ropa naftowa

ropa naftowa,

naturalna, ciekła mieszanina węglowodorów parafinowych (alkany), naftenowych (cykloalkany) i aromatycznych (związki aromatyczne).

Głównym składnikiem lżejszych frakcji ropy naftowej (temperatura wrzenia do 200 °C; ropy naftowej przeróbka) są węglowodory parafinowe, udział ich zmniejsza się we frakcjach o wyższej temperaturze wrzenia; zawartość węglowodorów naftenowych wzrasta ze wzrostem temperatury wrzenia frakcji ropy naftowej, najwięcej jest ich we frakcjach olejowych, wrzących powyżej 350°C; węglowodory aromatyczne występują we wszystkich frakcjach ropy naftowej, a udział ich rośnie wraz ze wzrostem temperatury wrzenia frakcji, im wyższa temperatura wrzenia frakcji ropy naftowej, tym większa liczba pierścieni w cząsteczkach węglowodorów aromatycznych wchodzących w jej skład. Zależnie od typu węglowodorów przeważających w ropie naftowej rozróżnia się najczęściej gatunki ropy naftowej: ropę bezparafinową, parafinową, naftenową i aromatyczną; ropą asfaltową nazywa się ropę, jeśli pozostałość po jej przeróbce składa się głównie z asfaltu. Ropa naftowa zawiera także związki siarki, tlenu i azotu, związki metaloorganiczne oraz składniki mineralne: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i in. Siarka występuje we wszystkich ropach naftowych i we wszystkich frakcjach ropy naftowej w postaci rozpuszczalnej siarki elementarnej, siarkowodoru, sulfidów i disulfidów, tioli; zależnie od zawartości siarki ropę naftową dzieli się na niskosiarkową (zawartość siarki poniżej 0,5% masowych ) i wysokosiarkową (powyżej 0,5% masowych), zazwyczaj o dużej gęstości; zawartość siarki w niektórych gatunkach ropy naftowej dochodzi do 5,5% masowych; ropę naftową poddaję się odsiarczaniu, co obecnie stanowi główne przemysłowe źródło tego pierwiastka. Azot występuje we wszystkich ropa naftowych w niewielkich ilościach (mniej niż 0,1% masowych), głównie w aminach cyklicznych i acyklicznych, w destylatach spotykany w pirydynie i chinolinie. Tlen (w ilości ok. 2% masowych) występuje w postaci tlenu wolnego, fenoli, kwasów tłuszczowych i ich pochodnych, kwasów naftenowych, substancji smołowych i asfaltenów. Ropa naftowa zawiera też śladowe ilości domieszek organicznych, np. szkielety krzemionkowe, skamieniałe drewno, żywice, okruchy węgla, spory, igły gąbek; wiele rop naftowych zawiera chlorek sodu (w postaci małych kryształów lub emulsji roztwór wodny–ropa), jeżeli zawartość soli jest większa niż 45–75 g/m³ przeprowadza się odsalanie ropy przed jej przeróbką.

Właściwości fizyczne.

Ropa naftowa ma gęstość w granicach 1,04 do 0,73 g/cm³, zmienia się ona wraz ze zmianą głębokości i temperatury złoża, najbardziej są powszechne ropy naftowe o gęstości 0,850–0,892 g/cm³; gęstość zależy od ilości rozpuszczonego gazu (wykładnika gazowego) i ciśnienia złożowego, lepkość zależna jest od objętości rozpuszczonego gazu i temperatury, współczynnik załamania światła od 1,39 do 1,49 (ropy naftowe ciężkie mają ten współczynnik wyższy), flourescencja w promieniach nadfioletowych (od barwy żółtej do zielonej i błękitnej) pozwala określić ślady ropy naftowej w rdzeniu wiertniczym, aktywność optyczna (skręcanie płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego) jest ważnym dowodem organicznego pochodzenia ropy naftowej; barwa — od jasnożółtej, zielonej, brunatnej do czerwonej lub prawie czarnej (ropy naftowe o większej gęstości są ciemniejsze); wartość opałowa (zależna od gęstości) od 38 do 48 MJ/kg; oznacza się również temperatury: krzepnięcia, zapłonu, samozapłonu i mętnienia oraz współczynnik rozszerzalności cieplnej ropy naftowej.

Pochodzenie.

Istnieją dwie grupy teorii dotyczących pochodzenia ropy naftowej. Teorie o jej nieorganicznym pochodzeniu (których twórcami byli m.in. D. Mendelejew 1877, A.D. Ross 1891, H. Moissan 1896), mające dzisiaj głównie znaczenie historyczne, zakładają, że ropa naftowa powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w głębi Ziemi (wskutek np. działania wody na węgliki metali ciężkich, polimeryzacji gazów wydzielających się z jądra Ziemi). Współcześnie powszechnie są przyjęte teorie o organicznym pochodzeniu ropy naftowej, stworzone m.in. przez: B. Radziszewskiego 1877, K. Englera i H. Hofera 1890, J.E. Hackforda 1932, D. White'a 1935; wciąż rozwijane, dostarczają wielu nowych dowodów potwierdzających słuszność tych poglądów (B.P. Tissot, D.H. Welte 1978, G.H. Taylor, M. Teichmüller, A. Davies, C.F.K. Diessel, R. Littke, P. Robert, 1998). W myśl teorii o organicznym pochodzeniu ropy naftowej, ropa powstaje w wyniku przeobrażenia substancji organicznej typu sapropelowego (sapropel), humusowego (humusowe związki) lub mieszanego, zawartej w skale macierzystej (najczęściej iłowiec, mułowiec, margiel, wapień lub dolomit) i osadzonej w basenie sedymentacyjnym (głównie morskim) w środowisku redukującym lub utleniającym. Na etapie przeobrażania substancji organicznej w węglowodory szczególnie ważne są warunki termodynamiczne (temperatura, ciśnienie), jakim poddana była skała macierzysta; dolna i górna granica temperatury procesu przeobrażania się materii organicznej w węglowodory wynosi od 600°C do 135°C (tzw. okno ropne). Produktem przeobrażeń substancji organicznej jest kerogen, z którego pod wpływem procesów diagenezy i metamorfizmu powstaje ropa naftowa i gaz ziemny. Skały macierzyste ropy naftowej zawierają zazwyczaj powyżej 0,5% kerogenu. Proces tworzenia się węglowodorów zależy od stopnia geotermicznego oraz od prędkości pogrążania się basenu sedymentacyjnego, a więc od zmian temperatury i ciśnienia otoczenia, w którym występuje warstwa skał macierzystych. Powstałe węglowodory (płynne lub gazowe) w wyniku dalszych procesów tektonicznych (pogrążania basenu) są wydalane ze skały macierzystej (ekspulsja) i migrują (migracja pionowa i pozioma) aż do momentu koncentracji w pułapce złożowej, zbudowanej ze skał zbiornikowych (kolektorów), czyli ośrodka skupiającego ropę naftową, gaz ziemny i wody towarzyszące złożu ropy naftowej (wody złożowe). Najważniejszymi petrofizycznymi cechami skały określającymi zdolność skały zbiornikowej do magazynowania i wydzielania zawartej w niej ropy naftowej są porowatość (efektywna) i przepuszczalność. Spękania i szczeliny skalne są ważną formą wtórnej porowatości, wielokrotnie zwiększającej objętość przestrzeni porowej, szczególnie są częste w węglanowych skałach zbiornikowych. Rozróżnia się skały zbiornikowe: okruchowe (różne odmiany piaskowców, rzadziej zlepieńce lub mułowce) oraz chemiczne, biochemiczne i organodetrytyczne (skały węglanowe — wapienie i dolomity, skały węglanowo-krzemionkowe itp.). Powstanie złoża ropy naftowej (stanowiące nagromadzenie ropy w skale zbiornikowej, z gazem towarzyszącym, rozpuszczonym w ropie lub zgromadzonym w tzw. czapie gazowej, i z wodą podścielającą) jest uwarunkowane występowaniem odpowiednich struktur geologicznych (tworzących pułapki złożowe dla ropy) oraz skał uszczelniających, umożliwiających zatrzymanie ropy w pułapce; rozróżnia się pułapki strukturalne (podniesienie stropu warstw skalnych na kształt kopuły), stratygraficzne (np. zmiana własności zbiornikowych skały, zanik skały zbiornikowej), stratygraficzno-strukturalne, utworzone zarówno przez czynniki strukturalne, jak i stratygraficzne (np. rafy lub poziomy stratygraficzne o dużej zmienności litologicznej, utworzone na stoku kontynentu, np. w delcie) i złożone, np. związane z wysadami solnymi. Skałami uszczelniającymi są najczęściej różne odmiany skał ilastych.

Złoża.

Złoża ropy naftowej występują w utworach wszystkich okresów geologicznych, głównie w mezozoiku (ok. 50% odkrytych złóż) i w trzeciorzędzie. Powstawanie i nagromadzenie ropy naftowej jest związane z rozwojem osadowych basenów sedymentacyjnych, z których jednak tylko część ma charakter basenów ropo-gazonośnych. Pomimo, że na świecie rozpoznano wiele basenów ropo-gazonośnych (ponad 300), szanse na odkrycie nowych obszarów ich występowania są bardzo duże, tym bardziej, że postęp technologiczny oraz nowoczesne metody komputerowego modelowania ewolucji tych basenów stwarzają nowe możliwości odkryć. Ponad 65% udokumentowanych wydobywalnych zasobów ropy naftowej znajduje się w złożach gigantach (68 mln t ropy, 500 mld baryłek). Złoża te znajdują się na wszystkich kontynentach i oceanach (z wyjątkiem Antarktydy). Według nowej klasyfikacji złóż ropy naftowej (P. Mann, L. Gahagan i M.B. Gordon Tectonic setting of the world’s giant oil fields, za „World Oil Magazine”, część 1–3, IX–XI 2001) złoża giganty zostały zaliczone do 6. kategorii uwzględniających przekształcenia tektoniczne zachodzące na granicach płyt litosfery; złoża te obejmują: 1) pasywne krawędzie kontynentów, zawierają 31,1% zasobów złóż gigantów; 2) ryfty kontynentalne — 29,7%; 3) strefy kolizji krawędzi kontynentów — 23,6 %; 4) strefy kolizji krawędzi łuków kontynentalnych będących kontynuacją łuków wyspowych — 7,4%; 5) krawędzie przesuwcze (pasywne) wewnątrzkontynentalne, obejmujące całą litosferę — 7,4%; 6) aktywne krawędzie kontynentów ulegające subdukcji — 1%.

Rozmieszczenie złóż.

Złoża ropy naftowej są rozmieszczone nierównomiernie, według danych na 2002 — 75% zasobów ropy naftowej znajduje się na Bliskim Wschodzie, w Ameryce Łacińskiej, Azji i obszarze pacyficznym (ok. 50% złóż w krajach zrzeszonych w OPEC; Organizacja Krajów Eksportujących Ropę Naftową). W 1990–2000 odkryto na świecie 37 nowych złóż gigantów ropy naftowej, z czego 15 — w akwenach głębokowodnych, w skomplikowanych warunkach stratygraficznych i strukturalnych, co zwiększa koszty rozpoznania tych złóż i ich eksploatacji. Złoża giganty (592, rozpoznane do 2002) są zgrupowane w 20 regionach świata, m.in.: 42 złoża w Zatoce Meksykańskiej (pułapki związane głównie ze strukturami solnymi), 33 złoża w północnej części Ameryki Południowej (rów przedgórski, pułapki w strukturach fałdowych i przyuskokowych), 30 złóż na Morzu Północnym (strefa ryftu Rowu Centralnego), 151 złóż na Półwyspie Arabskim i w Zatoce Perskiej (basen przedgórski w strefie kolizji płyty arabskiej i eurazjatyckiej), 26 złóż Afryki Północnej (basen ryftowy, pułapki na wyniesieniach strukturalnych, np. w utworach rafowych), 26 złóż regionu Morza Kaspijskiego (pułapki strukturalne w skałach kenozoicznych), 26 złóż Archipelagu Sundajskiego, od Tajlandii do Borneo (strefy kolizji kontynentów i łuków wyspowych).

Złoża polskie.

W Polsce zasoby wydobywalne ropy naftowej są oceniane na 12,8 mln t, rocznie wydobywa się 483 tysiące t (2001, bez danych z obszaru polskiej strefy ekonomicznej Morza Bałtyckiego). Złoża we fliszu karpackim (eksploatowane od 140 lat) dostarczają ropy naftowej z piaskowców kredy dolnej (złoża Grabownica i Węglówka), piaskowców kredy górnej (złoża Potoka, Osobnicy i Gorlic), piaskowców eocenu, (złoża Bórka–Rogi), piaskowców eoceńsko–oligoceńskich (złoża fałdu Wańkowej–Łodyny) oraz piaskowców oligoceńskich (złoża Wielopole, Mokra, Czarna, Lipie). Ropa naftowa w Karpatach występuje w wąskich, przeważnie stromo stojących fałdach, w których złoże okala woda złożowa. Obecnie uważa się, że najbardziej obiecującym obszarem poszukiwań ropy naftowej są utwory podłoża Karpat fliszowych i przedgórza Karpat (zapadliska przedkarpackiego); są to wapienie i piaskowce dolnego karbonu, wapienie i dolomity dewonu oraz wapienie, dolomity i piaskowce jury, a także piaskowce kredy (cenomanu). Na obszarze Niżu Polskiego największe złoża ropy naftowej i największe perspektywy dalszych odkryć są związane z utworami permu (cechsztyn, wapienie i dolomity poziomu tzw. dolomitu głównego) oraz z piaskowcami kambru, a także z utworami karbonu i dewonu. Największe złoże ropy naftowej, której towarzyszy gaz ziemny — Barnówko–Mostno–Buszewo (BMB), niedaleko Gorzowa Wielkopolskiego okryto w połowie lat 90. XX w. w dolomicie głównym cechsztynu; złoże BMB ma zasoby wydobywalne: 10,14 mln t ropy naftowej i 9,87 mld m³ gazu ziemnego. Największym eksploatowanym złożem ropy naftowej w polskiej strefie ekonomicznej Morza Bałtyckiego jest złoże B3 (piaskowce kambru środkowego); na obszarze Bałtyku odkryto jeszcze kilka złóż ropy naftowej i gazu ziemnego kondensatowego (zasoby polskiej strefy Bałtyku szacowane są na 0,5 mld t ropy i 100 mld m³ gazu).

Historia.

Ropa naftową i asfalt znano kilka tysięcy lat temu; w starożytności ropę wykorzystywano m.in. do balsamowania ciał, oświetlenia, w celach leczniczych oraz w technice wojskowej (m.in. płonące strzały). W owym okresie zbierano ją z powierzchni w miejscach naturalnego wypływu z warstwy roponośnej lub szczeliny skalnej albo wydobywano ją z płytkich kopanych załębień. Rozwój górnictwa naftowego nastąpił w 2. połowie XIX w.; 1854 I. Łukasiewicz zbudował pierwszą kopalnię (sztolnię) ropynaftowej w Bóbrce koło Krosna (dzisiaj znajduje się tam Muzeum–Skansen Przemysłu Naftowego im. Ignacego Łukasiewicza). Za początek współczesnego górnictwa naftowego przyjmuje się wywiercenie 1859 pierwszego szybu naftowego w USA (w Pensylwanii). Kilka lat później eksploatację ropy naftowej podjęto w Rosji (Baku), Kanadzie i Rumunii, w końcu XIX w. — Indonezji i Iranie. Przed I wojną światową wydobycie ropy osiągnęło 54 mln t, a przed II wojną światową — ponad 300 mln t. Po II wojnie światowej dynamiczny rozwój motoryzacji, lotnictwa, wykorzystanie w coraz szerszym zakresie ropy naftowej w energetyce (paliwo ekologicznie czystsze niż węgiel) i przemyśle chemicznym wpłynęły na intensyfikację poszukiwań i gwałtowny wzrost jej wydobycia.

W 2. połowie XX w. ropa naftowa stała się jednym z najważniejszych surowców w gospodarce światowej; jej udział w globalnym bilansie paliwowo-energetycznym, w przeliczeniu na paliwo umowne, 1950–70 wzrósł z 25% do 40%, 1980 — do ok. 45%, 1991 wynosił ok. 37%., zaś 2001 — 38,5%. Zwiększający się udział ropy naftowej w produkcji energii i paliw, zwłaszcza w krajach rozwiniętych, wpływał na dynamikę jej wydobycia. Największymi dostawcami ropy naftowej są kraje rozwijające się, zrzeszone w OPEC; ok. 80–90% wydobywanej ropy naftowej przeznaczają one na eksport, a wpływy z wywozu tego surowca stanowią w tych krajach do 70–90% wartości eksportu. Największymi konsumentami ropy naftowej są kraje wysoko uprzemysłowione zrzeszone w Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD, 29 państw, w tym Polska od 1966). Większość wydobywanej w świecie ropy naftowej jest przetwarzana w rafineriach ropy naftowej w krajach wysoko rozwiniętych. Powszechne wykorzystanie ropy naftowej w gospodarce światowej przyczyniło się do rozwoju transportu rurociągowego i morskiego oraz przemysłu stoczniowego. Gęsta sieć rurociągów, dostarczających ropę naftową do rafinerii z ośrodków wydobycia bądź portów dowozowych, powstała w USA (długość ok. 350 tysięcy km), Europie Zachodniej (m.in. rurociągi międzynarodowe Marsylia–Karlsruhe i Triest–Wiedeń, podmorski na Morzu Północnym), Rosji (w tym rurociąg Przyjaźń z Drugiego Baku do Białorusi, Polski, Ukrainy, Słowacji, Niemiec i Węgier), a także w krajach OPEC. Transport rurociągowy jest intensywnie rozbudowywany, zwłaszcza na Bliskim Wschodzie; do transportu morskiego ropy wykorzystuje się zbiornikowce.

Krośnieńsko-Jasielskie Zagłębie Naftowe, czynne szyby naftowe w okolicy Bóbrki