Химический состав нефти

Основными химическими элементами, входящими в состав нефти являются углерод (82-87% вес.) и водород (11-14,7% вес.). УВ нефти представлены алканами (0-93%), цикланами (1-80%) и аренами (3-35%). Соотношение между этими группами варьирует в широких пределах. В геохимическом отношении важное значение имеют присутствующие в нефти хемофоссилии – углеводороды и гетероатомные соединения, близкие по структуре углеродного скелета к биологическим веществам. Присутствие хемофоссилий рассматривается как одно из основных доказательств генетической связи нефти с живым веществом.

Алканы (метановые, парафиновые УВ) – углеводороды с общей формулой С_nH_2n+2. Углеродный скелет алканов представляет собой линейные или разветвленные цепи углеродных атомов, соединенных простыми связями. Алканы, имеющие линейную структуру, называются нормальными (н-алканами), а алканы с разветвленной углеродной цепью изоалканами.

Газообразные н-алканы СH₄ – С₄H₁₀ – единственный углеводородный компонент горючих газов. Среди жидких н-алканов известны н-пентан – С₅H₁₂, н-гексан – С₆H₁₄, н-гептан – С₇H₁₆ и др., среди твердых н-алканов - н-октадекан – С₁₈H₃₈.

Цикланы (циклоалканы, циклопарафины, нафтеновые, полиметиленовые УВ) – класс насыщенных циклических УВ. Циклы УВ этого класса построены из трех и более метиленовых (–СН₂–) групп. Наиболее устойчивы циклы, содержащие пять и шесть метиленовых групп - циклопентаны С₅H₁₀ и циклогексаны С₆H₁₂. Среди цикланов встречаются аналоги природных циклических стеринов, относящихся к группе так называемых хемофоссилий, явно биологического происхождения (терпаны, гопаны, стераны и др.).

Арены (ароматические УВ) – класс углеводородов общей формулы С_nH_2n-р (р = 6, 12, 14, 18, 20, 24, 28, 30, 36). В нефтях и битумоидах пород моноциклические арены представлены бензолом (С₆H₆) и его гомологами (толуол С₇H₈ и т.д.). Арены отличаются от алканов и цикланов более высокой плотностью, температурой кипения и кристаллизации. Они хорошо растворяются в воде и легко вступают в химические реакции, не приводящие к изменению ароматического ядра. Как правило, содержание аренов в нефтях ниже содержания алканов и цикланов.

Элементный, фракционный и компонентный составы нефти

Элементный состав нефти – содержание в нефти элементов, образующих молекулы углеводородов и гетеросоединений. Нефть состоит из пяти химических элементов – углерода, водорода, кислорода, серы и азота. Неуглеводородные или гетероатомные компоненты нефти включают сернистые, азотистые, кислородные, металлоорганические комплексы, смолы, асфальтены.

Содержание серы в нефтях колеблется в пределах 0,02-7%, реже больше. Сера присутствует в виде ароматических и циклических меркаптанов, тиофенов и различных циклических структур. Основная масса сернистых соединений в нефтях находится во фракциях с температурой кипения более 370⁰С, в легких фракциях встречаются только меркаптаны. В нефтях выявлена также элементарная сера (0,008-0,48%). В конденсатах содержание сернистых соединений не превышает 0,09%, обычно – 0,03%. По содержанию серы нефти подразделяются на малосернистые (до 0,5%), сернистые (0,5-2%) и высокосернистые (более 2%).

Содержание азота в нефти не превышает 1,7%, азотистых соединений до 10%. Большая часть последних находится в высококипящих фракциях и в составе асфальтеново-смолистых веществ.

К азотистым соединениям относятся порфирины и металлопорфирины (соединения с металлами – ванадием и никелем).

Содержание в нефтях кислородных соединений не превышает 2,5%, причем большая часть их находится во фракциях, начиная с тяжелого керосина. В нефтях выделены нефтяные кислоты, которые составляют основную массу кислородных соединений, максимальное содержание которых установлено в газойлевой фракции.

К асфальтено-смолистым соединениям относится большая группа веществ с высокой молекулярной массой. Смолы и асфальтены представляют собой сложные полициклические системы. Содержание кислорода в смолах составляет 2-8%, серы – 0,5-5%, азота – 2%. Асфальтены выделяют из нефти путем растворения последней в петролейном эфире или пентане, смолы – путем адсорбирования их из раствора силикагелем.

Плотность асфальтенов около 1,14 г/см³. В нефтях асфальтены находятся в коллоидном растворе. При длительном нахождении нефти на воздухе ее смолы способны уплотняться и переходить в асфальтены.

Принято различать нефти малосмолистые (до 5%), среднесмолистые (5-15%) и высокосмолистые (более 15%). По содержанию асфальтенов нефти подразделяются на малоасфальтенистые (до 1%), среднеасфальтенистые (1-5%) и высокоасфальтенистые (более 5%).

Фракционный состав нефти – выход фракций, отбираемых по температурам начала кипения в процессе нагревания нефти. Каждая фракция имеет собственное название:

До 60⁰С – петролейный эфир;

60-200⁰С – бензин;

200-300⁰С – керосин;

300-400⁰С – газойль;

400-500⁰С – смазочные масла;

Более 500⁰С – гудрон (неперегоняемый остаток).

Светлые фракции – бензин, керосин – получают на первой стадии перегонки (при атмосферном давлении), остальную часть – темные фракции (газойль, смазочные масла, гудрон) или мазут получают (фракционируют) в условиях вакуума, т.е. без доступа воздуха.

Компонентный состав нефти (или групповой состав нефти по терминологии ВНИГРИ) – содержание в нефти компонентов, выделяемых по агрегатному состоянию, в процессе хроматографического разделения и растворимости в органических растворителях. Основные компоненты нефти и газа: газы, бензины, масла (25-75%), смолы (1-30%) и асфальтены (0-20%, в легких нефтях – отсутствуют). Дополнительно выделяют твердые парафины в составе масел (0-20%). По содержанию парафинов нефти подразделяются на малопарафинистые (до 1,5%), среднепарафинистые (1,5-6%) и высокопарафинистые (более 6%).