічні і геохімічні дані.

ВОДОЙМ

Резервуари сирої нафти

Три умови повинні бути присутніми для формування нафтових резервуарів: джерельна порода, багата вуглеводневим матеріалом, похована досить глибоко для підземного тепла, щоб приготувати його в нафту, пориста і проникна порода пласта для її накопичення, і ковпачок породи (ущільнення) або інший механізм, який перешкоджає йому від виходу в поверхні. У цих резервуарах рідини, як правило, організовуються як тришаровий пиріг з шаром води нижче шару нафти та шаром газу над ним, хоча різні шари різняться за розміром між резервуарами. Оскільки більшість вуглеводнів менш щільні, ніж скеля або вода, вони часто мігрують вгору через сусідні шари гірських порід, поки не досягнуть поверхні або не потрапляють у пастку в пористих порід (відомих як резервуари) непроникними породами вище. Однак на процес впливають підземні водні потоки, внаслідок чого нафта мігрує сотні кілометрів по горизонталі або навіть на короткі відстані вниз, перш ніж потрапити в пастку у водойму. При концентруванні вуглеводнів в пастці утворюється нафтове родовище, з якого рідина може бути витягнута шляхом буріння і перекачування.

Реакції, які виробляють нафту та природний газ, часто моделюються як реакції розпаду першого порядку, де вуглеводні розщеплюються на нафту та природний газ за допомогою набору паралельних реакцій, і нафта врешті-решт розпадається на природний газ іншим набором реакцій. Останній набір регулярно використовується на нафтохімічних заводах і нафтопереробних заводах.

Для видобутку сирої нафти бурять свердловини в нафтові резервуари. Методи виробництва «природного ліфта», які покладаються на природний тиск резервуара, щоб змусити нафту на поверхню, зазвичай достатньо на деякий час після першого постукування резервуарів. У деяких водоймах, таких як на Близькому Сході, природного тиску достатньо протягом тривалого часу. Природний тиск у більшості водойм, однак, з часом розсіюється. Потім масло необхідно витягти за допомогою засобів «штучний ліфт». Згодом ці «первинні» методи стають менш ефективними і можуть застосовуватися «вторинні» методи виробництва. Поширеним вторинним методом є «повінь» або нагнітання води в резервуар для підвищення тиску і примусу нафти до пробуреної шахти або «стовбура свердловини». Зрештою, «третинні» або «посилені» методи видобутку нафти можуть бути використані для підвищення характеристик потоку нафти шляхом впорскування пари, вуглекислого газу та інших газів або хімічних речовин у резервуар. У Сполучених Штатах на первинні методи видобутку припадає менше 40 відсотків нафти, що видобувається щодня, вторинні методи становлять близько половини, а третинні відновлення - решта 10 відсотків. Для видобутку нафти (або «бітуму») з нафтових/смолотних піску та нафтових сланцевих родовищ потрібно видобуток піску або сланцю та нагрівання його в посудині або реторті, або використання «in-situ» методів нагнітання нагрітих рідин у родовище, а потім відкачування насиченої нафтою рідини.

Нетрадиційні нафтові резервуари

Масляні бактерії біологічно розкладають масло, яке вийшло на поверхню. Нафтові піски - це резервуари частково біологічно розкладеної нафти, що все ще перебувають у процесі виходу та біологічного розкладання, але вони містять стільки мігруючої нафти, що, хоча більша частина її втекла, величезна кількість все ще присутня - більше, ніж можна знайти в звичайних нафтових резервуарах. Легші фракції сирої нафти руйнуються спочатку, в результаті чого резервуари, що містять надзвичайно важку форму сирої нафти, звану сирим бітумом в Канаді, або надважку сиру нафту у Венесуелі. Ці дві країни мають найбільші в світі родовища нафтових пісків.

З іншого боку, сланці - це породи джерела, які не піддавалися впливу тепла або тиску досить довго, щоб перетворити свої захоплені вуглеводні в сиру нафту. Технічно кажучи, сланці не завжди є сланцями і не містять нафти, а є дрібнозернистими осадовими породами, що містять нерозчинну органічну тверду речовину під назвою кероген. Кероген в породі може бути перетворений в сиру нафту, використовуючи тепло і тиск для імітації природних процесів. Метод був відомий протягом століть і був запатентований в 1694 році під патентом Британської корони № 330 покриття, «Спосіб вилучення та виготовлення великої кількості смолу, смоли та олії з свого роду каменю». Хоча сланці зустрічаються в багатьох країнах, США мають найбільші в світі родовища.

РЕФЛЕКСІЯ ПИТАННЯ

• Яку майстерність допомагає вам розвивати цей вміст?
• Які ключові теми висвітлюються в цьому контенті?
• Як зміст цього розділу може допомогти вам продемонструвати майстерність певної майстерності?
• Які питання у вас щодо цього вмісту?

Автори та атрибуція

• Template:ContribCandelaGeo