Нефтяная геохимия — это раздел геохимии (применение химических концепций для понимания геологических систем), который занимается конкретно нефтью и ее происхождением, образованием и накоплением, а также ее добычей, очисткой и использованием. [1] [2] Нефть, также известная как сырая нефть, представляет собой твердую , жидкую и/или газообразную смесь углеводородов . [3] Эти углеводороды происходят из захоронения и метаморфоза органического вещества миллионы лет назад; [4] органическое вещество происходит от морских животных , растений и водорослей . [5] Нефть добывается из Земли (над или под ее поверхностью, в зависимости от геологии формации), очищается и используется в качестве источника энергии. [3]
Сырая нефть чаще всего подразделяется на четыре типа: легкая , тяжелая , малосернистая и сернистая . [6] Нефть является невозобновляемым источником энергии (также известным как « ископаемое топливо »), поэтому эффективность добычи и переработки важна для ее дальнейшего использования; для обнаружения и извлечения сырой нефти используются различные методы, основанные на исходной породе, в которой она находится, и типе самой нефти. [1]
Нефть подразделяется на типы в зависимости от ее плотности по шкале Американского института нефти (API) и содержания серы . [7]
Плотность сырой нефти в градусах API является мерой чистоты, т. е. количества примесей , таких как сера, азот или кислород . [8] Примеси увеличивают плотность сырой нефти. [9] [6]
Легкая сырая нефть имеет более высокие показатели плотности API из-за меньшего количества примесей. [9] Она чаще используется для производства дизельного топлива и бензина , чем более тяжелые нефти. [6] Благодаря более низкой вязкости ее легче добывать и транспортировать. [9]
Тяжелая сырая нефть имеет более низкие показатели плотности API и больший процент примесей. [9] Она используется при производстве более тяжелых продуктов, например, асфальта [6] , и имеет более высокую вязкость, что затрудняет ее транспортировку и добычу. [9]
Степень «сладкости» или «кислости» сырой нефти зависит от количества содержащейся в ней серы. [6]
«Сладкая» сырая нефть имеет более низкое содержание серы [7] - менее 0,5%. [6] Ее можно перерабатывать в керосин, высококачественное дизельное топливо и бензин. [6]
«Сернистая» сырая нефть имеет высокое содержание природной серы (не менее 0,5%). [7] В процессе переработки требуется дополнительная обработка; [6] примеси удаляются для переработки сырой нефти в бензин. [9] Из-за более высоких затрат ее чаще всего перерабатывают в мазут и дизельное топливо — менее ценные продукты, чем продукты из малосернистой сырой нефти. [9]
Три основных углеводородных соединения в нефти — это парафины , нафтены и ароматические соединения .
Парафиновые углеводороды являются частью ряда алканов [10] и являются наиболее распространенными углеводородами, встречающимися в сырой нефти. [11] Парафины часто входят в состав бензина, что делает их сравнительно более ценными. [11]
Парафиновые углеводороды также известны как алканы и представлены формулой C n H 2n+2 , где n — положительное целое число. [12]
Нафтеновые углеводороды представляют собой насыщенные циклические углеводороды [ 10] и играют очень важную роль в переработке жидкой сырой нефти. [11]
Также известные как циклические алканы, они представлены формулой C n H 2n , где n — положительное целое число. [13]
Ароматические углеводороды являются циклическими, [10] и встречаются гораздо реже, чем два других основных углеводородных соединения. [11] Они представлены формулой C n H n , где n — положительное целое число. [14]
Методы используются для поиска материнской породы (твердого материала, в котором находится нефть), а также типа и количества нефти внутри. [1] Они также используются для определения времени и путей миграции, которые затем используются для прогнозирования того, когда и где может быть обнаружена нефть; [1] источники нефти можно предсказать, если будет обнаружен материал, связанный с материнской породой. [1]
Нефть или доказательства ее непосредственного появления можно найти на поверхности Земли. Выходы нефти можно найти вблизи зоны разлома, где движение земной коры может обнажить нефтематеринскую породу, а значит, и саму сырую нефть. [15] Их также можно найти на дне океана, и их можно обнаружить с помощью спутниковых снимков. [16]
Хотя дистилляция не используется так часто, как другие методы сегодня, она используется в процессе очистки нефти. Она включает в себя разделение сырой нефти на категории углеводородов, и продукты извлекаются из нагретого материала. [17] Для разделения нефти используется дистилляционная башня с количеством теоретических тарелок от 2 до 300. [16]
Подобно процессу дистилляции, газожидкостная хроматография (обычно называемая газовой хроматографией или, проще, ГХ) использует дистилляционную башню для разделения нефти. Однако, по сравнению с 2–300 теоретическими тарелками дистилляции, газовая хроматография включает более 25 000. Это обеспечивает большую степень разделения. [16]
Для достижения более полного анализа газовая хроматография используется вместе с масс-спектрометрией (для газовой хроматографии/масс-спектрометрии или GCMS), с инфракрасной спектрометрией (для газовой хроматографии/инфракрасной спектрометрии или GCIR) и с масс-спектрометрией изотопного отношения (для газовой хроматографии/масс-спектрометрии изотопного отношения или GSIRMS). [16]
В то время как сырая нефть из нефтематеринской породы легко отделяется с помощью газовой хроматографии и газовой хроматографии/масс-спектрометрии, обнаруженное органическое вещество не растворяется в растворителях, используемых в этих методах, и, таким образом, не может быть должным образом проанализировано. Пиролиз используется для характеристики керогенов (нерастворимых углеводородов) [18] и асфальтенов (ограниченная растворимость в обычных растворителях). [19] Существует несколько методов пиролиза; методы дактилоскопии, которые используют флэш-пиролиз или быстрый термопрограммируемый пиролиз, включают быстрый перенос продукта в башню газовой хроматографии. [16] Rock-Eval является широко используемым процессом для определения содержания нефтематеринской породы. [20] Водный пиролиз выполняется в воде и при высоком давлении; этот метод может имитировать различные глубины захоронения, демонстрируя возможности судьбы нефтематеринской породы и связанного с ней патлеума. [16]
Значение соотношения объемных изотопов стабильных изотопов для нефти отображает средний изотопный состав компонентов нефти. В этом методе часто используются стабильные изотопы углерода. С помощью этого значения соотношения можно определить, был ли образец нефти получен в морской или неморской среде, а также расстояние и возраст нефти. [16] [21]
Благодаря ранее перечисленным методам, биомаркеры были обнаружены в нефти и извлечении из исходной породы. Это окаменелости организмов, но они ближе по размеру к молекулам, чем к видимым образцам руки. Они демонстрируют ту же структуру, что и их родительские биомолекулы, и используются для идентификации органического вещества, из которого получена нефть. Биомаркеры также используются для корреляции нефти и исходных пород, определения зрелости нефти, региональных различий, обнаруженных между несколькими образцами, и истории бассейна, в котором находилась исходная порода. [16]
До использования газовой хроматографии-масс-спектрометрии и биомаркеров корреляция геологии местоположений использовалась для выяснения того, как различные формации соотносятся друг с другом и с окружающей средой. Были выполнены корреляции нефть-нефть (сравнение нефти с другой нефтью, найденной локально или в других областях) и корреляции нефть-источник (сравнение нефти и ее источника); инфракрасная спектрометрия, показатели преломления, органическое вещество, извлекаемое растворителем, распределение классов соединений и элементный анализ — все это методы проведения корреляций нефть-источник.