الكاتب: علاء صيوان وادي – شركة نفط ذي قار
نظريات تكوّن البترول
توجد هنالك عده نظريات تفسر تكوين البترول وأول من افترض تكوين النفط هو العالم بارثلوت عام 1866على أنها نتيجة تفاعل أحماض كربونية او كربونات تذوب في المياه الجوفية في وجود الفلزات القلوية الموجودة في باطن الأرض مكونة الأسيتيلين وبعض الهيدروكربونات .
أولا:- نظرية الكاربيد (Carbide Theory)
افترض العالم مندليف إن أصل البترول نتيجة التفاعلات الكيميائية بين الكاربيدات بعض العناصر الموجودة في باطن الأرض مع المياه الجوفية تحت ضغط وحرارة شديدتين .
ومما أيد هذه النظريات تحضير بعض الهيدروكربونات بطريقة معملية تحت نفس الظروف حسب المعادلات التالية :
1. تكوين الكربيدات:
تتفاعل المعادن المنصهرة (كالموجودة في باطن الأرض )مع الفحم في درجات حرارة عالية .
4AL+3C ——–AL4C3 Aluminum Carbide
Ca+2c_————-CaC2 Cilium Carbide
2. تفاعل الكاربيدات مع بخار الماء
تتفاعل الكاربيدات مع بخار الماء تحت ضغط عالي ودرجات حرارة مرتفعة لتكوين الهيدروكربونات حسب معادلات التفاعل التالية :
Al4C3 +12H2O ———4Al(OH)3+3CH4 Methane
CaC2 +2H2O——-Ca(OH)2+C2H2 Acetylene
3. اختزال الهيدروكربونات غير المشبعة
تتفاعل الهيدروكربونات غير المشبعة مع الهيدروجين في وجود عوامل حفازة معدنية وفي درجات حرارة عالية لتعطي الهيدروكربونات المشبعة:
2H2 +H2 ———C2H4 ethylene
C2H4 +H2 ——–C2H6 ethane
4-6CH=- CH —–C6H6 benzene acetylene
2CH2=CH2- CH3CH=CHCH3 2-Butene ethylene
3CH2=CH2———————– (CH2)6 Cyclohexane ethylene
ثانيا :- نظرية النشأة العضوية (organic hypotheses)
تعتبر هذه النظرية اقرب للحقيقة من باقي النظريات التي فسرت البترول وتنص هذه النظرية على ان البترول نشا من تحلل الكائنات الحية من العصور القديمة والتي هي من اصل نباتي او حيواني بعد موتها ودفنها وتحللها بمعزل عن الهواء بفعل البكتريا اللاهوائية تنتج مواد عضوية تمتز خلال البقايا الرسوبية في الأرض وهذه المواد هي الأصل في تكوين البترول .ونتيجة لضغط المواد الرسوبية المتراكمة تعمل على طرد المواد السائلة الممتزة في الطبقات الحاملة للبترول لتهاجر خلال طبقات مسامية مغطاة بطبقات أخرى من الصخر الصلب مكونة تراكيب جيولوجية تعرف باسم المصايد البترولية . تستغرق هذه العملية عشرات الملاين من السنين حتى يتكون البترول ولذا فان الحقل البترولي الذي ينفذ ليعوض مره أخرى . الحقل البترولي الواحد قد يحتوي على عدة طبقات رسوبية ذات تركيب بترولية (مصايد) مختلفة في درجة الجودة والمصدر والعمر . كلما كان البترول أقدم عمرا كلما كان من النوع البارافيني الأكثر جودة حيث يعطي نسبة عالية من المقطرات الخفيفة والمتوسطة ونسبة اقل من المقطرات الثقيلة والعكس صحيح للبترول الأحدث عمرا .
الحقائق التي أيدت نظريات النشأة العضوية:
- – وجود البترول الخام في طبقات الصخور الرسوبية وكذلك الصخور النارية نتيجة هجرة البترول .
– وجود البترول في أماكن دلتا الأنهار المائية والخلجان وقرب الشواطئ.
– احتواء البترول الخام على الأصداف وبقايا الكائنات الحية القديمة.
– احتواء البترول على مادة البوفيرين مما يدل على ترسب المواد المكونة للبترول تحت ضغط ودرجة حرارة عالية.
– إمكانية إنتاج سائل يشبه البترول عند تعريض رواسب قاع البحر للضغط ودرجة الحرارة .
أقرأ مقال المصائد البترولية Petroleum Traps
ما هو البترول؟
البترول عبارة عن مكون عضوي طبيعي ويتكون أساسا من المركبات الهيدروكربونية الغازية والسائلة .ويدعى الجزء السائل بعد إزالة الغازات المذابة منة بالزيت الخام CRUDE OIL .وتنتشر مكونات الزيت الخام بين مسامات الصخور حسب كثافتها ويتكون الغالب العلوي في الغالب من الغاز ويدعى الغاز الطبيعي natural gas .وهو يتكون بصورة عامة من اللكنات الخفيفة (خاصة الميثان) وكميات قليلة من الإيثان والبروبان والبيتان والبنتان والهكسان ولهبتان مع غازات غير عضوية من ثنائي وأكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون والنتروجين وأحيانا الهليوم .
وتحتوي المنطقة الوسطية من مستودع (مكمن )البترول على الزيوت المشبعة مع غاز مذاب تحت الظروف السائدة من درجة الحرارة والضغط في المستودعات الصخرية ويتحل الماء المنطقة السفلة وهو يوجد أيضا بين مسامات الصخور في المناطق الزيتية والغازية .
ويحتوي ماء الحقول البترولية نسبيا على كميات كبيرة من الأملاح المعدنية (أكثر من عشر ألاف جزء من المليون جزءا )وهي تشمل كلوردات وكبريتات الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنسيوم .
وعلى هذا الأساس يعتبر البترول مزيجا غير متجانس . يختلف وجودة وطبيعة تركيبة من حقل إلى حقل وحتى من بئر إلى أخر وفي نفس الحقل .وهو يحتوي أيضا على مكونات غروية عالقة إضافة إلى الغازات المذابة والمكونات الصلبة .
يختلف البترول الخام فيزيائيا في الوزن واللون وهو يحتوي على نسب عالية من المكونات السهلة التقطير مع نسبة المكونات العالية اللزوجة وشبة صلبة سوداء . تتراوح كثافة البترول تحت الظروف الطبيعية بين 0.95-0.79 غم /سم3.وتكون لزوجته في حدود 0.7سنتي بويز والى أكثر من 42 إلف سنتي بويز .
وحسب ما مبين في الجدول التالي يشكل الكربون أكثر من %83 من تركيب البترول ويأتي بعده الهيدروجين .
وتشكل العناصر الأخرى ما بين (%0.13-0.16)وهي تتضمن الكبريت والنتروجين والأوكسجين مع اثأر من بعض العناصر كالفناديوم والنيكل وأحيانا الحديد والمغنسيوم والألمنيوم والنحاس والفضة .
أقرأ أيضاً .. المكامن النفطية
تصنيف المركبات العضوية الموجودة في البترول الخام
أولا :-الهيدروكربونات
تتكون الهيدروكربونات الموجودة في البترول الخام من النوع الاعتيادي (المستقيم )والمتفرع والهيدروكربونات الحلقية المشبعة والهيدروكربونية الاروماتية (العطرية )مع نسب قليلة جدا من الهيدروكربونات غير المشبعة أو تكون معدومة نهائيا ().
1-الهيدروكربونات المشبعة (الالكانات)
تدعى اعتياديا بالبارافينات paraffin وهي تشمل المركبات الالفاتية المشبعة (المستقيمة السلسلة والمتفرعة )وهي تشكل سلاسل متجانسة لها القانون التركيبي (CnH2n+2). وقد شخص في البترول جميع الالكانات المستقيمة الاعتيادية من ابسطها وهو الميثان إلى تيتراكونتان الذي يحتوي على 40 ذره من الكربون C40H82 وبسبة بين %20-15) )من البترول الخام . وتختلف نسب هذه المكونات البارفينية الخفيفة والثقيلة باختلاف نوعية الخام .ويمكن ان تترتب ذرات الكربون اعتياديا من البيوتان وما فوق على هيأة سلاسل مستقيمة أو متفرعة مع تركيب ايزومرية( ).
وتتكون المجاميع الجانبية في الغالب من مجموعة المثيل وهي تتركز في البارفينات التي تحتوي على 8-6ذرات من الكربون كما في المركبات التالية :- CH3CHCH2CH2CH2CH3 وقد تصل سلسلة الالكينات المستقيمة والمتفرعة في البترول الخام الى المركبات التربينية ومشتقاتها مثل :- ويعتبر كل من بريستامن (C19H40 ,IP19) وفيثان (C20H42,IP20)من الهيدروكربونات المتفرعة التي تدعى isoprenoids-terpenoid-
2. الالكانات الحلقية Cycloalkanes
وتدعى أيضا بالبارافينات الحلقية CYCLOPARAFFINS او النفثينات Naphthenes وهي مماثلة للمركبات الاليفاتية في نواحي عديدة من الكيميائية والفيزيائية وتنسب الى مجموعة المركبات العضوية المعروفة بالمركبات الكربونية الحلقية carbocyclicاو الحلقية المتجانسة Homocyclic ولها القانون التركيب العام (RN:CnH2n+2-2RN)=عدد حلقات النفثين الموجودة تصنف الاللكينات الحلقية على أساس المركبات الاليفاتية الحلقية (). Aliphatic Cyclic =Alicyclic وتعتبر الهيدروكربونات الحلقية الخماسية والسداسية من الأنواع المهمة الموجودة في البترول .
3. الالكينات والالكينات الحلقية
وهي تشمل المركبات الاليفينية olefins المحتوية على الاصرة الزوجية وتكون نسبة المركبات الاوليفينية في البترول ضئيلة جدا والشائعة منها هي C8-C6
4.الارينات Arenes
وهي تشمل المركبات الاروماتية (العطرية) بالإضافة الى البنزين والتلوين يحتوي البترول الخام على الهيدروكربونات الاروماتية المتعدد النواة polynuclear من النوعين غير المكثف (isolated=non condensed ) والمكثف (condeused) من النفتالين والمكونات المتناظرة لة مثل بيفينل biphenyl ويحتوي البترول الخام على نسب من المركبات الاروماتية المكثفة الحلقات المستقيمة والزاوية Angularمثل الانتراثين والفينانثرين وغيرها
5. الارينات الالكانية الحلقية Cycloalkanoarenes
تدعى الهيدروكربونات المتعددة الحلقات المندمجة بالارومات النفثينية والمتكونة من اندماج الحلقات الاروماتية مع الحلقات الالكانية وهي تظهر في مستقطرات الكيروسين وتزيد من تركيز المستقطرات ذا درجات الغليان العالية .
ثانياً :-المركبات غير الهيدروكربونية non-hydrocarbons
يحتوي زيت الخام على كميات من المركبات العضوية التي تحتوي بالإضافة الى الكربون والهيدروجين على عناصر الكبريت والنتروجين والاوكسجين وقد يرتبط بعضها أيضا مع بعض العناصر الفلزية كالفناديوم والنيكل ,وتظهر هذه المركبات في مستقطرات زيت الخام الثقيلة والمخلفات غير المتطايرة بسب بوجود المركبات غير الهيدروكربونية في المجالات التطبيقية بعض المشاكل .مثلا يؤدي وجود المركبات الحامضية من الثيولات Thiols الى تأكل الخزانات المعدنية .تؤثر المكونات الكبريتية على طبيعة محركات الجازولين .وتسبب اثار من العناصر كالفناديوم او النيكل الى تسمم المحفزات المستخدمة في مجالات التقطير والتكرير والحل الحراري ويحتوي الزيت الخام أيضا على املاح معدنية غروية خاصة الكلوريد آت وعنصر الكبريت المذاب وكبريتيد الهيدروجين .
1. مركبات الكبريت العضوية Organosulphur Compounds
يعتبر الكبريت العنصر الثالث المشترك في تركيب مكونات الزيت الخام بعد الكربون والهيدروجين . ويتراوح تركيز مشتقات الكبريت من %0.05 وزنا في زيت البنسلفانيا الى %7.9 وزنا في خام ورفة warpa. ويكون المعدل في حدود %0.65 . يمكن تقسيم مركبات الكبريت العضوية الموجودة في منتجات زيت الخام الخفيفة والمتوسطة الى ثلاثة اقسام الثيولات thiols والكبريتيدات والثايوفينات Thiophens
2. مركبات النتروجين العضوية Organonitrogen Compounds
تكون نسبة المركبات النيتروجينية العضوية في البترول الخام اقل بكثر من المركبات الكبريتية .ويحتوي حوالي %90 من البترول الخام على %0.2وزنا من النتروجين .ويتراوح المعدل في حدود %0.092 وزنا . وتحتوي المنتجات البترولية الخفيفة فوق الكيروسين على اثار من المركبات النتروجينية ويزداد تركيزها بزيادة نقطة الغليان الى ان تصل الى مخلفات تقطير الاسفلت وتكون بالشكل التالي :-
يشترك القسم الرئيسي من النتروجين في تراكيب المركبات الحلقية المتعددة polycyclic ذات الاوزان الجزيئية العالية من البريدين وكوينولاين والبيريل وغيرها وكذلك تحتوي زيوت الخام على المكونات النتروجينية الفلزية مثل بورفيرينات المعدنية Metalloporphyrins او petrophyrins التي تشترك في تركيبها النيكل او الفناديوم .
3-مركبات الاوكسجين العضوية
ترجع المكونات الحامضية المهمة تجاريا والمجودة في البترول الى مجموعة الحوامض النفثالينية Naphthalenic acids وتكون كميتها نسبيا واطئة . ويكون الاوكسجين في المستقطرات الخفيفة والمتوسطة على صورة الحوامض الكربوكسيلية ذات السلاسل المستقيمة (C20-C11) والفينولات.
4-المركبات العضوية ذات الاوزان الجزيئية العالية والمحتوية على النتروجين والكبريت والاوكسجين (NSO)
تتوفر هذه المكونات في مخلفات الاسفلت وتدعى الراتنجات Resins او الأسفلتيين Asphaltenes .وقد تتجاوز الاوزان الجزيئية 500وتصل الى 30000 وكما يبين أدناه التركيب الافتراضي لجزيئة السفالتين .