Нафта та продукти її переробки - Хімія
Що таке нафту? Теплотехнік відповість, що це чудове, висококалорійне паливо. Але хімік заперечить: ні! Нафта – це складна суміш рідких вуглеводнів, у яких розчинені газоподібні та інші речовини. І щоб перерахувати всі продукти, одержувані з нафти, потрібно витратити кілька аркушів, оскільки вже кілька тисяч.
Ще Д.І. Менделєєв зауважив, що топити пекти нафтою однаково, що топити її асигнаціями.
Нафта (від перс. neft) - горюча масляниста рідина зі специфічним запахом, поширена в осадовій оболонці Землі і є найважливішою корисною копалиною.
Знаходження у природі
Поклади нафти перебувають у надрах Землі різної глибині, де нафту заповнює вільний простір між деякими породами. Якщо вона знаходиться під тиском газів, то піднімається свердловиною на поверхню Землі.
Мета нафторозвідки - виявлення, геолого-економічна оцінка та підготовка до розробки покладів нафти. Нафторозвідка проводиться за допомогою геологічних, геофізичних, геохімічних та бурових робіт у раціональному поєднанні та послідовності.
На першій стадії пошукового етапу в басейнах з не встановленою нафтогазоносністю або вивчення слабо досліджених тектонічних зон або нижніх структурних поверхів у басейнах з встановленою нафтогазоносністю проводяться регіональні роботи. Для цього здійснюються аеромагнітна, геологічна та гравіметрична зйомки, геохімічні дослідження вод та порід, профільне перетин території електро- та сейсморозвідкою, буріння опорних та параметричних свердловин. В результаті встановлюються райони для подальших пошукових робіт.
На другій стадії проводиться детальніше вивчення нафтогазоносних зон шляхомдетальної гравірозвідки, структурно-геологічної зйомки, електро та сейсморозвідки, структурного буріння.
Порівняно знімки масштабів 1:100.000 – 1:25.000. уточнюється оцінка прогнозів нафтогазоносності, а для структур із доведеною нафтогазоносністю підраховуються перспективні запаси.
На третій стадії проводиться буріння пошукових свердловин з метою відкриття родовищ. Перші пошукові свердловини буряться на максимальну глибину. Зазвичай першим розвідується верхній поверх, а потім глибші. В результаті дається попередня оцінка запасів.
Розвідувальний етап – завершальний у геологорозвідувальному процесі. Основна мета - підготовка до розробки. У процесі розвідки мають бути оконтурені поклади, визначено літологічний склад, потужність, нафтогазононасиченість. По завершенню розвідувальних робіт підраховуються запаси та даються рекомендації щодо введення родовища у розробку. Ефективність пошуку залежить від коефіцієнта відкриттів родовищ – ставленням числа продуктивних площ до загальної кількості розбурених пошуковим бурінням площ.
Майже вся нафту, що видобувається в світі, витягується за допомогою бурових свердловин, закріплених сталевими трубами високого тиску. Для підйому нафти та супутніх їй газу та води на поверхню свердловина має герметичну систему підйомних труб, механізмів та арматури, розраховану на роботу з тисками, порівнянними з пластовими. Видобуванню нафти за допомогою свердловин передували примітивні способи: збір її на поверхні водойм, обробка пісковика або вапняку, просоченого нафтою, за допомогою колодязів.
Збір нафти з поверхні водойм - це, очевидно, перший за часом появи спосіб видобутку, який до нашої ери застосовувався в Мідії, Вавилонії та Сирії. Збір нафти в Україні, зповерхні річки Ухти розпочато Ф.С. Прядуновим в 1745 р. У 1858 на півострові Челекен нафту збирали в канавах, якими вода стікала з озера. У канаві робили запруду з дощок із проходом води у нижній частині: нафта накопичувалася на поверхні.
Розробка пісковика або вапняку, просоченого нафтою, та вилучення з нього нафти, вперше описані італійським ученим
Ф. Аріосто у 15 столітті. Недалеко від Модени в Італії такі нафтовмісні ґрунти подрібнювалися і підігрівалися в казанах. Потім нафту вичавлювали в мішках за допомогою преса. У 1833 -1845 р.р. нафту видобували з піску на березі Азовського моря. Пісок поміщали в ями з похилим дном і поливали водою. Вимиту з піску нафту збирали з поверхні води пучками трави.
Видобуток нафти з колодязів вироблялася в Кисії, давній області між Ассирією та Мідією в 5 столітті до нашої ери за допомогою коромисла, до якого прив'язувалося шкіряне відро. Детальний опис колодязного видобутку нафти Баку дав німецький натураліст Еге. Кемпфер. Глибина колодязів сягала 27 м, їх стінки обкладалися каменем або укріплювалися деревом.
Видобуток нафти за допомогою свердловин почав широко застосовуватися з 60-х р. 19 століття. Спочатку поряд з відкритими фонтанами та збиранням нафти у вириті поруч із свердловинами земляні комори видобуток нафти здійснювався також за допомогою циліндричних відер із клапаном у днище. З механізованих способів експлуатації вперше в 1865 році в США була впроваджена глибоконасосна експлуатація, яку в 1874 р. застосували на нафтопромислах у Грузії, в 1876 р. у Баку. У 1886 р. В.Г. Шухов запропонував компресорну видобуток нафти, яка була випробувана Баку в 1897г. Найдосконаліший спосіб підйому нафти зі свердловини – газліфт – запропонував 1914 р М.М. Тихвінський.
Процес видобутку нафти, починаючи від припливу її пластом довибоям свердловин і до зовнішнього перекачування товарної нафти з промислу, можна розділити умовно на 3 етапи.
Рух нафти пластом до свердловин завдяки штучно створюваної різниці тисків у пласті і на вибоях свердловин.
Рух нафти від вибоїв свердловин до їхніх усть лежить на поверхні – експлуатація нафтових свердловин.
Збір нафти та супроводжуючих її газу та води на поверхні, їх поділ, видалення мінеральних солей з нафти, обробка пластової води, збирання попутного нафтового газу.
Під розробкою нафтового родовища розуміється здійснення процесу переміщення рідин та газу в пластах до експлуатаційних свердловин. Управління процесом руху рідин та газу досягається розміщенням на родовищі нафтових, нагнітальних та контрольних свердловин, кількістю та порядком введення їх в експлуатацію, режимом роботи свердловин та балансом пластової енергії. Ухвалена для конкретного покладу система розробки визначає техніко-економічні показники. Перед забурюванням покладу проводять проектування системи розробки. На підставі даних розвідки та пробної експлуатації встановлюють умови, за яких протікатиме експлуатація: її геологічну будову, колекторські властивості порід (пористість, проникність, ступінь неоднорідності), фізичні властивості рідин у пласті (в'язкість, щільність), насиченість порід нафти водою та газом, пластові тиски. Базуючись цих даних, виробляють економічну оцінку системи, і вибирають оптимальну.
При глибокому заляганні пластів підвищення нафтовіддачі часом успішно застосовується нагнітання в пласт газу із високим тиском.
Вилучення нафти із свердловин проводиться або за рахунок природного фонтанування під дією пластової енергії, або шляхом використанняодного з кількох механізованих способів підйому рідини. Зазвичай у початковій стадії розробки діє фонтанний видобуток, а в міру ослаблення фонтанування свердловину переводять на механізований спосіб: газліфтний або ерліфтний, глибинасосний (за допомогою штангових, гідропоршневих та гвинтових насосів).
Газліфтний спосіб вносить суттєві доповнення до звичайної технологічної схеми промислу, так як при ньому необхідна газліфтна компресорна станція з газорозподільником і газозбірними трубопроводами.
Нафтовим промислом називається технологічний комплекс, що складається із свердловин, трубопроводів, та установок різного призначення, за допомогою яких на родовищі здійснюють вилучення нафти з надр Землі.
На родовищах, що розробляються за допомогою штучного заводнення, споруджують систему водопостачання із насосними станціями. Воду беруть із природних водойм за допомогою водозабірних споруд.
У процесі видобутку нафти важливе місце займає внутрішньопромисловий транспорт продукції свердловин, що здійснюється трубопроводами. Застосовуються 2 системи внутрішньопромислового транспорту: напірні та самопливні. При напірних системах достатньо власного тиску на гирлі свердловин. При самопливних рухах відбувається за рахунок перевищення позначки гирла свердловини над позначкою групового збірного пункту.
При розробці нафтових родовищ, присвячених континентальним шельфам, створюються морські нафтопромисли.
Фізичні властивості нафти
Найголовнішою властивістю нафти, що принесла їм світову славу виняткових енергоносіїв, є їхня здатність виділяти при згорянні значну кількість теплоти. Нафта та її похідні мають найвищу серед усіх видів палив теплоту згоряння. Теплота згоряння нафти – 41 МДж/кг,бензину – 42 МДж/кг. Важливим показником для нафти є температура кипіння, яка залежить від будови вуглеводнів, що входять до складу нафти, і коливається від 50 до 550°С.
Нафта, як і будь-яка рідина, за певної температури закипає і переходить у газоподібний стан. Різні компоненти нафти переходять у газоподібний стан за різної температури. Так, температура кипіння метану –161,5°С, етану –88°С, бутану 0,5°С, пентану 36,1°С. Легкі нафти киплять за 50–100°С, важкі – за температури понад 100°С.
Відмінність температур кипіння вуглеводнів використовується поділу нафти на температурні фракції. При нагріванні нафти до 180–200°С википають вуглеводні бензинової фракції, при 200–250°С – лігроїновій, при 250–315°С – гасово-газойлевій та при 315–350°С – олійній. Залишок представлений гудроном. До складу бензинової та лігроїнової фракцій входять вуглеводні, що містять 6–10 атомів вуглецю. Гасова фракція складається з вуглеводнів з газойльова - і т.д.
Важливою є властивість нафти розчиняти вуглеводневі гази. У 1 м 3 нафти може розчинитись до 400 м 3 горючих газів. Велике значення має з'ясування умов розчинення нафти та природних газів у воді. Нафтові вуглеводні розчиняються у питній воді вкрай незначно. Нафти різняться за щільністю. Щільність нафти, виміряної при 20°С, віднесеної до густини води, виміряної при 4°С, називається відносною. Нафти з відносною густиною 0,85 називаються легкими, із відносною густиною від 0,85 до 0,90 – середніми, а з відносною густиною понад 0,90 – важкими. У важких нафтах містяться переважно циклічні вуглеводні. Колір нафти залежить від її щільності: світлі нафти мають меншу щільність, ніж темні. А чим більше в нафті смол та асфальтенів, тимвище за її щільність. При видобутку нафти важливо знати її в'язкість. Розрізняють динамічну та кінематичну в'язкість. Динамічною в'язкістю називається внутрішній опір окремих частинок рідини руху загального потоку. У легких нафт в'язкість менша, ніж у важких. При видобутку та подальшому транспортуванні важкі нафти підігрівають. Кінематичною в'язкістю називається відношення динамічної в'язкості до густини середовища. Велике значення має знання поверхневого натягу нафти. При дотику нафти та води між ними виникає поверхня типу пружної мембрани. Капілярні явища застосовуються при видобутку нафти. Сили взаємодії води з гірською породою більші, ніж у нафти. Тому вода здатна витіснити нафту з дрібних тріщин у більші. Для збільшення нафтовіддачі пластів використовуються спеціальні поверхнево-активні речовини (ПАР). Нафти мають різні оптичні властивості. Під впливом ультрафіолетових променів нафта здатна світитися. При цьому легкі нафти світяться блакитним світлом, важкі – бурим та жовто-бурим. Це використовується для пошуку нафти. Нафта є діелектриком і має високий питомий опір. На цьому засновані електрометричні методи встановлення в розрізі, розкритому свердловиною, нафтоносних пластів.
Хімічні елементи та сполуки в нафті
Продукти, одержувані з нафти, їх застосування
З нафти виділяють різноманітні продукти, що мають велике практичне значення. Спочатку від неї відокремлюють розчинені вуглеводні (переважно метан). Після відгону летких вуглеводнів нафту нагрівають. Першими переходять у газоподібний стан та відганяються вуглеводні з невеликим числом атомів вуглецю в молекулі, що мають відносно низьку температуру кипіння. З підвищенням температури суміші переганяютьсявуглеводні з вищою температурою кипіння. Таким чином, можна зібрати окремі суміші (фракції) нафти. Найчастіше при такій перегонці отримують три основні фракції, які потім піддаються подальшому поділу. Основні фракції нафти такі:
1. Фракція, що збирається від 40 0 до 200 0 С, - газолінова фракція бензинів - містить вуглеводні від С5Н12 до С11Н24. При подальшій перегонці виділеної фракції одержують: газолін (від 400 до 700С), бензин (від 700 до 1200С) - авіаційний, автомобільний і т.д.
2. Лігроїнова фракція, що збирається в межах від 150 0 до 250 0 С, містить вуглеводні від С8Н18 до С14Н30. Лігроїн застосовується як пальне для тракторів.
3. Гасова фракція включає вуглеводні від С12Н26 до С18Н38 з температурою кипіння від 180 0 до 300 0 С. гас після очищення використовується як паливо для тракторів, реактивних літаків і ракет.
4. Газойль (понад 275 0 С) – дизельне паливо.
5. Мазут - залишок від перегонки. Містить вуглеводні з великою кількістю атомів вуглецю (до багатьох десятків) у молекулі. Мазут також поділяють на фракції:
a) Солярові олії – дизельне паливо,
b) Мастильні масла (авіатракторні, авіаційні, індустріальні та ін.),
c) Вазелін (основа для косметичних засобів та ліків).
З деяких сортів нафти отримують парафін (для сірників, свічок та ін.). Після відгону залишається гудрон. Його широко застосовують у дорожньому будівництві.