Ropa naftowa i gaz ziemny

1. Ropa naftowa
Historyjka

Wyobraźmy sobie następującą sytuację: 180 lat temu, we Lwowie zdarzył się na budowie tragiczny wypadek: część drewnianego rusztowania runęła przygniatając swym ciężarem jednego z pracowników. Gdy przewieziono go do szpitala, zapadał już zmrok. Lekarze stwierdzili, że życie robotnika mogłaby uratować natychmiastowa operacja, ale ze względu na ciemność na sali operacyjnej nie można jej przeprowadzić. Nie znano wtedy jeszcze elektryczności, a światło lampek oliwnych i świec było zbyt słabe. Jednak po kilku chwilach sala jest skąpana w ciepłym, żółtym świetle i po dwóch godzinach operacja skończyła się pomyślnie. Życie ludzkie uratowali lekarze oraz wynalazek Ignacego Łukasiewicza, aptekarza lwowskiego. Skonstruował on kilka lat wcześniej lampę naftową. Nie stosowano ich powszechnie, ponieważ bano się ich. Dopiero po nagłośnieniu tego incydentu lampy naftowe pojawiły się w domach całej Europy.
Łukasiewicz nie tylko opracował konstrukcję lampy, ale przede wszystkim wynalazł sposób otrzymywania nafty z ropy naftowej. Ta niemile pachnąca, brunatna ciecz, dotychczas niedoceniana, nagle stała się surowcem bardzo pożądanym. Na całym świecie rozpoczęły się poszukiwania, wiercono szyby, by wydobywać jak najwięcej ropy, z której wytwarzano ropę.
Dziś lampa naftowa to już przeżytek. Jednak ropa naftowa wciąż znajduje zastosowanie i to wcale nie małe. W większości gałęzi przemysłu znajdziemy ropę naftową. Ale o tym później.
Czym właściwie jest ropa?
<1><2><5>
Ropa naftowa - ciekła, naturalna mieszanina węglowodorów. Zawiera także organiczne związki siarki, tlenu, azotu, związki metaloorganiczne oraz składniki mineralne: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali. Ma barwę żółtobrunatną, zielonkawą lub czarną, bardzo rzadko bywa bezbarwna lub czerwonawa Taki opis ropy naftowej znajdziemy w encyklopedii PWN. Ale czy o to nam chodzi? Po części tak, ale...
Ropę naftową tworzą trzy wielkie rodziny związków:
parafiny;
nafteny (zwane również cykloalkanami);
związki nienasycone;
W śród nich znajdują się też „nieproszeni goście”. Przedstawmy skład ropy w tabeli.
Parafiny Nafteny Związki nienasycone „Nieproszeni goście”
Metan


Pierwszą rodziną są związki parafinowe. Nazwa ta pochodzi stąd, że właśnie one tworzą parafinę, to białe, jakby tłustawe ciało stałe, które służy m.in. do wyrobu świec. Cząsteczki związków należących do rodziny parafin zbudowane są tylko z dwu rodzajów pierwiastków: węgla i wodoru. W rodzinie parafin obowiązuje prawo, że atomy węgla - zależnie od ich ilości – tworzą dłuższe lub krótsze proste łańcuchy. Od zewnątrz taki łańcuch obudowany jest szczelnie atomami wodoru. Im więcej atomów węgla znajduje się w łańcuchu, tym cząstka związku parafinowego staje się bardziej ociężała i mniej ruchliwa. Jeśli związki parafinowe zawierają do 5 atomów węgla w łańcuchu, to są gazami, od 6 do 17 atomów węgla w łańcuchu – coraz gęściejszymi cieczami. Od 18 atomów zaczynają się coraz twardsze i trudniej topliwe ciała. Ilość atomów węgla w łańcuchu cząsteczek parafinowych może dochodzić do 40.
Druga wielka rodzina to nafteny, czyli cykloalkany. Od parafin różnią się one tym, że łańcuchy węglowe nie są w nich proste, ale pozamykane w pierścienie. Pierścienie związków naftenowych mogą się składać z 3 do 30 atomów węgla.
Do rodziny naftenów należy przede wszystkim nafta, benzyna i inne paliwa ciekłe. Nazwa nafteny pochodzi stąd, że odkryto je po raz pierwszy w nafcie.
Stosunkowo nieliczną, ale za to dla nas bardzo ważną, trzecią rodzinę tworzą związki nienasycone. Ale o tym powiem podczas omawiania metod przeróbki ropy naftowej.
Powstawanie ropy naftowej

Aby w naturze wykształciło się złoże ropy naftowej, muszą wystąpić równocześnie trzy warunki:
macierzysta skała osadowa do jej powstawania;
warstwa skały porowatej jako jej magazyn;
„czapa” skały nieprzepuszczalnej.
Skała macierzysta powstaje w ciągu milionów lat z osadu zawierającego ryby, skorupiaki, plankton i rośliny. W czasie rozkładu tych substancji organicznych wytwarza się ropa i gaz. Jeśli w pobliżu znajduje się skała porowata, nasiąka ropą jak gąbka. Warstwa nieprzepuszczalnej skały powyżej ropy utrzymuje ją na miejscu, o ile „czapa” ma odpowiedni kształt – najlepiej kopuły.

Poszukiwania ropy naftowej

Przewiduje się, że wszystkie znane światowe zasoby ropy naftowej zostaną wyczerpane do 2020 roku. Do tego czasu trzeba będzie znaleźć nowe złoża, prawdopodobnie w coraz mniej dostępnych rejonach świata lub odkryć nowe źródło energii.
W fazie wstępnej poszukiwacze ropy szukają tych trzech rodzajów skał, o których wspomniałem wcześniej. Poszukiwania te prowadzi się często za pomocą badań magnetycznych i grawimetrycznych.
Wszystkie skały wytwarzają pole magnetyczne, lecz magnetyzm poszczególnych typów skał wykazuje drobne różnice, na podstawie których geolodzy wysnuwają wnioski na temat budowy i rodzaju skał znajdujących się pod powierzchnią ziemi. Kolejną wskazówką jest zmiana gęstości skał.
Na podstawie odczytu wahań pola magnetycznego można stworzyć obraz warstw leżących pod powierzchnią ziemi.
W badaniach grawimetrycznych wykonuje się pomiary i porównuje gęstość skał podpowierzchniowych. Urządzenie zwane grawimetrem mierzy zmiany sił ciężkości z dokładnością do jednej stumilionowej pola grawitacyjnego Ziemi. Zbudowano nawet żyroskopową wersję tego urządzenia do odczytów na morzu.
Jeśli wyniki są obiecujące, bardziej szczegółowe dane zbiera się za pomocą badań sejsmicznych.
Wywołując wybuchy lub drgania na powierzchni, wysyła się fale uderzeniowe w głąb ziemi. Gdy fale padają na powierzchnię styku dwóch różnych skał, odbijają się i wracają na powierzchnię. Mikrofony i urządzenia rejestrujące wychwytują powracające fale uderzeniowe. Na podstawie czasu, w jakim fale powróciły na powierzchnię, komputer może obliczyć położenie różnych warstw skał, a następnie wykreślić szczegółowy przekrój poprzeczny danego terenu.
Geolodzy nie mają pewności, że znajdą ropę, nawet, jeśli wszystko na to wskazuje. Trudno stwierdzić, czy ropa znajduje się w miejscu swego powstania. W porowatych skałach złoża ropy mogą się po prostu rozlewać.

Wydobycie ropy naftowej

Otwory wiertnicze wierci się za pomocą specjalnych narzędzi skrawających zwanych koronkami wiertniczymi, które obracając się rozłupują skałę. Uzbrojona w stalowe lub diamentowe zęby koronka umieszczona jest na końcu solidnej stalowej rury. Tę tzw. rurę rdzeniową w ruch obrotowy wprawia silnik znajdujący się na powierzchni lub turbina – na dnie otworu.
Wykruszoną skałę wydobywa się na zewnątrz odwiertu wpompowując do rury rdzeniowej tzw. „płuczkę”. Jest to mieszanina substancji chemicznych i wody, która wynosi do góry pokruszoną skałę i chroni koronkę przed przegrzaniem wskutek tarcia.
Wraz z postępem odwiertu dodaje się nowe odcinki rury rdzeniowej, na ogół o długości 9 m. Na powierzchni do rury wiertniczej wstawiana jest graniatka, dopasowana do stołu obrotowego wiertnicy jak nakrętka do klucza nasadowego. Przy przedłużaniu rury rdzeniowej podnosi się ją do góry, wyjmuje graniatkę i dołącza nowy odcinek, poczym graniatka wraca na swoje miejsce i wiercenie trwa dalej.
Od czasu do czasu trzeba wymienić koronkę wiertniczą. Wtedy wyciąga się całą rurę rdzeniową, dzieląc ją na 27-metrowe odcinki, które ustawia się pionowo na wiertnicy. Gdy w końcu na powierzchni pojawi się koronka, wymienia się ją na nową, montuje ponownie całą rurę rdzeniową i na powrót opuszcza się ją do odwiertu. Jeśli szyb jest już głęboki cały ten proces trwa do dziesięciu godzin. W celu osunięcia się szybu, wnętrze wykłada się rurami okładzinowymi.
Gdy świder dotrze do ropy, ciężar spłuczki uniemożliwia jej ucieczkę. Stosuje się również dodatkowe zabezpieczenia – na górze do okładziny zamocowany jest specjalny zawór o nazwie głowica erupcyjna.
Tempo prac zależy od tego czy złoże znajduje się na morzu oraz jaki jest rodzaj podłoża.

Przetwarzanie ropy naftowej

Pierwszą czynnością, jeszcze przed przystąpieniem do przerobu ropy naftowej, jest usunięcie z niej wspomnianych już wcześniej, niechcianych składników. Szczególnie związki zawierające chlor i siarkę są wyjątkowo niebezpieczne, ponieważ niezwykle szybko reagują z metalami i potrafią w parę dni skorodować kosztowną aparaturę fabryczną.
Zakład zajmujący się przeróbką ropy naftowej nazywamy kombinatem petrochemicznym. Jedną część takiego kombinatu nazywamy rafinerią. Poprzez destylację produkuje ona bezpośrednio z ropy naftowej asfalt, oleje, naftę, benzyny i gazy.
Druga część kombinatu to zakład petrochemiczny. Tu chemicy zajmują się „rozłupywaniem” dużych cząsteczek związków na mniejsze, a także „sklejaniem” małych cząstek w cząstki-olbrzymy.
Z ropy naftowej teoretycznie mało benzyny – ot, 100 kilogramów paliwa na tonę ropy. Mało. Ale gdy duże, nieruchliwe cząsteczki ciał stałych podzielić na kilka mniejszych wyjdzie tego więcej. I w ten właśnie sposób postępują chemicy już od wielu lat. Etap ten zwany jest krakingiem. W tym etapie powstają gazy, których nie da się spalać tak jak innych gazów powstających w rafinerii np. propan-butan. W krakingu powstaje m.in. etylen, który jest wykorzystywany do produkcji polietylenu, z którego z kolei wytwarza się folie, butelki, zabawki, rurki, kanistry i inne, tego typu przedmioty, które spotykamy na swojej drodze.
Do czego wykorzystywana jest ropa naftowa?

W tym miejscu mógłbym wypisać bardzo wiele rzeczy, ale postaram się skupić na najważniejszych. Oto one:
wytwarzanie paliw i olejów;
wytwarzanie gazów przemysłowych i opałowych;
produkcja materiałów budowlanych (papa, asfalt, lepik);
produkcja kauczuku, materiałów polietylenowych;
lekarstwa, chemikalia.
... i wiele, wiele innych.

Niebezpieczeństwa związane z ropą naftową

Wycieki ropy
Ropa naftowa jest substancją, która w razie awarii sieje spustoszenie w oceanach i ujściach rzek. Ogromne tankowce są najpoważniejszymi sprawcami zanieczyszczeń środowiska.
w dziesięć lat po katastrofie libijskiego tankowca Amoco Cadiz u wybrzeży Bretanii w marcu 1978 roku, naukowcy donosili, że procesy rozrodu ryb są nadal zakłócone na całym dotkniętym klęską odcinku wybrzeża. Płastuga miała nieprawidłowo wykształcone i uszkodzone organy rozrodcze, a ostrygi były skażone.
Plama ropy pozostawiona na morzu po pewnym czasie rozprasza się samoczynnie rozpadając na nieszkodliwe substancje. Wcześniej jednak dokonuje spustoszeń wśród morskiej fauny i flory. Dlatego, jeśli jest to możliwe, trzeba uwięzić ropę zanim zdoła się rozproszyć, a następnie wypompować z powierzchni morza. Robi się to za pomącą łańcucha rur unoszącego się na powierzchni.

Pożary szybów naftowych
Zapalniczka Diabła – takim przydomkiem ochrzczono pożar szybu naftowego – płonęła przez prawie pół roku na piaskach Sahary. Pomarańczowo-czerwony płomień unosił się ku niebu pióropuszem mieżącym137 metrów. Słup ognia był widziany z odległości 160 kilometrów. Widział go też amerykański astronauta John Glenn. Przez pierwsze pięć miesięcy montowano sprzęt, a potem zaczęto przygotowywać się do akcji zgaszenia płomienia. Miała ona polegać na zdetonowaniu u wylotu gazu potężnej dawki materiałów wybuchowych. Fala wybuchu miała zgasić płomień. Następnie grupa strażaków miała zatamować uciekający gaz, pracując w jego oparach, które od najdrobniejszej iskry mogły się znów zapalić. Na szczęście udało się.
Ta sytuacja nie była odosobniona. Pożary stacji wiertniczych są nadal jednymi z najtrudniejszych do ugaszenia. Często giną w nich robotnicy jak i strażacy.

2. Gaz ziemny
Co to jest?
<1><2><5>
Gaz ziemny jest mieszaniną gazów, wśród których dominują metan, etan, propan i butan. Jest to wysoko kaloryczny, cenny surowiec energetyczny i chemiczny, występujący z ropą naftową lub w samodzielnych zbiornikach.
Ze względu na trudność transportu i magazynowania, gaz ziemny stanowi w znacznie mniejszym zakresie przedmiot międzynarodowego handlu niż ropa naftowa. Transport gazu ziemnego odbywa się za pomocą rurociągów lub w stanie ciekłym, przy użyciu odpowiednich pojemników.
Do czego służy?
<1><2>
Gaz ziemny służy między innymi do produkcji nawozów sztucznych, klejów, plastikowych sztućców, pali się nim w kuchenkach gazowych.
Sposoby wykrywania uszkodzonych gazociągów
<3>
Nawet przy obecnych systemach komputerowych najtańszym i najpewniejszym sposobem sprawdzenia czy gaz się nie ulatnia jest ludzki węch. Gaz ziemny jest bezwonny, ale dodaje się do niego specyficzną woń. Ustalono idealne cechy tego zapachu: mocna woń, nierozkładający się w glebie (ponieważ wtedy wycieki z podziemnych gazociągów nie zostałyby wykryte), nieszkodliwy dla organizmów żywych i niepowodujący korozji. Substancję tę, zwaną stenched, rozpyla się w formie ciekłej w gazie. Jej zapach jest tak silny, że wystarczy 1,5 kilograma na 100 000 m3.

Literatura:
1.A. S. Sękowscy „Płynie ropa naftowa”
wyd. „Nasza Księgarnia” Warszawa 1966
2.J. Barbag „Geografia gospodarki świata” wyd. WSiP Warszawa 1984
3.„Jak to jest?” wyd. Przegląd Reader’s Digest Warszawa 1998
4.http://6plus.interklasa.pl/szesc/
strony/str4843.htm
5.”Encyklopedia multimedialna PWN” część 1. - Ziemia


w załączniku jest ta praca w formacie .doc z obrazkami i wzorami chemicznymi