Bài 7: Nguồn Gốc Dầu Mỏ. Thành Phần Và Phân Loại Dầu Mỏ | Chuyên đề học tập Hóa học 11 | Chuyên Đề 3: Dầu Mỏ Và Chế Biến Dầu Mỏ - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 38)

I. NGUỒN GỐC DẦU MỎ

1. Sự tích tụ các chất hữu cơ ban đầu và biến đổi thành dầu và khí

Các chất hữu cơ ban đầu (xác động vật, thực vật) theo dòng sông chảy ra biển hay các sinh vật sống ở biển như phù du, động vật, thực vật sau khi chết đều nằm ở các lớp trầm tích dưới đáy biển. Xác động vật, thực vật có các thành phần chính là carbohydrate, albumin, lipid, kerogen (các chất sừng hữu cơ),... dưới tác dụng của vi khuẩn bị phân huỷ thành hydrocarbon là thành phần chính của dầu mỏ, khí dầu mỏ và khí thiên nhiên.

Dầu được sinh ra rồi rắc trong lớp đá trầm tích, thẩm thấu qua các tầng đá và tập hợp tại những khối đá rỗng, xốp. Trong quá trình di chuyển qua các tầng đá xốp, một số chất như nhựa, asphaltene,... có thể bị giữ lại (theo cơ chế hấp phụ) làm cho dầu trở nên sạch hơn và nhẹ hơn, nhưng dầu cũng có thể bị chuyển hoá một phần thành các tạp chất làm cho chất lượng kém đi. Ngoài điều kiện dầu phải có chỗ trú ẩn trong các lỗ xốp, rỗng của và các geanstone) hoặc đá vôi (limestone), cấu tạo địa chất chứa dầu còn phải có tầng sét ở phía trên cản trở quá trình khuếch tán các phân tử hydrocarbon lên bề mặt.

2. Sự hình thành mỏ dầu và khí thiên nhiên

Trải qua thời gian biến đổi địa chất, dầu mỏ di chuyển dọc theo khe đá và không thể đi qua lớp sét. Vì dầu khí nhẹ hơn nước, chúng có thể di qua lớp sa thạch, đá vôi đến khi gặp rào cản hoặc “bẫy” và không thể di chuyển được nữa, tạo thành các mỏ dầu, via dầu hay túi dầu. Khí và các hydrocarbon nhẹ tách ra khỏi nước và chiếm không gian phía trên đỉnh mỏ dầu, dưới lớp khí là dầu và đáy là nước.

(Trang 39)

Cấu trúc địa chất mà trong đó dầu có khả năng bị giữ lại và tích tụ giữa đá gốc như vậy được gọi là mỏ dầu.

Hình 7.1. Sự hình thành mỏ dầu 

Xác động vật, thực vật phân huỷ 

Kerogen (các chất sừng hữu cơ) hình thành trong lớp trầm tích

Kerogen chuyển hoá thành hydrocarbon 

Về bản chất, dầu và khí đều là các hydrocarbon nhưng khác nhau ở chỗ các mỏ khí thiên nhiên chủ yếu chỉ chứa khí, còn mỏ dầu chứa cả dầu lẫn khí. Lượng khí CH₄ có trong dầu mỏ chiếm 30 – 40 % khối lượng phân tử rất lớn (chứa 30 – 40 nguyên tử carbon, thậm chí nhiều hơn). Dần dần, một phần dầu chuyển thành khí do quá trình phân cắt các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn (cracking) dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất và các chất xúc tác. Càng đi sâu vào lòng đất thì nhiệt độ và áp suất càng cao, quá trình cracking càng xảy ra mạnh hơn. Vì vậy, các mỏ dầu càng sâu trong lòng đất càng chứa nhiều khí hơn, các mỏ khí thường có tuổi lớn hơn. Thời gian hình thành của sự chuyển hoá dầu thành khí là khi mỏ chỉ chứa chủ yếu là khí methane (70 – 90%), đó là mỏ khí thiên nhiên. Ngoài khí methane, mỏ khí thiên nhiên còn có các hydrocarbon nhẹ khác (dưới 20%), CO₂, N₂, H₂S,....

II. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA DẦU MỎ

1. Các hợp chất hydrocarbon

Các hydrocarbon là thành phần chính và quan trọng nhất của dầu mỏ (chiếm tới 50 – 98%). Các hydrocarbon trong dầu mỏ chủ yếu gồm ba nhóm chính:

- Alkane (hydrocarbon no, mạch hở, cấu trúc phân nhánh hoặc có phân nhánh), còn gọi là paraffin.

- Cycloalkane (hydrocarbon mạch vòng no), còn gọi là naphthene.

- Arene (hydrocarbon có vòng benzen ), còn gọi là aromate.

Những hydrocarbon có số nguyên tử carbon cao, cấu tạo phức tạp, trong phân tử của chúng có thể có cả ba nhóm paraffin, naphthene và aromate.

a) Hydrocarbon dãy paraffin

Hydrocarbon dãy paraffin rất phổ biến trong dầu mỏ, gồm n-paraffin có mạch carbon dài không phân nhánh và isoparaffin có mạch carbon dài với mạch nhánh ngắn thường định vào vị trí carbon số 2 hoặc số 3 của mạch chính.

(Trang 40)

Khí thiên nhiên có trong các mỏ riêng biệt. Thành phần chính là khí methane, còn có ethane, propane và butane. Khí đồng hành nằm trong dầu mỏ được hình thành cùng với dầu, thành phần chủ yếu là các khí propane, butane. Khí ngưng tụ (condensate) chứa chủ yếu alkane C5 – C7.

Dầu mỏ Việt Nam thuộc họ dầu paraffin và chứa nhiều n-paraffin C10 – C40. Hàm lượng paraffin trong dầu mỏ Bạch Hổ lên tới 29%, ở mỏ Đại Hùng là 17,8%.

b) Hydrocarbon dãy naphthene

Naphthene của dầu mỏ thường có ba dạng chính là vòng 5 cạnh, vòng 6 cạnh và nhiều vòng có chung cạnh (vòng ngưng tụ) hoặc có cầu nối.

c) Hydrocarbon dãy arene

Benzene có trong dầu mỏ nhưng hàm lượng rất nhỏ. Những đồng đẳng của benzene từ C7 – C15 đều đã được xác định có trong nhiều loại dầu mỏ.

2. Các hợp chất phi hydrocarbon

Những hợp chất phi hydrocarbon là các hydrocarbon mà trong mạch carbon chứa các dị tố N, S, O và kim loại.

Sulfur, oxygen và nitrogen thường tồn tại trong dầu và khí dưới dạng các hợp chất mạch hở, mạch vòng hay dị vòng.

Kim loại có trong dầu mỏ không nhiều, thường tồn tại phân tán dưới vài phần van. Chúng có trong phần đoạn dầu nặng dưới dạng hợp chất cơ kim⁽¹⁾. Hàm lượng kim loại thường đạt trong phần đoạn nặng của dầu mỏ ở dạng phức chất với porphyrine (hợp chất hữu cơ đa vòng, dị vòng) là V và Ni. Các kim loại khác có thể là Fe, Cu, Mg, Ca, Na, Zn, Hg, Zr, Ti, As,....

III. PHÂN LOẠI DẦU MỎ

1. Phân loại dầu mỏ theo thành phần hoá học

Trong dầu mỏ, thành phần chủ yếu, quan trọng và quyết định các đặc tính cơ bản của dầu mỏ là các hydrocarbon. Vì vậy, phân loại dầu mỏ theo họ hydrocarbon là phương pháp phân loại thông dụng nhất. Theo cách phân loại này, dầu mỏ sẽ mang đặc tính của loại hydrocarbon nào chiếm ưu thế nhất. Có bốn loại hydrocarbon chính trong dầu thô tương ứng với bốn loại dầu là paraffinic, naphthenic và aromatic.

Trong thực tế, những họ dầu thuần chủng như vậy rất ít gặp, đặc biệt dầu khoáng hầu hết trên thế giới không có. Thường dầu mỏ mang đặc tính hỗn hợp như dầu paraffinic-naphthenic, dầu paraffinic-aromatic và dầu naphthenic-aromatic.

Để phân loại dầu mỏ theo họ hydrocarbon như trên phải sử dụng phương pháp phân tích để xác định thành phần hoá học các loại hydrocarbon trong dầu. Tuy nhiên, phương pháp đó rất phức tạp nên để đơn giản người ta sử dụng các thông số vật lí để phân loại dầu mỏ.

⁽¹⁾ Hợp chất cơ kim: hợp chất hữu cơ chứa kim loại.

(Trang 41)

2. Phân loại dầu mỏ theo tính chất vật lí

Tuỳ thuộc vào thành phần hydrocarbon, các loại dầu có những tính chất vật lí khác nhau và được thể hiện qua một số đặc trưng như màu sắc, tỉ trọng. Tuỳ thuộc vào thành phần các cấu tử mà dầu có thể có màu sáng hoặc hơi xám, hơi vàng, nâu sẫm, đen. Dầu càng nhẹ, nghĩa là giàu paraffin, thì màu càng sáng và tỉ trọng càng nhỏ. Ngược lại, dầu càng nặng, càng giàu arene, thì màu càng đậm và tỉ trọng càng lớn. Chính vì vậy, tỉ trọng là tiêu chí đơn giản nhất nhưng rất phổ biến để phân loại dầu mỏ.

Trong giao thương quốc tế, người ta thường sử dụng đại lượng API (American Petroleum Institute) để đặc trưng cho tỉ trọng của dầu. Giá trị phổ biến của tỉ trọng API của hầu hết các loại dầu mỏ là từ 10 đến 70.⁽¹⁾

Dầu thô Việt Nam là loại dầu từ nhẹ đến trung bình. Dầu mỏ Bạch Hổ có API 36,6; là một trong những loại dầu sạch chứa ít tạp chất sulfur, nitrogen và các kim loại nặng.

⁽¹⁾ Tỉ trọng API (API gravity) là chi số đo mức độ nặng hoặc nhẹ của dầu mỏ dạng lỏng so với nước. Dầu thô được phân loại dựa vào chi số API như sau:

• Dầu nhẹ: API lớn hơn 31,1.
• Dầu trung bình: API từ 22,3 đến 31,1.
• Dầu nặng: API từ 10 đến 22,3.
• Dầu rất nặng: API nhỏ hơn 10.