1.3 Каустобіоліти

Буквальний переклад терміну з грецької – горючий камінь органічного походження.

В сучасному розумінні каустобіоліти – це горючі корисні копалини, які мають органічний склад, здатні легко загорятись і горіти після усунення джерела вогню, виділяючи при цьому значну кількість теплоти.

За умовами утворення серед каустобіолітів розрізняють 2 основні ряди ( за Г. Потоньє ):

1) Вугільний ряд, куди відносять утворення, сингенетичні до порід: торф, сапропеліт, буре вугілля, вуглисті і горючі сланці, кам’яне вугілля, антрацит. Вугілля відмежовується від сланців за вмістом більше 50 органічної речовини (ОР), а сланці від розсіяної ОР за вмістом приблизно 25 ОР при збереженні ознаки горючості.

2) Бітумний або нафтовий ряд, куди відносять корисні копалини, що мають в основному міграційну природу, а саме: нафти зі всіма їх природними похідними і спорідненими речовинами (мальти, асфальти, озокерит, вуглеводневі гази та ін.).

Виходячи із фізичних властивостей, бітуми поділяються (за Гефером) на:

1 Гази: а) природний; б) нафтовий; в) вугільний або рудничний; г) болотний.

2 Рідкі бітуми: а) нафти; б) конденсати; в) мальти; г) смоляний, чорний дьоготь.

3 Тверді бітуми (суміші з кам’яним вугіллям або гірськими породами): а) озокерит (гірська смола, гірський віск); б) асфальт.

4 Змішані бітуми (суміші з кам’яним вугіллям або гірськими породами): а) бітумінозні сланці; б) гагат (з бурим вугіллям); в) смолистий пісковик; г) асфальтовий вапняк.

1.4 Нафта

Слово “нафта” походить від мідійського “нафата” (та, що просочується, витікає), яке в подальшому трансформувалось в персидське “нефт” і грецьке “нафта”. В різних країнах нафту називають по-різному (ойл, петролеум, ердель), але в більшості випадків змістове значення цих найменувань – “земляне”, “гірське” або “кам’яне” масло.

Нафта – це рідка корисна копалина з ряду бітумів, яка має міграційну природу скупчення в гірських породах земної кори.

У хімічному відношенні нафта – це складна суміш вуглеводнів з сірчаними, азотними і кисневими сполуками, а також смолистими речовинами.

У фізичному відношенні нафта – це колоїдно-дисперсна складно організована система природних гідрофобних розчинів. Нафта знаходиться в надрах, як правило, у фазовідокремленому стані, не змішуючись з природними водними розчинами.

Зовнішні ознаки нафти: на дотик масляниста рідина, має специфічний запах, на світлі люмінесцує, легша за воду, легко займається, гідрофобна. Легкі нафти звичайно світло-жовті або світло-коричневі, іноді зовсім прозорі або бруднувато-молочного кольору (“біла” нафта). Важкі нафти – темно-коричневі майже до чорного кольору із зеленуватим відтінком.

1.4.1 Хімічний склад

Розглядаючи хімічний склад нафти, розрізняють:

1) Елементний склад, тобто кількісний вміст хімічних елементів, що утворюють нафту. В нафті обов’язково знаходиться 5 хімічних елементів: вуглець, водень, сірка, азот і кисень при різкій кількісній перевазі вуглецю і водню (в сумі більше 90 за масою). Склад нафт різних родовищ неоднаковий. Середній елементний склад “світової” нафти такий: вуглецю – 82–87 (мас.), водню – 11–14, сірки – до 3 (рідко до 5–8), азоту – до 2, кисню – до 1. Сірку, азот і кисень, які входять у склад органічних сполук, називають гетероатомами. Хоча вміст гетероатомів у нафті незначний, їх вплив на склад нафт дуже великий. Нафти, які вміщують 1 кисню і 2 органічної сірки, на 30–40 складаються із невуглеводневих сполук. В нафті виявлено також до 50 мікроелементів – металів і неметалів (найбільше з них ванадію, нікелю, молібдену).

2) Груповий склад, тобто вміст різних груп хімічних сполук, які знаходяться в нафті. При цьому виділяється вуглеводневий і невуглеводневий склад.

Вуглеводневий склад нафти служить важливою характеристикою, яка визначає тип нафти, оскільки вуглеводні (ВВ) здебільшого переважають над іншими класами речовин.

В нафті виділяється 3 групи (класи) ВВ:

1) метанові ( парафінові ) або алкани із загальною формулою C_nH_2n+2. Це ланцюгові насичені ВВ (тобто такі ВВ, у яких всі валентності С повністю насичені), які здатні лише до реакцій заміщення.

Представники: СН₄ – метан; С₆Н₁₄ – гексан; С₂Н₆ – етан; С₇Н₁₆ – гептан; С₃Н₈ – пропан; С₈Н₁₈ – октан; С₄Н₁₀ – бутан; С₉Н₂₀ – нонан; С₅Н₁₂ – пентан; С₁₀Н₂₂ – декан.

За нормальних умов (О⁰С і 760 мм ртутного стовпчика) метанові ВВ представляють собою: від С₁ до С₄ – гази; від С₅ до С₁₅ – рідини; від С₁₆ і вище – тверді речовини (парафіни і церезини).

Починаючи з бутану, метанові ВВ поділяються на:

а) нормальні (з прямим ланцюгом), наприклад, n–бутан СН₃–СН₂–СН₂–СН₃;

б) ізомерні (з розгалуженим ланцюгом),наприклад i–бутан;

ВВ метанового ряду складають основну частину нафт, які не зазнали істотних змін.

Парафінові нафти мають найменшу густину і найбільшу теплотвірну здатність.

2) нафтенові (поліметиленові, або циклани, або циклопарафіни) із загальною формулою С_nH_2n. Це насичені ВВ, які мають в основі замкнуте кільце (цикл) із метилових (СН₂) груп. Найчастіше в нафтах трапляються циклопентани й циклогексани та їх похідні.

До кілець можуть приєднуватись ланцюжки метанової будови.

При звичайних температурах нафтенові ВВ стійкі.

Будь-який ВВ, який складається із радикалів метанового ряду і включає хоча би один цикл нафтенового ряду, відноситься до нафтенового ВВ.

3) ароматичні або арени із загальною формулою C_nH_2n–6. Це ненасичені циклічні ВВ, в основі яких лежить бензольне кільце.

Ці ВВ досить стійкі, але вони більш хімічно активні в порівняння з метановими і нафтеновими ВВ, оскільки мають подвійні зв’язки між атомами вуглецю, що обумовлює їх здатність до реакцій приєднання і полімеризації. При нагріванні ці ВВ розкладаються з переходом в насичені ВВ.

Крім того, в нафтах знаходяться гібридні нафтеново-ароматичні ВВ, які вміщують цикли різних типів. Якщо ВВ має хоча би один цикл ароматичного ряду, то його відносять до ароматичного.

Ароматичні ВВ завжди присутні в нафтах, але рідко переважають в їх складі над іншими ВВ.

Невуглеводневі сполуки нафти поділяють на такі, які можна описати точною хімічною формулою, і ті, структура яких не може бути визначена однозначно. До перших відносять сірчані, азотні і кисневі сполуки, до других – смолисті речовини і домішки.

Сірчані сполуки. Сірка в нафті знаходиться у вигляді:

а) неорганічних форм – елементна сірка S (колоїдний розчин); сірководень H₂S;

б) органічних форм – меркаптани (тіоспирти) SH (мають сильний неприємний запах, додаються в побутовий газ); сульфіди R–S–R; дісульфіди R–S–S–R; тіофени C₄H₄S (п’ятичленний цикл із 4 груп СН і одного атома S); тіофани С₄Н₈S (п’ятичленний цикл з кільцем із СН₂ і атома S).

Елементна сірка, сірководень і меркаптани відносяться до так званої “активної сірки” через їхню здатність реагувати з металами і викликати їхню корозію. Це знижує якість нафт з великим вмістом сірки і відповідно їхню продажну ціну. Нафти з великою густиною звичайно вміщують сірки більше, ніж легкі нафти. Близько третини всієї нафти, що видобувається в світі, вміщує більше 1 сірки.

Азотні сполуки. Найчастіше в нафті знаходяться:

– піридин С₅Н₅, подібний за будовою до бензолу, в якому одна група СН замінена атомом азоту;

– хінолін С₉Н₇;

– елементний азот, вміст в нафті якого пояснюється присутністю в них розчинених газів, оскільки азот є звичайним інертним компонентом природного газу.

Кисневі сполуки. Кисень буває в нафті в таких формах:

– вільний кисень;

– нафтенові кислоти – СООН – це сполуки нафтенового циклу з карбоксильною групою; мають пошукове значення;

– феноли С₆Н₅ОН – це похідні ароматичних ВВ, в яких один або декілька атомів водню бензольного ядра заміщені гідроксильною групою ОН;

– жирні кислоти та їх похідні.

Переважна частина кисневих сполук знаходиться у фракціях нафти, починаючи з важкого гасу.

Смолисті речовини. Нафтові смоли являють собою високомолекулярні речовини темно–бурого і чорного кольорів, які колоїдно розподілені в нафті і при перегонці не википають. Хімічна будова їх дуже складна і вивчена слабо. Смолисті речовини не є вуглеводнями, а вміщують, окрім вуглецю і водню, сірку, азот і кисень. Вони присутні у всіх нафтах і кількість їх іноді досягає 25 і більше. В хімічному відношенні смолисті речовини неактивні, що не дозволяє розділяти їх за допомогою функціональних реактивів.

Смолисті речовини поділяються на смоли і асфальтени, поділ яких проводиться адсорбційним і екстракційними методами. Смоли розчиняються в петролейному ефірі і адсорбуються з цього розчину силікагелем. Молекулярна маса смол коливається від 500 до 1000. Асфальтени на відміну від смол більш високо молекулярні, нерозчинні в петролейному ефірі, але розчиняються в бензолі і хлороформі і при нагріванні вони не плавляться, а спучуються і розкладаються, перетворюючись в коксоподібну речовину. Асфальтени є головними складовими частинами таких твердих бітумів, як гільсоніт і асфальтит.

Припускається, що смолисті речовини утворились частково в результаті окислення і полімеризації певних ВВ, що входять в склад нафти.

Домішки. Нафта вміщує дуже малі кількості різноманітних домішок, як органічних, так і неорганічних. Під мікроскопом виявлені такі стійкі утворення як кременисті скелетні залишки, скам’янілі уламки деревини, спори, спікули, водорості тощо. Неорганічні речовини можна спостерігати в зольному залишку, вміст якого в нафті доходить до 1. В золі нафти встановлені кремній, залізо, алюміній, кальцій, магній, мідь, свинець, срібло, нікель, хром, молібден і ванадій. Більша частина цих елементів вміщується в морській воді і могла потрапити в нафту саме звідти. Відомо, що ванадій і нікель концентруються в порфіринах, в результаті чого вміст цих елементів в нафті в декілька тисяч разів перевищує їх концентрацію в земній корі. Ванадій і нікель використовуються для кореляції нафт.

Іноді разом з нафтою на поверхню виносяться глинисті мінерали і пісок. Вони осаджуються із супутньої нафті води, що вказує швидше на їх зв’язок з цією водою, ніж з нафтою.

Більшість нафт вміщує хлористий натрій і при його великій кількості потрібно їх обезсолювання. Надлишок солі (більше 0,7) діє подібно до сірки, викликаючи корозію обладнання. Деяка частина солі присутня у вигляді кристалів у нафті, інша частина – в пластовій воді, яка звичайно вилучається разом з нафтою, можливо у вигляді емульсії.