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 ماده ارزشمند 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.
شما می توانید مقاله مرتبط با اکتشاف نفت (Hydrocarbon Exploration) را در مقاله لینک شده دنبال کنید.

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 ماده هیدروکربنی بسیار غلیظی به نام کروژن (Kerogen) تبدیل میشوند که مادۀ اولیه نفت 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… قرار میگیرد.
فشردگی رسوبها سبب خروج آب و نفت از سنگ مادر به طرف یک لایه متخلخل (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 نقطه مناسب تجمیع شود. به این حرکت درون سنگ مخزن جابجایی ثانویه (Secondary Migration) گفته میشود. در قسمت فوقانی سنگ مخزن یک لایه نفوذ 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 ماده هیدروکربنی 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 وزنی | عناصر |
84-87 | کربن |
11-14 | هیدروژن |
0-3 | گوگرد |
0-2 | اکسیژن |
0-0.6 | نیتروژن |
0-1000 ppm | فلزات |
ترکیبات هیدروکربنی (Hydrocarbon Compounds)
- آلکان ها (پارافین ها): هیدروکربن های سیر شده ای هستند که در ساختار آنها هر اتم کربن با 4 پیوند کووالانسی به 4 اتم هیدروژن متصل شده است. فرمول عمومی آنها CnH2n+2 است. مانند متان (CH4) و اتان (C2H6).

- آلکن ها (اولفین ها) : این نوع گروه هیدروکربنی سیر نشده است و دارای پیوند دوگانه بین اتم های کربن میباشد. فرمول عمومی آلکن ها CnH2n میباشد. مانند اتن C2H4

- استیلن ها : هیدروکربنهای سیر نشده که اتم های کربن آن دارای پیوند سه گانه هستند و کمتر در صنعت وجود دارند و فرمول عمومی آنها CnH2n-2 میباشد.

- آلکادین ها : از لحاظ فرمول عمومی مانند استیلن ها هستند و تفاوت آن ها این است که به جای یک پیوند سه گانه بین دو اتم کربن دارای دو پیوند دو گانه بین چهار اتم کربن مختلف هستند. و به طور گسترده در صنعت پتروشیمی و ساخت لاستیک ها کاربرد دارند.

- نفتن ها : ترکیبات هیدروکربنی حلقوی هستند که پیوندهای تشکیل دهندۀ حلقه تماماً یگانه هستند و فرمول عمومی آنها CnH2n میباشد.

- ترکیبات آروماتیک : این نوع از هیدروکربن ها هم ساختار حلقوی داشته و خودشان به دو نوع بنزن ها با فرمول عمومی CnH2n-6 و نفتالن ها با فرمول عمومی CnH2n-12 تقسیم میشوند. بنزن ها تک حلقه ای و نفتالن دارای دو حلقۀ به هم چسبیده میباشد و پیوندهای تشکیل دهندۀ حلقه به صورت یک درمیان دوگانه میباشد.

ترکیبات گوگردی (Sulphur Compounds)
- گوگرد به صورت غیر آلی مانند گوگرد تک اتمی S، هیدروژن سولفید H2S و سولفید کربنیل COS
- مرکاپتان ها (Mercaptans) به صورت اتم گوگرد متصل به هیدروژن و یک گروه آلی R – SH
- سولفیدها (Sulphids) به صورت اتم گوگرد متصل به دو گروه آلی R – S – Rˊ
- دی سولفیدها (Disulphids) دارای دو اتم گوگرد R – S – S – Rˊ
- تیوفن ها (Thiophenes) به صورت اتم گوگرد جای گرفته در یک حلقه

ترکیبات اکسیژن دار (Oxygen Compounds)
- الکل ها (Alcohols) با فرمول عمومی R – OH مانند متانول (CH3OH) و اتانول (C2H5OH)
- فنل ها (Phenols) با فرمول عمومی R – OH که در این مورد R یک گروه حلقوی است.
- اتر ها (Ethers) با فرمول عمومی R – O – Rˊ مانند اتیل متیل اتر (CH3CH2 – O – CH3)
- کربوکسیلیک اسیدها (Carboxylic acids) با فرمول عمومی R – COOH مانند استیک اسید یا همان سرکه (CH3 – COOH)
- کتون ها (Ketones) با پیوند دوگانۀ اکسیژن کربن مانند متیل اتیل کتون (CH3 – CO – CH2CH3)
- فوران ها (Furan) با قرار گرفتن اتم اکسیژن در یک ساختار حلقوی

ترکیبات نیتروژن دار (Nitrogen Compounds)
- ترکیبات غیر اشباع که در آنها اتم نیتروژن یک پیوند دوگانه دارد و در ساختار آن یک حلقه قرار گرفته است. مانند پیریدین (Pyridine) C5H5N
- آمیدهای اشباع یا آروماتیکی که در آنها اتم نیتروژن به صورت اشباع بوده و یکی از پیوندهای آن با هیدروژن است. مانند پیرول (Pyrrole) C4H5N

ترکیبات آلی- فلزی (Organic – Metallic Compounds)
در سنگین ترین قسمت های نفت خام نظیر رزین ها و آسفالتن ها، ترکیبات آلی- فلزی دارای فلزاتی چون کبالت، آهن، نیکل، وانادیوم، روی و… وجود دارند. غلظت این فلزات از صفر تا 1000 ppm متغیر است. با وجود غلظت کم عامل بروز مشکلاتی مانند خوردگی و مسمومیت کاتالیزورهای پالایشگاهی میشوند. هنگام تقطیر نفت خام، برخی از ترکیبات آلی- فلزی که فرارترند در فراورده های دیرجوش ظاهر میشوند. بیشتر این فلزات در باقیماندۀ تقطیر متمرکز میشوند.
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
چگالی نفت خام و درجه API
چگالی نفت خام (Crude Oil Density) که معمولاً بر حسب درجه API بیان میشود یکی از مهم ترین معیارهای تشخیص کیفیت و به تبع آن قیمت نفت خام میباشد. اصولاً نفت خام هرچه سبکتر باشد و چگالیاش پایین تر باشد، از کیفیت بهتری برخوردار بوده و در بازارهای جهانی با قیمت بالاتری به فروش میرسد. درجه API معیاری از سبکی سیال میباشد. به عبارت دیگر بالاتر بودن درجه API مبنی بر سبک تر بودن سیال و در مورد نفت خام دلیلی بر کیفیت بهتر و قیمت بالاتر آن میباشد.
برای تعریف درجه API ابتدا لازم است تا با مفهوم وزن مخصوص (Specific Gravity) آشنا شویم:

ماده مرجع برای اندازه گیری وزن مخصوص معمولاً آب در دمای 60˚ F میباشد.
با استفاده از مفهوم وزن مخصوص درجه API به صورت زیر تعریف میشود:

مشاهده میگردد که درجه API با وزن مخصوص و در حقیقت چگالی نسبت عکس داشته و بالاتر بودن درجه API به معنای سبک تر بودن ماده میباشد. جدول زیر وزن مخصوص و درجه API چند ماده مختلف را مقایسه میکند:
API | وزن مخصوص | ماده |
10 | 1 | آب |
60 | 0.74 | بنزین |
11 | 0.99 | قیر |
18 | 0.95 | نفت خام سبک |
36 | 0.84 | نفت خام سنگین |
جدول زیر مقایسۀ درجه API نفت خام مورد استخراج از ایران و دیگر نقاط جهان میباشد:
درجه API | نفت خام |
33.6 | سبک ایران |
29.6 | سنگین ایران |
30.4 | فروزان |
35.1 | لاوان |
33 | سیری |
18.9 | سروش |
30.6 | متوسط عربستان |
30.5 | کویت |
30.4 | دبی |
38.5 | برنت دریای شمال |
31.8 | یورال روسیه |
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 ماده اولیه ورودی به پالایشگاه ها بوده و پس از پالایش به محصولات و فراورده های متنوعی چون بنزین، گازوئیل، قیر، روغن ها و… تبدیل میگردد.