Ενεργειακές Πρώτες Ύλες Ενεργειακές Πηγές & Ενεργειακές Πρώτες Ύλες Υδρογονάνθρακες - Γένεση Κίμων Χρηστάνης Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Γεωλογίας

Άδειες Χρήσεις Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοποί ενότητας Σκοπός της συγκεκριμένης ενότητας είναι να αντιληφθεί ο αναγνώστης: Τι είναι οι ορυκτοί υδρογονάνθρακες (HC) Πού (γεωπεριβάλλον), πώς (διεργασίες) και πότε (παράγοντες-συνθήκες) σχηματίζονται κοιτάσματα ορυκτών υδρογονανθράκων στη φύση

Περιεχόμενα ενότητας Ποιοι και τι είναι οι ορυκτοί υδρογονάνθρακες (HC) Πώς σχηματίζονται συγκεντρώσεις HC στη φύση

Γένεση Ορυκτών Υδρογονανθράκων Κεφάλαιο 5: Γένεση Ορυκτών Υδρογονανθράκων

Ποιοι είναι οι ορυκτοί υδρογονάνθρακες (HC) Οι συνηθέστεροι είναι: Το αργό πετρέλαιο Το φυσικό αέριο αλλά στη φύση απαντάται και μια σειρά από ορυκτούς HC, που είτε υφίστανται περιορισμένη εξόρυξη είτε προς το παρόν δεν υφίστανται εκμετάλλευση (μη συμβατικοί HC).

Τι είναι ορυκτός HC Ρευστό (υγρό ή αέριο), σπάνια «σχεδόν στερεό» Καύσιμο Σκούρου καστανού έως μαύρου χρώματος Οργανογενές (προέλευση από έμβιους οργανισμούς) Οργανικό (χημική σύσταση) Προέλευση κυρίως από θαλάσσιους ζωικούς οργανισμούς

Ποιοι θαλάσσιοι οργανισμοί Ποιοι θαλάσσιοι οργανισμοί Κυρίως: Ζωοπλαγκτόν Φυτοπλαγκτόν Φύκη Δευτερευόντως: Υπολείμματα χερσαίων φυτών (π.χ. σπόροι και γυρεόκοκκοι, που παρασύρονται από επιφανειακά νερά ή τον αέρα)

Πού σχηματίζονται οι ορυκτοί HC Σε κλειστούς κόλπους Σε αβαθείς, ήσυχες θάλασσες χωρίς ρεύματα Αλλά και Σε λίμνες (ζώνη ανάπτυξης υδρόβιων φυτών)

Διεργασίες γένεσης HC Οι ζωντανοί οργανισμοί μετά τον θάνατό τους καταλήγουν στον πυθμένα της θάλασσας, συνιστούν το οργανικό μητρικό υλικό των ορυκτών HC, αποτίθενται πάνω στα λεπτόκοκκα ιζήματα (άργιλοι, ιλύες, μάργες κ.ά.) του πυθμένα, θάβονται μέσα σε λεπτόκοκκα ιζήματα κάτω από αναερόβιες συνθήκες θάβονται σε όλο και μεγαλύτερα βάθη κάτω από νεώτερα ιζήματα, καθώς η ιζηματογένεση συνεχίζεται μέσα στον γεωλογικό χρόνο, από τη στιγμή του θανάτου τους αποσυντίθενται από μικροοργανισμούς. Προϊόντα αποσύνθεσης είναι αέριοι (φυσαλίδες) και υγροί HC (σταγόνες), που δημιουργούνται στη μάζα του μητρικού υλικού

Προϋποθέσεις γένεσης HC Ύπαρξη κατάλληλου περιβάλλοντος απόθεσης Θάνατος και απόθεση μητρικού υλικού στον πυθμένα Ταφή μητρικού υλικού μέσα σε λεπτόκοκκα ιζήματα Κάλυψη από μεγάλου πάχους ιζήματα Βύθιση σε μεγάλα βάθη (>3.000 m) Ωρίμανση του μητρικού υλικού στην «κουζίνα» (kitchen)

Ωρίμανση του μητρικού υλικού Ωρίμανση του μητρικού υλικού Καθώς το μητρικό υλικό σταδιακά θάβεται σε όλο και μεγαλύτερα βάθη, συνεχίζεται η αποσύνθεση-διάσπασή του και η παραγωγή φυσαλίδων και σταγόνων HC, αυξάνει η λιθοστατική πίεση, αλλά και η θερμοκρασία περιβάλλοντος (γεωθερμική βαθμίδα), τα διάφορα στοιχεία, που περιέχονται στα ορυκτά των περιβαλλόντων πετρωμάτων, λειτουργούν ως καταλύτες στις συγκεκριμένες συνθήκες, μητρικό υλικό και ορυκτά βρίσκονται μέσα στο νερό, που διευκολύνει τις αντιδράσεις, με αποτέλεσμα να επιταχύνονται οι αντιδράσεις ωρίμανσης του μητρικού υλικού, δηλαδή παραγωγής υγρών και αερίων HC.

Προϋποθέσεις κοιτασματογένεσης HC μεταναστεύουν πρωτογενώς, εισέρχονται στον ταμιευτήρα, μεταναστεύουν δευτερογενώς, παγιδεύονται σε κατάλληλες δομές, συγκεντρώνονται σε επαρκείς ποσότητες, η συγκέντρωση προστατεύεται από διάβρωση ή διαρροή μέσω ρηγμάτων. Σχηματισμός κοιτάσματος HC

Πρωτογενής μετανάστευση HC Η γένεση φυσαλίδων και σταγόνων μέσα στα λεπτόκοκκα ιζήματα της «κουζίνας» αυξάνει την εσωτερική πίεση του ρευστού στους πόρους του πετρώματος. Η υψηλή πίεση που αναπτύσσεται, δημιουργεί αστάθεια στο ίζημα με αποτέλεσμα ν’ ανοίγουν ρωγμές, στις οποίες διεισδύουν οι υγροί και αέριοι ΗC, που οδεύουν προς περιβάλλοντα χαμηλότερης πίεσης. Λόγω της υψηλής λιθοστατικής πίεσης οι ρωγμές κλείνουν μόλις οι HC διέλθουν. Η κίνηση των ΗC μέσα στο λεπτόκοκκο μητρικό πέτρωμα μέχρι το ταμιευτήριο πέτρωμα ονομάζεται πρωτογενής μετανάστευση.

Δευτερογενής μετανάστευση HC Λόγω του ενεργού πορώδους οι φυσαλίδες και οι σταγόνες κινούνται εύκολα προς περιβάλλοντα χαμηλότερης λιθοστατικής πίεσης. Η κίνηση συνεχίζεται μέχρι οι υγροί και οι αέριοι HC να συναντήσουν εμπόδιο, δηλ. κάποια γεωλογική δομή, την παγίδα, και να συγκεντρωθούν εκεί (= κοίτασμα HC). Η μετακίνηση των HC διαμέσου του περατού (ταμιευτήριου) πετρώματος μέχρι την παγίδα καλείται δευτερογενής μετανάστευση.

Μετανάστευση των HC Εικόνα 1 (Χρηστάνης, 1998) Πρωτογενής Μετανάστευση Δευτερογενής Μετανάστευση Εικόνα 1 (Χρηστάνης, 1998)

Πρωτογενής μετανάστευση Πρωτογενής μετανάστευση Πρωτογενής (με δυσκολία λόγω μεγάλου πάχους μητρικού πετρώματος) Πρωτογενής (με ευκολία λόγω μικρού πάχους μητρικού πετρώματος) Δευτερογενής Μετανάστευση Εικόνα 1 (Χρηστάνης, 1998)

Δομές παγίδευσης HC Εικόνα 2 (Χρηστάνης, 1998)

Στοιχειακή χημική σύσταση Στοιχειακή χημική σύσταση Το πετρέλαιο στοιχειακά αποτελείται: Κύρια στοιχεία: C (80-87%), H (8-15%) Δευτερεύοντα στοιχεία: O (<2%), N (1,7%), S (<8%) Ιχνοστοιχεία: Ca, Mg, Ba, Sr, Si, Al, Fe, Ti, V, Mn, … κ.ά. Το φυσικό αέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο (CH4), που συνίσταται από C και H.

Συστατικά του αργού πετρελαίου Συστατικά του αργού πετρελαίου Το αργό πετρέλαιο αποτελείται από δεκάδες οργανικές ενώσεις, η πλειοψηφία των οποίων ανήκει στις: Παραφίνες ή αλκάνια (κορεσμένοι HC του τύπου CnH2n+2, δηλ. ). Το απλούστερο αλκάνιο είναι το μεθάνιο (n=1). Ναφθένια ή κυκλοπαραφίνες ή κυκλοαλκάνια (κορεσμένοι κυκλικοί HC του τύπου CnH2(n+1-r), όπου r ο αριθμός των δακτυλίων ). Το απλούστερο ναφθένιο είναι το κυκλοπροπάνιο C3H6 (r=1). Αρωματικοί HC (ακόρεστοι κυκλικοί του τύπου ). Ο απλούστερος αρωματικός HC είναι το βενζένιο (C6H6) με έναν δακτύλιο. Ανάλογα με την επικρατούσα ομάδα χαρακτηρίζεται το αργό πετρέλαιο παραφινικό, παραφινικό-ναφθενικό, ναφθενικό, ναφθενικό-αρωματικό κ.ά.

Συστατικά του φυσικού αερίου Συστατικά του φυσικού αερίου Αποτελείται κυρίως (> 90% κ.ό.) από μεθάνιο. Συμμετέχουν: αέριες ή και κάποιες υγρές οργανικές ενώσεις, όπως παραφίνες, βενζένιο, ναφθένια αέριες ανόργανες ενώσεις, όπως CO2, N2, H2S, He κ.ά.

Χαρακτηριστικές ιδιότητες πετρελαίου Χαρακτηριστικές ιδιότητες πετρελαίου Ιξώδες (= ευκολία με την οποία ρέει κάποιο ρευστό) κυμαίνεται από 0,25 έως 1.000.000 centipoise το νερό στους 20οC έχει ιξώδες 1 centipoise, βαριά κλάσματα έχουν > 100, αέρια ~0,25 οΑΡΙ (= , όπου ρ: ειδικό βάρος αργού πετρελαίου) oAPI ρ (g/cm3) Χαρακτηρισμός πετρελαίου Προϊόντα απόσταξης > 34 < 0,855 ελαφρύ 25-30% βενζίνη 35-40% ενδιάμεσα 25-40% βαριά υπολείμματα 34-20 0,855-0,934 μέσο < 20 > 0,934 βαρύ <10% βενζίνη 20-30% ενδιάμεσα 60-80% βαριά υπολείμματα

Σημειώματα

https://eclass.upatras.gr/courses/GEO357/ Σημείωμα Αναφοράς Copyright: Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Γεωλογίας, Κίμων Χρηστάνης. «Ενεργειακές Πηγές και Ενεργειακές Πρώτες Ύλες». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. https://eclass.upatras.gr/courses/GEO357/

Συνιστώμενη βιβλιογραφία Hunt, J.M. (1995). Petroleum geochemistry and geology. New York, W.H. Freman & Company. Robinson, A., Griffiths, P., Prince, S. (2008). The future of hydrocarbon modeling in hydrocarbon development. London, Geological Society of London. Selley, R.C. (1998). Elements of petroleum geology. San Diego, Academic Press. Tiab, D., Donaldson, E.C. (2004). Petrophysics: Theory and practice of measuring reservoir rock and fluid transport properties. Gulf Pub. Co.   Χρηστάνης, Κ. (1998). Ενεργειακές Πηγές και Ενεργειακές Πρώτες Ύλες. Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες: Εικόνες 1 και 2: < Χρηστάνης, K. (2009) > < Ενεργειακές Πηγές και Ενεργειακές Πρώτες Ύλες > < Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Γεωλογίας >

Τέλος Ενότητας