26
اکتبر

نفت خام (Crude Oil) و ساختار آن

تعریف و تاریخچه

نفت خام (Crude Oil) مایعی بدبو و غلیظ به رنگ سیاه یا قهوه ای تیره است. این مایع دارای گرانروی (ویسکوزیته) نسبتاً بالایی بوده و ترکیبات اصلی تشکیل دهندۀ آن هیدروکربن ها می‌­باشند.

از گذشته های بسیار دور مردمان مناطق نفت خیز مانند ایران کم و بیش با نفت خام آشنایی داشته. در مناطقی که نفت به طور طبیعی و خودجوش به سطح زمین می‌­رسیده از این مایع غلیظ برای قیر اندود کردن و به عنوان سوخت برای روشنایی و گرما به طور محدود استفاده می‌­کردند.

با گذشت زمان و پیشرفت علم بشر، رفته رفته به ارزش و خاصیت نفت خام با عنوان (طلای سیاه) پی برده شد. آنگاه بشر شروع به حفاری در مناطق نفت خیز و استخراج این ماده­ارزشمند کرد. اولین چاه نفت رسمی جهان در 24 ژانویه سال 1859 میلادی در ایالت پنسیلوانیای آمریکا توسط “سرهنگ ادوین لورنتین دریک” حفر گردید و استخراج نفت رسماً آغاز شد.

اولین چاه نفت در ایران که در واقع اولین چاه نفت خاورمیانه بود. در سال 1282 هجری خورشیدی توسط ویلیام ناکس دارسی ثروتمند استرالیایی در زمان مظفرالدین شاه قاجار در قصر شیرین به عمق 507 متر حفر شد. پس از آن در خرداد ماه 1287 هجری خورشیدی دومین چاه به عمق 360 متر در مسجد سلیمان افتتاح گردید و اکنون بیش از یک قرن از آغاز حیات صنعت نفت در ایران می­‌گذرد.

منشأ نفت خام

منشأ تشکیل نفت خام در حقیقت مواد آلی حاصل از بقایای گیاهان و جانوران زنده است که به مرور و طی هزاران سال در لایه های زمین انباشته شده و تحت فشار و گرما به نفت خام تبدیل شده اند.

موجودات بسیار کوچک و بیشماری که در دریاها، دریاچه ها و مرداب‌ها زندگی می­‌کنند و پلانکتون (فیتوپلانکتون و زئوپلانکتون) نامیده می‌­شوند. از مهم ترین منشأ‌های آلی نفت خام می­‌باشند. توزیع پلانکتون ها در سطح دریاها یکنواخت نیست و این موجودات بیشتر در مناطق کم عمق دریا و نزدیک به سواحل متمرکزند. این موجودات پس از نابودی در کف دریا ته نشین شده و با رسوب های مختلف مخلوط می­‌شوند. اگر شرایط محل مورد نظر مناسب باشد با گذشت زمان رسوب ها به لایه های زیرین زمین رفته و تحت فشار به نفت خام تبدیل می­‌شوند.

مواد آلی موجود در رسوب ها حاوی 15-35% اکسیژن و 7-10 % هیدروژن می­‌باشند. در حالی که مواد نفتی حداکثر 4% اکسیژن و 11-15 % هیدروژن دارند. بنابراین تبدیل مواد آلی به هیدروکربن ها یک پدیدۀ احیاست که به کمک باکتری‌های غیر هوازی موجود در اعماق آب ها صورت می­‌گیرد. به این ترتیب مواد آلی طی یک سری واکنش های تجزیه و فساد باکتریایی، تراکم و پلیمری شدن به ماده­هیدروکربنی بسیار غلیظی به نام کروژن (Kerogen) تبدیل می‌­شوند که مادۀ اولیه­نفت خام است.

تشکیل معادن نفتی

تحت شرایط فشاری و دمایی (P> 1000 atm& t>100˚C) در محلی به نام سنگ مادر (Source rock) در اعماق زمین، کروژن در اثر تجزیه حرارتی به هیدروکربن های مایع سبکتر تبدیل می­گردد. پس از آن که نفت در سنگ مادر تشکیل شد، در معرض نیروهای مختلفی مانند وزن رسوبهای فوقانی، نیروهای مربوط به زمین شناسی و…قرارمی‌­گیرد.

فشردگی رسوبها سبب خروج آب و نفت از سنگ مادر به طرف یک لایه­متخلخل (Porous) نفوذ پذیر به نام سنگ مخزن (Reservoir Rock) می­‌شود. این جریان نفت معمولاً به طرف لایه های فوقانی که فشردگی کمتری دارند صورت می ­پذیرد. به این حرکت جریان از سوی سنگ مادر به سنگ مخزن جابجایی اولیه (Primary Migration) می‌­گویند.

در ادامه جریان نفت درون سنگ مخزن حرکت کرده تا در یک نقطه­مناسب تجمیع شود. به این حرکت درون سنگ مخزن جابجایی ثانویه (Secondary Migration) گفته می­‌شود. در قسمت فوقانی سنگ مخزن یک لایه­نفوذ ناپذیر وجود دارد که مانع جریان یافتن نفت به سطح زمین شده است. نام آن سنگ کلاهک (Cap Rock) می­‌باشد. به مجموعه­ سنگ مخزن و کلاهک که نفت خام را در خود ذخیره می‌­کنند، اصطلاحاً نفتگیر (Oil Trap) گفته می­‌شود.

انواع نفتگیرها (Oil Traps Types)

درون نفت‌گیر، گاز و نفت و آب بر اساس چگالی نسبی خود به ترتیب بر روی یکدیگر قرار می‌­گیرند. از لحاظ زمین شناسی نفت‌گیرها بر سه نوع می­‌باشند: ساختاری (Structural Trap)، چینه ای (Stratigraphic Trap) و مختلط (Combination Oil Trap).

  • نفتگیرهای ساختاری در اثر عوامل تکتونیکی مانند چین خوردگی و گسل در لایه های زمین، تشکیل شده‌اند. شناخته شده ترین نوع نفتگیر ساختاری، نفتگیر طاقدیسی (Anticlinal) می­‌باشد. از دیگر انواع آن می­‌توان به نفتگیر گسلی (Fault Trap) و نفتگیر گنبد نمکی (Salt dome oil trap) اشاره کرد.
  • در نفتگیرهای چینه‌ای تغییرات لایه های رسوبی منجر به تغییر میزان تخلخل و نفوذپذیری در سنگ مخزن می­‌شود. بخش متخلخل را در بین لایه های نفوذ ناپذیر محصور می­‌کند. انواع نفتگیرهای چینه ای شامل نفتگیر Pinch-out، نفتگیر غیر یک شکل (Unconformity) و نفتگیر صخره مرجانی (Reef) می‌­باشند.
  • در تشکیل نفتگیرهای مختلط هم عوامل ساختمانی و هم تغییرات لایه های رسوبی دخیل هستند. از این رو این نوع از نفتگیرها در حقیقت ترکیبی از دو نوع بالایی می­‌باشند.

عناصر و ترکیبات تشکیل دهندۀ نفت خام

نفت خام ترکیبی از عناصر مختلف می­باشد و بر اساس نوع نفت و منطقه ای که از آن استخراج می‌شود درصد هرکدام از عناصر موجود در نفت خام متغیر است. به طور کلی نفت خام یک ماده­هیدروکربنی است و اتم های کربن و هیدروژن بیشترین درصد را بین اجزاء تشکیل دهندۀ آن دارند. جدول زیر مقدار تقریبی عناصر مختلف موجود در نفت خام را برحسب درصد وزنی نشان می­‌دهد.

هرکدام از این عناصر به صورت یکسری ترکیبات شیمیایی و با ساختارهای مختلف در نفت خام وجود دارند که در زیر به آن­ها اشاره شده است:

درصد وزنیعناصر
84-87کربن
11-14هیدروژن
0-3گوگرد
0-2اکسیژن
0-0.6نیتروژن
0-1000 ppmفلزات



نمک‌های موجود در نفت خام و مشکلات آن­­ها

مهمترین نمک های موجود در نفت خام کلریدهای سدیم، منیزیم و کلسیم می‌­باشند. این املاح علیرغم اندک بودن سبب ایجاد اشکالات متعددی می­‌شوند و به همین دلیل لازم است با روشهای مخصوص، نمک ها از نفت خام تصفیه شوند. تعدادی از اشکالاتی که وجود املاح در نفت خام ایجاد می­‌کنند عبارتند از:

  • ایجاد رسوب در لوله ها و کاهش قطر آن­ها
  • ایجاد نقاط داغ در لوله ها و مساعد کردن شرایط برای تشکیل کک
  • ایجاد رسوب در مبدل های حرارتی و کاهش نرخ انتقال حرارت
  • کاهش فعالیت کاتالیزورها در پالایشگاه

جمع بندی

نفت ماده ای بسیار مهم و حیاتی در زندگی بشر امروزه است و بیشتر انرژی مورد نیاز بشر از طریق فراورده ها و سوخت های ناشی از نفت خام تأمین می­شود. نفت خام می­تواند در عمق ها و لایه های مختلفی از زمین تشکیل شده و دارای ترکیبات مختلفی باشد.

عمده ترکیبات تشکیل دهندۀ نفت خام هیدروکربن ها هستند که هرکدام شامل گروه های مختلفی می­‌شوند. مهم ترین معیار تشخیص کیفیت و قیمت نفت خام درجه API آن می­‌باشد. در مرحله بعد، کم بودن میزان املاح و ناخالصی ها در نفت خام ملاکی برای تشخیص کیفیت آن می­‌باشد. نفت خام ماده­اولیه­ورودی به پالایشگاه ها بوده و پس از پالایش به محصولات و فراورده های متنوعی چون بنزین، گازوئیل، قیر، روغن ها و… تبدیل می­‌گردد.