Co kryje się w ropie i od czego zależą jej cechy?
Ropa naftowa składa się głównie z węglowodorów, a ich proporcje wpływają na jej właściwości. Dlatego surowiec z jednego złoża może płynąć znacznie łatwiej niż ropa wydobywana w innym miejscu. Nie zawsze jest też czarny. Aby zrozumieć te różnice, warto przyjrzeć się najpierw powstawaniu ropy, a następnie jej składnikom. Wtedy łatwiej wyjaśnić, dlaczego pod jedną nazwą kryją się tak odmienne mieszaniny.
Ropa naftowa w skrócie
- Ropa jest mieszaniną związków, a nie pojedynczą substancją.
- Typowy udział masowy węgla wynosi 84–87%, a wodoru 11–14%.
- Gęstość i lepkość opisują różne właściwości ropy.
- Ropa nie ma jednej temperatury wrzenia.
- Barwa surowca nie musi być czarna.
- Skład ropy zależy od złoża.
- Ropa zasadniczo nie miesza się z wodą.
Jak powstaje ropa naftowa
W geologii naftowej dominuje wyjaśnienie, według którego ropa powstaje z przeobrażonej materii organicznej. Duże znaczenie mają szczątki planktonu, osadzające się na dnie zbiorników wodnych. Gdy dostęp tlenu jest ograniczony, część tej materii może przetrwać zamiast ulec całkowitemu rozkładowi. Kolejne warstwy osadów przykrywają materiał organiczny, który zostaje pogrzebany coraz głębiej. Tak tworzy się skała macierzysta, czyli skała zawierająca materiał zdolny do wytwarzania węglowodorów.
Według naukowców na początku przemian powstaje m.in. kerogen – złożona materia organiczna, nierozpuszczalna w typowych rozpuszczalnikach organicznych. Wraz z ogrzewaniem skał część jego dużych struktur rozpada się na mniejsze cząsteczki. Powstają wówczas ciekłe węglowodory. Przedział temperatur sprzyjający tworzeniu ropy określa się jako okno ropne. Orientacyjnie przyjmuje się około 65–150°C, choć granice zależą od rodzaju materii oraz historii jej ogrzewania. Sama wysoka temperatura nie wystarcza… Liczy się również czas jej oddziaływania.
Czy ropa pozostaje tam, gdzie się utworzyła? Niekoniecznie. Może przemieszczać się ze skały macierzystej do skały zbiornikowej, np. porowatego piaskowca. Gdy nad taką skałą znajduje się odpowiednie uszczelnienie, węglowodory mogą utworzyć nagromadzenie. Ropa zwykle wypełnia przestrzenie w skałach, zamiast tworzyć wielkie podziemne jezioro.
Jak zatem można ją wydobyć? W porowatej skale znajdują się niewielkie pory, które mogą być ze sobą połączone. Ropa przepływa przez te połączenia i dopływa do wykonanego odwiertu. Następnie rurami trafia na powierzchnię, podczas gdy sama skała pozostaje pod ziemią. Można to porównać do przepływu wody przez warstwę piasku – przemieszcza się ciecz, a ziarna pozostają na miejscu.
Co wypycha ropę do góry? Jeżeli ciśnienie w złożu jest dostatecznie wysokie, ropa może samoczynnie płynąć odwiertem aż na powierzchnię. Przy niekontrolowanym wypływie może nawet wytrysnąć w postaci fontanny znanej z filmów. Podczas wydobycia jej przepływ kontroluje się jednak odpowiednimi urządzeniami. Gdy naturalne ciśnienie nie wystarcza do wyniesienia ropy na powierzchnię, stosuje się np. pompy głębinowe.
A jak tworzenie ropy przedstawia pogląd kreacjonistyczny? W nurcie kreacjonizmu młodej Ziemi powstawanie wielu złóż wiąże się z potopem opisanym w Księdze Rodzaju. W tej interpretacji zakłada się, że przed potopem istniała bardzo obfita roślinność, a zbiorniki wodne były bogate w drobne organizmy. Katastrofa miała spowodować gwałtowne pogrzebanie ogromnych ilości materii organicznej pod grubymi warstwami osadów. Szybkie zasypanie ograniczałoby dostęp tlenu, chroniąc część szczątków przed całkowitym rozkładem.
Znaczenie miałyby również podwyższona temperatura i ciśnienie związane z głębokim pogrzebaniem materiału. Ciężar osadów zwiększa ciśnienie, które wpływa m.in. na zagęszczanie osadu oraz przemieszczanie płynów. Za przemiany chemiczne prowadzące do wytworzenia ropy odpowiada przede wszystkim odpowiednie ogrzewanie materii organicznej. Według interpretacji kreacjonistycznej warunki powstałe podczas potopu i po nim miały umożliwić szybki przebieg tych procesów. Wytworzona ropa następnie przemieszczałaby się do skał zbiornikowych.
Zwolennicy tego ujęcia przywołują doświadczenia, w których ogrzewanie materiału organicznego, także pod zwiększonym ciśnieniem, pozwala szybko uzyskać produkty olejowe. Pokazują one możliwość szybkich przemian w danych warunkach.
Jaki skład ma ropa naftowa?
Ropa naftowa jest mieszaniną, dlatego nie ma jednego wzoru chemicznego. Jej podstawę tworzą węglowodory, czyli związki zbudowane z atomów węgla i wodoru. Cząsteczki mogą jednak bardzo różnić się wielkością oraz budową. W ciekłej części mieszaniny rozpuszczone bywają także składniki, które osobno byłyby gazami albo ciałami stałymi. To jeden z powodów, dla których zwykłe określenie „oleista ciecz” mówi o ropie tak niewiele.
Pod względem pierwiastkowym dominują węgiel i wodór. Typowe udziały masowe wynoszące 84–87% węgla oraz 11–14% wodoru. Są to przedziały dla różnych próbek, więc ich górnych wartości nie należy dodawać do siebie. Nie oznaczają też obecności takich ilości wolnego węgla i gazowego wodoru. Pierwiastki te są związane w cząsteczkach.
Wśród węglowodorów wyróżnia się alkany, nazywane także parafinami. Ich atomy węgla tworzą proste albo rozgałęzione łańcuchy, co wpływa na zachowanie poszczególnych składników. Odrębną grupą są cykloalkany, określane w naftownictwie jako nafteny. Mają zamknięte pierścienie węglowe. Ropa zawiera również węglowodory aromatyczne, np. benzen. Określenie „aromatyczne” opisuje tu budowę chemiczną, a nie przyjemność zapachu.
W surowcu znajdują się ponadto związki siarki, a ich ilość jest ważnym parametrem dla rafinerii. Zawartość poniżej około 0,5% masy bywa podstawą określenia ropy jako „słodkiej”. Wyższa zawartość jest charakterystyczna dla ropy „kwaśnej”. Te nazwy nie dotyczą smaku ani odczynu mierzonego pH. Obecne mogą być również związki azotu i tlenu. Z kolei cięższa część mieszaniny obejmuje żywice oraz asfalteny, związane m.in. z dużą lepkością niektórych gatunków ropy.
Surowa ropa może zawierać także wodę i sole mineralne, które trzeba uwzględnić podczas przygotowania do przerobu. Proporcje składników nie są stałe… Dlatego przed oceną przydatności surowca wykonuje się analizę próbki, zamiast opierać się wyłącznie na miejscu wydobycia.
Jakie właściwości fizyczne ma ropa naftowa?
Jedną z podstawowych cech jest gęstość, czyli masa określonej objętości. Orientacyjny zakres to 0,73–1,04 g/cm3. Większość gatunków jest lżejsza od wody, lecz istnieją również bardzo ciężkie ropy, dla których ta prosta reguła nie jest prawdziwa.
Drugą cechą jest lepkość, określająca opór stawiany przez ciecz podczas płynięcia. Nie oznacza tego samego co gęstość. Dwie próbki o zbliżonej masie litra mogą różnić się łatwością przepompowywania. Podgrzanie ropy zwykle zmniejsza jej lepkość, dzięki czemu łatwiej przepływa ona przez rury. Po ochłodzeniu może stawiać większy opór, dlatego przy porównywaniu lepkości różnych próbek trzeba uwzględniać temperaturę pomiaru.
Ropa nie ma jednej temperatury wrzenia. Poszczególne składniki odparowują w różnych zakresach temperatur, co umożliwia ich rozdzielanie podczas destylacji frakcyjnej. Rafineria otrzymuje w ten sposób frakcje, czyli grupy składników o określonym zakresie wrzenia. Nie są one pojedynczymi, chemicznie czystymi substancjami. Samo podgrzewanie nie zmienia też automatycznie całej ropy w benzynę.
Ropa zasadniczo nie miesza się z wodą, choć niewielkie ilości niektórych składników mogą się w niej rozpuszczać. Przy mieszaniu mogą również powstawać emulsje. Oddzielna warstwa na powierzchni nie oznacza więc, że woda pod nią pozostaje czysta… Warto odróżnić te cechy fizyczne od palności, która jest właściwością chemiczną. Pary ropy mogą tworzyć z powietrzem mieszaniny wybuchowe.
Od czego zależy kolor i zapach ropy naftowej?
Określenie „czarne złoto” jest obrazowe, ale nie opisuje każdej próbki. Ropa może być jasnożółta albo brunatna. Zdarzają się również odmiany o zielonkawym odcieniu, a część surowców jest niemal czarna. Kolor zależy przede wszystkim od składu, w tym udziału ciężkich składników. Duża ilość żywic i asfaltenów zazwyczaj sprzyja ciemnej barwie. Sam wygląd nie wystarcza jednak do oceny jakości ani zawartości siarki w danej próbce, nawet gdy jej barwa jest bardzo ciemna.
Zapach tworzą przede wszystkim składniki lotne, które uwalniają się z cieczy i docierają do nosa. Część rop ma zapach przypominający paliwo. Inne mogą wydzielać wyraźną woń związków siarki. Obecność siarkowodoru może nadać zapach kojarzony ze zgniłymi jajami. Nie każda ropa zawiera go jednak w takiej samej ilości. Co więcej, ogólna zawartość siarki nie jest równoznaczna z zawartością samego siarkowodoru.
Po wydobyciu cechy próbki mogą się zmieniać, gdy ulatniają się lżejsze składniki. To nadal ropa… ale jej zapach może już różnić się od zapachu świeżego surowca. Nie należy oceniać bezpieczeństwa przez wąchanie próbki. Charakterystyczna woń nie daje wiarygodnej informacji o stężeniu szkodliwych par w powietrzu.
Ciekawostki o ropie naftowej
Wydobycie przemysłowe kojarzy się z potężnymi wieżami, jednak historia wykorzystywania naturalnych substancji naftowych jest znacznie starsza… Oto ciekawostki związane z ropą naftową:
- Nazwa oznacza „olej skalny”. Słowo petroleum łączy określenia skały i oleju. Dobrze oddaje związek tej cieczy ze skałami, w których występuje.
- Naturalny bitum służył do uszczelniania statków. W starożytnym Babilonie wykorzystywano substancje naftowe do zabezpieczania jednostek przed przeciekaniem. Ich użyteczność doceniano zatem długo przed skonstruowaniem silnika spalinowego.
- Rumunia wcześnie trafiła do statystyk naftowych. Była pierwszym krajem, którego roczne wydobycie zapisano oficjalnie w statystykach międzynarodowych. Dla 1857 roku odnotowano 275 ton.
- Baryłka ropy to około 159 litrów. Jednostka odpowiada dokładnie 42 galonom amerykańskim. Współczesne użycie tej miary nie oznacza oczywiście, że surowiec faktycznie przewozi się w drewnianych beczkach.
Jedna nazwa, różne zachowanie surowca
Próbka ropy ujawnia więcej niż samą barwę cieczy, ponieważ jej skład pomaga przewidzieć zachowanie surowca podczas przerobu w instalacjach przemysłowych. Pomiary lepkości pokazują natomiast, jak łatwo będzie ją przepompować. Warto więc ostrożnie traktować opisy przypisujące wszystkim złożom identyczne cechy.
Ropa naftowa – pytania i odpowiedzi
Czy ropa naftowa ma wzór chemiczny?
Ropa jest mieszaniną wielu związków, dlatego nie można przypisać jej jednego wzoru chemicznego.
Z jakich pierwiastków składa się ropa naftowa?
Dominują węgiel i wodór, związane w cząsteczkach węglowodorów. Typowe udziały masowe wynoszą odpowiednio 84–87% oraz 11–14%.
Czy ropa naftowa zawsze jest czarna?
Nie, ropa może mieć np. jasnożółtą albo brunatną barwę, zależnie od składu.
Czy ropa naftowa rozpuszcza się w wodzie?
Ropa jako całość zasadniczo nie miesza się z wodą. Niektóre jej składniki mogą jednak rozpuszczać się w niewielkich ilościach.
Czy gęstość i lepkość ropy oznaczają to samo?
Gęstość określa masę jednostki objętości, natomiast lepkość opisuje opór cieczy podczas płynięcia.
Źródła:
- Ropa naftowa, https://www.pgi.gov.pl/muzeum/kopalnia-wiedzy-1/12578-ropa-naftowa-i-gaz-ziemny.html
- Ropa naftowa. Gaz ziemny, https://www.pgi.gov.pl/dokumenty-pig-pib-all/foldery-instytutowe/foldery-surowcowe-2018/6220-folder-ropa-i-gaz.html
- Karta charakterystyki ropy naftowej, https://www.orlen.pl/content/dam/internet/orlen/pl/pl/o-firmie/co-robimy/upstream/karty-charakterystyki/Ropa_naftowa_KRNiGZ_Lubiatow__wersja_1_7.pdf.coredownload.pdf
- Analizy ropy naftowej, https://laboratorium.orlen.pl/pl/uslugi/analizy/rafineria-i-petrochemia/analizy-ropy-naftowej
- How are oil & gas formed?, https://main.wsgs.wyo.gov/energy/oil-gas/oil-gas-facts/generation
- The Origin of Oil, https://answersingenesis.org/geology/the-origin-of-oil/
- Jak rozdzielić ropę naftową?, https://zpe.gov.pl/a/jak-rozdzielic-rope-naftowa/D4RMXKFBE
- Petroleum, https://en.wikipedia.org/wiki/Petroleum
Przeczytaj także inne artykuły z tego działu:
