Углеводороды как минеральные ресурсы

      Все минеральные ресурсы можно классифицировать по различным признакам. Так, например, по характеру промышленно - отраслевого использования полезные ископаемые условно подразделяются на ряд групп. Это топливно-энергетическое сырье, черные и цветные, благородные, редкие и редкоземельные металлы, химическое и агрохимическое сырье, техническое и огнеупорное сырье, строительные материалы, драгоценные и поделочные камни, подземные воды и минеральные грязи. [1, с.159]

    К топливно-энергетическому сырью  относят нефть, природный газ, каменный и бурый уголь, горючие сланцы и ядерное топливо (уран и торий). Это основные источники энергии  для большинства видов транспорта, тепловых и атомных электростанций, доменных печей и т.д. Все они, кроме ядерного топлива, используются в химической промышленности. 

1. Нефть

 

     Нефть -  горючая маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое. О существовании нефти было известно еще в древнем Шумере.

     Основным  исходным веществом нефти обычно является планктон, обеспечивающий накопление осадков сапропелевого типа, характеризующегося высоким содержанием водорода. [10, с.66]

     В химическом отношении нефть –  сложная смесь углеводородов  и углеродистых соединений, она состоит  из следующих основных элементов: углерод (84-87 %), водород (12-14 %), кислород, азот и  сера (1-2 %), содержание серы возрастает иногда до 3-5 % (рис.4).  

     Рис.4. Нефть [15, с.78]

     В нефти выделяют углеводородную, асфальто-смолистую  части, порфирины, серу и зольную  часть.

     Главную часть нефти составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые и ароматические.

     Асфальто-смолистая  часть нефти - это темноокрашенное  вещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть называется асфальтом, нерастворившаяся - смолой. В составе смол содержится кислород до 93 % от общего его количества в нефти.

      Порфирины - особые азотистые соединения органического  происхождения. Считают, что они  образованы из хлорофилла растений и  гемоглобина животных. При температуре порфирины разрушаются.

Сера  широко распространена в нефти и  в углеводородном газе и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1% до 5 %.

       Зольная часть - остаток, получающийся при сжигании нефти. Это различные минеральные соединения, чаще всего железо, никель, ванадий, иногда соли натрия.

     Нефть сильно варьирует по цвету (от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти  черной) и по плотности (от легкой 0,65-0,70, до тяжелой 0,98-1,05.

     Начало  кипения нефти обычно выше 280° С. температура застывания колеблется от +300 до -600° С и зависит, в основном, от содержания парафина (чем его больше, тем температура застывания выше). [6, с.43]

     Вязкость  изменяется в широких пределах и  зависит от химического и фракционного состава нефти и смолистости (содержания в ней асфальто - смолистых веществ). Нефть растворима в органических растворителях, в воде при обычных условиях практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии (рис. 5).

      

     Рис. 5. Классификация  нефти (составлено по [9, с.250], [10, с.67]) 

     Сочетание обозначений класса, типа, группы, подгруппы  и вида составляет шифр технологической  классификации нефти.

     В зависимости от месторождения нефть  имеет различный качественный и  количественный состав. Так, например, бакинская нефть богата циклопарафинами  и сравнительно бедна предельными  углеводородами.

       В Южную Европу западносибирская нефть поставляется через Средиземноморские порты танкерами из Новороссийска, Туапсе, Одессы, куда приходит по трубопроводам из Западной Сибири (в том числе в Одессу транзитом через Украину). В Центральную Европу западносибирская нефть поставляется по нефтепроводу “Дружба” через Украину. В Северо-Западную Европу - танкерами через порты государств Балтии (Вентспилс, Клайпеда), куда она поставляется по нефтепроводам. В ближайшие несколько лет география поставок российской нефти претерпит изменения. Так как наряду с Западной Сибирью появятся новые, ориентированные на экспорт районы добычи нефти на Дальнем Востоке (экспорт в Юго-Восточную Азию), на севере европейской части страны (Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция) (рис. 6).

     При этом около 1/3 нефти поставляется в  Белоруссию, где она перерабатывается на 2-х НПЗ, расположенных в Новополоцке  и Мозыре. В 1997 году в Белоруссии было добыто 1.821 млн. т нефти, это  на 2.3 % меньше чем в 1996г. В 1997г. удалось  замедлить темпы сокращения нефтедобычи. В Белоруссии рассчитывают, что в 1998 году уровень добычи углеводородного  сырья стабилизируется за счет максимальной компенсации извлекаемых объемов нефти новыми запасами и интенсивной нефтедобычей”. Белорусские предприятия по транспортировке нефти “Дружба” в 1997 году транспортировали 76.625 млн. т нефти, что на 3.3% больше, чем в 1996 году (в том числе на экспорт 64.855 млн. тонн (104.3% к 1996 г.)). [2, с.98] 

     Рис.6. Тимано-Печорская нефтегазоносная станция [3, с.152] 

       1/3 нефти, экспортируемой в страны СНГ, поставляется в Украину. Потребность Украины в нефтепродуктах по разным оценкам 24-28 млн. т в год. За счет импорта она удовлетворяет потребность в нефти (нефтепродуктах) на 80-90%.

     К 2000 году планируется довести годовую  добычу до 5 млн.т в год. В Херсоне, Лисичанске, Кременчуге и Одессе на привозной нефти работают НПЗ (+ НПЗ в Дрогобыче) (рис.7).

           Около 3 млн. т нефти  экспортируется в Казахстан. При  этом по нефтепроводу Узень - Гурьев - Самара в РФ поставляется примерно такое  же количество нефти. Казахстан начал  добывать нефть на полуострове Бузачи, где невысокая глубина залегания, но высокая вязкость требует применения специальной технологии с закачиванием в скважины горячего пара. Продолжается добыча в старом нефтеперерабатывающем  районе - Эмбенском. Местные нефти  перерабатываются на Гурьевском НПЗ. Поставки нефтепродуктов восточным и южным  областям осуществляются с Павлодарского и Чимкентского НПЗ, работающих на западно-сибирской нефти, поступающей из Омска. [15, с.113] 

Рис.7. Десять первых стран мира по достоверным запасам нефти [4, с.93]

      

       Как можно заметить, объем экспортируемой нефти резко сократился после распада СССР. Поставки на мировой рынок к 1997 году достигли уровня 1990 года, тогда как поставки в страны ближнего зарубежья продолжают сокращаться. Скорее всего, это связано с тем, что России выгоднее продавать нефть на мировых рынках, а так как уровень добычи падает, а спрос за рубежом на российскую нефть есть, для поставок в страны СНГ просто не хватает ресурсов. 

2. Природный газ

 

     Еще три века назад слова “газ”  не существовало. Его впервые ввел в XVII веке голландский ученый Ван-Гельмонт. Оно определяло вещество, в отличие от твердых и жидких тел способное распространятся по всему доступному ему пространству (в обычных условиях) без скачкообразного изменения своих свойств. С тех пор слово “газ” во все основные языки мира.

Среди известного комплекса естественных полезных ископаемых, относящихся к  топливно-энергетичесской группе, одно из основных по использованию в народном хозяйстве страны занимают природные горючие газы (рис.8).

     Основной  составной частью природного газа является метан (CH4). Кроме метана в состав природного газа входят его ближайшие  гомологи: этан, пропан, бутан. Содержание метана в природном газе обратно  пропорционально общей молекулярной массе углеводорода. Различный состав имеет природный газ различных  месторождений. Средний его состав следующий: метан-80,97% , этан-0,5-0,4 , пропан-0,2-1,5% , бутан-0,1-1% , пентан 0-1% . На другие газы приходится от 2% до 13% объема.

     В топливно-энергетичесских ресурсах мира природный газ оценивается  в 630 млрд. тут, что составляет 4,9% от общей суммы топливных ресурсов, а возможное извлекаемое количество его определяется в 500 млрд. тут, т. е.

Около 80% от прогнозных ресурсов. Известно, что  доля природного газа в общемировом  энергетическом балансе с 1900 г. возрастала медленными темпами и в мировом  потреблении различных видов  топлива в начале текущего столетия оценивалось в 0,9%. [10, с.63]

     Природный газ имеет широкое применение в народном хозяйстве. Также природный газ лучший вид топлива.

   Его отличают полноте сгорания без дыма и копоти; отсутствие золы после сгорания; легкость розжига и регулирование процесса горения. Запасы природного газа на нашей планете очень велик. Он является источником сырья для химической промышленности.

Рис.8. Предприятие по добыче природного газа [7, с.215]

      

       Помимо природного газа существует искусственный газ. Впервые он был получен в лабораторных условиях в конце XVIII века. Искусственным газом сначала освещались улицы и помещения, поэтому его и назвали “светильным газом”. Помимо названных газов существуют также попутные нефтяные газы. По своему происхождению тоже является природным газом. Особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью – он растворен в ней и находится над нефтью, образовывая газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого давления отделяется от нее.

       Природный газ ныне широко используется в качестве топлива и сырья для химической промышленности. Как источник энергии природный газ является одним из главных на Земле, уступая лишь нефти. Это связанно с преимуществами природного газа над другими видами топлива. Теплота сгорания очень высока, его подачу в печь легко регулировать, он не оставляет золы и является самым экологически чистым топливом, вот почему сейчас природный газ как источник энергии используется чаще чем каменный уголь, хоть и имеет меньший КПД. Природный газ-это чистое и удобное топливо. На нем можно готовить, им можно отапливать дома. [8, с.176]

     В связи с резко выросшим в последние  годы добычи и использования газа комплексное решение вопросов оптимизации  и повышения надежности дальнего газоснабжения стало задачей  большой народнохозяйственной важности (рис.9).

     Известно, что система потребителей природного газа использует его неравномерно в  связи с сезонным изменением потребности  в топливе. Детальное изучение и  учет неравномерности газоподачи и  газопотребления в отдельные  экономические районы страны с интенсивно развитой промышленностью привело  к необходимости создания вблизи крупных городов газохранилищ большой емкости. Сооружение таких хранилищ – газгольдеров на поверхности и рассчитанных на содержание на содержание в них огромных объемов газа, помимо сложности хранения, весьма и трудно осуществимо по технико-экономическим условием.

Рис.9. Добыча природного газа [8, с.185]

       Наиболее экономический способ хранения газа – это подземный. В этом случае используются выработанные нефтяные и газовые месторождения, или водоносные пласты. Рассмотрим особенности подземных хранилищ газа, сооружаемым в водоносных песчаных пластах. Емкостью для газа служит водоносный песчаный пласт, залегающий на глубине 890-910 м между плотными глинами девонского возраста. В этот пласт пробуренные скважины закачивается газ, поступающий по магистральным газопроводам из газодобывающих районов страны. Избыточное давление нагнетаемого газа, создаваемое с помощью соответствующих компрессорных установок на поверхности в пределах водоносного пласта, образует своеобразную газовую залежь, подпираемую по периферии пластовой водой. В этом сущность процесса подземного хранения. [7, с.237] Преимущества подземного хранения газа обуславливаются низкими капитальными и эксплуатационными затратами, повышением безопасности хранения, меньшей площадью и независимостью от атмосферных воздействий. 
 

3. Битум

 

     Битумы  применялись в качестве строительного  материала еще в глубокой древности. За 3000 лет до нашей эры в Вавилоне и Ассирии, расположенных в междуречье Тигра и Евфрата, природный битум  использовали в качестве цементирующего и водоизолирующего материала.

        Органические вяжущие вещества делят на две основные группы: битумные и дегтевые (рис.10).

     Природные битумы — вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводов  и их неметаллических производных. Природные битумы получились в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы. [3, с.137]

 

       

       

     

       
 

Рис.10. Подразделение органических вяжущих веществ (составлено по [9, с.593, [14, с.147]) 

       Асфальтовые породы — пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка.