какие углеводороды содержатся в нефти в виде газов

Химический состав и элементы, входящие в состав нефти, газов, битумов

Химический состав нефти и газа

Нефть и природный газ состоят главным образом из углерода и водорода. В качестве примесей в них присутствуют кислород, сера, азот и некоторые другие элементы. Из этих же элементов состоит весь органический мир (таблица 1).

Химический состав органических веществ

Основные составляющие нефти и газа

Как видно из таблицы нефть по своему элементарному составу близка к другим полезным ископаемым органического происхождения. Это предполагает единый источник их образования. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 79,5-87,5%, в газах – от 42 до 78%. Водород содержится в нефтях в количестве 11-14%, в газах – 14-24%. Отношение углерода к водороду колеблется в нефтях в пределах 6-8, в газах – 3-4,3. В газах некоторых месторождений содержится свободный водород, азот, углекислый газ. Сера в нефтях присутствует в свободном, либо в связанном состоянии. Связанная сера находится в виде сероводорода, либо входит в состав высокомолекулярных органических соединений. Содержание ее в нефтях иногда достигает 7-8%.

Кислород в нефтях присутствует в виде кислородных соединений нафтеновых кислот, фенолов и смолистых веществ, в газах встречается главным образом в виде углекислого газа. Содержание углекислого газа в природных газах изменяется от нуля до 100%. Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная масса его находится в смолах. В газах азот находится в свободном виде, в них его содержание колеблется в широких пределах – от нуля до почти чисто азотных газов.

Количество гелия в газах обычно не более 1-2% (редко до 10%), аргона – менее 1%, лишь иногда достигает 2%.

В золе нефтей обнаружено много других элементов в небольших количествах: кремний, алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, медь, стронций, барий, марганец, хром, кобальт и др.

Изотопы в нефти

Нефти различаются по содержанию изотопов углерода, водорода, кислорода, серы и азота. Известно, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Масса протона близка к массе атома водорода, заряд его равен заряду электрона, но противоположен по знаку. Количество протонов в ядре равно количеству электронов в атоме. Нейтрон электрически нейтрален, масса его несколько больше массы протона. Атомы элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Углерод имеет три изотопа: с массовыми числами 12, 13, 14 – 12 С, 13 С, 14 С, из них последний радиоактивный. Он ассимилируется живыми организмами из атмосферы. Водород имеет три изотопа: 1 Н – протий, 2 Н – дейтерий, 3 Н – тритий, из них тритий радиоактивный. Кислород имеет три изотопа: 16 О, 17 О, 18 О. Сера имеет четыре изотопа: 32 S, 33 S, 34 S, 36 S. Азот имеет два стабильных изотопа: 14 N, 15 N. Наибольшее содержание в нефтях имеют легкие изотопы С, О, S, N, а из изотопов водорода – дейтерий.

Химический (молекулярный) состав нефтей и природных газов

Нефть представляет собой смесь трех основных групп углеводородов: метановых (парафиновых, алкановых), нафтеновых (циклановых), ароматических (ареновых)

Метановые углеводороды

Нафтеновые углеводороды

Нафтеновые углеводороды – непредельные, циклические*соединения, углеводородные цепи которых замкнуты в пяти и шестичленные кольца. Общая их формула С_nH_2n. Содержание водорода в них меньше, чем в метановых углеводородах.

В нафтеновой группе могут быть одно, два или более колец. К ним могут присоединяться цепочки метанового строения – алкильные группы. Особенностью нафтеновых углеводородов и их производных является способность к изомеризации, т.е. к образованию разветвленных цепей. Под влиянием каталитических процессов системы из шестичленных циклов легко переходит в пятичленные. В легких фракциях нафтеновых нефтей преобладают производные циклогегсана, в более тяжелых – полициклические углеводороды. Углеводородные соединения, в молекулах которых присутствует более 20 атомов углерода представляют собой твердые вещества – битумы.

Ароматические углеводороды

Ароматические углеводороды имеют общую формулу С_nH_2n-6. Основой их строения являются бензольные кольца. Эти соединения обладают повышенной неустойчивостью и химической активностью по сравнению с метановыми и нафтеновыми углеводородами, высокой растворяющей способностью. Такие свойства обусловлены наличием в ядре двойных связей, одна из которых может стать свободной и присоединить другие молекулы. Моноциклические арены – премущественно гомологи бензола с недлинными боковыми цепями.

Среди полициклических ароматических углеводородов преобладают нафталин и его гомологи. Это уже не нефть, а битумы, с высоким молекулярным весом.

По Дж.Ханту (1987) в «типичной» нефти, имеющей плотность 850 кг/м 3 содержание метановых углеводородов составляет 25%, нафтеновых – 50%, ароматических – 17%, смол и асфальтенов – 8%.

Источник

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

ХИМИЯ НЕФТИ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ

Общие сведения

;Нефтяные системы отличаются многообразием компонентов, способных находиться в молекулярном или дисперсном состоянии в зависимости от внешних условий. Среди них встречаются наиболее и наименее склонные к различного рода межмолекулярным взаимодействиям (ММВ), что в итоге обусловливает ассоциативные явления и исходную дисперсность нефтяных систем при нормальных условиях.

Химический состав для нефти различают как элементный и вещественный.

Основными элементами состава нефти являются углерод (83,5-87 %) и водород (11,5-14 %). Кроме того, в нефти присутствуют:

В вещественном плане нефть в основном состоит из углеводородов и гетероорганических соединений.

Углеводороды

(УВ) представляют собой органические соединения углерода и водорода. В нефти в основном содержатся следующие классы углеводородов:

Алканы

Циклоалканы

Из полициклических нафтенов в нефтях идентифицировано только 25 индивидуальных бициклических, пять трициклических и четыре тетра- и пентациклических нафтена. Если в молекуле несколько нафтеновых колец, то последние, как правило, сконденсированы в единый полициклический блок.

Бицикланы С₇-С₉ чаще всего присутствуют в нефтях ярко выраженного нафтенового типа, в которых их содержание достаточно высоко. Среди этих углеводородов обнаружены (в порядке убывания содержания): бицикле[3,3,0]октан (пенталан), бицикло[3,2,1]октан, бицикло[2,2,2]октан, бицикло[4,3,0]нонан (гидриндан), бицикло[2,2,1]гептан (норборнан) и их ближайшие гомологи. Из трицикланов в нефтях доминируют алкилпергидрофенантрены.

К пентацикланам нефтей относятся углеводороды ряда гопана, лупана, фриделана.

Достоверных сведений об идентификации полициклоалканов с большим количеством циклов нет, хотя на основе структурно-группового и массспектрального анализа можно высказать предположения о присутствии нафтенов с числом циклов, большим пяти. По некоторым данным, высококипящие нафтены содержат в молекулах до 7-8 циклов.

На основе исследования вязкостно-температурных свойств алкилзамещенных моноциклогексанов в широком интервале температур выяснено, что заместитель по мере его удлинения уменьшает среднюю степень ассоциации молекул. Циклоалканы, в отличие от н-алканов с таким же числом углеродных атомов, находятся в ассоциированном состоянии при более высокой температуре.

Арены

Общей закономерностью является рост содержания аренов с повышением температуры кипения. При этом арены высших фракций нефти характеризуются не большим числом ароматических колец, а наличием алкильных цепей и насыщенных циклов в молекулах. В бензиновых фракциях обнаружены все теоретически возможные гомологи аренов C₆-C₉. Углеводороды с малым числом бензольных колец доминируют среди аренов даже в самых тяжелых нефтяных фракциях. Так, по экспериментальным данным моно-, би-, три-, тетра- и пентаарены составляют соответственно 45-58, 24-29, 15-31, 1,5 и до 0,1 % от массы ароматических углеводородов в дистиллятах 370-535°С различных нефтей.

Из нафтенодиаренов в нефтях обнаружены аценафтен, флуорен и ряд его гомологов, содержащих метальные заместители в положениях 1-4.

Триарены представлены в нефтях производными фенантрена и антрацена (с резким преобладанием первых), которые могут содержать в молекулах до 4-5 насыщенных циклов.

Нефтяные тетраарены включают углеводороды рядов хризена, пирена, 2,3- и 3,4-бензофенантрена и трифенилена.

Содержание в нефтях полиаренов с пятью и большим числом конденсированных бензольных циклов очень невелико. Из таких углеводородов в тяжелых нефтяных фракциях обнаружены: 1,2- и 3,4-бензопирены, перилен, 1,2,5,6-дибензоантрацен, 1,1,2-бензоперилен и коронен.

Повышенная склонность аренов, особенно полициклических, к молекулярным взаимодействиям обусловлена низкой энергией возбуждения в процессе гомолитической диссоциации. Для соединений типа антрацена, пирена, хризена и т. п. характерна низкая степень обменной корреляции π–орбиталей и повышенная потенциальная энергия ММВ из-за возникновения обменной корреляции электронов между молекулами. С некоторыми полярными соединениями арены образуют достаточно устойчивые молекулярные комплексы.

Взаимодействие π–электронов в бензольном ядре приводит к сопряжению углерод-углеродных связей. Следствием эффекта сопряжения являются следующие свойства аренов:

Церезины

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