Химия нефти

Происхождение нефти. Этапы нефтеобразования

Нефть играет одну из важнейших ролей в экономике многих стран. Ее активно используют в качестве химического сырья и топлива. Существуют две основных теории ее происхождения. Первая теория утверждает, что нефть является производной от животных и растений (биогенная теория). Согласно второй теории, нефть образовалась в недрах Земли (неорганическая теория). Менделеев в свое время считал, что нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре в результате взаимодействия карбидов металлов с водой. Кроме основных теорий о происхождении нефти также существует еще несколько не столь популярных. В их числе:

• Взрывная.
• Магматическая.
• Космическая.
• Вулканическая.
• Карбидная.
• Механическая.

Согласно биогенной теории процесс образования нефти состоит из следующих этапов:

1. Осадконакопление. Останки водных животных и растительных организмов выпадают на дно водоемов. Они накапливаются в илах и смешиваются с минеральными веществами.
2. Биохимический этап. Накопленный органический осадок уплотняется, обезвоживается из-за протекания биохимических процессов, что способствует его постепенному преобразованию. Данный процесс сопровождается выделением воды, метана, углекислоты, сероводорода, аммиака.
3. Протокатогинез. Слой органических осадков медленно (50-300 метров за один миллион лет) опускается на глубину до 2 километров и покрывается сверху новыми осадками. Температура и давление в нем увеличиваются, что способствует прекращению биохимических процессов.
4. Мезоатогинез. Осадок опускается на глубину до 4 километров, а температура в нем увеличивается до 150 градусов по Цельсию, из-за чего органическое вещество подвергается деструкции с образованием битуминозных веществ.
5. Апокатогинез. На этом этапе осадок находится на глубине около 5 километров, а его температура составляет 250 градусов по Цельсию. Нефтерегенерирующий потенциал осадка сводится на нет, и продолжает реализовываться только метанорегенерирующий потенциал.

Химический состав нефти

Нефть состоит в основном из водорода (от 11% до 14,5 %) и углерода (от 79% до 87 %). Также в нефти присутствуют еще три основных элемента – кислород, азот и сера, их доля может составлять от 0,5% до 8%. В состав нефти также входят такие металлы, как кальций, магний, железо, кремний, натрий, никель, алюминий и другие. Перечисленные элементы образуют разные химические соединения, из которых и состоит нефть.

Вместе с углеводородом в состав нефти входят вещества, которые содержат примесные атомы. Они делятся на три основных класса:

• кислородосодержащие (фенолы, нафтеновые кислоты и т.п.), которые сосредоточены в основном в высококипящих фракциях;
• серосодержащие (тиофены, тиофаны, дисульфиды), 70-90 % которых находятся в остаточных продуктах, таких как мазут и гудрон;
• азотосодержащие (гомологи пиррола, пиридина, хинолина, карбазола и порфирины), находящиеся в основном в остатках и тяжелых фракциях.

Нефть, добываемая на месторождениях, содержит растворенные газы и механические примеси в виде глины или песка (до 0,13 %), воду (до 50%) и разнообразные соли. С целью увеличения нефтеотдачи продуктивного пласта используется несколько специальных методов. Иногда в нефть попадают ненужные компоненты. Для их извлечения проводятся такие технологические мероприятия, как обессоливание, обезвоживание и стабилизация нефти.

Все соединения, которые входят в состав добываемой нефти, можно разделить на несколько групп.

К первой группе относятся алканы (парафины), их доля может составлять от 30 до 50 %. Они представляют собой насыщенные соединения, имеющие разветвленную или прямую химическую цепь.

Ко второй группе относятся циклоалканы (нафтены), их содержание в нефти может достигать 75 %. Эти вещества представляют собой насыщенные соединения, где оба атома водорода замещаются алкильными группами.

К третьей группе относятся арены (ароматические углеводороды), их содержание составляет до 35 %. Эти вещества представляют собой ненасыщенные циклические соединения бензола. Они содержат в кольце до шести атомов водорода, которые могут быть замещены алкильными группами.

К четвертой группе относятся минеральные и гетероатомыне соединения (серо-, кислородо-, азотосодержащие). Данные соединения содержатся абсолютно во всех нефтях и представляют собой нежелательные компоненты, потому что значительно ухудшают качество конечных продуктов, осложняют процесс переработки (способствуют и усиливают коррозию оборудования, отравляют катализаторы и т.п.), поэтому для их ликвидации применяют гидрогенизационные процессы.