سنگ مخزن نفت

از آنجایی که اغلب سنگهای مخزن از نوع رسوبی بوده و به این دلیل تقسیم بندیهای توصیفی و ژنتیکی سنگهای رسوبی در مورد سنگهای مخزن نیز بکار برده می‌شود. سنگهای مخزن نیز مفید بایستی دارای خلل به هم پیوسته تا ذخیره ورودی را بتواند در خود نگهداری کند. به این دلیل سنگ مخزن از نوع ماسه سنگی لازم است مچور تا کاملا مچور بوده ، مشروط بر این که پدیده سیمان شدگی بطور کامل عمل نکرده باشد. بطور طبیعی ماسه سنگهای گری وکی و یا لیتارنیت از جمله سنگهای مخزن مفید محسوب نمی‌شوند.

خلل و معابر سنگهای آهکی یا موثر از محیط رسوبی بوده و یا این که ناشی از تحولات ثانویه به خصوص انحلال و شکستگی می‌باشد. به این دلیل سنگهای آهکی دانه‌ای و یا اسپارایتها که بالاحض در محیط بین موجی و در ناحیه مرجانی و تپه‌های دریایی تشکیل شده‌اند، از جمله سنگهای مخزن بسیار مفید محسوب می‌شود. در ضمن سنگهای آهکی دانه ریز که بعد از آن شکسته شده‌اند همانند سازند آسماری نیز مکانی بسیار مناسب جهت تجمع و ذخیره سازی هیدروکربور محسوب می‌شود.

نامگذاری سنگهای مخزن

سنگهای مخزن بر مبنای مختلفی نامگذاری می‌شود. بطور کلی به هر سنگ مخزن به اصطلاح پی Pay گفته می‌شود. به فرض ، آسماری پی که نشانگر مخزن آسماری است. گاهی نام مخزن از نام سازندی که در آن نفت ذخیره شده اخذ می‌شود. مانند مخزن بنگستان که نام آن از گروه بنگستان ناشی شده است. در بعضی مواقع نام مخزن به ناحیه و یا موقعیت جغرافیایی مخزن نسبت داده شده ، مانند مخزن گچساران و یا مخازن نفتی خاورمیانه.

سنگهای مخازن دریایی و غیر دریایی

از آنجایی که تشخیص نوع سنگ و جغرافیای گذشته سنگهای مخازن در تشخیص حدود و گستردگی و مقدار ذخیره نفت این سنگها اهمیت بسزایی داشته و به لحاظ اینکه هیدروکربورها در سنگهای با منشا دریایی و غیر دریایی نیز ذخیره شده‌اند، به این دلیل ویژگیهای زیر مشخص کنند، سنگهای دریایی و غیر دریایی از هم می‌باشد.

1. محتویات فسیلی گویای دریایی و یا غیر دریایی بودن آنها می‌باشد.
2. بلورهای فلدسپات موجود در صورت داشتن شکل اوهدرال گویای منشا دریایی سنگ است.
   
   
3. رشد فلدسپات ثانویه در اطراف فلدسپات تخریبی حاکی از محیط دریایی است.
4. توده‌های لایه‌ای ، گسترده و پهن نشانگر رسوب در محیط دریایی است.
   
   
5. مقاومت قابل ملاحظه‌ای از لایه‌های عاری از فسیل ، فاقد جورشدگی قطعات و عدسی مانند ، منعکس کننده ، محیط غیر دریایی است.
   
   
6. بهم ریختگی و بی‌نظمی در رسوبات ممکن است نشانگر واریزه‌های زیر دریایی بوده و یا ناشی از پدیده یخچالی باشد.
   
   
7. لایه‌های زغال سنگی و عدسیهای ماسه‌ای همراه ، محیط غیر دریایی را نشان می‌دهد.
8. بسیاری از رسوبات رودخانه‌ای و کانالی گویای محیط غیر دریایی می‌باشد.

پالایش نفت

نفت خام حاصل از چاه دارای مواد نا خواسته از قبیل آب و جامداتی مانند شن ، قیر و گازهای متان و اتان می‌باشد. برای جداسازی اینگونه عوامل ، آنرا وارد مخازنی می‌کنند تا جامدات موجود در آن ته‌نشین شده و گازهای آن خارج شود. سپس وارد جداساز سانتریفوژی شده که نقش آن جدا کردن تتمه آب ، گاز و جامدات معلق در آن می‌باشد. برای حذف نمکهای معدنی ، نفت را با آب ولرم می‌شویند. آنگاه قسمتی از نفت توسط لوله به پالایشگاه فرستاده شده و قسمتی جهت صدور به بنادر تلمبه می‌شود.

 

تقطیر

برای تفکیک برش‌های متشکله نفت خام ، عملیات فیزیکی و شیمیایی چندی بر روی آن بعمل می‌آورند تا فرآورده‌های مورد نیاز جامعه امروزی را تولید نمایند. از مهمترین آنها تقطیر جزء به جزء نفت است که در برج تقطیر صورت می‌گیرد. تقطیر جزء به جزء عبارت است از یک سری تبخیر و تبرید که در سینی‌های یک برج استوانه‌ای صورت می‌گیرد. مایعات خالص در فشار محیط ، در دمایی به جوش می‌آیند که در آن دما ، فشار بخار آن برابر فشار محیط گردد. مایعات مخلوط در حدود دمایی که حاصل جمع فشار‌های جزئی عوامل تشکیل دهنده آنها برابر فشار محیط گردد به جوش می‌آید.

در نقطه جوش ، فازهای بخار و مایع در حال تعادل می‌باشند. چنانچه فشار ، کاهش یابد، تبخیر صورت می‌گیرد و در حالت معکوس ، تبرید اتفاق می‌افتد. از فشار بخار برای محاسبه ترکیب گازهای مخلوط در حالت تعادل استفاده می‌شود. وقتی که اجزا تشکیل دهنده یک محلول در برج تقطیر بطور دائم جدا می‌شوند بخارهایی که به سمت بالا حرکت می‌کنند، با ترکیبات فرارتر مایع برگشت کننده که به سمت پایین سرازیر است برخورد کرده و غلیظ‌تر می‌شوند.

پالایشگاه

هر پالایشگاه ، دارای طرحهای تولید خاص خود است که بر اساس تجهیزات فراهم ، هزینه‌های عملیاتی و میزان تقاضا برای فراورده‌ها مشخص می‌شوند. طرح تولید بهینه برای هر پالایشگاه ، بر اساس ملاحظات اقتصادی مشخص می‌گردد و عملیات دو پالایشگاه هرگز کاملا مشابه یکدیگر نیستند.

 

فراورده‌های نفتی

درحالی‌که مصرف کننده عادی تصور می‌کند که شمار فراورده‌های نفتی نظیر بنزین ، سوخت جت ، نفت سفید و غیره محدود است، ولی بررسیهایی که موسسه نفت آمریکا ( API ) در مورد پالایشگاههای نفت و کارخانه‌های پتروشیمی انجام داده است، نشان می‌دهد که بیش از 2000 فراورده نفتی با مشخصات منحصر بفرد تولید می‌شود که در 17 گروه طبقه‌بندی می‌شوند و عبارتند از:

گازهای سوختی - گازهای مایع - انواع بنزین - سوختهای توربین گازی (جت) - نفت سفید - فراورده های میان تقطیر (سوخت دیزل و نفت کوره های سبک) - نفت کوره باقیمانده ای - روغن‌های روان‌ساز - روغن‌های سفید - فراورده های میان روغن‌های ترانسفورماتور و کابل- گریس- مومها (واکس) - آسفالتها - ککها - دوده‌ها - مواد شیمیایی ، حلالها ، متفرقه.

معمولا شمار فراورده‌هایی که طراحی پالایشگاه را جهت می‌دهند نسبتا کم است. فرایندهای اصلی پالایش را با توجه به فراورده‌هایی که تولیدشان زیاد است مانند بنزین ، سوخت جت ، سوخت دیزل طراحی می‌کنند. بعضی از اجزای نفت خام را همان‌گونه که هستند (یعنی فراورده ها تقطیر مستقیم) بفروش می‌رسانند و یا اینکه عملیات پالایش بعدی را بر روی آنها انجام می‌دهند تا فراورده‌های با ارزشتری بدست آورند.

میعان

انرژی جنبشی مولکولهای یک مایع از توزیع ماکسول - بولتزمن پیروی می‌کند که نظیر توزیع انرژی جنبشی بین مولکولهای یک گاز است. انرژی جنبشی مولکول معینی از یک مایع ضمن برخورد با سایر مولکولها پیوسته تغییر می‌کند. ولی در لحظه‌ای معین ، تعدادی از مولکولهای یک مجموعه مولکول دارای انرژی نسبتا زیاد و تعدادی دارای انرژی نسبتا کم هستند. فراریت تعدادی از مولکولهای با انرژی زیاد از مایع سبب می‌شود که انرژی جنبشی متوسط مولکولهای باقیمانده در مایع کاهش یابد و از دمای کاسته شود.

وقتی مایعی از یک ظرف سرباز تبخیر می‌شود، انتقال گرما از محیط به مایع صورت می‌گیرد و در نتیجه ، دمای مایع ثابت باقی می‌ماند و به این ترتیب ، ذخیره مولکولهای پرانرژی تامین می‌شود و این فرایند تا تبخیر تمام ادامه می‌یابد. مقدار کل گرمای لازم برای تبخیر یک مول از مایع در دمای معین آنتالپی مولی آن مایع نامیده می‌شود. در دمای 25ċ

H₂O_(l) ↔ H₂O_(g) ∆H_v = +43.8kj

فرآیند فوق فرآیندی برگشت پذیر است. یعنی عکس فرآیند و تبدیل مولکولهای گازی به مایع نیز صورت می‌‌گیرد. ولی این فرآیند ، فرآیندی گرمازا خواهد بود. یعنی مولکولهای گاز برای اینکه به مایع تبدیل شوند، به محیط گرما خواهند داد و میعان صورت خواهد گرفت. آنتالپی تبخیر معمولا در نقطه جوش عادی و بر حسب کیلو ژول بر مول درج می‌شود. گرمای تبخیر یک مایع هم شامل انرژی لازم برای غلبه بر نیروهای جاذبه بین مولکولی و هم شامل انرژی لازم برای انبساط گاز است.

آنتالپی میعان مولی Entalpy of Condensation

وقتی یک مول بر اثر تراکم به مایع تبدیل می‌شود، انرژی آزاد می‌شود. این تغییر آنتالپی را "آنتالپی میعان مولی" می‌نامیم. این کمیت دارای علامت منفی است. ولی از نظر عددی برابر با گرمای تبخیر مولی در همان دما می‌باشد. یعنی:

H₂O_(g) → H₂O_(l) ∆H_c = -43.8kj

آنتالپی میعان یک گاز با آنتالپی تبخیر مولی از نظر عددی برابر است. آنتالپی تبخیر یک مایع با افزایش دما کاهش می‌یابد و در دمای بحرانی جسم ، مقدار آن به صفر می‌رسد. پس برای میعان یک گاز باید دما را کاهش دهیم و این کاهش باید بطور منظم انجام گیرد.

تقطیر

روش جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول گوناگونند. یکی از این روش‌ها فرآیند تقطیر است که خود روش‌های مختلفی دارد و از جمله کاربردهای مهم آن در پالایش نفت و جداسازی اجزای آن است.
 

انواع تقطیر

• تقطیر ساده:اجزای سازنده محلولی از یک ماده حل شده غیر فعال را می‌توان با تقطیر ساده از هم جدا کرد. برای این کار محلول را می‌جوشانیم تا حلال فرار ، تبخیر و از ماده حل شده جدا شود. با سرد کردن بخار ، (میعان) ، حلال مایع جمع‌آوری می‌شود و ماده حل شده به صورت باقی مانده تقطیر باقی می‌ماند.
  
  
• تقطیر جزء به جزء:اجرای سازنده محلول شامل دو جز فرار را که از قانون رائولپیروی می کند، می توان با فرآیند تقطیر جزء به جزء از هم جدا کرد. طبق قانون رائول ، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای بخار سازنده آن است و سهم هر جزء ، برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است.

مراحل تقطیر با استفاده از قانون رائول

در تقطیر محلولی از A و B ، غلضت A در بخاری که خارج شده و مایع می‌شود، بیش از غلظت آن در مایع باقی‌مانده است. با ادامه عمل تقطیر ، ترکیب درصد اجزا در بخار و مایع دائما تغییر می‌کند و این در هر لحظه عمومیت دارد. با جمع آوری مایعی که از سرد شدن بخار حاصل می‌شود و از تقطیر مجدد آن و با تکرار پی در پی این عمل ، سرانجام می‌توان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی واقعا خالص به دست آورد.

انواع سیستمهای دارای انحراف از قانون رائول

• سیستمهای که از قانون رائول انحراف مثبت دارند:در این حالت در منحنی فشار کل ، ماکسیممی وجود دارد. این ماکسیم مربوط به محلولی ، با ترکیب درصد معینی است که فشار بخار آن بالاتر از فشار بخار هر یک اجزای خالص است. این نوع محلول که "محلول آزئوتروپ با نقطه جوش مینیمم" نام دارد، در دمایی به جوش می‌آید که پایین‌تر از نقطه جوش هر یک از اجزای آن در حالت خاص است.
  
  
• سیستمهای که از قانون رائول انحراف منفی دارند:اگر سیستمی انحراف منفی از قانون رائول نشان دهد، در منحنی فشار کل مینیممی وجود خواهد داشت. محلولی که غلظت متناظر با این مینیمم دارد، فشار بخاری خواهد داشت که در هر دمایی ، پایین‌تر از فشار بخار هر یک از اجزای آن در حالت خاص است. چنین محلولی در دمایی بالاتر از نقطه جوش هر یک از اجزای سازنده در حالت خاص ، می‌جوشد. این محلول ، "آزئوتروپ با نقطه جوش ماکسیم" نامیده می‌شود.

تعادل بخار با محلول آزئوتروپ

بخار در حالت تعادل با مایع آزئوتروپی چگونه به دست می‌آید؟


بخار در حالت تعادل با مایع همگن که نقطه جوش ماکسیمم یا مینیمم دارد، دارای همان غلظتی است که مایع آن دارد. از این رو آزئوتروپ‌ها ، مانند مواد خالص ، بدون تغییر تقطیر می‌شوند. از محلول جز به جز یک محلول دو جزئی که آزئوتروپی تشکیل می‌دهند، سرانجام یک جزء خالص و آزئوتروپ حاصل می‌شود، ولی دو جزء آن ، بصورت خالص به دست نمی‌آید.

واکنش گرماگیر

بسیاری از کیسه‌‌های سرمازا که برای تخفیف درد در رگ به رگ شدن یک عضله یا پیچ خوردن پا مورد استفاده قرار می‌‌گیرند، حاوی کیسه کوچکی از نیترات آمونیوم در داخل کیسه بزرگتر که حاوی آب است، می‌‌باشد با فشار دادن کیسه سرمازا نیترات آمونیوم از کیسه خارج شده و وارد آب می‌‌شود و چون واکنش آن با آب گرماگیر می‌‌باشد گرمای لازم را از بدن شخص می‌‌گیرد. با گذاشتن این کیسه‌‌ها در محل آسیب دیده ، موضع آسیب دیده سرد شده و فرد درد کمتری احساس می‌کند.

بررسی ترمودینامیکی واکنش گرماگیر

وقتی میزان سطح انرژی در مواد اولیه پایینتر از محصولات باشد، واکنش به دلیل پایدار بودن مواد اولیه نیاز به انرژی دارد تا پیوندهای اولیه شکسته شده و پیوندهای جدید حاصل شوند در این صورت واکنش گرمای لازم را از محیط جذب می‌‌کند این تغییر انرژی را با (+ΔH) نشان می‌‌دهند. واکنشهای گرماگیر به صورت خود به خودی انجام نمی‌‌گیرند و برای انجام گرفتن واکنش نیاز به جذب انرژی یا انجام کار روی سیستم دارند.


از لحاظ ترمودینامیکی برای یک واکنش گرماگیر ΔG>0 یعنی ΔG=ΔH - TΔS در نتیجه ΔH>0 می‌باشد. در یک واکنش غیر خود به خودی ΔS<0 می‌‌باشد. بنابراین TΔS>0- چون T(-ΔS)<0 و T(-ΔS)>0- پس ΔG>0 بوده و واکنش غیر خود به خودی می‌‌باشد.