Теории происхождения нефти и газа

Ну а дальше образовавшаяся нефть может подвергаться различным  воздействиям. Например, под тяжестью литосферного выступа, наползающий с материка плиты углеводороды могут быть "выжаты" из осадочных пород и активно мигрировать в сторону надвига. Этим эффектом "горячего утюга" может быть объяснено формирование больших залежей нефти на равнительно небольшой площади, как в районе Персидского залива. В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей переработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.      Такая теория, учитывающая глобальную тектонику плит земной коры, оказалась весьма продуктивной и с практической точки зрения. В США, к примеру, ведется бурение в так называемых поднаддвиговых зонах Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам, их здесь не должно было быть.            В 1980 году в штате Вайоминг поисковая скважина на глубине 1888 метров вошла в докембрийский фундамент, сложенный из гранита. Затем в скальных породах геонефтеразведчики прошли еще 2700 метров и обнаружили осадочные отложения мелового периода. Необъяснимое, казалось бы, чередование пород разного геологического возраста объяснялось весьма просто: на осадочные породы в свое время была надвинута плита гранита.        Бурение было продолжено, и на глубинах 5,5 километров разведчики обнаружили промышленные залежи газа. К настоящему времени в Скалистых горах ведется промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива. Это уникальное месторождение.

2.  Состав и физические  свойства нефти и газа

2.1 Физические свойства  нефти и газа

Нефть -- горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом. Представляя собой жидкость, более легкую, чем вода, нефть разных мест, иногда даже и соседних, различна по многим свойствам: цвету, плотности, летучести, температуры кипения. Однако любая нефть это жидкость почти нерастворимая в воде и по элементарному составу содержащая преимущественно углеводороды с подмесью небольшого количества кислородных, сернистых, азотистых и минеральных соединений, что видно не только по элементарному составу, но и по всем свойствам углеводородов.          Состоит она в основном из жидких углеводородов, которые образованы только углеродом и водородом. Причём в составе нефти углерод преобладает -- его содержится 79--88%, а водорода всего 11--14%. Кроме жидких углеводородов нефть в небольших количествах (до 5%) содержит серу, кислород и азот. В очень незначительных концентрациях (до 0,03% ) в нефти присутствуют металлы -- ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, калий, натрий, цинк, кальций, серебро, галлий, а также бор, мышьяк, йод.     Одна из важных характеристик сырой (непереработанной) нефти -- плотность. Она возрастает с увеличением процентного содержания в ней тяжёлых углеводородов (например, смол).      По плотности выделяют лёгкую (800-- 870 кг/м3, среднюю (871--910 кг/м3) и тяжёлую (свыше 910 кг/м3) разновидности нефти.    Для специалистов важны и такие показатели, как температура начала кипения (выше 28° С), удельная теплота сгорания (43,7--46 МДж/кг)и температура вспышки (35--120° С).       Вязкость -- показатель текучести сырой нефти-- возрастает с увеличением её плотности.        Основу горючих газов составляет смесь газообразных углеводородов -- метана, этана, пропана, бутана и пентана. Доля углерода в горючих газах составляет 42--78%, водорода -- 14--24%. Обычно содержание азота в виде примеси не превышает 11%, но иногда достигает 30--50% и более. Кроме того, присутствуют углекислый газ, водяные пары. Содержание углекислого газа колеблется от долей процента до 2--4%, реже до 10--15% и более. В горючих газах содержатся также гелий, аргон, водород, ртуть. Концентрации гелия в большинстве случаев составляют сотые и тысячные доли процента, но имеются месторождения горючих газов с содержанием гелия 5--8%. Кислород находится в связанном состоянии в составе углекислого газа. Природный горючий газ обычно бесцветный и, как правило, без запаха. Исключением является газ, в состав которого входит сероводород. Горючие газы состоят в основном из метана (85--99,5%). В залежах газа иногда присутствуют газоконденсаты, представляющие собой природную смесь газообразных и легкокипящих жидких углеводородов. При больших давлениях и высоких температурах, господствующих в недрах, газоконденсаты находятся в парообразном состоянии. Но в условиях низких температур и обычного атмосферного давления из них выпадает жидкая составляющая -- конденсат. Это -- бесцветная или светло-коричневая жидкость. Природный газ помимо главного своего назначения -- служить топливом используется в химической промышленности для производства синтетического каучука и полиэтилена.      Наиболее ценное свойство нефти и горючего газа -- то, что они выделяют при горении значительное количество тепла. Отношение количества теплоты, выделяющейся при горении, к массе сгоревшего до конца (т.е. до образования углекислоты и воды) вещества называется теплотой сгорания топлива. Нефть, природный горючий газ и их производные обладают наивысшей среди всех видов топлива теплотой сгорания. Теплота сгорания природных горючих газов в среднем равна 38--40 МДж/кг, а нефти -- 42--47 МДж/кг.

2.2 Химический состав нефти  и газа       Что такое нефть и газ известно всем. И в то же время даже специалисты не могут договориться между собой о том, как образуются нефтяные залежи. Такая ситуация покажется не столь уж странной, если начать знакомиться с «биографией» этого полезного ископаемого.

В лучшем сорте угля - антраците, например, на углерод приходится 94%. Остальное достается водороду, кислороду и некоторым другим элементам           Конечно, чистого угля в природе практически не бывает: его пласты всегда засорены пустой породой, различными вкраплениями и включениями… Но в данном случае мы говорим не о пластах, месторождениях, а лишь об угле как таковом.      В нефти содержится почти столько же углерода, сколько и в каменном угле - около 86%, а вот водорода побольше - 13% против 5-6% в угле. Зато кислорода в нефти совсем мало - всего 0,5%. Кроме того, в ней есть также азот, сера и другие минеральные вещества.      Такая общность по элементному составу, конечно, не могла пройти незамеченной для ученых. И потому нефть вместе с газом относят к тому же классу горных пород, что уголь (антрацит, каменный и бурый), торф и сланцы, а именно - к классу каустобиолитов.      Это замысловатое слово составлено из трех греческих слов: kaustikos - жгучий, bios - жизнь и lithos - камень. Можете теперь перевести сами.   Такое название может показаться не совсем точным. Как это к классу камней, пусть органического происхождения, пусть даже и горючих, можно отнести жидкую нефть , а тем более природный газ?...   Замечание вполне резонное. Однако, наверное, Вы удивитесь еще больше, когда узнаете, что нефть специалисты относят к минералам (хотя латинское слово minera означает «руда»). Вместе с газом она относится к числу горючих полезных ископаемых. Так уж сложилось исторически, и не нам с Вами эту классификацию менять. Просто давайте иметь ввиду, что минералы бывают не только твердыми.       В химическом отношении нефть - сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы - тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато соответственно, большее количество водорода и кислорода.    Нефть - это горная порода. Она относится к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Мы привыкли считать, что порода - это твердое вещество, из которого состоит земная кора и более глубокие недра Земли. Оказывается, есть и жидкие породы, и даже газообразные. Одно из важных свойств нефти - способность гореть.            В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и количественный состав. Нефти состоят главным образом из углерода - 79,5-87,5% и водорода - 11,0-14,5% от массы нефти. Кроме них в нефтях присутствуют еще три элемента - сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5-8%. В незначительных концентрациях в нефтях встречаются элементы: ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий. Их общее содержание не превышает 0,02-0,03% от массы нефти. Указанные элементы образуют органические и неорганические соединения, из которых состоят нефти. Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии. Сера может встречаться в свободном состоянии или входить в состав сероводорода.        Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов - алканы, нафтены и арены.         Алканы (в литературе Вы можете также столкнуться с названиями предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) химически наиболее устойчивы. Их общая формула СnH(2n+2). Если число атомов углерода в молекуле не более четырех, то при атмосферном давлении алканы будут газообразными. При 5-16 атомах углерода это жидкости, а свыше - уже твердые вещества, парафины.      К нафтенам относят алициклические углеводороды состава CnH2n, CnH(2n-2) и CnH(2n-4). В нефтях содердится преимущественно циклопентан С5Н10, циклогексан С6Н10 и их гомологи.      И наконец, арены (ароматические углеводороды). Они значительно беднее водородом, соотношение углерод/водород в аренах самое высокое, намного выше, чем в нефти в целом. Содержание водорода в нефтях колеблется в широких пределах, но в среднем может быть принято на уровне 10-12% тогда как содержание водорода в бензоле 7,7%. А что говорить о сложных полициклических соединениях, в ароматических кольцах которых много ненасыщенных связей углерод-углерод! Они составляют основу смол, асфальтенов и других предшественников кокса, и будучи крайне нестабильными, осложняют жизнь нефтепереработчикам.    Посмотрите, как устроены молекулы пентана С5Н10, циклогексана С6Н12 и бензола С6Н6 - типичных представителей каждого из этих классов: Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть.    Асфальто-смолистая часть - темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворяющуюся, понятно, смолой. В составе смол содержится кислород до 93 % от общего его количества в нефтях. Асфальтены представляют собой черное твердое вещество. По составу они сходны со смолами, но характеризуются иными соотношениями элементов. Они отличаются большим содержанием железа, ванадия, никеля и др. Если смолы растворяются в жидких углеводородах всех групп, то асфальтены нерастворимы в метановых углеводородах, частично растворимы в нафтеновых и лучше растворяются в ароматических. В “белых” нефтях смолы содержатся в малых количествах, а асфальтены вообще отсутствуют. Порфирины - особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. При температуре 200-250оС порфирины разрушаются.         Наряду с углеводородами в нефтях присутствуют химические соединения других классов. Обычно все эти классы объединяют в одну группу гетеросоединений (греч. “гетерос” - другой). В нефтях также обнаружено более 380 сложных гетеросоединений, в которых к углеводородным ядрам присоединены такие элементы, как сера, азот и кислород. Большинство из указанных соединений относится к классу сернистых соединений - меркаптанов. Это очень слабые кислоты с неприятным запахом. С металлами они образуют солеобразные соединения - меркаптиды. В нефтях меркаптаны представляют собой соединения, в которых к углеводородным радикалам присоединена группа SH. 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%, но бывает и значительно больше  Меркаптаны разъедают трубы и другое металлическое оборудование буровых установок и промысловых объектов.      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%, но бывает и значительно больше, она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов. Так, например, в газе Астраханского месторождения содержание Н2S достигает 24 %.     И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе, обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ.          Кислород в нефтях встречается в связанном состоянии также в составе нафтеновых кислот (около 6%) - CnH2n-1(COOH), фенолов (не более 1%) - C6H5OH, а также жирных кислот и их производных - C6H5O6(P). Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная его масса содержится в смолах. Содержание смол в нефтях может достигать 60% от массы нефти, асфальтенов - 16%.        К сказанному, пожалуй, можно добавить, что геологический сосед нефти - природный газ - тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего - до 95% по объему - в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутаны и другие алканы - от С5 и выше. Более тщательный анализ, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.

Заключение

Нефть - ценнейшее природное  ископаемое, открывшее перед человеком  удивительные возможности "химического  перевоплощения". Всего производных  нефти насчитывается уже около 3 тысяч. Нефть занимает ведущее место  в мировом топливно-энергетическом хозяйстве. Ее доля в общем потреблении  энергоресурсов непрерывно растет. Нефть  составляет основу топливно-энергетических балансов всех экономически развитых стран. В настоящее время из нефти  получают тысячи продуктов.   Нефть останется в ближайшем будущем основой обеспечения энергией народного хозяйства и сырьем нефтегазохимической промышленности. Здесь будет многое зависеть от успехов в области поисков, разведки и разработки нефтяных месторождений. Но ресурсы нефти в природе ограничены. Бурное наращивание в течение последних десятилетий их добычи привело к относительному истощению наиболее крупных и благоприятно расположенных месторождений.        В проблеме рационального использования нефти большое значение имеет повышение коэффициента их полезного использования. Одно из основных направлений здесь предполагает углубление уровня переработки нефти в целях обеспечения потребности страны в светлых нефтепродуктах и нефтехимическом сырье. Другим эффективным направлением является снижение удельного расхода топлива на производство тепловой и электрической энергии, а также повсеместное снижение удельного расхода электрической и тепловой энергии во всех звеньях народного хозяйства.

Список использованной литературы

1. Судо М. М. Нефть и горючие газы в современном мире. - М.: Недра, 1984.

2. Тарасенко Г.В. Образование нефти и тектоника плит скольжения// Международная конференция "Геология, поиск нефтяных и газовых месторождений Прикаспийской впадины и территорий Каспийского моря". 18-20 сентября 2007 г. РГУ нефти и газа им. Губкина, г. Москва.

3. Стадников Г.Л. Происхождение углей и нефти // М.: - третье переработанное и дополненное издание АН СССР, - 1937, - с. 544.

4. Парменов К.Я., Сморгонский Л.М., Цветков Л.А. Книга для чтения по химии (часть вторая) Москва, "Просвещение" 1993 г.

5.«Химия нефти и газа». Рябов В.Д.  2004 г.

1. Энциклопедия  «Аванта» том 17, химия, Москва 2000г.
2. В.А. Динков, «Нефтяная промышленность вчера, сегодня, завтра»,       Москва 1988г.
3. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г.