تبدیل موادآلی به هیدروکربن

تبدیل مواد آلی به هیدروکربن

 

مقدمه

طبق نظریه طرفداران منشا آلی نفت معتقدند که هیدروکربن از مواد آلی به وجود می آید. تا دهه ۱۹۳۰ نظریه آنها فقط بر اساس شباهت هایی بود که بین هیدروکربن ها و مواد آلی  وجود داشت. به برخی از این شباهت ها اشاره می کنیم:

۱-ترکیب هیدروکربن بسیار شبیه ترکیب پروتئین ها  و چربی ها و اسیدهای چرب است.

۲-مهمترین قسمت چرخه کربن در طبیعت، در گیاهان و جانوران قرار دارد.

۳-حضور هیدروکربن ها در فواصل زغال سنگی (نظیر حوضه کوپر در استرالیا)

۴-حضور هیدروکربن در بدن و بافت بعضی موجودات مانند سلول دیاتومیت و بعضی از انواع فرامینیفرها که قطرات ریز نفت در آنها وجود دارد.

نفت خام عمدتاً شامل هیدروژن و کربن است که هیدروکربن را تشکیل می دهند.اگرچه ترکیب نفت خام نسبتاًساده است اماتعدادترکیبات هیدروکربنی که درنفت ممکن است موجودباشد، بسیارزیاداست.

در این مقاله قصد داریم تولید و حفظ مواد آلی و تشکیل هیدروکربن از ماده آلی در سنگ های منشاکه مولد هیدروکربن هستند، مورد بررسی قرار دهیم.

تولید و حفظ ماده آلی

ماده اصلی که از آن هیدروکربن شکل می گیرد، ماده اصلی تشکیل شده در سطح زمین است. فرایند تشکیل ماده آلی با فتوسنتز شروع می شود. گیاه در حضور نور خورشید، آب و کربن دی اکسید را به گلوکز، آب و اکسیژن تبدیل می کند.

گلوکز ماده ی آغازین جهت ساختن ترکیبات پیچیده تر است. فتوسنتز قسمتی از چرخه عظیم کربن است. (شکل۱)

 

شکل ۱:چرخه کربن در طبیعت، کربن عمدتاً در رسوبات تمرکز یافته است. عمده کربن آلی تولید شده توسط موجودات، سریعاً به CO2 اکسید شده و به اتمسفر و هیدروسفر برمی گردد.

 

تمامی مواد آلی دریایی نزدیک به سطح آب در زون فوتیک (منطقه ای که نور به آنجا می رسد) و به علت  علت وجود پدیده فتوستز تشکیل می گردند. بعضی از فیق پلانکتونها دراین زون، به صورت شیمیایی شکسته می شوندو اکسیژن می گیرندو بعضی نیزخوراک زئوپلانکتونهامی شوندو تمامی این پلانکتونها توسط موجودات بزرگترخورده می شوندکه قسمت های غیر قابل هضم این مواد آلی به صورت گلوله های کوچک از هم، متمرکز می شوند که بعداً ممکن است در رسوبات به هم پیوندند.

برای اینکه سوختهای فسیلی درمقادیر اقتصادی قابل بهره برداری تولیدشوند بایستی شرایط ویژه برای حفظ ماده آلی وجودداشته باشد. اولین شرط، وجودماده آلی بصورت گیاهان وحیوانات دریایی یاگیاهان خشکی دررسوبات است.

در اینجا به بررسی محیط های مناسب جهت رسوب گذاری و حفظ مواد آلی می پردازیم:

بیشتر مواد آلی در محیط های آرام و کم انرژی حفظ می شوند .

عموماًدرمحیط های پرانرژی ومتلاطم ، ماده آلی ازداخل رسوب نشسته می شود، درصورتیکه درمحیط های آرام، ماده آلی می تواندتهنشین شود.

بنابراین ماده آلی می توانددرانواع سنگ های دانه ریز، نظیرشیلها و گلهای آهکی یافت می شود.

 

تولید هیدروکربن

پس ازدفن رسوبات چه اتفاقی برای موادآلی موجوددرآنها رخ می دهدکه منجربه زایش هیدروکربن می شود؟ سه مرحله اصلی در طی دفن و تکامل مواد آلی به هیدروکربن ها وجود دارد.

مراحل اصلی در طی دفن و تکامل مواد آلی به هیدروکربن ها:

۱- دیاژنز

۲- کاتاژنز

۳- متاژنز

۱-مرحله دیاژنز

مرحله دیاژنز مواد آلی از همان لحظه ای که رسوبات دفن می شوند، آغاز می گردد. تحولات مواد آلی در مرحله دیاژنز در بخشهای کم عمق‌تر زیر زمین و تحت دما و فشار متعارف انجام می‌شود. این تحولات شامل تخریب بیولوژیکی توسط باکتری ها و فعل و انفعالات غیر حیاتی می‌باشد. گلهای تازه نهشته شده بدون استحکام بوده وممکن است که بیش از۷۰% آب خلل وخرج داشته باشند.

این گلهاپس از دفن به سرعت فشرده می شوند. بیشتر تخلخل ها در ۵۰۰ متر اول دفن از بین می روند. پس از آن فشردگی شیل ها خیلی آهسته تداوم می یابد. همچنین هر ماده آلی که داخل شیل باشد تغییرات پیچیده ای را تحمل می کند. بیوپلیمرهاکه متشکل از پروتئین ها، لیپیدها، هیدرات های کربن و لیگنین هستند، منشا زیستی داشته و دارای ساختمان منظمی می باشند.

درطی تجزیه  شیمیایی بیوپلیمرها، پروتئین ها سریعتر از بقیه تجزیه می شوند و هیدرات های کربن در مرحله ی بعدی قرار دارند. لیپیدها و لیگنین معمولاً بدون تغییر یا با تغییرات کمی باقی می مانند. در طی دیاژنز، بیوپلیمرها به مولکول های ساده تری به نام ژئومنومرشکسته می شوند. بعضی از این ترکیبات که بیشتر فعال هستند با یکدیگر به طور خودبخود واکنش انجام داده تا در نهایت ژئوپلیمر های پیچیده پایدارتری به وجود بیاید (شکل ۲). این تغییرات در آغاز توسط فرایند های باکتریایی و شیمیایی انجام می شود و سپس با شکست حرارتی دنبال می شود. باافزایش عمق تدفین، موادآلی عمده نیتروژن، اکسیژن وگوگردوکمی از هیدروژن وکربن خودرا ازدست می دهند.

 

 

شکل ۲: مسیرتبدیل بیوپلیمر به ژئوپلیمر

 

 

 

تاثیر مرحله دیاژنز در بوجود آمدن هیدروکربن (چکیده):

در اوایل مرحله دیاژنز مقداری از مواد جامد از قبیل خرده فسیلها و یا کانی های کوارتز و کربنات کلسیم و …، ابتدا حل شده بعدا از آب روزنه‌ای اشباع گشته ، سپس به همراه سولفورهای آهن- سرب و روی و مس و غیره دوباره رسوب می‌کنند. در این مرحله مواد آلی نیز به سوی تعادل می‌روند. یعنی اول در اثر فعالیت باکتری ها مواد آلی متلاشی شده و بعدا همزمان با سخت شدن رسوبات (سنگ شدگی) این مواد نیز پلیمریزه شده و مولکولهای بزرگتری را تشکیل داده سپس به تعادل می‌رسند که در این حالت تعادل آنها را کروژن تنها هیدروکربن تولید شده در این مرحله متان می باشد.

این هیدروکربن گاز بیوژنیک یا گاز مرداب نامیده می شود و از تجزیه مواد آلی توسط باکتری های بی هوازی به وجود می آید.

محصول نهایی در طی مرحله دیاژنز مواد آلی، کروژن است که در مورد آن در انتها توضیحات کاملی ارائه خواهیم داد. در طی دیاژنز مواد آلی از منشا های مختلف، به یکی از انواع اصلی کروژن بلوغ پیدا می کنند.

۲-مرحله کاتاژنز

تحولات مواد آلی در مرحله کاتاژنز در عمق بیشتر تحت دمای زیادتر صورت می‌گیرد. جدایش مواد نفتی از کروژن در مرحله کاتتاژنز به وقوع می‌پیوندد. در طی تدفین با افزایش حرارت و فشار، ساختمان کروژن از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار شده و شرایط جدید فیزیک وشیمیایی باعث تغییر آن می شود. به این تغییرات در کروژن که در اثر افزایش فشار و حرارت، در طی زمان زمین شناسی به وجود می آید، بلوغ می گویند که شامل تجزیه ی حرارتی و شکستن کروژن به مولکول های کوچکتر و تبدیل آن به یک ماده ی پایدار غنی از کربن، نظیر هیدروکربن است. در طی مرحله دوم یا کاتاژنز مولکول های هیدروکربن به صورت نفت و گاز مرطوب از کروژن شکسته و جدا می شوند و در نتیجه نسبت هیدروژن بر کربن کروژن باقی مانده کاهش می یابد.

تاثیر مرحله کاتاژنز در بوجود آمدن هیدروکربنها (چکیده) :

در این مرحله مواد آلی تغییرات زیادی پیدا می‌کنند و حین تغییر وضع مداوم مولکولی در کروژن ها در ابتدا نفتهای سنگین ، بعدا نفتهای سبک و در آخر گازهای مرطوب تولید می‌شوند. در آخر مرحله کاتاژنز تقریبا تمامی شاخه‌های زنجیری هیدروکربن ها از مولکول کروژن جدا شده و مواد آلی باقیمانده در مقایسه با زغال سنگ ها از نظر درجه بلوغ ، شبیه به آنتراسیت بوده و ضریب انعکاسی بیش از۲% دارند.

۳-مرحله متاژنز

تحولات ماده آلی در مرحله متاژنز تحت دما و فشار بالاتر نسبت به مراحل قبلی انجام می‌شود. بقایای هیدروکربن بخصوص متان از ماده آلی جدا می‌شود. در نهایت در این مرحله یعنی متاژنز تولید مستقیم هیدروکربن از کروژن متوقف می شود، اما متان قابل توجهی می تواند کماکان از نفت تولید شده قبلی توسط دگرسانی حرارتی تولید شود. در نهایت این مرحله، ترکیب کروژن به کربن خالص یا گرافیت نزدیک می شود. شکل۳ شماتیکی از تکامل مواد و شکل گیری هیدروکربن ها از کروژن و فسیل های ژئوشیمیایی را در طی دیاژنز، کاتاژنز و متاژنز نشان می دهد.

فسیل های ژئوشیمیایی ترکیبات هیدروکربنی با وزن مولکولی بالایی هستند که در بسیاری ازنفت های خام وجود دارند. این هیدروکربن ها، مولکول هایی هستند که از موجودات زنده در طی رسوب گذاری سنگ منشا به وجود آمده و حفظ شده است و می توانند به عنوان نشانه های زیستی در شناسایی نوع ماده آلی به وجود آورنده ی نفت بکار برده شوند. از انواع فسیل های ژئوشیمیایی می توان پارافین های زنجیره طویل و استروئیدها با الکل های حلقوی پیچیده را نام برد.

شکل۳ : شماتیکی از تکامل مواد آلی و شکل گیری هیدروکربن ها از کروژن و فسیل های ژئوشیمیایی را در طی دیاژنز، کاتاژنز و متاژنز
تاثیر مرحله متاژنز در به وجود آمدن هیدروکربن ها (چکیده):

در مرحله متاژنز و متامورنیسم رسوبات در عمق بیشتر و تحت تاثیر حرارت و فشار بیش از حد قرار دارند. دراین مرحله کانی های رسی ، آب خودشان را ازدست داده و درنتیجه تبلور مجدد دربافت اصلی سنگ تغییرات بوجودمی‌آید. در این مرحله کروژن باقی مانده (موادآلی باقی مانده) تبدیل به متان و کربن باقیمانده می‌شود. این مواد را می‌توان قابل قیاس با تبدیل زغال سنگ به آنتراسیت دانست که ضریب انعکاسشان تا ۴% می‌رسد. بالاخره درآخراین مرحله باقیمانده موادآلی که بصورت کربن باقی مانده درآمده بود، تبدیل به گرافیت می‌شود.

در اینجا قصد داریم به بررسی تاثیر فرایند دیاژنز بر میدان نفتی آغاجاری در اهواز بپردازیم.

سازندآسماری سنگ مخزن اصلی میدان نفتی آغاجاری بوده که ازحدود ۴۰۰مترسنگ آهک، دولومیت ومیان لایه های ماسه سنگی تشکیل شده است. مطالعه ۱۲۰۰مترمغزه حفاری، ۲۸۰۰برش میکروسکوپی، ۱۲آنالیزمیکروسکوپ الکترونی و ۱۲۵آزمایش معمولی مغزه های حفاری درپنج چاه مغزه داراین میدان نشان می دهدکه سازندآسماری تحث تاثیرفرایندهای دیاژنزی مختلف شامل میکریتی شدن، فشردگی، سیمانی شدن، ایجادشکستگی، انحلال ودولومیتی شدن قرارگرفته است.

بعضی ازاین فرایندها (مثل انحلال، دولومیتی شدن و شکستگی) تأثیر سازنده برکیفیت مخزنی داشته و باعث ایجادطیف وسیعی ازانواع تخلخل شامل تخلخل های بین بلوری و کانالی در قسمت های بالایی سازندآسماری شده اند. فرایندهای دیاژنزی مخرب (مانند میکریتی شدن، فشردگی و سیمانی شدن) سبب تخریب فضاهای خالی شده وقسمت های پایینی سازندآسماری(به ویژه زون پنجم) رابه واحدهای غیرمخزنی تبدیل کرده اند. موقعیت داده های تخلخل و تراوایی بروی دیاگرام لوسیانشان میدهدکه ماسه سنگ هاوکربنات های دارای تخلخل بین دانه ای، کیفیت مخزنی بسیارخوبی دارندو همواره در بالای رده های سه گانه این نمودارقرارمی گیرند. توالی پاراژنزی سازندآسماری نشان دهنده این است که فرایندهای دیاژنزی همزمان با رسوب گذاری درکف دریا، پس ازرسوبگذاری در طی تدفین کم عمق تا عمیق و بالا آمدگی اتفاق افتاده اند.

نتایج حاصل ازاین مطالعه میتوانددرشناسایی زون های مخزنی، افزایش تولیدازسازندآسماری و عملیات ازدیادبرداشت درمیدان مؤثرباشد. درسنگ های کربناته فرایندهای دیاژنزی تأثیرزیادی برشکل گیری، تغییرو یاتخریب فضاهای خالی دارند.

بنابراین تشخیص نوع تخلخل میتواندبه تفسیرفرایندهای دیاژنزی کمک کندو بالعکس باتفسیرتوالی پاراژنزی میتوان کیفیت یک مخزن هیدروکربوری راپیشبینی و زون های متخلخل راشناسایی کرد.

مطالعه مغزه های حفاری وبرش های میکروسکوپی نشان میدهدکه فرایندهای دیاژنزی مختلفی بروی رخساره های کربناته سازندآسماری اتفاق افتاده است. درنتیجه کیفیت مخزنی این سازند راتحت تأثیر قرارداده است.

دراواسط مطالب گفته شدکه درپایان مطالب اصلی مقاله، به تشریح کروژن بعنوان یک ماده آلی اصلی درتبدیل موادآلی به هیدروکربن می پردازیم.

کروژن

نام کروژن برای اولین بار توسط شیمیدان اسکاتلندی الکساندر کرام براون در سال ۱۹۱۲ میلادی پیشنهاد شد. کروژن ها مواد آلی رسوبی شکننده ای هستند که در حلال های مواد آلی غیرمحلول هستند. بخشی که در حلال های آلی، قابل حل است، بیتومن  نامیده می شود. عدم حلالیت کروژن به دلیل اندازه ی بزرگ مولکول های متشکله و ساختمان پیچیده آن است. کروژن در واقع منشا ترکیبات نفتی است و نوع آن، نوع هیدروکربن  تولید شده را کنترل می کند. در زیر میکروسکوپ، کروژن به صورت خرده های آلی پراکنده دیده می شود (شکل ۴).

برخی از این مواد ساختمان مشخصی دارند و تشخیص آنها به عنوان خرده های بافت گیاهی، اسپورها، جلبک ها و غیره به سهولت انجام می پذیرد. خرده های ساختمان دار می توانند به واحد های بیولوژیکی مشخصی به نام ماسرال ها طبقه بندی شوند. ماسرال ها در کروژن، هم ارز مینرال ها در سنگ ها هستند. سه گروه اصلی ماسرال ها که از بقیه مهم ترند عبارتند از:

۱ -ویترینایت ها

۲ -اگزینایت ها

۳ -اینرتینایت ها

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کروژن ها را میتوان توسط اسید های باز پس گرفت. همچنین ممکن است توسط روش دانسیته و استفاده از مایعات سنگین بتوان کروژن را جدا ساخت. چون کروژن نسبت به کانی های دیگر سبک بوده و وزن مخصوص کمتری دارد.

رسیدگی کروژن

نفت و گاز در مرحله کاتاژنز از کروژن نیمه رسیده مشتق می‌شوند. اشتقاق هیدروکربور از کروژن نارس امکان پذیر نیست. به دنبال رسیدگی کروژن در ابتدا نفت و سپس گاز طبیعی از کروژن جدا می‌شود. هنگامی که کروژن کاملا برسد دیگر نفت و گازی از آن به وجود نمی‌آید. رسیدگی کروژن به دما ، زمان و احتمالا فشار بستگی دارد. تولید عمده نفت از کروژن در دمای ۶۰ تا ۱۲۰ درجه سانتیگراد صورت می‌گیرد. تولید عمده گاز از کروژن در دمای ۱۲۰ تا ۲۲۵ درجه سانتیگراد است. کروژن در دمای بالاتر از ۲۳۰ درجه سانتیگراد کلیه مواد هیدروکربوری خود را از دست می‌دهد و تنها به صورت گرافیت باقی می‌ماند.