COMPOSIÇÃO DE PETRÓLEO E GÁS NATURAL
quarta-feira, dezembro 02, 2009 Edit This 0 Comments »1 Composição de petróleo e gás natural
1.1 Componentes básicos de petróleo
A palavra "petróleo" não tem significado geológico. O petróleo e o gás natural somente podem ser definidos propriamente em termos físicos e químicos e o geólogo de petróleo deve ter conhecimentos da natureza química e das propriedades físicas dos materiais que fornecem a sua subsistência.
O petróleo e o gás natural são misturas de "hidrocarbonetos". O carbono e o hidrogénio são os únicos elementos essenciais à sua composição. Nos petróleos brutos os componentes principais pertencem somente a duas séries de hidrocarbonetos:
(a) A série de "parafina" e "metano" contêm hidrocarbonetos de cadeia recta com a fórmula geral CnH2n+2. Os compostos variam de metano, CH4, até a série homóloga. O etano, C2H6, o propano, C3H8, e o n-butano, C4H10, são gases à temperatura e pressão padrão (TPS, temperature and pressure standard). O primeiro líquido à TPS é n-pentano, C5H12; o primeiro sólido é hexadecano, C16H34. Os membros que têm pesos moleculares maiores que hexadecano são ceras parafínicas sólidas. Na terminologia química orgânica moderna, esta série de compostos de cadeia recta é designada "n-alcanos".
(b) A série de "nafteno" tem a fórmula geral CnH2n. Ela consiste de hidrocarbonetos alicíclicos ou "cicloparafinas", que são compostos de aneis carbónicos saturados. Os compostos em aneis não podem possuir átomos de carbono inferiores a três (3). O ciclopropano, C3H6, e o ciclobutano, C4H8, são gases a STP; as suas estruturas estão representadas na Figura 1.
Figura 1. Estruturas de ciclopropano (em cima) e ciclobutano (em baixo) (Fonte: http://www.mspc.eng.br/quim2/quim50.shtml).
O primeiro líquido é o ciclopentano, C5H10; ele e o ciclohexano predominam nos petróleos brutos.
As olefinas e os alquenos (alcenos) são isómeros de cicloparafinas, isto é, possuem idênticas composições tal como as suas contrapartes de nafteno, CnH2n, mas estruturas diferentes.Eles são compostos de cadeia insaturada, não compostos de anel saturado. A olefina, CH2 ou metileno, não erxiste na natureza. Os primeiros três membros são etileno, propileno e butileno.
Estas ambas séries de hidrocarbonetos são compostos "alifáticos". Os compostos "aromáticos", baseados em anel benzénico com a fórmula geral CnH2n-6 (com n maior ou igual a 6), também ocorrem em muitos petróleos brutos mas compreendem normalmente menos de 1%. O componente aromático é elevadíssimo em óleo lubrificante, e baixíssimo na gasolina. O tolueno, C6H5CH3 (metilbenzeno ou fenilmetano), excede invariavelmente o benzeno como um componente de petróleos brutos aromáticos, pois ele é solúvel em electrólitos.
Os petróleos brutos dominados por componentes nafténicos são chamados de "petróleo de asfalto de base", porque os asfaltos estão intimamente associados com naftenos e não com parafinas. A grande maioria de petróleos brutos é de "base misturada" (nafteno-parafina); eles incluem quase todos os petróleos de Médio Oriente, do Continente Médio e do Mar do Norte.
A maior parte dos petróleos brutos contém qunatidades menores de hidrocarbonetos não pertencentes quer à série de parafinas quer à série de naftenos. Os hidrocarbonetos menores representam moléculas sintetizadas por organismops vivos no momento de deposição dos sedimentos fontes de petróleo e preservados durante a história geológica subsequente; elas são "fósseis geoquímicos". Em geral, elas são de peso molecular muito mais elevado e têm fórmulas estruturais do tipo CnH2n-x; por outras palavras, a razão atómica de H:C é menor que 2.
As moléculas de hidrocarbonetos menores incluem parafinas de caeia longa derivadas de ceras, de plantas mais altas, esteróides ou álcoois de aneis complexos baseados em ciclohexano, derivados tanto de plantas quanto de animais; e álcoois triterpenóides, compostos aromáticos baseados em terpeno (C10H16) e que têm a fórmula geral C30H50OH (Figura 2). Os precursores de esteróides e politerpenóides dão origem à naftenos com entre 1 à 4 aneis em cada molécula.
Figura 2. Representação de algumas estruturas de terpeno (Fonte: http://www.biomedicina3l.com/2009/05/terpenos.html).
A mais interessante e importante dessas menor série é aquela de "isoprenóides acíclicos", baseados em isopreno (C5H8), a fonte de borracha sintética (Figura 3).
Figura 3. Algumas estruturas de terpenóides. A isoprenóide está representada no canto superior direito (http://www.scielo.br/img/fbpe/qn/v23n6/3536f1.gif).
As isoprenóides formam moléculas longas ramificadas e saturadas com um grupo metil (CH3) ligado a todo o quarto átomo de carbono. Estas moléculas ramificadas ocorrem nas ceras das plantas vivas; acredita-sen que os membros que ocorrem nos petróleos brutos e sedimentos antigos são derivados de clorofila, e eles constituem indicadores úteis de origem dum petróleo. Os membros mais comuns são pristano e fitano. O "pristanos" é 2,6,10,14-tetrametilpentadecano; ele tem 15 átomos de carbono na sua cadeia, cada um grupo metil logado ao segundo, sexto, décimo e décimo querto átomos de carbono, totalizando dezanove átomos de carbono. O "fitano" é um tetrametilhexadecano e adiciona os seus quatro grupos de metil à uma cadeia de dezassies átomos de carbono para um total de vinte átomos de carbono. A razão/relação entre os contrúdos de pristano e fitano dum petróleo bruto ou extrato de rocha, medida cromatográficamente, pode indicar o tipo da matéria orgânica da qual o petróleo originou e /ou o nível da maturaçãotérmica da fonte. Uma razão/relação elevada, por exemplo, pode indicar uma contribuição larga da matéria orgânica terrestre.
1.2 Gás Natural
O gás natural consiste de hidrocarbonetos não condensáveis a 20oC (68oF) e pressão atmosférica; isto significa eficazmente os primeiros quatro membros da série de parafina, metano até n-butano. O gás composto quase inteiramente de metano é "gás seco". Se a proporção de etano e moléculas pesadas excede algum valor arbitrário ( convencionalmente 0.3 galões de vapor por 1000 pés cúbicos de gás, ou entre 4-5% na América do Norte), o gás é chamado de "gás húmido".
Os gases naturais consistentes larga e completamente de metano podem ter qualquer uma das três (3) origens distintas:
(a) Gás de petróleo pode ser formado como um produto acessório de geração de petróleo. Neste caso, o gás ou companha o petróleo no seu reservatório subsuperficial, ou está contido num reservatório separado no meio de outros reservatórios que contêm petróleo. Tal gás chama-se "gás associado". O gás de petróleo pode ser formado alternativamente pela modificação termocatalítica de petróleo sob temperaturas prevalescentes nos reservatórios profundos. Este gás já não acompanha mais o petróleo e chama-se "gás não associado".
(b) Gás de carvão é formado por modificação de carvão termocataliticamente ou doutro modo. Grande parte de gás natural comercial do mundo é desta origem.
(c) Gás bacterial é formado pela alteração da matéria orgânica à baixas temperaturas na superfície ou perto dela. Ele não tem uma ligação directa com o petróleo. O gás de pântano é um exemplo que ocorre nas águas estagnadas que contêm vegetação em decomposição.
"O gás mineral" é um material não realcionado; o termo deve ser restringido à gases libertados durante a actividade ígnea.
O gás que acompanha o petróleo no reservatório está em solução no petróleo sob condições de temperatura e pressão do reservatório. A quantidade de g+as na solução aumenta com a pressão crescente do reservatóriom, e exerce grande efeito sobre as propriedade físicas do petróleo. A pressão é também responsável pela habilidade muitos poços de petróleo fluirem o petróleo até ab superfície sem ajuda artificial. Se o conteúdo de gás é suficiente para saturar o petróleo sob condições existentes, a quantidade incapaz de entrar na solução forma uma "tampa de gás livre" (free gas cap).
O volume do gás no reservatório, em realção ao volume do petróleo, é chamado de "razão de gás:petróleo" (GOR, gas and oil ratio/relation).
1.3 Significado prático de números de carbono
Entre gás e petróleo existe uma separação no caborno catorze (14). Butano, C4H10
Figura 4. Estrutura de um isoparafina (http://forensic.to/webhome/arson/arson/slide0068_image069.jpg).
Os conmpostos n-parafina e isoparafina são "saturados"; eles contêm muitos átomos de hidrogénio à medida que a natureza tetravalente dos átomos de carbono permite. Não são reactivos particularmente. O homólogo mais próximo de nafteno, o butileno (C4H8
Desta maneira, o número de espécies de hidrocarbonetos num petróleo bruto não tratado pode ser maior. Nem todos têm propriedades desejadas por muitos utilizadores diferentes, e é o objectivo do refinador fazer as modificalões necessárias. A base da refineção é a destilação ordinária ou "fraccionação", na qual o petróleo é aquecido até que as suas várias moléculas componentes evaporem na ordem dos seus pontos de ebulição crescentes.
A destilação revela que 70-80% da maior parte dos petróleos brutos consistem de hidrocarbonetos mais que C10
(1) Gasolina e nafta, com benzeno e outros petróleos voláteis (4-10 átomos de carbono);
(2) Queroceno e petróleo de iluminação (11-13 átomos de carbono);
(3) Dísel e petróleo de gás leve (14-18 átomos de carbono);
(4) Petróleo de gás pesado, petróleos de aquecimento doméstico (19-25 átomos de carbono);
(5) Óleos de lubrificação, petróleos de combustíveis leves (25-40 átomos de carbono); e
(6) Petróleo de combustível residual e pesado (mais de 40 átomos de carbon).
As fracções 2-4 são chamados de "destilados médios" centrais. O que resta no fim do processo é "resíduo" consistente sobretudo de "não hidrocarbonetos alifáticos".
1.4 Constituinte não hidrocarbonetos de petróleo e gás natural
Os constituintes não hidrocarbonetos comumente encontrados nos petróleos brutos e gases naturais são enxofre (S), nitrogénio (N), e oxigénio (O) e os seus compostos (chamados compostos ou heterocompostos de S-N-O) e organocompostos de certos metais pesados (principalmente vanádio e níquel). O gases naturais também podem conter hidrogénio, hélio, ou ragon; os dois últimos não têm nada a ver com a geração de petróleo.
1.4.1 Enxofre e os seus compostos
O enxofre é o mais importante dos heterocompostos. Poucos petróleos estão completamente sem ele; poucos contêm mais de 3% por peso dele. O conteúdo de enxofre é mais alto nos petróleos pesados do que nos leves, estando concentrado no peso molecular mais elevado, pinto de ebulição mais elevado e fracções mais polares (resinas e asfaltenos).
