Обзор нефтегазовой отрасли

  1. Химия углеводородов
  2. Происхождение сырой нефти и природного газа
  3. Нефтяная миграция и накопление
  4. Нефтяные резервуары
  5. Разделение и обработка добываемой нефти и газа
  6. Обработка и переработка газа
  7. Переработка сырой нефти
  8. Нефтехимия

Сырая нефть и природный газ представляют собой смеси углеводородов - химических молекул, которые содержат только водород и углерод. Сырая нефть - это жидкость как под землей, так и при нормальных условиях на поверхности. Природный газ - это пар при нормальных условиях поверхности; под землёй он может существовать в виде пара или чего-то вроде бутылки газированной соды - «в растворе» с сырой нефтью, пока давление не уменьшится.

Термин «нефть» в совокупности относится к смесям сырой нефти, природного газа и твердых углеводородов, таких как смола и асфальт. Помимо углеводородов, нефть может содержать примеси, такие как вода, соединения серы, кислород, азот, диоксид углерода и следы металлов.

Химия углеводородов

Наименьшая единица углеводородного соединения - это молекула, состоящая из атомов водорода и углерода. Физические свойства углеводородной смеси - существует ли она в виде твердого вещества, жидкости или газа при заданном наборе условий, сколько энергии она содержит, какие продукты могут быть получены из нее и т. Д. - определяются количеством и конфигурацией атомы, содержащиеся в каждой из его молекул, и сколько весят эти молекулы.

Простейшей углеводородной молекулой является метан. Это основной компонент природного газа и источник «голубого пламени», которое мы видим, когда включаем газовую плиту или печь ( рис. 7 ). Метан состоит из одного атома углерода (C) и четырех атомов водорода (H). Таким образом, его химическая формула представляет собой СН4 или, сокращенно, С1 .

Сырая нефть и природный газ представляют собой смеси углеводородов - химических молекул, которые содержат только водород и углерод

Рисунок 7: Знакомое синее пламя, которое характеризует сжигание метана, ключевого компонента природного газа.

Молекулярная масса молекулы равна общей массе составляющих ее атомов. Водород, самый маленький атом, имеет атомный вес 1 по определению. Углерод имеет атомный вес 12. Таким образом, мы можем определить молекулярную массу метана следующим образом:

Общий атомный вес атомов углерода: 1 х 12 = 12
Общий атомный вес атомов водорода: 4 х 1 = 4
Общая молекулярная масса = 12 + 4 = 16

На рисунке 8 показаны названия, химические формулы, молекулярные массы, структуры и основные физические свойства «более легких» углеводородов с С1 по С4. Обратите внимание, что:

  • Чем больше атомов содержится в молекуле, тем она тяжелее. Молекулярная масса этана (С2) составляет 30, а пропана (С3) - 44, а бутана (С4) - 58.
  • Чем тяжелее молекула, тем более вероятно, что она существует в виде жидкости при нормальных условиях на поверхности. Это основано на его более высокой температуре кипения (то есть температуре, выше которой это изменяется от жидкости до газа при атмосферном давлении). Также более вероятно, что он имеет более высокое содержание энергии или теплотворной способности на единицу объема.
  • Метан, этан и пропан каждый имеет одну молекулярную конфигурацию. Бутан (C4H10), однако, показывает два возможных варианта (нормальный бутан и изобутан), и каждый тип имеет уникальные физические свойства. Поскольку простая тяжелая углеводородная молекула может содержать до 66 или более атомов углерода, разнообразие молекулярных структур, которые могут присутствовать в смеси, и, следовательно, диапазон физических характеристик, огромен.

Рисунок 8: Атомная структура, химическое название и потенциальное использование углеводородных молекул метана (C1) через нормальный и изобутан (n-C4 и i-C4).

Смеси природного газа делятся на две основные категории: сухой или бедный природный газ имеет высокие концентрации метана и этана (обычно 95 процентов или более), в то время как влажные или обогащенные газы имеют более высокие концентрации пропана, бутана и углеводородов пентана промежуточного веса (С5) через гептан (С7). Поскольку пропорции более тяжелых молекул в углеводородной смеси увеличиваются, она, скорее всего, будет существовать в жидком состоянии в атмосферных условиях.

Происхождение сырой нефти и природного газа

Происхождение сырой нефти и природного газа

Природные углеводороды происходят из разложившихся остатков древних растений и животных. Благодаря последовательности геологических событий, которые произошли в течение миллионов лет, органическое вещество было отложено на поверхности Земли, а затем транспортировано в впадины или бассейны , где оно накапливалось и постепенно погружалось на большие глубины под слоями и слоями отложений. Там, что геологи называют породами-источниками , оно подвергалось гораздо более высоким давлениям и температурам. Со временем и в результате ряда промежуточных химических реакций часть этого материала в конечном итоге превратилась в нефть.

В целом, чем глубже скальное образование находится в земной коре, тем выше будет ее температура. Таким образом, тип нефти, образовавшейся в результате этих процессов, во многом зависел от глубины исходных пород.

  • В относительно мелких породах источников, где температура колебалась от 60 до 80 ° C [140-176 ° F], органическое вещество превращалось в тяжелую нефть .
  • При более низких глубинах и более высоких температурах, от примерно 80 до 175 ° С [от 176 до 347 ° F], более тяжелые органические молекулы с длинной цепью начали распадаться на более короткие молекулы и образовывать среднюю и легкую нефть.
  • Там, где температура превысила 175 ° C [347 ° F], молекулы стали еще короче и легче, и все больше и больше вещества превращалось в богатый газ, пока к моменту достижения 600 ° F [315 ° C] все это не имело был преобразован в сухой газ (метан).

На рисунке 9 показано большое разнообразие нефтяных жидкостей, обнаруженных во всем мире.

На рисунке 9 показано большое разнообразие нефтяных жидкостей, обнаруженных во всем мире

Рисунок 9: Выбор образцов нефти от тяжелого мазута справа до легкого конденсата слева.

Нефтяная миграция и накопление

Исходные породы, в которых нефть образовалась миллионы лет назад, - это не те породы, в которых она находится сегодня. Скорее, нефть и газ, будучи легче, чем вода, обычно содержащаяся в горных породах, перемещаются вверх под действием силы тяжести из пластов источника вдоль проницаемых путей миграции. В конце концов, он накапливался в резервуарах, содержащихся в геологических ловушках , окруженных непроницаемыми верхушечными скалами или тюленями, которые мешают ему путешествовать дальше ( Рисунок 10 ).

В конце концов, он накапливался в резервуарах, содержащихся в геологических ловушках , окруженных непроницаемыми верхушечными скалами или тюленями, которые мешают ему путешествовать дальше ( Рисунок 10 )

Рисунок 10: Сечение, показывающее исходные породы, пути миграции и резервуары в осадочном бассейне, подобном бассейну Северного моря. После образования нефти и газа в исходных породах гравитация заставляет их перемещаться вверх, пока они не окажутся в ловушке в резервуаре, ожидая открытия.

Нефтяные резервуары

Термин «резервуар» напоминает изображение большого пруда или озера, поэтому естественно услышать термин « нефтяной резервуар» и изобразить огромный подземный «бассейн» нефти. В действительности нефтяной коллектор представляет собой пористую проницаемую горную породу, в которой нефть и газ содержатся в пустых пространствах между зернами горной породы. Эти пространства взаимосвязаны, образуя тем самым каналы или каналы, по которым текучие среды могут течь в скважину, а оттуда - на поверхность.

Разделение и обработка добываемой нефти и газа

Текучая среда, которая выходит из типичной нефтяной скважины, на самом деле представляет собой комбинацию сырой нефти и природного газа, часто смешанного с водой, неуглеводородными газами и другими примесями. Вот почему объем сырой нефти и природного газа так сильно отличается от пластовых условий и поверхностных условий, как показано на рисунке 11 .

Вот почему объем сырой нефти и природного газа так сильно отличается от пластовых условий и поверхностных условий, как показано на рисунке 11

Рисунок 11: Углеводородные жидкости меняют свое состояние по мере их движения из резервуара на поверхность.

Первым этапом обработки этой жидкости является направление ее в централизованные установки обработки поверхности, где используются тщательно спроектированные емкости для разделения нефти, воды и газа на отдельные потоки. Вода закачивается обратно в резервуар или иным образом утилизируется без вреда для окружающей среды. Масло дозируется и хранится в резервуарах для ожидания транспортировки по трубопроводу или танкером к месту продажи, а газ обрабатывается или кондиционируется для удаления водяного пара и других примесей и обрабатывается для извлечения газовых жидкостей, прежде чем дозироваться и продаваться.

На рисунке 12 показаны типичные составы различных добываемых жидкостей после разделения на поверхности, включая сырую нефть с попутным газом, влажный (обогащенный) газ и сухой (бедный) газ.

На рисунке 12 показаны типичные составы различных добываемых жидкостей после разделения на поверхности, включая сырую нефть с попутным газом, влажный (обогащенный) газ и сухой (бедный) газ

Рисунок 12: Типичные составы различных производимых жидкостей после разделения на поверхности. Обратите внимание, что C7 + относится к составу C7 плюс все более тяжелые углеводороды.

Обработка и переработка газа

Если очищенный газ сухой или бедный (т. Е. Содержит в основном метан), он может быть либо сжат и отправлен непосредственно в свою точку продаж через трубопроводы высокого давления, либо его можно превратить в сжиженный природный газ (СПГ) путем его охлаждения. до низких температур -160ºC [-258ºF]. СПГ занимает только около 1/625 объема сухого газа, что позволяет транспортировать его на отдаленные рынки на специально спроектированных судах.

Если газ влажный или богатый (т. Е. Содержит значительное количество этана или более тяжелых углеводородов), одним из вариантов последующей обработки может быть отправка его на газоперерабатывающий завод. Там он может быть охлажден до температуры -150ºF [-101ºC], в результате чего эти углеводороды конденсируются в природный газ (жидкости природного газа ). NGL затем продается на нефтеперерабатывающий или нефтехимический завод.

Если доступно достаточное количество НГЛ, может быть экономически целесообразно дополнительно разделить его на составляющие углеводороды. Это включает процесс, называемый фракционированием в ряде колонн, где СПГ последовательно нагревают до более высоких температур, в результате чего отдельные углеводороды - сначала этан, затем пропан, затем бутаны - выкипают, а затем конденсируются. Пропан, бутаны и их смеси называются сжиженными нефтяными газами (СНГ). Это оставляет остаточный природный бензин , который может храниться в атмосферных условиях ( рис. 13 ).

Природный газ, сжиженный природный газ, сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ и углеводороды, которые из них поступают, имеют отдельные рынки, и все они в своей окончательной форме будут использоваться в качестве топлива или для производства нефтехимических продуктов.

Рисунок 13: Богатый газ разделяется путем переработки газа на сухой газ и сжиженный газ. НГЛ могут быть проданы нефтеперерабатывающему или нефтехимическому комплексу или разделены путем фракционирования на отдельные углеводородные жидкости.

Переработка сырой нефти

За исключением нескольких специальных применений для выработки электроэнергии, большинство сырой нефти не подходит для использования в качестве готовой продукции. Почти во всех случаях они должны быть уточнены для удовлетворения конкретных рынков.

Рисунок 14 иллюстрирует слева направо основные процессы, связанные с переработкой сырой нефти. Первоначально, продукты могут варьироваться от легких паров бензина и сжиженного нефтяного газа до тяжелых остатков ( «остаток» ). В зависимости от спроса на рынке, эти первые «сокращения» будут переходить к более сложной переработке в конечные смеси продуктов (например, топливо для сезонных перевозок, топливо для обогрева и специальные продукты, такие как смазочные масла и асфальт). Конечная цель нефтеперерабатывающего завода - максимизировать разброс трещин - разницу в единицах между доходом от продукта и стоимостью сырой нефти. Если продукция продается, например, по 52 долл. США за баррель, а стоимость нефти составляет 47 долл. США за баррель, то разброс трещины составляет (52- 47 долл. США), или 5 долл. США за баррель.

Рисунок 14: Упрощенная схема нефтеперерабатывающего завода, показывающая, как сырая нефть превратилась в первоначальный «разрез» очищенных продуктов.

Нефтехимия

Природный газ, газоконденсатные жидкости (включая сжиженный нефтяной газ) и различные фракции нефтепереработки также могут использоваться в качестве сырья или сырья для производства нефтехимических продуктов. Например, метан можно использовать для производства аммиака в качестве удобрения, а этан можно использовать для производства этилена, первого шага в производстве пластмасс.

В таблице 1 перечислены некоторые основные категории продуктов, которые поступают из нефтехимических продуктов. Подумайте, какой из этих продуктов вы используете ежедневно, и что бы вы делали или какие альтернативы вы бы выбрали, если бы этих продуктов не было.

Некоторые основные категории продуктов нефтехимии Пластмассы Смазочные материалы Технологические химикаты Ковровое покрытие Фармацевтические препараты Резиновые изделия Клеи Косметика Обувь Краски Моющие средства Чернила Герметики Ароматизаторы Растворители Компаундеры для удобрений Удобрения Одежда Волокна Прозрачные листы Шины Шины

Таблица 1: Основные продукты нефтехимии, полученные из углеводородного сырья.