Сера широко распространена в нефтях и углеводородном газе и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее обычно колеблется от 0,1 до 5 %.
Зольная часть — это различные минеральные соединения, чаще всего железо, кальций, магний, алюминий, никель, ванадий, остающиеся при сжигании нефти. Встречаются соли и окислы натрия, бария, меди, олова, кобальта, свинца и других металлов, а также ртуть. Интересно, что определенному типу нефти присущи определенные металлы. Значит, они не механическая примесь, а вещество самой нефти.
Нефть только тогда называется нефтью, когда углеводородная часть составляет более 50 %. Если меньше, то это уже будут киры, асфальты, асфальтиты, озокериты, кериты, антроксолиты и т. д. Соединения, входящие в состав всех частей нефти, кроме углеводородной, называют гетероатомными соединениями, или просто гетеросоединениями, а сумму элементов в их составе — гетероэлементами. К настоящему времени в нефтях обнаружено более 380 гетеросоединений, большинство из которых относится к классу сернистых соединений — меркаптанов.
Состав каждой нефти слагается из нескольких серий гомологических рядов (от греч. «хомос» — похожий). Каждый ряд представлен несколькими группами изомеров, молекулы которых построены по-разному, хотя химическая формула у них одинакова. Члены этих групп составляют непрерывный ряд гомологов, число и структура их меняется в зависимости от типа данной нефти. В природе имеется огромное количество изомеров. Так, если в углеводородном соединении 40 атомов углерода (тетракоптан), то число изомеров достигнет 62 491 178 805 831! Член-корреспондент АН СССР И. И. Нестеров [1969] в своей книге «Тайны рождения нефти» приводит такие расчеты: если человек будет писать формулы этих изомеров со скоростью изомер в минуту, то ему потребуется 120 млн лет круглосуточной работы, чтобы написать формулы всех изомеров углеводородного соединения с 40 атомами углерода.
Химический состав нефтей берется за основу при их классификации. В настоящее время химический состав нефтей полностью не изучен. Установлено 425 углеводородных соединений, но это не предел. Наиболее распространено деление нефтей по содержанию различных углеводородов. Выделяют, например, метановые нефти (метановых углеводородов более 66 %), нафтеновые (нафтеновых углеводородов более 66 %), нафтено-метановые и ароматические.
Эта классификация основана на групповом составе нефтей. Дело в том, что вся нефть по групповому составу делится на две части: те, что закипают при температуре до 360 °C, и те, что кипят при температуре выше 360 °C. К первым относятся чистые углеводородные соединения и частично гетероэлементы; ко вторым — преимущественно гетеросоединения (кислородные, сернистые, азотистые) и в меньшей степени углеводородные. Используются также классификации по содержанию парафина, серы, асфальтенов и смол.
Важным показателем химического состава нефтей является их фракционный состав, который определяется разделением нефтей по различной температуре кипения составных ее частей. Фракция — это доля нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Обычно они следующие: бензиновая, выкипающая при температуре до 170–210 °C; лигроиновая, пределы кипения — 160–210; керосиновая — 200–300; газойлевая — 270–350 °C. Остаток после выкипания всех фракций называется мазутом, который, в свою очередь, делится на масляную и смолистую фракции.
К физическим свойствам нефтей относят плотность, вязкость, температуры застывания, кипения, испарения, теплотворную способность, растворимость, электрические и оптические свойства, люминесценцию и др.
Важнейшее свойство нефти, благодаря которому она обрела мировую славу, — теплотворная способность. Теплота сгорания нефти значительно выше, чем у пороха, нитроглицерина и даже тротила. При полном сгорании 1 кг нефти выделяется около 11 тыс. ккал, при сгорании 1 м3 газа — около 9 тыс., а при сгорании 1 кг каменного угля — 7 тыс. ккал. Чтобы получить одно и то же количество тепловых единиц, требуется по весу: нефти — 1, антрацита — 1,44, торфа — 2,09, сосновых дров — 2,24, соломы — 2,59. В своей книге «Учение о нефти» И. М. Губкин приводил такой пример. Если принять число вагонов, нужных для перевозки нефти, за единицу, то для каменного угля их нужно 1,35, для бурого угля — 3,1, для торфа — 3,2, для дров — 3,4. Все это показывает огромный экономический выигрыш при использовании нефти как источника энергии и при ее транспортировке.
Ведя поиск нефти, часто используют свойство люминесценции, которое обозначает способность нефтей светиться под воздействием ультрафиолетовых лучей. Легкие нефти светятся голубым цветом, тяжелые — бурым и желто-бурым. С помощью этого свойства в горных породах можно отыскать даже «следы» нефти.
Представление о нефти будет неполным, если мы не упомянем ее ближайших «родственников», и прежде всего углеводородные газы. Вообще все газы Земли делятся на углеводородные, углекислые и азотистые. Нас интересует углеводородный газ, который может образовывать самостоятельные скопления в земной коре или же встречаться вместе с нефтью. Углеводородный газ (или просто газ) представляет собой смесь нескольких газов. До 95 % и более этой смеси составляет метан (СН4), присутствуют этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (C4H10) и т. д. При повышении давления на глубине все углеводородные газы (кроме метана) переходят в жидкое состояние. Если такую залежь вскрыть скважиной, то на поверхность вырвется газ, на 90 % состоящий из метана. Остальные газы останутся в пласте в виде прозрачной жидкости, состоящей почти целиком из бензина — это так называемый конденсат. Если не принять мер, то конденсат начнет испаряться и выноситься из недр вместе с метаном в виде паров. Между тем конденсат — ценнейшее химическое сырье, требующее особого подхода при разработке его залежей.
В составе углеводородных газов могут быть также углекислота, азот, аргон, криптон, ксенон, гелий, неон, сероводород, аммиак и даже свободный водород. Самая ценная примесь — гелий. Даже 0,1 % его содержания достаточно, чтобы организовать промышленную разработку. А в газах некоторых месторождений содержание гелия достигает 2 % (например, месторождение Панхэндл — Хьюготон, США).
Иногда углеводородный газ включает значительное количество сероводорода (на французском месторождении Лакк — 20 %, на месторождениях Западной Канады — до 30 %). Разработка таких залежей требует особого оборудования, поскольку обычные металлические трубы быстро разрушаются под действием сероводорода. В то же время можно извлечь из газов серу, которая является ценным химическим сырьем.
К свойствам газа относятся плотность, молекулярная масса, вязкость, растворимость, сорбционная способность, упругость паров, критическое давление и температура, теплоемкость, теплотворная способность и диффузия, обратная конденсация и др.
Кроме обычной нефти и газа, известны тяжелые нефти (мальты) с удельным весом 0,97–1; твердые битумы — горный воск (озокерит), горная смола, асфальт.
Итак, мы видим, что нефть и газ — это очень сложные естественные соединения углеводородов. Нефть имеет черный цвет, хотя известны бурые и светлоокрашенные, почти бесцветные нефти, резкий специфический запах, маслянистая на ощупь, плотность ее меньше 1 г/см3 (0,8–0,9). Газ бесцветен и не имеет запаха.
Подземная жизнь нефти
Рис. 2. Внутреннее строение Земли
v — скорость распространения упругих колебаний (vр — продольных, vs — поперечных); р — плотность земного вещества (Геофизика океана, 1979)
Какой бы точки зрения мы ни придерживались по вопросу о происхождении нефти, ясно одно — она образуется не на поверхности Земли. Нефть рождается в подземелье, там и проводит свою жизнь до тех пор, пока человек не вскроет ее залежь скважиной и не «вытянет» на дневную поверхность. А что представляют собой эти земные недра? Об этом мы можем судить по данным геофизических и сейсмологических исследований.