Происхождение нефти

Нефть — как она есть

Нефть и газ — горные породы. Они относятся к группе осадочных вместе с песками, песчаниками, глинами, известняками, каменной солью и т. д. Мы привыкли считать, что порода — твердое вещество, из которого состоит земная кора и более глубокие недра Земли. Оказывается, что есть и жидкие породы и даже газообразные. Это нефть и газ. Одно из важных их свойств — способность гореть. Таким же качеством обладает и ряд других осадочных пород: торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Все вместе горючие породы образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов (от греч. «каустос» — горючий, «биос» — жизнь, «литое» — камень, т. е. горючий органический камень). Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда, последние называются битумами. К ним-то и относятся нефть и газ.

Все каустобиолиты содержат углерод, водород и кислород, но в разном соотношении. Каустобиолиты угольного типа отличаются явным преобладанием углерода над водородом: для антрацита это соотношение (С/Н) равно 63, для каменного угля — 17 и т. д. Нефти же имеют более уравновешенную пропорцию углерода и водорода, поэтому С/Н у них варьирует обычно в пределах 6–6,5. В каустобиолитах угольного ряда повышено также содержание кислорода по сравнению с нефтями: в буром угле –23,7 %, в торфе — 29,7, а у нефтей — 0,5–1,7 %.

В химическом отношении нефть — это сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, содержащая также кислород, азот, серу и реже другие элементы. Она состоит из следующих основных элементов: углерод (83–87 %), водород (12–14), кислород, азот и сера (1–2), содержание серы возрастает иногда до 6–8 %. В нефтях выделяют углеводородную часть, асфальто-смолистую, парафины, серу и зольную часть.

Первая часть состоит из трех групп углеводородов: метановые (алканы), нафтеновые (циклоалканы) и ароматические (арены). Первые относятся к предельным углеводородам и имеют формулу С_nН_2n+2.

Метановые углеводороды, или алканы, химически наиболее устойчивы. Если количество атомов углерода в молекуле колеблется от 1 до 4 (СН₄—С₄Н₁₀), то углеводород представляет собой газ. Если количество атомов углерода от 5 до 16 (С₅Н₁₆—C₁₆H₃₄), то это жидкие углеводороды, а если оно выше 16 (С₁₇Н₃₆ и т. д.) — твердые (например, парафин).

Нафтеновые углеводороды, или циклоалканы (С_nН_2n), имеют кольчатое строение, поэтому их иногда называют карбоциклическими соединениями. Все связи углерода с водородом здесь также насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами.

Ароматические углеводороды, или арены (С_nН_n), наиболее бедны водородом. Молекула имеет вид кольца с ненасыщенными связями углерода. Они и называются ненасыщенными, или непредельными углеводородами. Отсюда их неустойчивость в химическом отношении.

Асфальто-смолистая часть нефтей — это темно-окрашенное вещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть именуется асфальтеном, нерастворившаяся — смолой. В составе смол содержится до 93 % кислорода от общего его количества в нефтях.

Порфирины — особые тетрациклические азотистые соединения органического происхождения. Считают, что они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. Интересно, что при температуре 200–250 °C порфирины разрушаются.

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

Зольная часть — это различные минеральные соединения, чаще всего железо, кальций, магний, алюминий, никель, ванадий, остающиеся при сжигании нефти. Встречаются соли и окислы натрия, бария, меди, олова, кобальта, свинца и других металлов, а также ртуть. Интересно, что определенному типу нефти присущи определенные металлы. Значит, они не механическая примесь, а вещество самой нефти.

Нефть только тогда называется нефтью, когда углеводородная часть составляет более 50 %. Если меньше, то это уже будут киры, асфальты, асфальтиты, озокериты, кериты, антроксолиты и т. д. Соединения, входящие в состав всех частей нефти, кроме углеводородной, называют гетероатомными соединениями, или просто гетеросоединениями, а сумму элементов в их составе — гетероэлементами. К настоящему времени в нефтях обнаружено более 380 гетеросоединений, большинство из которых относится к классу сернистых соединений — меркаптанов.

Состав каждой нефти слагается из нескольких серий гомологических рядов (от греч. «хомос» — похожий). Каждый ряд представлен несколькими группами изомеров, молекулы которых построены по-разному, хотя химическая формула у них одинакова. Члены этих групп составляют непрерывный ряд гомологов, число и структура их меняется в зависимости от типа данной нефти. В природе имеется огромное количество изомеров. Так, если в углеводородном соединении 40 атомов углерода (тетракоптан), то число изомеров достигнет 62 491 178 805 831! Член-корреспондент АН СССР И. И. Нестеров [1969] в своей книге «Тайны рождения нефти» приводит такие расчеты: если человек будет писать формулы этих изомеров со скоростью изомер в минуту, то ему потребуется 120 млн лет круглосуточной работы, чтобы написать формулы всех изомеров углеводородного соединения с 40 атомами углерода.

Химический состав нефтей берется за основу при их классификации. В настоящее время химический состав нефтей полностью не изучен. Установлено 425 углеводородных соединений, но это не предел. Наиболее распространено деление нефтей по содержанию различных углеводородов. Выделяют, например, метановые нефти (метановых углеводородов более 66 %), нафтеновые (нафтеновых углеводородов более 66 %), нафтено-метановые и ароматические.

Эта классификация основана на групповом составе нефтей. Дело в том, что вся нефть по групповому составу делится на две части: те, что закипают при температуре до 360 °C, и те, что кипят при температуре выше 360 °C. К первым относятся чистые углеводородные соединения и частично гетероэлементы; ко вторым — преимущественно гетеросоединения (кислородные, сернистые, азотистые) и в меньшей степени углеводородные. Используются также классификации по содержанию парафина, серы, асфальтенов и смол.

Важным показателем химического состава нефтей является их фракционный состав, который определяется разделением нефтей по различной температуре кипения составных ее частей. Фракция — это доля нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Обычно они следующие: бензиновая, выкипающая при температуре до 170–210 °C; лигроиновая, пределы кипения — 160–210; керосиновая — 200–300; газойлевая — 270–350 °C. Остаток после выкипания всех фракций называется мазутом, который, в свою очередь, делится на масляную и смолистую фракции.

К физическим свойствам нефтей относят плотность, вязкость, температуры застывания, кипения, испарения, теплотворную способность, растворимость, электрические и оптические свойства, люминесценцию и др.

Важнейшее свойство нефти, благодаря которому она обрела мировую славу, — теплотворная способность. Теплота сгорания нефти значительно выше, чем у пороха, нитроглицерина и даже тротила. При полном сгорании 1 кг нефти выделяется около 11 тыс. ккал, при сгорании 1 м³ газа — около 9 тыс., а при сгорании 1 кг каменного угля — 7 тыс. ккал. Чтобы получить одно и то же количество тепловых единиц, требуется по весу: нефти — 1, антрацита — 1,44, торфа — 2,09, сосновых дров — 2,24, соломы — 2,59. В своей книге «Учение о нефти» И. М. Губкин приводил такой пример. Если принять число вагонов, нужных для перевозки нефти, за единицу, то для каменного угля их нужно 1,35, для бурого угля — 3,1, для торфа — 3,2, для дров — 3,4. Все это показывает огромный экономический выигрыш при использовании нефти как источника энергии и при ее транспортировке.

Ведя поиск нефти, часто используют свойство люминесценции, которое обозначает способность нефтей светиться под воздействием ультрафиолетовых лучей. Легкие нефти светятся голубым цветом, тяжелые — бурым и желто-бурым. С помощью этого свойства в горных породах можно отыскать даже «следы» нефти.

Представление о нефти будет неполным, если мы не упомянем ее ближайших «родственников», и прежде всего углеводородные газы. Вообще все газы Земли делятся на углеводородные, углекислые и азотистые. Нас интересует углеводородный газ, который может образовывать самостоятельные скопления в земной коре или же встречаться вместе с нефтью. Углеводородный газ (или просто газ) представляет собой смесь нескольких газов. До 95 % и более этой смеси составляет метан (СН₄), присутствуют этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (C₄H₁₀) и т. д. При повышении давления на глубине все углеводородные газы (кроме метана) переходят в жидкое состояние. Если такую залежь вскрыть скважиной, то на поверхность вырвется газ, на 90 % состоящий из метана. Остальные газы останутся в пласте в виде прозрачной жидкости, состоящей почти целиком из бензина — это так называемый конденсат. Если не принять мер, то конденсат начнет испаряться и выноситься из недр вместе с метаном в виде паров. Между тем конденсат — ценнейшее химическое сырье, требующее особого подхода при разработке его залежей.

В составе углеводородных газов могут быть также углекислота, азот, аргон, криптон, ксенон, гелий, неон, сероводород, аммиак и даже свободный водород. Самая ценная примесь — гелий. Даже 0,1 % его содержания достаточно, чтобы организовать промышленную разработку. А в газах некоторых месторождений содержание гелия достигает 2 % (например, месторождение Панхэндл — Хьюготон, США).

Иногда углеводородный газ включает значительное количество сероводорода (на французском месторождении Лакк — 20 %, на месторождениях Западной Канады — до 30 %). Разработка таких залежей требует особого оборудования, поскольку обычные металлические трубы быстро разрушаются под действием сероводорода. В то же время можно извлечь из газов серу, которая является ценным химическим сырьем.

К свойствам газа относятся плотность, молекулярная масса, вязкость, растворимость, сорбционная способность, упругость паров, критическое давление и температура, теплоемкость, теплотворная способность и диффузия, обратная конденсация и др.

Кроме обычной нефти и газа, известны тяжелые нефти (мальты) с удельным весом 0,97–1; твердые битумы — горный воск (озокерит), горная смола, асфальт.

Итак, мы видим, что нефть и газ — это очень сложные естественные соединения углеводородов. Нефть имеет черный цвет, хотя известны бурые и светлоокрашенные, почти бесцветные нефти, резкий специфический запах, маслянистая на ощупь, плотность ее меньше 1 г/см³ (0,8–0,9). Газ бесцветен и не имеет запаха.