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).

1. 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.
2. 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.
3. 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 C_nH_2n+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 C_nH_2n 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 C_nH_2n-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 C_nH_2n می­‌باشد.

• ترکیبات آروماتیک : این نوع از هیدروکربن ها هم ساختار حلقوی داشته و خودشان به دو نوع بنزن ها با فرمول عمومی C_nH_2n-6 و نفتالن ها با فرمول عمومی C_nH_2n-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.