چگونگی تشکیل نفت

نفت خام (petroleum) یک سوخت فسیلی است که از مواد آلی فسیل شده‌ای همانند زئوپلانکتون و جلبک تشکیل شده است. مقادیری از این مواد در ته دریاها و دریاچه‌ها ته نشین، با رسوبات دیگر مخلوط و تحت شرایط بدون اکسیژن مدفون شده‌اند. با ته نشین شدن لایه‌های بیش‌تر در بستر دریا یا دریاچه، در مناطق زیرین حرارت و فشار شدت گرفتند. این فرآیند باعث تغییر مواد آلی می‌شود که در ابتدا یک ماده مومی شک به نام کروژن (kerogen) تشکیل می‌دهد که در بسیاری از شن‌های نفتی (oil shales) دنیا موجود است. سپس حرارت بیش‌تر به هیدروکربن‌های مایع و گازی، در طول یک رشته فرآیندهای گرماگیر تحت یک فرآیند به نام کاتاجنسیس (catagenesis) باعث تشکیل نفت خام می‌شود.

قبلا در مورد منشا نفت دو نظریه ارایه می‌شد: تشکیل نفت از منشا آلی (organic) و از منشا غیر آلی (mineral)؛ دلایل ارایه شده در مورد منشا غیر آلی (معدنی) نفت بسیار ضعیف بوده و امروزه باطل شناخته می‌شود. البته تشکیل متان به صورت معدنی که در فضا و در چندین سیاره دیگر یافت می‌شود استثنایی در این مورد است ولی متان معدنی نمی‌تواند تشکیل ذخایر عمده گازی بدهد.

مراحل تشکیل نفت خام

در دریا و اقیانوس دو گروه تولیدکننده ماده آلی مناسب برای تبدیل به نفت داریم: فیتوپلانکتون‌ها (phytoplankton) و زئوپلانکتون‌ها (zooplankton) که جانوران عالی‌تر تغذیه کننده از فیتوپلانکتون‌ها هستند. پلانکتون‌ها از حدود 600 میلیون سال پیش یعنی از دوره پرکامبرین در کنار دریاها زندگی می‌کردند. اهمیت پلانکتون‌ها در تشکیل نفت از آن جا ناشی می‌شود که آب دریا ناحیه مساعدی جهت تکثیر پلانکتون‌ها می‌باشد و تعداد آن‌ها نیز در آب دریا بسیار زیاد می‌باشد. پلانکتون به علت سرعت رشد و کوچکی جثه، ماده آلی مناسبی است که به سادگی به وسیله رسوبات ریز دانه مدفون می‌شود و از اکسید شدن مصون می‌ماند و تولید هیدروکربن می‌نماید. هنگامی که این موجودات می‌مردند، با گل و لای همراه آب رودخانه به درون دریاها می‌رفتند و ته‌نشین می‌شدند؛ به همین سبب بیش‌ترین تولید مواد آلی در دو ناحیه عمده در حواشی قاره‌ها انجام می‌شود:

• آب‌های کم عمق فلات قاره
• ناحیه‌های چسبیده به محیط‌های قاره‌ای که جریان رو به بالای آب‌های سرد و عمیق اقیانوسی را پذیرا می‌شوند.

در چنین محیط‌هایی که تولید مواد آلی زیاد است، با کم شدن اکسیژن در اثر طوفان و مخلوط شدن آب‌های بی‌اکسیژن واکسیژن‌دار و یا ازدیاد تولید جانداران، گروهی از جانداران دچار مرگ و میر گروهی می‌شوند و در کف محیط روی هم انباشته می‌شوند.

مراحل تشکیل نفت خام

با وجود این که نفت از موجودات زنده ذره‌بینی پدید آمده است، نباید تصور کرد که این تغییر به صورت ناگهانی صورت گرفته است بلکه بر اثر کارکرد تدریجی باکتری‌ها و یک رشته واکنش‌ها، اجساد این موجودات به صورت نفت درآمده است. طبق نظریات جدید، مواد مختلف آلی ته نشین شده با رسوبات نرم، در هنگام دیاژنز (سنگ شدن) تبدیل به یک ماده واسط بین ماده آلی و هیدروکربن می‌گردند. این ماده واسط کروژن (kerogen) نامیده می‌شود. کروژن یک ماده جامد نامحلول آلی است که محصول دیاژنتیک (diagenetic) مواد آلی است. مواد رسوبی لایه به لایه روی هم انباشته می‌شدند؛ وزن و فشار لایه‌های بالایی، مواد رسوبی طبقات زیرین را فشرده می‌کرد. توده موجودات ذره‌بینی بین لایه‌ها بر اثر عمل باکتری‌ها و حرارت طی زمانی طولانی تغییر شکل داده و به صورت نفت و گاز در آمده است.

کروژن

بیش‌تر هیدروکربن‌های طبیعی در اثر کراکینگ کروژن ناشی از حرارت زمین یا ژئوترمال (geothermal) تولید می‌گردند. همان طور که بیان گردید برای به وجود آمدن نفت و گاز، وجود مواد آلی فراوان و تشکیل کروژن در هنگام دیاژنز رسوبات ضروری می‌باشد. سنگ مادر (source rock) سنگی است که دارای مقدار کافی کروژن باشد. شرایط مساعد رسوبی برای تجمع و ذخیره شدن مواد آلی گیاهان و جانوران دریایی و مواد آلی خشکی که توسط رودخانه‌ها به حوزه رسوبی حمل می‌گردند، شامل رسوبات رسی و یا گل کربناته ریزدانه و محیط آرام رسوب گذاری است. علاوه بر این محیط کف دریا باید محیط احیا کننده باشد تا از اکسیداسیون مواد آلی جلوگیری به عمل آید.

هرچه میزان کروژن در سنگ مادر بیش‌تر باشد، توانایی بیش‌تری برای تولید هیدروکربن وجود دارد. برای این که سنگ مادری بتواند هیدروکربن تولید نماید باید دارای حداقل تراکمی از کربن آلی باشد که از آن کم‌تر توانایی تولید هیدروکربن را نخواهد داشت. این حداقل حدود 0.5 درصد کربن آلی برآورد می‌شود. هیدروکربن‌ها در اثر کراکینگ کروژن به وجود می‌آیند. کراکینگ کروژن در دماهای 80 تا 100 درجه سانتی‌گراد شروع می‌شود. این دما در یک ناحیه رسوبی با دمای ژئوترمال طبیعی معادل عمقی بین 2 تا 3 هزار متر است. بنابراین یک سنگ مادر هرچه قدر هم ضخیم و غنی از مواد آلی باشد، تا در اعماق مناسب قرار نگیرد نمی‌تواند هیدروکربن تولید نماید. بر همین اساس ابتدا نفت خام سنگین تولید می‌گردد. چگالی و وزن مخصوص نفت خام با ازدیاد عمق کاهش می‌یابد. هرچه قدر سنگ مادر عمیق‌تر مدفون گردد، نفت تولید شده سبک‌تر است. گاز معمولا محصول آخرین واکنش‌ها است.

ابتدا نفت‌های بسیار سنگین، سپس نفت‌های پارافینی، نفت‌های سبک، نفت‌های میعانی و در نهایت گاز به دست می‌آید. وقتی دما از 165 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند فقط گاز تولید خواهد شد یعنی تقریبا از عمق ضخامت رسوبی بیش‌تر از 5000 متر احتمال یافتن نفت بسیار کم می‌شود و فقط می‌توان انتظار یافتن گاز را داشت. در دما‌های بالاتر از 230 درجه سانتی‌گراد کروژن یک بافت گرافیتی ثابت پیدا می‌کند و با ازدیاد دما هیدروکربنی تشکیل نمی‌شود و نسبت هیدروژن به کربن تغییر نمی‌یابد. به طور کلی ازدیاد عمق باعث ازدیاد دما می‌گردد که این ازدیاد دما دو اثر دارد:

1. کراکینگ کروژن و تبدیل مولکول‌های بزرگ به مولکول‌های کوچک‌تر مانند تشکیل نفت و گاز
2. پلیمریزاسیون مولکول‌ها که به تشکیل متان و گرافیت ختم می‌گردد (کروژن‌های گرافیتی)

نکته مهم دیگری که در مورد تشکیل هیدروکربن‌ها وجود دارد زمان زمین شناسی می‌باشد. به عبارت دیگر رسوبات قدیمی‌تر در دما‌های پایین‌تر، همان محصولی را می‌دهند که سنگ مادری با سن کم‌تر در دما‌های بالاتر تولید خواهد نمود.

به علت فشار زیاد درون حفره نفتی، مقدار زیادی از گاز در نفت خام حل می‌شود. به همین دلیل نفت خامی را که از چاه بیرون می‌آید قبل از انتقال دادن به پالایشگاه نفت ابتدا به دستگاه جداکننده نفتی می‌برند تا بیش‌تر گازهای سبک و آب نمک آن را جدا سازند. گازی که مستقیما از چاه‌های نفت خارج می‌شود همراه با گازی که به این وسیله از نفت خام تفکیک می‌گردد، پس از تصفیه به صورت گاز طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طی دوران‌های گذشته، فشارهای شدید داخل، لایه‌های زمین را به طرف بالا حرکت داده و این تغییرات بین لایه‌های زمین فضاهایی به شکل تاقدیس به وجود آورده و نفت در آن فضاهای خالی جمع شده است. جنس لایه‌هایی که نفت در آن جای گرفته، بیش‌تر از سنگ‌های آهکی و شنی متخلخل است. در این لایه‌های متخلخل، آب، نفت و گاز به ترتیب وزن مخصوص روی هم قرار گرفته‌اند. آب که از همه سنگین‌تر است زیر می‌ماند، نفت روی آب و گاز روی نفت انبار می‌شود.

مخزن نفتی

بررسی عوامل مشترک مخازن نفت و گاز نشان می‌دهد که:

1. شرایط و محیط رسوبی خاصی لازم است تا در طبقات نفت‌زا، سنگ مادر (source rock) تشکیل شود و همچنین شرایط خاصی باید وجود داشته باشد تا مواد آلی رسوب یافته در این لایه‌ها به هیدروکربن تبدیل گردند.
2. یک سنگ متخلخل و تراوا به نام سنگ مخزن (reservoir rock) باید وجود داشته باشد تا فضای لازم جهت انبار شدن نفت فراهم آید.
3. سنگ مخزن باید شکل خاصی داشته باشد تا بتواند تله (trap) را تشکیل داده باعث جمع شدن هیدروکربن گردد.
4. یک سنگ غیر قابل نفوذ یا سنگ پوشش (cap rock) لازم است که مخزن را بپوشاند و از خروج نفت و گاز از مخزن جلوگیری نماید.

یک مخزن نفتی معمولی

انرژی موجود در نفت که ما امروزه از آن استفاده می‌کنیم قبلا به صورت انرژی خورشیدی ذخیره شده بود. در عمل فتوسنتز، دی‌اکسید کربن و آب با انرژی کم به هیدرات کربنی همانند گلوکز با انرژی زیاد تبدیل می‌گردند:

CO2 + H2O → CH2O + O2

که در این رابطه CH2O یک هیدرات کربن مانند گلوکز است. موجودات زنده می‌توانند به صورت مستقیم از این انرژی برای عمل تنفس استفاده کنند. در اثر یک فرآیند معکوس، هیدرات‌های کربن مجددا به دی‌اکسید کربن و آب شکسته می‌شوند که اکسیداسیون 100 گرم گلوکز، 375 کیلوکالری انرژی آزاد می‌کند.

منبع: www.mechanism.ir