Реферат: Энергетика ТЭК: Нефть, нефтяная промышленность

Сера широко распространена в нефтях и в углеводородном газе и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1% до 5 %.

Зольная часть - остаток, получающийся при сжигании нефти. Это различные минеральные соединения, чаще всего железо, никель, ванадий, иногда соли натрия.

К физическим свойствам нефтей относят плотность, вязкость, температуры застывания, кипения и испарения, теплотворную способность, растворимость, электрические и оптические свойства, люминесценцию и др.[13. Стр. 25-28]

2 .Как образуется нефть?

История науки знает много случаев, когда вокруг какой-нибудь проблемы разгораются жаркие споры. Такие споры идут и о происхож­дении нефти. Они начались в конце прошлого столетия и продолжают­ся до сих пор, то затихая, то вспыхивая вновь.

Один из первых, кто высказал научно обоснованную концепцию о происхождении нефти, был М.В.Ломоносов. В середине восемнадцатого века в своём тракте «О слоях земных» великий русский учёный писал: „Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей она бурая и черная масляная материя ... и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменное масло, жидовская смола, нефть, гагат, и сим подобное, которые хотя чистотой разнятся, однако из одного начала происхо­дят". Таким образом, более 200 лет назад была высказана мысль об органическом происхождении нефти из каменного угля. Исходное вещество было одно: органический материал, преобразованный снача­ла в уголь, а потом в нефть.

М.В. Ломоносов был не единственный, кто высказывался по инте­ресующему нас вопросу в XVIII в. Правда, другие гипотезы того време­ни носили курьезный характер. Один варшавский каноник утверждал, что Земля в райский период была настолько плодородна, что на боль­шую глубину содержала жировые примеси. После грехопадения этот жир частично испарился, а частично погрузился в землю, смешиваясь с разными веществами. Всемирный потоп содействовал превращению его в нефть.

Известны и другие не менее „научные" гипотезы о происхождении нефти. Авторитетный немецкий геолог-нефтяник Г.Гефер рассказывает об одном американском нефтепромышленнике конца прошлого века, считавшем, что нефть возникла из мочи китов на дне полярных морей. По подземным каналам она проникла в Пенсильванию.

В XIX в. среди ученых были распространены идеи, близкие к представлениям М.В. Ломоносова. Споры велись главным образом вокруг исходного материала: животные или растения? Немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглер в 1888 г. поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из животных организмов. Была произ­ведена перегонка сельдевого жира при температуре 400 °С и давлении 1 МПа. Из 492 кг жира было получено масло, горючие газы, вода, жиры и разные кислоты. Больше всего было отогнано масла (299 кг, или 61 %) плотностью 0,8105 г/см³ , состоящего на девять десятых из УВ коричне­вого цвета. Последующей разгонкой из масла получили предельные УВ (от пентана до нонана), парафин, смазочные масла, в состав которых входили олефины и ароматические УВ. Позднее, в 1919 г. академиком Н.Д. Зелинским был осуществлен похожий опыт, но исходным мате­риалом служил органогенный ил преимущественно растительного происхождения (сапропель) из озера Балхаш. При его перегонке были получены: сырая смола - 63,2 %; кокс - 16,0%; газы (метан, оксид угле­рода, водород, сероводород) - 20,8 %. При последующей переработке смолы из нее извлекли бензин, керосин и тяжелые масла.

Таким образом, уже в конце прошлого столетия четко обособились два полярных взгляда на проблему происхождения нефти: органичес­кая и неорганическая гипотезы. Заслуживает упоминания космичес­кая гипотеза В.Д. Соколова, высказанная им в 1892 г. По мнению этого ученого, в составе первичного газопылевого облака, из которого образовалась Земля и другие планеты Солнечной системы, находились УВ. По мере формирования Земли они оказались в ее глубинном веществе, составляющем вторую оболочку планеты - мантию. В дальнейшем при остывании мантии УВ начали выделяться из нее и проникать по трещинам в рыхлые породы коры. Как видим, гипотеза В.Д. Соколова - одна из разновидностей представлений о минеральном синтезе нефти.

Несмотря на существование различных мнений, большинство специалистов-нефтяников разделяют органическую теорию происхож­дения нефти. В современном толковании она разработана в трудах многих отечественных ученых: А.А. Бакирова, И.О. Брода, Н.Б. Вассоевича, В.В. Вебера, Н.А. Еременко, М.К. Калинко, А.Э. Конторовича, И.И. Нестерова, С.Г. Неручева, А.А. Трофимука, В.А. Успенского и зарубежных исследователей: Г. Крейчи-Графа, П. Смита, А. Траска, Дж. Ханта, Б. Тиссо, У. Коломбо, А. Леворсена и др.[13. Стр. 28-31]

Осадочные бассейны – родина нефти.

Любое море заселено множеством животных и растений. Из всей морской биомассы в образовании нефти ведущая роль принадлежит микроорганизмам - планктону, 90 % которого занимают микроскопи­ческие водоросли (фитопланктон). Именно планктон является основ­ным источником органического вещества (0В), которое содержится не только в осадочных илах на дне морей или озер, но и в самой воде. В Атлантическом и Тихом океанах в 1 м³ воды растворено 2 г органики, в водах Балтики и Каспия - 5-6 г, а в Азовском море - 10 г. Интерес­но, что в составе растворенного 0В обнаружены жирные кислоты, имеющие большое сходство с жирами планктона. В донных осадках концентрация 0В еще выше. Это понятно, ведь большая часть отми­рающих организмов опускается на дно. Для захоронения органики предпочтительны мелководные условия. Здесь вообще активнее идут процессы образования осадков (глинистых, песчаных, известковых и т.д.), что способствует относительно быстрому захоронению 0В и предохранению его от разложения. На глубине, кроме того, органика успевает в значительной степени раствориться и рассеяться в воде благодаря деятельности бактерий. Ежегодно в Мировом океане обра­зуется в среднем до 150 г 0В на 1 м² дна, захороняется же в осадках около 1 %.

Теперь посмотрим, что же происходит с 0В, которое оседает на морское дно. Органика сравнительно быстро захороняется глинисты­ми, песчаными или карбонатными осадками, которые приносятся с континентов или образуются непосредственно в море. В составе орга­ники имеются различные вещества, наибольший интерес для после­дующего нефтеобразования представляют битумоиды, которые извлекаются из 0В различными растворителями (хлороформом, бен­золом, эфиром). Источником битумоидов являются липоиды - жиро-подобные соединения. В тканях организмов содержание липоидов достаточно велико. В диатомовых водорослях, например, оно состав­ляет 10-35 % от сухой массы. Количество битумоидов в донных осад­ках колеблется от 2 до 20 % всей органики. Кроме битумоидов в 0В содержатся уже готовые углеводороды (от 0,1% до 3 %). В среднем на 1 м³ породы приходится 300 г, а в некоторых случаях до 15 кг УВ. Общее же содержание рассеянных УВ в осадочных породах континентов, по данным профессора Н.Б. Вассоевича, составляет 70-80*10¹² т, что в несколько десятков раз превышает установленные запасы нефти (около 2,2*10¹² т). Отсюда видно, что накопившегося 0В было достаточно для образования выявленного количества нефти.

Дисперсные УВ в осадочных породах и современных илах морей сходны с нефтяными УВ, поэтому их стали называть рассеянной неф­тью, или микронефтью.

Если учесть еще, что горные породы гидрофильны, т.е. смачивают­ся водой, а не нефтью, то к горному давлению следует прибавить и капиллярные силы, которые усиливают отжатие нефти.

Процесс ухода нефти из материнских пород (т.е. из тех, в которых она образовалась) получил название первичной миграции, или эмигра­ции. Долгое время вероятность этого процесса ряд ученых ставили под сомнение, это была своеобразная ахиллесова пята органических гипотез происхождения нефти. Однако в последние годы исследова­ниями геологов ИГИРГИ и ВНИГРИ доказана возможность эмиграции нефти в виде растворов в сжатых газах и в воде. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь. Путешествие по коллекторам продолжается до тех пор, пока нефть не попадет в ловушку - пласт, который способен удержать нефть в виде залежи. Таким образом, как замечает Н.Б. Вассоевич: „Предыстория нефти начинается еще в живом веществе, синтезирующем исходные для нее биохимические соединения, а история нефти - с фоссилизации био­генного органического вещества в осадках".

По мнению ряда ведущих отечественных и зарубежных нефтяни­ков, проблема происхождения нефти в принципе решена. С позиций органической теории производится оценка перспектив нефтегазоносности малоизученных регионов, определяются стратегия и тактика поисково-разведочных работ.[13. Стр. 31-36]

Современный взгляд на образование нефти.

Характерной чертой современного развития геологии является формирование нового геологического мышления, в основу которого положено представление о горизонтальном движении отдельных бло­ков литосферы, так назьюаемых литосферных плит. В недрах нашей планеты без устали происходит круговорот вещества - конвектйвное движение. Оно начинается на глубине около 3 тыс. км на границе адра и мантии, откуда горячий и относительно легкий материал всплывает вверх и через 15-16 млн.лет достигает подошвы литосферы - верхней и наиболее тонкой земной оболочки. Растекаясь по ее подошве, ман­тийное вещество за счет сил вязкого трения „разрывает" литосферу на несколько плит, которые раздвигаются от области выхода глубинного потока и дрейфуют в горизонтальном направлении. В этом месте образуются вначале своеобразные структуры в виде огромных прова­лов - рифты, а потом они трансформируются в океан. В наши дни типичные континентальные рифты известны в Восточной Африке, где они обычно заполнены водой (озера Ньяса, Танганьика, Рудольфа и т.д.). Примером современного морского рифта, отражающего следую­щую стадию перехода рифтовых структур в океан, является Красное море.

Горизонтальное движение литосферных плит приводит в конце концов к их столкновению и одна плита как бы „заталкивается" под другую. Возникает зона субдукции. При погружении литосферной плиты силы трения разогревают эту зону на сотни градусов, что спо­собствует плавлению пододвигаемой плиты и возникновению вулка­нических процессов. Современные зоны субдукции широко распро­странены по побережью Тихого океана, на востоке Индийского океана. Процессы сопровождаются не только активным вулканизмом, но и сильными землетрясениями. Таким образом, верхняя и самая тонкая оболочка Земли (литосфера) находится в непрерывном движении. Какое же отношение имеет рождение нефти к этим мощным при­родным явлениям? Оказывается - прямое. Дело в том, что образова­ние нефти очень энергоемкий процесс. Он выражается в диссоциации различных соединений, в разрыве химических связей между углеро­дом и кислородом, азотом, серой. А для этого нужны затраты энергии и немалые. Например, для разрыва связи С-С надо затратить 70-100 ккал/моль, для С-О - 70-200 ккал/моль и т.д. Для того чтобы эти процессы начали протекать и активно развиваться, необходимо повы­шение температуры до 100-400 °С. В противном случае преобразование рассеянной органики в нефть будет протекать медленно, вяло, пол­ностью не используя весь потенциал органического вещества. Вспом­ним, химикам удавалось в лабораторных опытах практически мгно­венно получать из естественной органики продукты близкие к природ­ным нефтям. Условие было одно - высокая температура в перегонном кубе. Следовательно, если в природе создается ситуация, когда оса­дочные породы с органикой попадают в зону относительно высоких температур, то начинается образование нефти. В обычных условиях пласт для этого должен погрузиться на глубину минимум в 2-3 км, там-то и наступает, по Н.Б. Вассоевичу, главная фаза нефтеобразования. А если осадки попадают в зону рифта или субдукции? Здесь прогретость недр в 5-6 раз выше, чем в обычных областях. Следова­тельно, и преобразование органики в капельно-жидкую нефть может начаться намного раньше. Практически одновременно с осадконакоплением. Поэтому зоны рифтов и субдукции так привлекают сейчас внимание геологов-нефтяников. Исследование их дает ключ к пра­вильному пониманию генезиса УВ. Что же там происходит?

Вначале о рифтах. Процесс рифтообразования предшествует разогрев, «возбуждение» верхней мании. Это находит отражение и в современном строении рифтов: утончении земной коры до 30-35 км; уменьшение глубины залегания астеносферы; резкое возрастание теплового потока под рифтом; молодой вулканизм; источники термальных вод; сейсмичность. Все это характеризует рифты как чрезвы­чайно активные структуры литосферы. Осадочные бассейны рифтогенного типа закладываются на началь­ной стадии раскола (деструкции) земной коры, как правило, конти­нентального типа. За сравнительно короткий отрезок времени (5-20 млн.лет) возникает узкий грабенообразный прогиб, выполненный 4-7-километровой толщей осадков. На начальных стадиях осадкона-копления в рифтах формируются обычные континентальные речные или озерные отложения с прослоями вулканических образований. Далее часто откладываются соленосные комплексы, появление кото­рых связывают с выносом солей глубинными термальными водами. В дальнейшем, по мере развития рифта и преобразования его из внутриконтинентального в морской межконтинентальный рифт (типа Красно­го моря), в нем накапливаются нормальные морские обломочные и карбонатные отложения. В центральных частях рифтов, в условиях ограниченной циркуляции вод, обычно аккумулируются мощные глинистые толщи, обогащенные органикой (черные глины). В связи с быстрым захоронением и погружением на большие глубины они уже на рифтовой стадии могут реализовать свой нефтегазоматеринский потенциал. Этому в значительной степени способствует аномально высокий тепловой поток в рифтах и, как результат этого, высокая прогретость земных недр. Поэтому образование УВ может происходить уже в молодых, неглубоко залегающих осадках. Причем, даже озерные отложения, содержащие сравнительно небольшое количество органи­ки, могут оказаться нефтегазопроизводящими. Примером этого могут служить многочисленные нефте- и газопроявления в пределах совре­менной внутриконтинентальной Восточно-Африканской системы рифтов. Отдельные рифты, заполненные водой, образуют систему озер, на берегах которых отмечаются выходы газа, легкой нефти, закированные песчаники (например, оз. Альберт).

Геологические события иного типа протекают в зонах субдукций, но результат их тот же: ускоренное преобразование рассеянной орга­ники в нефть. В зонах поддвига происходят два очень важных для нас явления: образование аккреционных призм (линз) и проскальзывание океанических осадков в мантию вместе с пододвигаемой плитой.

Формирование аккреционных призм происходит за счет соскребания осадков с погружающейся плиты и накопления их на внешнем склоне островной дуги. В результате вдоль фронта субдукций возни­кает огромная „куча" осадочного материала, в котором содержится и рассеянная органика Высокий прогрев недр обеспечивает здесь благоприятные условия для рождения нефти. Однако пока это теория. Современные аккреционные призмы с точки зрения возможной их нефтегазоносности практически еще не изучены, а древние призмы аккреции геологи пока не научились распознавать в сложной струк­туре горно-складчатых областей.[13. Стр. 38-43]

3. Нефть - пища века.

Одно из перспективных направлений в нефтехимии - биохимичес­кая переработка нефтяных УВ для получения белковых веществ. Работы были начаты во Франции еще в 1957 г., но в последние годы актуальность их значительно увеличилась. Это объясняется растущей диспропорцией между народонаселением Земли и производством пищи. Как известно, население земного шара превысило 5 млрд. человек. Ожидается, что при существующих темпах роста к 2010 г. на Земле будут жить почти 8 млрд. человек. Уже сейчас, по данным журнала „Сайенс" (США), около 500 млн. людей в мире испытывают недостаток в продуктах питания. К концу века эта цифра удвоится. Как сообщает директор Марсельской лаборатории А.Шампанья, недос­таток животного белка в настоящее время достигает 3 млн.т, т.е. 15 млн. т мяса. По другим материалам, этот дефицит составляет 40-60 млн. т в год. Журнал „Сайенс" пишет о том, что мир недополучает в год 25 млн.т хлебопродуктов. В связи с этим проблема получения искусственной пищи стоит особенно остро. Предлагают различные способы изготовления белка. Один из них, наиболее обнадеживаю­щий, - его производство из нефти. Разработка этой идеи принадлежит немецкому ученому Феликсу Юсту (1952 г.). Технология получения синтетического белка из нефти проста. Углеводороды используют для получения парафина. В него добавляют соли азота, фосфора, калия и других элементов. Из этой массы и воды приготовляется питательная среда. В нее при определенной кислотности и температуре 32-34°С „за­севают" бактерии Candida quillirmondi, которые образуют так называе­мую чистую культуру - закваску для выращивания в промышленных условиях белковой массы. За несколько часов микроорганизмы „съедают" парафин и образуют белок. За сутки 1 т культуры дает до 400 т белка. По сравнению с другими питательными средами для бактерий парафин очень экономичен. В этом случае 1 кг нефти дает 1 кг белка, а, например, 1 кг сахара - всего 0,5 кг белка.

Пока синтетический белок идет в сельское хозяйство на откорм животных и птиц, хотя при этом возникает слишком много довольно-таки сложных проблем. Но и в меню человека давно уже прочно вошли некоторые продукты, приго­товленные из нефти. Наверное не все знают, что масло в шпротах – это продукт нефтехимии. [13. Стр. 13]

Не следует забывать, что нефть - это сырье для получения керо­сина, бензина, смазочных масел, т.е. всего того, без чего невозможна современная эксплуатация автомашин, самолетов, ракет.Не будет ошибкой, если сказать, что нефть - это не только будущий продукт питания людей, но и нынешняя „пища" моторов. Поэт А. Вознесенский в одном из своих стихотворений призывает:

„Бегите!

Нас тёмные, как Батый,

Машины поработили.