Л.В. Шишмина
ХИМИЯ НЕФТИ и ГАЗА
Часть I
Томск 2010 Оглавление
Оглавление 1
ВВЕДЕНИЕ 2
1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ 6
1.1. Гипотезы минерального происхождения нефти [3] 6
1.2. Представления об органическом происхождении нефти 7
1.3. Современные представления об образовании нефти и газа 11
1.4. Стадии процесса преобразования сапропелевого рассеянного органического вещества осадков [5] 14
1.5. Образование основных классов углеводородов нефти [3] 16
2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ 21
2.1. Элементный состав 21
2.2. Фракционный состав 22
2.3. Групповой химический состав нефти 23
2.3.1. Групповой углеводородный состав нефти 24
2.3.2. Групповой состав гетероатомных компонентов нефти 29
2.3.3. Смолисто-асфальтеновые вещества 37
2.3.4. Минеральные компоненты нефти 41
3. КЛАССИФИКАЦИИ НЕФТИ 44
3.1. Химические классификации 44
3.2. Генетические классификации 45
3.3. Технологические классификации 47
4. НЕФТЬ КАК ДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА. АССОЦИАТЫ НЕФТИ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ 50
5. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ 63
6. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЕЙ [Шишлов] 68
7. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТОВАРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕФТЕПРОДУКТОВ 76
7.1. Классификация товарных нефтепродуктов 76
7.2. Химмотологические требования и марки моторных топлив 77
7.2.1. Автомобильные и авиационные бензины 78
7.2.2. Дизельные топлива 81
7.2.3. Реактивные топлива 84
8. РЕСУРСЫ И МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА 87
8.1. Классификация газов по происхождению 87
8.2. Особенности химического состава газов различного происхождения 89
9. КАМЕННОУГОЛЬНЫЕ ГАЗЫ 92
9.1. Состав каменноугольных газов 92
9.2. Газоносность каменных углей 96
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 99
Введение
Нефть давно известна человечеству. Она представляет сложную смесь органических соединений, преимущественно углеводородов, их производных и гетероатомных соединений. Вследствие изменчивости химического состава, физико-химические свойства нефтей различных месторождений и даже различных пластов одного месторождения отличаются большим разнообразием.
В отличие от других видов горючих ископаемых, нефть относительно легко добывается, транспортируется и довольно просто перерабатывается в широкую гамму продуктов различного назначения.
Природный газ, нефть в первую очередь являются энергетическим сырьем. Большая часть добываемой в мире нефти (80–90 %) перерабатывается в различные виды топлива и смазочных материалов. Лишь около 10 % ее идет как сырье для нефтехимической промышленности. Поэтому экономика государств зависит от нефти больше, чем от любого другого продукта и нефть с начала ее промышленной добычи и до настоящего времени является предметом острой конкурентной борьбы, причиной многих международных конфликтов и войн.
Потребление энергоносителей в мире непрерывно растет. Естественно, возникает вопрос: надолго ли их хватит?
Сведения о доказанных запасах нефти, а также объемах их добычи приведены в табл. 1. При ее составлении по каждому региону выбраны страны с наибольшими запасами «черного золота».
Таблица 1
Доказанные запасы нефти в мире на 1 января 2001 г. (Oil and Gas Journal) [1]
|
Регион, страна |
Доказанные запасы |
Добыча нефти в 2000 г. |
Кратность запасов, лет | ||||||
|
млрд.т |
%от мировых |
млн. т |
%от мировых | ||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 | ||||
|
Азия и Океания, всего в том числе: |
6,02 |
4,3 |
368,1 |
11,0 |
16,4 | ||||
|
Китай |
3,29 |
2,3 |
162,7 |
4,9 |
20,2 | ||||
|
Индонезия |
0,68 |
0,5 |
64,9 |
1,9 |
10,5 | ||||
|
Индия |
0,65 |
0,5 |
32,0 |
1,0 |
20,3 | ||||
|
Северная и Латинская Америка, всего в том числе: |
20,53 |
14,6 |
859,8 |
25,6 |
23,9 | ||||
|
Венесуэла |
10,53 |
7,5 |
151,8 |
4,5 |
69,4 | ||||
|
Мексика |
3,87 |
2,8 |
152,5 |
4,6 |
25,4 | ||||
|
США |
2,98 |
2,1 |
291,2 |
8,7 |
10,2 | ||||
|
Африка, всего в том числе: |
10,26 |
7,3 |
335,3 |
10,0 |
30,6 | ||||
|
Ливия |
4,04 |
2,9 |
70,4 |
2,1 |
57,4 | ||||
|
Нигерия |
3,08 |
2,2 |
99,5 |
3,0 |
31,0 | ||||
|
Алжир |
1,26 |
0,9 |
40,0 |
1,2 |
31,5 | ||||
|
Ближний и Средний Восток всего в том числе: |
93,63 |
66,5 |
1078,4 |
32,2 |
86,8 | ||||
|
Саудовская Аравия |
35,51 |
25,2 |
403,2 |
12,0 |
88,1 | ||||
|
Ирак |
15,41 |
10,9 |
134,1 |
4,0 |
114,9 | ||||
|
Кувейт |
12,88 |
9,1 |
88,7 |
2,6 |
145,2 | ||||
|
Абу-Даби |
12,63 |
9,0 |
92,5 |
2,8 |
136,5 | ||||
|
Иран |
12,15 |
8,6 |
178,4 |
5,3 |
68,1 | ||||
|
Восточная Европа и СНГ, всего в том числе: |
8,09 |
5,7 |
391,7 |
11,7 |
20,7 | ||||
|
Россия |
6,65 |
4,7 |
323,5 |
9,5 |
20,5 | ||||
|
Казахстан |
0,74 |
0,5 |
31,4 |
0,9 |
23,6 | ||||
|
Румыния |
0,20 |
0,1 |
6Д |
0,2 |
32,8 | ||||
|
Западная Европа, всего в том числе: |
2,35 |
1,7 |
321,5 |
9,6 |
7,3 | ||||
|
Норвегия |
1,29 |
0,9 |
160,8 |
4,8 |
8,0 | ||||
|
Великобритания |
0,69 |
0,5 |
126,8 |
3,8 |
5,4 | ||||
|
Дания |
0,15 |
0,1 |
17,9 |
0,5 |
8,4 | ||||
|
Всего в мире |
140,88 |
100 |
3360,8 |
100 |
42,0 | ||||
Примечание. Несовпадение итогов — в результате округления.
Из данных табл. 1 видно, что наиболее богаты нефтью страны Ближнего и Среднего Востока — здесь сосредоточено 66,5% ее мировых запасов. При сохранении нынешних темпов добычи этих запасов хватит в среднем на 86,8 года. Больше всего нефти в Саудовской Аравии (35,51 млрд.т). Далее в порядке убывания следуют Ирак (15,41 млрд.т), Кувейт (12,88), Абу-Даби (12,63), Иран (12,15). Суммарные запасы нефти перечисленных стран составляют около 95 % запасов региона в целом.
Второй по запасам нефти регион – Северная и Латинская Америка. В его недрах находится 14,57 % мировых запасов «черного золота». Его хватит в среднем на 23,9 лет. Наибольшими запасами нефти Здесь обладает Венесуэла (10,53 млрд.т), относительно богаты недра 'Мексики (3,87) и США (2,98).
В недрах Африки сосредоточено 10,26 млрд.т нефти (7,3 % от мировых запасов). При нынешнем уровне добычи этих запасов хватит в Среднем на 30,6 года. Больше всего нефти в данном регионе у Ливии 4,04 млрд.т), Нигерии (3,08) и Алжира (1,26).
Восточная Европа и страны СНГ занимают 4-е место в мире по запасам нефти (5,7% мировых). Здесь вне конкуренции Россия (6,65 млрд.т). У Казахстана запасы значительно меньше – около 740 млн. т. Третья по запасам страна Восточной Европы – Румыния – располагает 200 млн. т нефти.
В недрах Азии и Океании находится около 4,3 % мировых запасов «черного золота», из которых около 55 % приходится на долю Китая.
Наименьшими запасами нефти в мире располагает Западная Европа — менее 2 % мировых. Свыше половины из них — собственность Норвегии (1,29 млрд.т), примерно четвертая часть — Великобритании (0,69).
В целом доказанные запасы нефти в мире в 2000 г. составляли 140,9 млрд.т, которых при нынешнем уровне добычи хватит в среднем на 42 года.
Мрачные прогнозы о том, что «нефть кончается» звучат уже давно. В 1935 г. ученые предрекали, что через 15...20 лет все известные месторождения нефти будут выработаны. Предсказание не сбылось. В 1955 г. мировая добыча нефти составила свыше 700 млн.т.
В 1951 г. ожидали, что «нефть исчезнет через 25 лет». Но в 1976 г. люди умудрились выкачать из недр около 3 млрд. т нефти. Одновременно сроки исчерпания нефтяных кладовых планеты перенесли на начало XXI в.
Сбудется ли этот прогноз? Скорее всего, нет [1].
Доказанные запасы — это часть ресурсов, которая наверняка будет извлечена из освоенных месторождений при имеющихся экономических и технических условиях.
Вероятные запасы — это часть ресурсов, геологические и инженерные данные о которой еще недостаточны для однозначного суждения о возможности разработки в существующих экономических и технических условиях, но которая может быть экономически эффективной уже при небольшом увеличении информации о соответствующих месторождениях и развитии технологии добычи.
Возможные запасы — это часть ресурсов, геологическая информация о которой достаточна лишь для того, чтобы дать хотя бы приблизительную оценку затрат на добычу или ориентировочно указать оптимальный метод извлечения, но лишь с невысокой степенью вероятности (такая оценка ориентировочна и зависит от индивидуальной точки зрения).
Данные о доказанных запасах нефти в странах мира довольно скоро могут претерпеть серьезные изменения. Начало этому процессу положила Канада: в 2002 г. она включила в доказанные запасы нефть, получаемую из битуминозных песчаников. Благодаря достигнутому Канадой прогрессу в области извлечения битумов, ей удалось довести цену синтетической нефти, получаемой из битума, до $12 за баррель, что сделало её вполне рентабельной. Соответственно, доказанные запасы нефти (включая синтетическую) в этой стране на 1 января 2002г. стали равны 24,5 млрд. т, а сама Канада вышла на 2-е место в мире по запасам после Саудовской Аравии.
Как видно из таблицы 1, зарубежные специалисты весьма скептически оценивают запасы нефти в России и в других странах на постсоветском пространстве. Но у отечественных учёных мнение иное.
Однозначной оценки запасов нефти в России нет. Различные эксперты называют цифры объема извлекаемых запасов от 7 до 27 млрд. т. Основными нефтяными регионами России являются: Западная Сибирь, Урало-Поволжье, Тимано-Печорская провинция, Восточная Сибирь, шельфы северных и дальневосточных морей.
В Западной Сибири сегодня добывается две трети российской нефти. К настоящему времени только на месторождениях, расположенных в Ханты-Мансийском автономном округе, добыто более 6 млрд.т нефти, что примерно вдвое превышает все доказанные запасы США.
Несмотря на достаточно высокую выработанность западно-сибирских месторождений (Федоровское – 60%, Самотлорское – 64%, Мамонтовское – 79%), того, что осталось в недрах региона при существующих темпах отбора, по оценкам российских специалистов должно хватить более, чем на 40 лет.
В ближайшие годы большой эффект (стабилизация или даже наращивание нефтедобычи) может быть получен за счет восстановления бездействующих скважин и более эффективной эксплуатации уже разрабатываемых, старых месторождений. Так, только в недрах Самотлора осталось еще более 1 млрд.т нефти.
Следует также отметить, что в недрах Западной Сибири (главным образом в Ямало-Ненецком автономном округе) сосредоточены значительные запасы газового конденсата. Его разведанные запасы составляют более 1,2 млрд.т или 64 % от запасов конденсата в целом по России.
В целом распределение ресурсов нефти по нефтегазовым бассейнам России таково (%): Западно-Сибирский – 45, Восточно-Сибирский – 15, Арктических морей – 13, Дальнего Востока, включая шельф – 8, Прикаспийский, включая шельф – 7, Тимано-Печорский – 7, Волго-Уральский – 4, Северо-Кавказский – 1.
В 2003 г. счетная палата обнародовала цифру разведанных запасов нефти и газового конденсата в России равную 25,2 млрд.т. В результате наша страна вышла на 2-е место в мире по доказанным запасам после Саудовской Аравии.
Обозреватели считают, что данное заявление, вопреки традициям секретности, связано с необходимостью демонстрации ресурсной прочности нефтяной отрасли при том темпе добычи, который заявлен на ближайшие годы.
Ограниченность и невозобновляемость ресурсов углеводородов усиливает остроту проблемы и обуславливает необходимость рационального использования запасов нефти, увеличения коэффициента нефтеотдачи пластов при добыче, оптимизации процессов подготовки и транспорта, увеличения глубины переработки нефти, рационального использования нефти и применения нефтепродуктов с учетом их экологических свойств, что невозможно без всесторонних физико-химических исследований состава, структуры и свойств нефти.
В настоящее время «Химия нефти и газа»как наука решает следующие задачи [2]:
Исследование химического состава нефтей, нефтепродуктов, газоконденсатов и газов с помощью современных физико-химических методов анализа.
Исследование физико-химических свойств углеводородов и других компонентов нефти и их влияния на свойства нефтепродуктов, установление связи между строением молекул и надмолекулярных структур компонентов нефти, их способностью к межмолекулярным взаимодействиям и фазовым переходам и свойствами нефтепродуктов.
Исследование химизма и механизма термических и каталитических превращений компонентов нефти, в том числе превращений углеводородов, как высокотемпературных (в процессах переработки), так и низкотемпературных, что важно, как с аналитической, так и с геохимической (превращение нефтей в природе) точек зрения.
Исследование происхождения нефти.