Что такое нефть: от происхождения до применения
Нефть - полезное ископаемое, представляющее из себя маслянистую жидкость. Это горючее вещество, часто черного цвета, хотя цвета нефти в разных районах различаются. Она может быть и коричневой, и вишневой, зеленой, желтой, и даже прозрачной. Нефть (тур. neft, от перс. нефть), горючая, маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке Земли, важнейшее полезное ископаемое. Нефть - полезное ископаемое, по плотности похожа на маслянистую жидкость. При воспламенении выделяет тепло в больших количествах.
Нефть - сложная углеводородная структура, в основном состоит из углерода (до 87 % полного состава), в остальном это газы и неуглеводородная составляющая химических веществ (водород, азот, сера, парафины, кислород, хлорорганические соединения). С химической точки зрения нефть - это сложная смесь углеводородов с примесью различных соединений, например, серы, азота и других. Углеводороды, из которых состоит нефть, - это химические соединения состоящие из атомов углерода (C) и водорода (H). В общем виде формула углеводорода - CxHy. Простейший углеводород, метан, имеет один атом углерода и четыре атома водорода, его формула - CH4.
В зависимости от количественного соотношения различных углеводородов, составляющих нефть, ее свойства также различаются. Нефть бывает прозрачной и текучей как вода. Физические свойства нефти варьируются из-за состава и структуры входящих в нефть химических компонентов. Плотность 650-1050 (преимущественно 820-950) кг/м3. Вязкость изменяется в широких пределах: от менее 0,1 до 10 мПа·с и зависит от химического и фракционного состава, смолистости, а также термобарических условий и количества растворённого в ней газа.
Элементарный состав нефти характеризуется наличием пяти элементов - углерода, водорода, азота, серы, кислорода, при существенном превышении первых двух свыше 90 %. Остальные вещества содержаться в нефти в пределах 5-6 %. Химический состав нефти месторождений различается в большой цифровой амплитуде.
В ее составе обнаруживается свыше 1000 индивидуальных органических веществ, содержащих 83-87% углерода, 12-14% водорода, 0,5-6,0% серы, 0,02-1,7% азота и 0,005-3,6% кислорода и незначительную примесь минеральных соединений; зольность нефти не превышает 0,1 %. Различают легкую (0,65-0,87 г/см3), среднюю (0,871-0,910 г/см3) и тяжелую (0,910-1,05 г/см3) нефть.
Происхождение нефти
Образование нефти - процесс весьма и весьма длительный. Он проходит в несколько стадий и занимает по некоторым оценкам 50-350 млн. лет. В учёном сообществе до сих пор идут дискуссии по поводу образования нефти на планете Земля. Только тогда, когда мы будем иметь правильное представление о тех процессах, в результате которых возникла нефть, мы будем знать, каким образом в земной коре образуются её залежи. В наше время в лабораторных условиях возможно получить некоторые составляющие нефтеподобных веществ.
Наиболее доказанной и общепризнанной на сегодняшний день является теория органического происхождения нефти или, как ее еще называют, биогенная теория. Согласно этой теории нефть образовалась из останков микроорганизмов, живших миллионы лет назад в обширных водных бассейнах (преимущественно на мелководье). Отмирая, эти микроорганизмы образовывали на дне слои с высоким содержанием органического вещества. Слои, постепенно погружаясь все глубже и глубже (напомню, процесс занимает миллионы лет), испытывали воздействие усиливающегося давления верхних слоев и повышения температуры. В залежах нефти всегда присутствуют органические останки, что свидетельствует о доказательности теории.
Имеет место быть абиогенная гипотеза происхождения нефти: в результате высоких температур и давления на больших глубинах из неорганических веществ может образовываться нефть. Менделеев считал, что планета Земля состоит из расплавленного железа, а его спутниками являются карбиды. Если бы данная теория была истинной, то можно было бы пробурить более глубокие скважины и получить доступ к неограниченным запасам нефти.
Месторождения нефти
Нефть (и сопутствующий ей углеводородный газ) залегает на глубинах от нескольких десятков метров до 5-6 километров. При этом на глубинах 6 км и ниже встречается только газ, а на глубинах 1 км и выше - только нефть. Большинство продуктивных пластов находятся на глубине между 1 и 6 км, где нефть и газ встречаются в различных сочетаниях. Залегает нефть в горных породах называемых коллекторами. Пласт-коллектор - это горная порода способная вмещать в себе флюиды, т.е. подвижные вещества (это могут быть нефть, газ, вода). Упрощенно коллектор можно представить как очень твердую и плотную губку, в порах которой и содержится нефть.
Часть образовавшихся углеводородов находилась в газообразном состоянии (самые легкие), часть в жидком (более тяжелые) и какая-то часть в твердом. Соответственно подвижная смесь углеводородов в газообразном и жидком состоянии под воздействием давления постепенно двигалась сквозь проницаемые горные породы в сторону меньшего давления (как правило, вверх). Движение продолжалось до тех пор, пока на их пути не встретилась толща непроницаемых пластов и дальнейшее движение оказалось невозможным. Это так называемая ловушка, образуемая пластом-коллектором и покрывающим ее непроницаемым пластом-покрышкой. В этой ловушке смесь углеводородов постепенно скапливалась, образовывая то, что мы называем месторождением нефти. Как видите, месторождение на самом деле не является местом рождения. Это скорее местоскопление.
Поскольку плотность нефти, как правило, значительно меньше плотности воды, которая в ней всегда присутствует (свидетельство ее морского происхождения), нефть неизменно перемещается вверх и скапливается выше воды. В некоторых районах нефть и углеводородный газ, не встретив на своем пути ловушку, выходили на поверхность земли.
Нефть находится в горных породах, способных вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке. Абсолютное большинство пород-коллекторов имеют осадочное происхождение. Коллекторами нефти являются как терригенные (пески, алевриты, песчаники, алевролиты и некоторые глинистые породы), так и карбонатные (известняки, мел, доломиты) породы.
В природе может наблюдаться миграция нефти. В процессе седиментации осадочных пород, при формировании благоприятных условий для залегания нефти и газа в пористых структурах. В порах накапливается нефть, вода, газ, при уплотнении пород нефтяная смесь мигрирует из породы. Залежи образуются там, где высокопористые пески накапливались вместе с обогащённым органическим веществом илом - например, в дельте Миссисипи. Здесь пески находятся в речных руслах и на морских побережьях, а между ними располагаются большие солёные марши (прибрежные болота), где в илах захороняется органический материал.
Крупные нефтяные и газовые залежи Луизианы, Техаса, Персидского залива и Тюменского Севера приурочены к дельтовым отложениям древних рек. Система рифов - это другой пример общей обстановки, благоприятной для образования как пород-коллекторов, так и нефтематеринских пород. В зарифовой области отлагаются известковые илы, обогащённые органическим веществом. Такие нефтяные месторождения обнаружены в провинции Альберта (Канада), западнее Флориды и в Мексике.
В Российской Федерации имеются крупные месторождения в Западной Сибири, Тюмени, Ямале, Волго-Уральском районе, Татарстане, Башкортостане, Ханты-Мансийском автономном округе, Сургуте, Нижневартовске.
История использования нефти
Нефть известна человеку с древнейших времен. Люди уже давно обратили внимание на черную жидкость, сочившуюся из-под земли. Есть данные, что уже 6500 лет назад люди, жившие на территории современного Ирака, добавляли нефть в строительный и цементирующий материал при строительстве домов, чтобы защитить свои жилища от проникновения влаги. Древние египтяне собирали нефть с поверхности воды и использовали ее в строительстве и для освещения. Во времена древнего Вавилона на Ближнем Востоке велась довольно интенсивная торговля этим «черным золотом». Некоторые города уже тогда буквально вырастали на торговле нефтью.
Не везде нефть собирали только с поверхности. В Китае более 2000 лет назад при помощи стволов бамбука с металлическим наконечником бурили небольшие скважины. Изначально скважины предназначались для добычи соленой воды, из которой извлекалась соль. Но при бурении на бОльшую глубину из скважин добывали нефть и газ. Первые упоминания о нефти на территории России относятся к XV веку. Нефть собирали с поверхности воды на реке Ухта.
Хотя, как мы видим, нефть была известна с древнейших времен, она находила довольно ограниченное применение. Современная история нефти начинается с 1853 года, когда польский химик Игнатий Лукасевич изобрел безопасную и удобную в обращении керосиновую лампу. Еще в 1846 году канадский химик Абрахам Геснер придумал, как получать керосин из угля. Но нефть позволяла получать более дешевый керосин и в гораздо большем количестве. Растущий спрос на керосин, использовавшийся для освещения, породил спрос на исходный материал.
По данным некоторых источников первая в мире нефтяная скважина была пробурена в 1847 году в районе города Баку на берегу Каспийского моря. Тем не менее, рождением российской нефтяной промышленности принято считать 1864 год. Осенью 1864 года в Кубанской области был осуществлен переход от ручного способа бурения нефтяных скважин к механическому ударно-штанговому с использованием паровой машины в качестве привода бурового станка. Переход к этому способу бурения нефтяных скважин подтвердил свою высокую эффективность 3 февраля 1866 года, когда было закончено бурение скважины 1 на Кудакинском промысле и из нее забил фонтан нефти.
Датой начала промышленной мировой нефтедобычи, по данным большинства источников, принято считать 27 августа 1859 года. Это день, когда из пробуренной «полковником» Эдвином Дрейком первой в США нефтяной скважины был получен приток нефти с зафиксированным дебитом. Новость об открытии нового источника нефти с помощью бурения скважины разнеслась по округе Тайтусвиля со скоростью лесного пожара. К тому времени переработка, опыт обращения с керосином и подходящий тип лампы для освещения уже были отработаны.
Добыча и переработка нефти
Добывают нефть из недр Земли на глубине от полукилометра до шести километров. Большая часть залежи нефти скопилась в подземных залежах, представляющих образования в виде пустоты, залегающие на глубине, по разным источникам до трёх километров. Естественная разработка нефтеносного пласта (коллектор нефтяной залежи) происходит фонтанным способом в результате воздействия сил природы. Обычно её место занимает вода или газы. После того, как собственное давление пласта уменьшается, и недостаточно для самостоятельного выхода нефти (фонтанирования), тогда устанавливают центробежные насосы.
После того, как первичный метод нефтедобычи становится трудоёмким, после него начинают применять вторичный метод, технология его это искусственное нагнетание давления внутрь пласта. Так называемая система поддержания пластового давления, при котором под высоким давлением закачивается в пласт вода, которая образуется после подготовки нефти на установках подготовки нефти и воды и установках предварительного сброса воды иногда пресных водоёмов или газов естественного происхождения (воздух и продукты его разделения, попутный или природный газ).
Следующим способом интенсификации добычи нефти, который очень эффективно может повысить продуктивность пласта до 45 %, является третичный метод. Идея этого метода заключается в воздействии, повышающий энергетический уровень и эффективность объёмного извлечения являются современные технологии.
Нефть сырая в чистом виде практически нигде не применяется из-за нестойкого состояния. Поступающее по трубопроводам или по железной дороге, а также транспортируемое водным путём с помощью танкеров сырьё, подвергается очистке и разделяется на фракции на нефтеперерабатывающих заводах. Транспортировка нефти на нефтеперерабатывающие заводы должна быть в строгом соответствии с ГОСТами и техническими регламентами, добытая нефть на месторождениях содержит в своём составе разные вещества: газ, воду, твёрдые частицы, которые извлекаются путем первичной и вторичной подготовки.
| Процесс переработки | Описание |
|---|---|
| Атмосферная перегонка | Предварительно подготовленная нефть поступает в цилиндрическую вертикальную (ректификационную) колонну, где подвергается воздействию пара, подаётся снизу вверх. |
| Вакуумная дистилляция | Технология извлечения из мазута масляных дистиллятов и вакуумного газойля. С помощью такого способа получают продукции, необходимые для выпуска топлива, масел, парафина и целого ряда продуктов нефтепереработки и нефтехимии. |
| Гидроочистка | Технологический процесс предназначен для снижения количества примесей под воздействием водорода. |
| Каталитический крекинг | Главная технология вторичной переработки нефти, позволяет повышать октанового числа бензина, получить углеводородные газы и кокс. |
| Гидрокрекинг | - |
| Коксование | Процесс бескислородного нагрева тяжёлых нефтяных фракций остатков вторичной переработки. |
| Изомеризация | - |
| Алкилирование | Цель повышения октанового числа бензина заставила технологов разработать данный процесс использования малоценных крекинговых продуктов в качестве важных компонентов бензина. |
Применение нефти
Если разобраться с тем, как человек использует нефть, то приходим к выводу, что практически все товары, потребляемые сегодня, так или иначе связаны с нефтью, и большинство из них содержи в своем составе чистое сырье или его производные. На самом деле, сфера применения нефтепродуктов очень широкая, и в каждой отрасли задействован данный продукт.
Основным продуктом, производимым из нефти, является топливо. Для его изготовления нефтесырье подвергается множественным обработкам, и, в зависимости от конечного продукта, технологии и методики воздействия на сырье будут отличаться. Сегодня в промышленности и в быту мы пользуемся бензином, керосином, дизтопливом, мазутом, и другими горючими составами, и все они - результат переработки нефти.
На втором месте среди товаров, изготавливаемых из нефти, стоит пластик. Ежегодные объемы этой продукции колоссальны, и составляют более 180 млн. тонн. Из него создаются бытовые товары для дома - посуда, контейнеры, полиэтиленовые пакеты, игрушки, оргтехника. Для промышленных целей из пластика изготавливают элементы для транспорта, техники.
Многим сегодня знакомы такие ткани, как полиэстер, акрил, нейлон. Из них шьют одежду, белье, обувь, предметы декора и другое.
Нефть используется для производства парафиновой продукции. Она служит отличным смазочным материалом, а также используется как основное сырье для свечей и карандашей. Синтетический каучук. Основным продуктом в данной категории товаров является автомобильная резина. Немаловажная роль нефтепродуктам отводится в медицинской отрасли, а именно, при производстве лекарств.
Ассортимент косметических средств на рынке бьюти-индустрии очень большой, но мало кто знает, что в их состав, в большинстве случаев, входят нефтепродукты. Лак для ногтей, косметические карандаши, духи, губная помада - все эти товары изготавливаются с содержанием нефтепродуктов или их производных.
Самым популярным продуктом, содержащим производные нефти, является жевательная резинка. Именно благодаря содержанию нефтесырья жвачка тянется и приобретает эластичность. Также этот компонент включен в состав пищевых красителей, искусственного ванилина, искусственной зернистой икры.
Среди товаров, где человек использует нефть, можно выделить еще лакокрасочные составы и моющие средства. Строительные и дорожные покрытия, популярные сегодня, также в своем составе имеют производные нефти, благодаря чему увеличивается их эксплуатационная характеристика.
Чтобы закрепить бархатные пески при строительстве линии электропередач, а также трубопроводов, специалисты используют сырую нефть.
Нефтяной кризис
С начала 1970-х годов на Западе стал нарастать энергетический кризис. С развитием экономики и увеличением потребления энергии возникали проблемы с обеспечением необходимыми объёмами нефти. Страны-экспортёры, объединившиеся в ОПЕК в 1960 году, активно использовали повышение цен на нефть для укрепления своего положения. В 1967 году эти страны впервые применили эмбарго в качестве инструмента давления. Однако выборочное эмбарго оказалось неэффективным, поскольку запрет легко обходился через третьи страны.
В октябре 1973 года началась четвёртая арабо-израильская война, известная как война Судного дня. Чтобы поддержать Египет и Сирию, члены ОПЕК (Организации стран-экспортёров нефти) разработали новое нефтяное эмбарго, которое было более продуманным. Незамедлительная реакция мирового рынка на это событие привела к более чем трёхкратному увеличению цен на нефть и нефтепродукты. В странах, являющихся импортерами «чёрного золота», началась паника и энергетический кризис, который оказал далеко идущие последствия.