какие углеводороды преимущественно входят в состав нефти различных месторождений

Соединения в составе сырой нефти

Природная маслянистая горючая жидкость известная как нефть имеет сложный и разнообразный состав определяющий её качество. Состав сырой нефти представляющий собой жидкость находящуюся в недрах Земли включает углеводороды, органические соединения и небольшое количества металла.

Компоненты состава сырой нефти

Хотя углеводороды обычно являются основным компонентом состава сырой нефти, их количество может варьироваться от 50% до 97% в зависимости от типа горючей жидкости и способа ее добычи. Органические соединения, такие как азот, кислород и сера, обычно составляют от 6 до 10% сырой нефти, в то время как металлы, такие как медь, мышьяк, никель, ванадий и железо, составляют менее 1% от общего состава.

Нефть состоит из следующих основных элементов:

Неорганические соли хлорида магния, хлоридов натрия и других минеральных веществ также сопровождаются с сырой нефтью из скважины либо из-за воды пласта или воды и химических веществ, закачиваемых во время бурения и добычи.

Типы углеводородов в сырой нефти

Существуют три основных типа углеводородов в сырой нефти: парафины или алканы (15-60%), нафтены или циклоалканы (30-60%), ароматические или арены (3-30%).

Парафиновые углеводороды

Общая молекулярная формула (C_nH_2n+2), С-углерод, H-водород, где n-число атомов углерода в этом соединении. Гомологичные ряды этих углеводородов называются алканами. Алканы относительно неактивны по сравнению с ароматическими веществами и олефинами. При комнатной температуре алканы не подвергаются воздействию концентрированной дымящей серной кислоты, концентрированных щелочей или мощных окислителей, таких как хромовая кислота. Алканы проводят реакции замещения медленно с хлором в солнечном свете и с бромом в присутствии катализатора.

Парафины выпускаются как обычные, так и изопарафины. Нормальные парафины представляют собой соединения с прямой цепью, а изопарафины — разветвленные соединения.

Изопарафины более реактивны, чем обычные парафины, и желательны в моторном топливе.

Нормальные парафины могут быть преобразованы в изопарафины термическим или химическим путем. Это называется реакцией изомеризации.

Олефины эта серия известна как алкены: это ненасыщенные углеводороды, что означает наличие двойной связи между двумя атомами углерода в формуле. Родовая формула (C_nH_2n), и самый низкий член этого гомологичного ряда этилен, C₂H₄. Алкены бывают как жидкость так и газ: этилен, бутен, изобутен. Они обладают высокой реакционной способностью и могут сами реагировать на моноолефины.

Олефины не присутствуют в сырой нефти, но они образуются путем термического и каталитического разложения или дегидрирования обычных парафинов.

Олефины обычно нежелательны в готовых продуктах, потому что двойные связи реакционноспособны, а соединения легче окисляются и полимеризуются с образованием смол и лаков, поэтому их можно удалить абсорбцией в серной кислоте.

Нафтены или циклопарафины

Нафтены или циклопарафины: циклические насыщенные углеводороды с общей формулой, как олефины,(C_nH_2n), также известные как циклоалканы.

Поскольку они насыщены, они относительно неактивны, как парафины. Нафтены являются желательными соединениями для производства ароматических веществ и высококачественных базовых запасов смазочных масел.

Ароматические соединения

Не имеют отношения к запаху и является понятием, характеризующим структурные молекулы. Термин устоялся из-за приятного запаха этих веществ.

Ароматические соединения часто называемые бензолами, химически очень активны по сравнению с другими группы углеводородов. Их общая формула (C_nH_2n-6) при n ≥ 6.

Эти углеводороды подвергаются воздействию кислорода с образованием органических кислот.

Ароматические вещества также могут быть получены дегидрированием нафтенов в присутствии платинового катализатора.

Низшие ароматические соединения, такие как бензол, толуол и ксилолы, являются хорошими растворителями и инициаторами для многих нефтехимических продуктов.

Ароматические вещества из нефтепродуктов могут быть отделены экстракцией растворителями, такими как фенол, фурфурол и диэтиленгликоль.

Неуглеводороды или гетероатомные соединения

Общие гетероатомы в углеводородах — это атомы серы, кислорода, азота и металлов.

Соединения серы

Соединения серы присутствуют в сырой нефти в виде меркаптанов органических веществ, сернистые аналоги спиртов, имеющие общую формулу RSH, где R — углеводородный радикал Примерами циклических соединений серы являются тиофены и бензотиофены.

Газ сероводород

Газ сероводород (H2S) связан с сырой нефтью в растворенном виде и выделяется при нагревании. H2S вызывает коррозию при высоких температурах и в присутствии влаги.

Сырая нефть, содержащая большое количество H2S, называется кислой сырой нефтью. Сера, присутствующая в нефтяных топливных продуктах, также образует различные оксиды серы (SOx) при горении, которые являются сильными загрязнителями окружающей среды. H2S может быть удален из газов путем абсорбции в растворе с производными аммиака.

В легких дистиллятах сера может присутствовать в виде H2S, меркаптанов и тиофенов, но в более тяжелых фракциях сырой нефти 80-90% серы обычно присутствует в сложной кольцевой структуре углеводородов. В этой комбинации атом серы стабилен и не реагирует. В результате сера из более тяжелой нефти не может быть удалена без разрушительной реакции, такой как тяжелые термические или каталитические реакции.

В настоящее время сера извлекается при рафинировании и продается в виде продукта. Сера также оказывает отравляющее действие на различные катализаторы.

Соединения азота

Состав сырой нефти может включать соединения азота которые обычно встречаются в более тяжелых видах.

Соединения азота ответственны за цвет и цветовую нестабильность. В общем, чем более асфальтирована нефть, тем выше в ней содержание азота. Азот в нефтяных топливах вызывает образование оксидов азота (NOx), которые также являются сильными загрязнителями атмосферы. Азот может быть удален из нефтепродукты методом каталитического гидрирования.

Соединения азота более стабильны, чем соединения серы, и поэтому их труднее удалить, даже если они присутствуют в очень низких концентрациях.

Кислородные соединения

Сырая нефть может содержать кислородсодержащие соединения, такие как нафтеновые кислоты, фенолы и крезолы, которые ответственны за коррозионную деятельность. Кислород также действует на многие катализаторы. Кислород может быть удален каталитическим гидрированием.

Избыток кислородных соединений может даже привести к взрыву.

Металлы

Металлические соединения ванадия, никеля, свинца, мышьяка и др., также содержатся в сырой нефти.

Ванадий и никель встречаются в виде металлоорганических соединений в основном в более тяжелых фракциях сырой нефти, где атомы металлов распределены внутри соединения в сложной форме, называемой порфиринами.

Нефтяное топливо, содержащее эти металлические соединения, может повреждать горелки, трубопроводы и стенки камер сгорания.

Источник

Углеводороды нефти: компоненты, состав, структура

Углеводороды – важнейшая составная часть любой нефти. Концентрация природных углеводородов в нефти разного вида не одинакова: от 100 (газовый конденсат) до 30 %. В среднем углеводороды составляют 70 % массы этого топлива.

Углеводороды в составе нефти

В составе нефтей определено около 700 углеводородов своеобразного строения. Все они разнообразны по составу и строению, но при этом хранят информацию о составе и строении веществ, составляющих основу липидов древних бактерий, водорослей и высших растений.

Углеводородный состав нефти включает:

Алканы (алифатические предельные углеводороды)

Алканы – важнейшие и хорошо изученные углеводороды любой нефти. В состав нефти входят углеводороды алканы от С1 до С100. Их количество колеблется в пределах от 20 до 60 % и зависит от типа нефти. По мере возрастания молекулярной массы фракции, концентрация алканов снижается во всех типах.

Если циклические углеводороды разного строения встречаются в нефти одинаково часто, то среди алканов обычно преобладают структуры определенного строения. Причем строение, как правило, не зависит от молекулярного веса. Это значит, что в разных типах нефти присутствуют определенные гомологические ряды алканов: алканы нормального строения, монометилзамещенные с разным положением метильной группы, реже – ди- и триметилзамещенные алканы, а также тетраметилалканы изопреноидного типа. Алканы характерного строения составляют почти 90 % от всей массы алканов нефти. Этот факт позволяет хорошо изучить алканы в различных, в том числе высококипящих, фракциях нефти.

Алканы разных фракций

При температуре от 50 до 150 °С выделяется фракция I, в которую входят алканы с количеством углеродных атомов от 5 до 11. Алканы имеют изомеры:

Поэтому фракция I теоретически может включать около 300 углеводородов. Конечно, не все изомеры присутствуют в нефти, однако число их велико.

На рисунке представлена хроматограмма алканов С5 – С11 нефти сургутского месторождения, на которой каждый пик соответствует определенному веществу.

При температуре 200-430 °С выделяются алканы фракции II состава С12 – С27. На рисунке представлена хроматограмма алканов фракции II. На хроматограмме показаны пики нормальных и монометилзамещенных алканов. Цифры указывают на положение заместителей.

При температуре >430°С выделяются алканы фракции III состава С28 – С40.

Изопреноидные алканы

К изопреноидным алканам относят разветвленные углеводороды с правильным чередованием метильных групп. Например, 2,6,10,14-тетраметилпентадекан или 2,6,10-триметилгексадекан. Изопреноидные алканы и алканы с неразветвленной цепью составляют преобладающую массу биологического исходного материала нефти. Конечно, вариантов изопреноидных углеводородов гораздо больше.

Для изопреноидов характерна гомологичность и неравновесность, то есть для разных нефтей характерен свой набор этих соединений. Гомологичность является следствием разрушения более высокомолекулярных источников. В изопреноидных алканах можно выявить «провалы» в концентрациях каких-либо гомологов. Это следствие невозможности разрыва их цепи (образования этого гомолога) в том месте, где находятся метильные заместители. Эту особенность используют для определения источников образования изопреноидов.

Циклоалканы (нафтены)

Нафтены – предельные циклические углеводороды нефти. Во многих нефтях они преобладают над другими классами углеводородов. Их содержание может колебаться от 25 до 75 %. Присутствуют во всех фракциях. По мере утяжеления фракции, их содержание растет. Различают нафтены количеством циклов в молекуле. Нафтены делят на две группы: моно- и полициклические. Моноциклические бывают пяти- и шестичленные. Полициклические могут включать и пяти- и шестичленные кольца.

Низкокипящие фракции содержат преимущественно алкилпроизводные циклогексана и циклопентана, причем в бензиновых фракциях преобладают метильные производные.

Полициклические нафтены содержатся в основном во фракциях нефти, выкипающие при температуре более 300 °С, а содержание их во фракциях 400-550 °С достигает 70-80 %.

Ароматические углеводороды (арены)

Их делят на две группы:

Техническое значение углеводородного состава нефти

Состав веществ существенно влияет на показатели качества нефти.

2. Нафтены (циклопарафины) наряду с изопарафинами положительно влияют на качество дизельного топлива и смазочных масел. Их высокое содержание в тяжелой бензиновой фракции приводит к высокому выходу и высокому октановому числу продуктов.

3. Ароматические углеводороды ухудшают экологические свойства топлива, но обладают высоким октановым числом. Поэтому при переработке нефти другие группы углеводородов превращают в ароматические, но количество их, в первую очередь бензола, в топливе строго регламентируется.

Методы исследования углеводородного состава нефти

Для технических целей достаточно установление состава нефти по содержанию в ней отдельных классов углеводородов. Фракционный состав нефти важен для выбора направления переработки нефти.

С целью определения группового состава нефти применяют различные методы:

Для научных целей важно определить точно, какие углеводороды в нефти содержатся или преобладают.

Для выявления отдельных молекул углеводородов используют газожидкостную хроматографию с использованием капиллярных колонок и установления температуры, хромато-масспектрометрию с компьютерной обработкой и построением хроматограмм по отдельным характеристическим фрагментным ионам (масс-фрагментография или масс-хроматография). Используются также спектры ЯМР на ядрах 13С.

Современные схемы анализа состава углеводородов нефти включают предварительное разделение на две или три фракции с разными температурами кипения. После этого каждую из фракций разделяют на насыщенные (парафиново-нафтеновые) и ароматические углеводороды с помощью жидкостной хроматографии на силикагеле. Далее ароматические углеводороды следует разделить на моно-, би- и полиароматические с помощью жидкостной хроматографии с использованием оксида алюминия.

Источники углеводородов

Природные источники углеводородов нефти и газа – биоорганические молекулы разных соединений, в основном их липидные компоненты. Ими могут быть:

Липидные компоненты растений по химическому составу очень схожи, однако, определенные вариации молекул позволяют определить преимущественное участие тех или иных веществ в образовании данной нефти.

Все липиды растений разделяют на два класса:

Существуют соединения, состоящие из элементов, принадлежащих к обоим классам, например, воск. Молекулы воска являются сложными эфирами высших насыщенных или непредельных жирных кислот и циклических изопреноидных спиртов – стеролов.

Типичными представителями липидных природных источников углеводородов нефти являются следующие соединения:

Реликтовые и преобразованные углеводороды

Все углеводороды нефти делят на две группы:

Реликтовые углеводороды, входящие в состав нефти, подразделяются на две группы:

Реликтов изопреноидного строения значительно больше, чем неизопреноидного.

Выделено свыше 500 реликтовых углеводородов нефти, и их число увеличивается с каждым годом.

Источник

Откуда берется нефть

Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает

Две гипотезы

У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.

Необходимые условия для превращения органики в нефть возникают на глубине в так называемом нефтяном окне — при температуре от 70 до 190°C. В верхней его части температура недостаточно высока — и нефть получается «тяжелой»: вязкой, густой, с высоким содержанием смол и асфальтенов. Внизу же температура пластов поднимается настолько, что молекулы органического вещества дробятся на самые простые углеводороды — образуется природный газ. Затем под воздействием различных сил, в том числе градиента Градиент давления характеризует степень изменения давления в пространстве, в данном случае — в зависимости от глубины пласта давления, углеводороды мигрируют из нефтематеринского пласта в выше- или нижележащие породы.

60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков

Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.

Состав и свойства нефти

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — водород — и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др.).

От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.

Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?

Этапы образования нефти

СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ

В ловушке

Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.

В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.

Под действием различных факторов углеводороды отжимаются из нефтематеринских пород в породы-коллекторы, способные вмещать флюиды (нефть, природный газ, воду). Таким образом, нефтяное месторождение — вовсе не подземное «озеро», заполненное жидкостью, а достаточно плотная структура. Коллекторы характеризуются пористостью (долей содержащихся в них пустот) и проницаемостью (способностью пропускать через себя флюид). Для эффективного извлечения нефти из коллектора важно благоприятное сочетание обоих этих параметров.

Типы коллекторов

БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ

Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.

Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.

Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др.) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.

Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.

Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.

Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.

Источник