الخواص الفيزيائية والكيميائية للنفط الخام | Physical and chemical properties of Crude Oil

الخواص الفيزيائية والكيميائية للنفط الخام: تحليل شامل لأساس صناعة الطاقة

يُعَد النفط الخام (Crude Oil)، الذي يشار إليه غالبًا بالذهب الأسود، حجر الزاوية في الحضارة الصناعية الحديثة ومصدر الطاقة الرئيسي عالميًا. ومع ذلك، فإن هذا السائل الأسود اللزج ليس مادة متجانسة، بل هو خليط معقد بشكل استثنائي يتكون من آلاف المركبات الكيميائية المختلفة، والتي تشكلت على مدى ملايين السنين من بقايا الكائنات الحية الدقيقة تحت تأثيرات هائلة للحرارة والضغط في باطن الأرض. إن فهم الخواص الفيزيائية والكيميائية للنفط الخام ليس مجرد تمرين أكاديمي، بل هو ضرورة حتمية لجميع مراحل صناعة النفط والغاز، بدءًا من الاستكشاف والإنتاج في قطاع المنبع (Upstream)، مرورًا بالنقل والتخزين في قطاع النقل (Midstream)، وانتهاءً بعمليات التكرير والمعالجة لإنتاج الوقود والمنتجات البتروكيماوية في قطاع المصب (Downstream). يحدد هذا الفهم العميق الجدوى الاقتصادية لحقل نفطي معين، ويؤثر على تصميم معدات الإنتاج وخطوط الأنابيب، ويحكم كفاءة وربحية مصافي التكرير، ويضمن السلامة التشغيلية والامتثال للمعايير البيئية. يتناول هذا المقال تحليلًا مفصلاً وشاملاً لهذه الخواص، موضحًا تركيبها، وطرق قياسها، وتأثيرها المباشر على العمليات الهندسية في مختلف قطاعات الصناعة.

التركيب الكيميائي للنفط الخام (Chemical Composition of Crude Oil)

يكمن تعقيد النفط الخام في تركيبه الكيميائي المتغير بدرجة كبيرة من مكمن إلى آخر، بل وحتى داخل المكمن الواحد. يتكون بشكل أساسي من الهيدروكربونات، وهي مركبات عضوية تحتوي على عنصري الكربون والهيدروجين فقط، بالإضافة إلى كميات أقل ولكنها مؤثرة من المركبات غير الهيدروكربونية التي تحتوي على عناصر مثل الكبريت والنيتروجين والأكسجين والمعادن. يمكن تقسيم هذا التركيب المعقد إلى فئات رئيسية لفهمه بشكل أفضل.

المكونات الهيدروكربونية (Hydrocarbon Components)

تشكل الهيدروكربونات النسبة العظمى من النفط الخام، وتتراوح عادة بين 83% إلى 87% من حيث الوزن. إن تنوع هذه المركبات من حيث الحجم والشكل والتركيب هو ما يمنح كل نوع من النفط الخام خصائصه الفريدة. تُصنف الهيدروكربونات الموجودة في النفط الخام إلى ثلاث مجموعات رئيسية: البارافينات، والنفثينات، والعطريات.

السلسلة البارافينية (Paraffin Series - Alkanes)

البارافينات، المعروفة كيميائيًا باسم الألكانات (Alkanes)، هي أبسط أنواع الهيدروكربونات. تتميز بأنها هيدروكربونات مشبعة (Saturated Hydrocarbons)، مما يعني أن جميع ذرات الكربون فيها ترتبط بروابط تساهمية أحادية، إما مع ذرات كربون أخرى أو مع ذرات هيدروجين، مما يجعلها مستقرة كيميائيًا نسبيًا. صيغتها الكيميائية العامة هي $C_n H_{2n+2}$.

توجد البارافينات في النفط الخام على شكلين رئيسيين:

• البارافينات العادية (Normal Paraffins): تكون فيها ذرات الكربون مرتبة في سلسلة مستقيمة غير متفرعة. وتشمل الميثان ($CH_4$)، والإيثان ($C_2H_6$)، والبروبان ($C_3H_8$)، والبيوتان ($C_4H_{10}$)، وهي غازات في الظروف العادية، وصولًا إلى الجزيئات الأثقل مثل البنتان والهكسان التي تكون سوائل، والجزيئات التي تحتوي على أكثر من 16 ذرة كربون والتي تكون مواد صلبة شمعية في درجة حرارة الغرفة.
• البارافينات المتفرعة (Iso-Paraffins): تكون فيها سلسلة الكربون الرئيسية متفرعة. على سبيل المثال، الأيزوبيوتان له نفس الصيغة الكيميائية ($C_4H_{10}$) مثل البيوتان العادي ولكنه يمتلك بنية مختلفة. تتميز هذه المركبات عادةً برقم أوكتان أعلى من نظيراتها المستقيمة، مما يجعلها مرغوبة في مزج البنزين.

يؤثر وجود البارافينات بشكل كبير على خواص النفط الخام. فالنفط الخام الغني بالبارافينات الخفيفة يكون ذا كثافة منخفضة (API مرتفع) ولزوجة منخفضة، بينما النفط الخام الذي يحتوي على نسبة عالية من البارافينات الثقيلة (الشموع) يميل إلى أن يكون له نقطة انسكاب (Pour Point) مرتفعة، مما قد يسبب مشاكل في التدفق والترسيب في خطوط الأنابيب والمعدات عند انخفاض درجات الحرارة.

السلسلة النفثينية (Naphthene Series - Cycloalkanes)

النفثينات، أو الألكانات الحلقية (Cycloalkanes)، هي أيضًا هيدروكربونات مشبعة، ولكن ذرات الكربون فيها مرتبة في حلقات مغلقة بدلاً من سلاسل مستقيمة أو متفرعة. صيغتها الكيميائية العامة هي $C_n H_{2n}$. أكثر الحلقات شيوعًا في النفط الخام هي تلك التي تحتوي على خمس ذرات كربون (سيكلوبنتان) وست ذرات كربون (سيكلوهكسان) ومشتقاتها التي قد تحتوي على سلاسل جانبية بارافينية متصلة بالحلقة.

تعتبر النفثينات مكونًا مرغوبًا في النفط الخام، خاصة لإنتاج وقود عالي الجودة. عند معالجتها في وحدات إعادة التشكيل الحفزي (Catalytic Reforming)، يمكن تحويلها بسهولة إلى مركبات عطرية ذات رقم أوكتان مرتفع جدًا، مما يجعل الخامات النفثينية مصدرًا ممتازًا لمكونات مزج البنزين (Gasoline) ووقود الطائرات (Jet Fuel).

السلسلة العطرية (Aromatic Series)

العطريات هي فئة من الهيدروكربونات غير المشبعة (Unsaturated Hydrocarbons) التي تحتوي على حلقة بنزين واحدة على الأقل. حلقة البنزين ($C_6H_6$) هي بنية حلقية مستوية تتميز بوجود روابط مزدوجة مترافقة تمنحها استقرارًا كيميائيًا فريدًا. الصيغة العامة لهذه السلسلة معقدة وتعتمد على عدد الحلقات والسلاسل الجانبية.

تشمل أبسط المركبات العطرية الموجودة في النفط الخام البنزين (Benzene)، والتولوين (Toluene)، والإيثيل بنزين (Ethylbenzene)، والزيلين (Xylene)، والتي تعرف مجتمعة باسم BTEX. هذه المركبات سامة ولكنها ذات قيمة عالية كمذيبات ومواد أولية في الصناعات البتروكيماوية.

بالإضافة إلى ذلك، يحتوي النفط الخام على مركبات عطرية متعددة الحلقات (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons - PAHs)، مثل النفثالين والأنثراسين، والتي تتكون من حلقتي بنزين أو أكثر مندمجة معًا. تميل هذه المركبات إلى التركز في الأجزاء الثقيلة من النفط الخام (مثل زيت الغاز وزيوت التشحيم والبقايا)، وتتميز بكثافتها العالية وميلها لتكوين فحم الكوك (Coke) أثناء عمليات التكسير الحراري. النفط الخام الغني بالعطريات يكون عادةً ذا كثافة أعلى ولزوجة أكبر مقارنة بالنفط البارافيني.

المكونات غير الهيدروكربونية (Non-Hydrocarbon Components)

على الرغم من أنها تشكل نسبة صغيرة من وزن النفط الخام (تصل إلى 15% في بعض الحالات)، إلا أن هذه المكونات لها تأثير غير متناسب على جودة النفط الخام، وسعره، ومتطلبات معالجته. تُعتبر هذه المركبات شوائب يجب إزالتها أو تقليل تركيزها لتلبية مواصفات المنتج النهائي وحماية المعدات والبيئة.

مركبات الكبريت (Sulfur Compounds)

الكبريت هو العنصر غير الهيدروكربوني الأكثر شيوعًا وتأثيرًا في النفط الخام. يمكن أن يتراوح محتواه من أقل من 0.05% بالوزن في الخامات "الحلوة" (Sweet Crude) إلى أكثر من 5% في الخامات "الحامضة" (Sour Crude). يوجد الكبريت في أشكال كيميائية متنوعة، منها:

• كبريتيد الهيدروجين (Hydrogen Sulfide, $H_2S$): غاز سام جدًا وشديد التآكل، يوجد مذابًا في النفط الخام.
• المركبتانات (Mercaptans or Thiols): مركبات عضوية لها رائحة كريهة جدًا (صيغتها R-SH).
• الكبريتيدات (Sulfides or Thioethers): مثل ثنائي ميثيل الكبريتيد (صيغتها R-S-R').
• ثنائي الكبريتيدات (Disulfides): (صيغتها R-S-S-R').
• الثيوفينات (Thiophenes): مركبات حلقية عطرية تحتوي على الكبريت، وهي مستقرة حراريًا ويصعب إزالتها.

وجود مركبات الكبريت يمثل تحديًا كبيرًا لمصافي التكرير. فهي تسبب تآكلًا شديدًا في المعدات، وتسمم المحفزات (Catalysts) المستخدمة في عمليات التحويل مثل التكسير الحفزي وإعادة التشكيل، وعند حرق المنتجات البترولية التي تحتوي عليها، تنتج أكاسيد الكبريت ($SO_x$) التي تساهم في تكوين المطر الحمضي وتلوث الهواء. لذلك، يجب إزالة الكبريت من خلال عمليات معالجة مكلفة مثل المعالجة بالهيدروجين (Hydrotreating).

مركبات النيتروجين (Nitrogen Compounds)

يوجد النيتروجين بتركيزات أقل من الكبريت، عادةً أقل من 1% بالوزن. تكون مركبات النيتروجين أكثر تعقيدًا واستقرارًا من مركبات الكبريت، وتتركز في الأجزاء الثقيلة من النفط الخام. تُصنف إلى نوعين رئيسيين:

• مركبات قاعدية (Basic): مثل البيريدين (Pyridine) والكينولين (Quinoline)، وهي تسبب تسممًا مؤقتًا للمحفزات الحمضية.
• مركبات غير قاعدية (Non-basic): مثل البيرول (Pyrrole) والكاربازول (Carbazole)، وهي أكثر استقرارًا وتسبب تسممًا دائمًا للمحفزات.

تؤدي مركبات النيتروجين إلى تقليل فعالية المحفزات، وتساهم في تكوين الصمغ والترسبات في المنتجات النهائية (خاصة وقود الديزل)، وتنتج أكاسيد النيتروجين ($NO_x$) عند الاحتراق، وهي ملوثات رئيسية للهواء. تتطلب إزالتها ظروفًا قاسية في وحدات المعالجة بالهيدروجين.

مركبات الأكسجين (Oxygen Compounds)

يوجد الأكسجين بتركيزات منخفضة نسبيًا (أقل من 2% بالوزن). أهم مركباته هي الأحماض النفثينية (Naphthenic Acids)، وهي أحماض كربوكسيلية ذات بنية حلقية نفثينية. هذه الأحماض هي المسؤولة الرئيسية عن حمضية النفط الخام، والتي يتم قياسها بواسطة رقم الحمض الكلي (Total Acid Number - TAN). النفط الخام ذو رقم TAN مرتفع (> 0.5 mg KOH/g) يعتبر شديد التآكل للمعدات عند درجات الحرارة المرتفعة (فوق 220 درجة مئوية)، وهي مشكلة تُعرف بـ التآكل النفثيني (Naphthenic Acid Corrosion). تشمل المركبات الأكسجينية الأخرى الفينولات (Phenols) والكريسولات (Cresols).

مركبات عضوية معدنية (Organometallic Compounds)

يحتوي النفط الخام على كميات ضئيلة من المعادن، ولكنها قد تكون ذات تأثير كبير. أهم هذه المعادن هي الفاناديوم (Vanadium) والنيكل (Nickel)، والتي توجد غالبًا على شكل مركبات معقدة تُعرف بالبورفيرينات (Porphyrins)، وهي مشابهة في تركيبها للكلوروفيل في النباتات والهيموجلوبين في الدم.

تتركز هذه المعادن في الأجزاء الثقيلة جدًا من النفط الخام مثل الأسفلتينات. أثناء عمليات التكرير، تترسب هذه المعادن على سطح المحفزات (خاصة في وحدات التكسير الحفزي المائع - FCC)، مما يؤدي إلى تعطيلها بشكل دائم وتقليل عمرها الافتراضي وزيادة التكاليف التشغيلية. كما يمكن أن توجد معادن أخرى مثل الحديد والصوديوم والكالسيوم، والتي ترتبط غالبًا بالماء والأملاح الموجودة في النفط.

المكونات المعقدة (Complex Components)

بالإضافة إلى الفئات المذكورة، يحتوي النفط الخام على جزيئات كبيرة ومعقدة للغاية يصعب تصنيفها ضمن المجموعات السابقة. وأهمها الأسفلتينات والراتنجات.

الأسفلتينات (Asphaltenes)

الأسفلتينات هي المكونات الأثقل والأكثر قطبية والأكثر تعقيدًا في النفط الخام. لا يتم تعريفها ببنية كيميائية محددة، بل بعملية فصلها: هي الجزء من النفط الخام غير القابل للذوبان في الألكانات الخفيفة مثل البنتان العادي أو الهبتان العادي، ولكنه قابل للذوبان في المذيبات العطرية مثل التولوين. تتكون جزيئات الأسفلتين من أنظمة عطرية متعددة الحلقات مدمجة، مع سلاسل جانبية أليفاتية ووجود ذرات غير متجانسة (S, N, O) ومعادن.

تكمن مشكلة الأسفلتينات في ميلها إلى التكتل والترسيب عند حدوث أي تغيير في ظروف الضغط أو درجة الحرارة أو التركيب الكيميائي للنفط الخام (على سبيل المثال، عند حقن الغاز أو خلط أنواع مختلفة من النفط). يمكن أن يؤدي ترسب الأسفلتين إلى انسداد مسام المكمن، وتقييد التدفق في أنابيب الإنتاج، وتكوين حمأة (Sludge) في الخزانات والمعدات، مما يسبب مشاكل تشغيلية خطيرة ومكلفة.

تُعرف ظاهرة ترسب الأسفلتينات بأنها واحدة من أكبر تحديات ضمان التدفق (Flow Assurance) في صناعة النفط والغاز.

الراتنجات (Resins)

الراتنجات هي أيضًا جزيئات قطبية ثقيلة، لكنها أصغر حجمًا وأقل تعقيدًا من الأسفلتينات. على عكس الأسفلتينات، فإنها قابلة للذوبان في الألكانات الخفيفة. تلعب الراتنجات دورًا حاسمًا كـعوامل استحلاب (Peptizing Agents) للأسفلتينات، حيث تحيط بجزيئات الأسفلتين وتمنعها من التكتل والترسيب، مما يبقيها مشتتة ومستقرة في النفط. يعتمد استقرار الأسفلتينات في النفط الخام بشكل كبير على التوازن بين الأسفلتينات والراتنجات والمكونات الأخرى.

الخواص الفيزيائية للنفط الخام (Physical Properties of Crude Oil)

الخواص الفيزيائية للنفط الخام هي مجموعة من الخصائص القابلة للقياس التي تصف سلوك المائع دون تغيير تركيبه الكيميائي. هذه الخواص ضرورية للتصميم الهندسي للمعدات، ونمذجة تدفق الموائع في المكامن وخطوط الأنابيب، وتحديد قيمة النفط الخام وجودته.

الكثافة والجاذبية النوعية (Density and Specific Gravity)

الكثافة (Density) هي كتلة وحدة الحجم من المادة، وتقاس بوحدات مثل kg/m³ أو lb/ft³. أما الجاذبية النوعية (Specific Gravity - SG) فهي خاصية لا بعدية تُعرَّف بأنها نسبة كثافة المادة إلى كثافة الماء عند ظروف قياسية (عادة 60 درجة فهرنهايت أو 15.6 درجة مئوية).

في صناعة النفط، الخاصية الأكثر استخدامًا للتعبير عن كثافة النفط الخام هي جاذبية معهد البترول الأمريكي (API Gravity). وهي مقياس عكسي للكثافة؛ فكلما زادت كثافة النفط، انخفضت درجة API الخاصة به. تُحسب درجة API باستخدام المعادلة التالية:

حيث $SG \text{ at } 60/60^\circ F$ هي الجاذبية النوعية للنفط عند 60 درجة فهرنهايت مقارنة بالماء عند 60 درجة فهرنهايت. بناءً على درجة API، يُصنف النفط الخام بشكل عام إلى:

• نفط خفيف (Light Crude): درجة API أعلى من 31.1.
• نفط متوسط (Medium Crude): درجة API بين 22.3 و 31.1.
• نفط ثقيل (Heavy Crude): درجة API بين 10 و 22.3.
• نفط ثقيل جدًا (Extra Heavy Crude) / بيتومين (Bitumen): درجة API أقل من 10 (أثقل من الماء).

تعتبر درجة API مؤشرًا اقتصاديًا رئيسيًا. فالنفط الخام الخفيف أكثر قيمة من النفط الثقيل لأنه ينتج نسبة أعلى من المنتجات الخفيفة عالية القيمة مثل البنزين والديزل عند التكرير، ويتطلب طاقة أقل للمعالجة.

اللزوجة (Viscosity)

اللزوجة (Viscosity) هي مقياس لمقاومة المائع للتدفق أو التشوه. إنها خاصية جوهرية تؤثر على كل شيء بدءًا من استخلاص النفط من المكمن وحتى ضخه عبر خطوط الأنابيب. هناك نوعان رئيسيان من اللزوجة:

• اللزوجة الديناميكية (Dynamic or Absolute Viscosity, µ): تقيس القوة المطلوبة لتحريك طبقة من المائع فوق طبقة أخرى. وحداتها الشائعة هي السنتي بواز (Centipoise, cP).
• اللزوجة الكينماتيكية (Kinematic Viscosity, ν): هي نسبة اللزوجة الديناميكية إلى كثافة المائع ($ν = µ/ρ$). وحداتها الشائعة هي السنتي ستوك (Centistoke, cSt).

تتأثر لزوجة النفط الخام بشكل كبير بعدة عوامل:

1. درجة الحرارة (Temperature): هي العامل الأكثر تأثيرًا. تنخفض لزوجة النفط الخام بشكل كبير (أسيًا) مع زيادة درجة الحرارة. هذا هو السبب في أن تسخين النفط الثقيل ضروري لتسهيل ضخه.
2. الضغط (Pressure): تأثير الضغط على لزوجة النفط الخام "الميت" (Dead Oil - لا يحتوي على غاز مذاب) قليل نسبيًا ويزداد بشكل طفيف مع زيادة الضغط.
3. محتوى الغاز المذاب (Dissolved Gas Content): وجود الغازات الخفيفة (مثل الميثان والإيثان) مذابة في النفط الخام يقلل بشكل كبير من لزوجته. يُعرف النفط الخام في المكمن الذي يحتوي على غاز مذاب باسم "النفط الحي" (Live Oil). مع انخفاض الضغط أثناء الإنتاج، يتحرر هذا الغاز، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في لزوجة النفط المتبقي.
4. التركيب الكيميائي: النفط الغني بالجزيئات الثقيلة والمعقدة (العطريات والأسفلتينات) يكون أعلى لزوجة من النفط الغني بالمركبات البارافينية الخفيفة.

تحدد اللزوجة متطلبات الطاقة اللازمة لضخ النفط، وتؤثر على كفاءة الفصل في العازلات، وتلعب دورًا حاسمًا في محاكاة تدفق الموائع في المكامن لتحديد معدلات الإنتاج وكفاءة الاستخلاص.

الخواص الحرارية (Thermal Properties)

هذه الخواص تصف سلوك النفط الخام عند تعرضه للحرارة، وهي ذات أهمية قصوى للسلامة والتشغيل.

نقطة الوميض ونقطة الاشتعال (Flash Point and Fire Point)

نقطة الوميض (Flash Point) هي أدنى درجة حرارة يمكن عندها للمادة أن تطلق أبخرة كافية لتكوين خليط قابل للاشتعال مع الهواء. عند تعرض هذا الخليط لمصدر إشعال خارجي، يحدث "وميض" لحظي ولكنه لا يستمر بالاشتعال. أما نقطة الاشتعال (Fire Point) فهي درجة حرارة أعلى قليلًا، حيث تكون الأبخرة كافية للحفاظ على الاحتراق المستمر لمدة 5 ثوانٍ على الأقل بعد الإشعال.

هاتان الخاصيتان هما مؤشران حاسمان على مدى خطورة وقابلية اشتعال النفط الخام ومنتجاته. يتم استخدامهما لتصنيف المواد البترولية لأغراض التخزين والنقل والمناولة الآمنة. النفط الخام الخفيف ذو المكونات المتطايرة العالية له نقطة وميض منخفضة جدًا (قد تكون أقل من درجة حرارة الغرفة).

نقطة الانسكاب ونقطة التغيم (Pour Point and Cloud Point)

نقطة التغيم (Cloud Point) هي درجة الحرارة التي تبدأ عندها الشموع البارافينية الثقيلة المذابة في النفط بالتبلور والظهور على شكل ضباب أو "غيمة"، مما يجعل السائل عكرًا. هذه هي أول علامة على أن مشاكل التدفق قد تبدأ.

نقطة الانسكاب (Pour Point) هي أدنى درجة حرارة يستمر عندها النفط في التدفق عند تبريده في ظل ظروف اختبار محددة. عند درجة حرارة أقل من نقطة الانسكاب، يكون النفط قد "تجمد" عمليًا بسبب شبكة بلورات الشمع المتشابكة التي تحبس السائل المتبقي. تعتبر نقطة الانسكاب خاصية حاسمة لضمان التدفق (Flow Assurance)، خاصة في البيئات الباردة أو في خطوط الأنابيب البحرية. إذا انخفضت درجة حرارة النفط عن نقطة الانسكاب، يمكن أن يتوقف التدفق تمامًا، وتكون عملية إعادة تشغيل الخط مكلفة وصعبة للغاية. يتم استخدام مواد كيميائية تُعرف باسم "مثبطات نقطة الانسكاب" (Pour Point Depressants) لمنع تكون هذه الشبكة الشمعية.

ضغط البخار (Vapor Pressure)

ضغط البخار الحقيقي (True Vapor Pressure - TVP) هو الضغط الذي يمارسه بخار السائل عندما يكون في حالة توازن مع سائله عند درجة حرارة معينة في وعاء مغلق. إنه مقياس لميل السائل إلى التبخر.

في الصناعة، يتم استخدام اختبار موحد ومبسط يُعرف بـضغط البخار ريد (Reid Vapor Pressure - RVP). يقيس هذا الاختبار ضغط البخار للنفط الخام أو المنتجات البترولية عند 100 درجة فهرنهايت (37.8 درجة مئوية) في جهاز قياسي. قيمة RVP ليست نفس قيمة TVP ولكنها مرتبطة بها وتستخدم كمؤشر عملي على تطاير السائل.

يعتبر RVP ذا أهمية قصوى لعدة أسباب:

• السلامة: النفط الخام ذو RVP المرتفع يشكل خطر انفجار أكبر في الخزانات. يجب تصميم خزانات التخزين (خاصة الخزانات ذات السقف العائم) لتحمل ضغط البخار ومنع انبعاث الأبخرة.
• البيئة: الأبخرة المنبعثة هي مركبات عضوية متطايرة (VOCs)، وهي ملوثات للهواء وتساهم في تكوين الضباب الدخاني. تفرض اللوائح البيئية قيودًا صارمة على RVP للمنتجات مثل البنزين.
• التشغيل: في عمليات الضخ، إذا انخفض الضغط في خط الشفط للمضخة إلى ما دون ضغط بخار السائل، يمكن أن يحدث التكهف (Cavitation)، مما يؤدي إلى تلف المضخة.

التوتر السطحي والبيني (Surface and Interfacial Tension)

التوتر السطحي (Surface Tension) هو القوة التي تؤثر على سطح السائل وتجعله يميل إلى اتخاذ أصغر مساحة ممكنة (مثل تشكل قطرات كروية). يحدث عند السطح الفاصل بين السائل والغاز (الهواء).

التوتر البيني (Interfacial Tension - IFT) هو نفس الظاهرة ولكنها تحدث عند السطح الفاصل بين سائلين غير قابلين للامتزاج (مثل النفط والماء) أو بين سائل وجسم صلب (مثل النفط وصخور المكمن).

هذه الخواص مهمة للغاية في:

• هندسة المكامن: يؤثر التوتر البيني على الضغط الشعيري (Capillary Pressure) والترطيبية (Wettability)، وهما عاملان يحددان كيفية توزيع النفط والماء والغاز في مسام الصخور وكفاءة إزاحة النفط أثناء الإنتاج الأولي أو عمليات الاستخلاص المعزز للنفط (EOR).
• عمليات الفصل: يؤثر التوتر البيني على استقرار المستحلبات (Emulsions)، وهي خليط من قطرات دقيقة من الماء منتشرة في النفط (أو العكس). كلما انخفض التوتر البيني، كان المستحلب أكثر استقرارًا وأصعب في الكسر، مما يعقد عمليات فصل الماء عن النفط في محطات المعالجة.

تصنيف وتقييم النفط الخام (Crude Oil Classification and Assay)

نظرًا للتنوع الهائل في خصائص النفط الخام، من الضروري وجود أنظمة لتصنيفه وتقييم جودته وقيمته التجارية. يتم هذا التقييم من خلال مجموعة من الاختبارات المعملية الموحدة التي تُعرف باسم فحص النفط الخام (Crude Oil Assay).

أسس التصنيف (Basis for Classification)

يتم تصنيف النفط الخام في السوق العالمية بشكل أساسي بناءً على خاصيتين رئيسيتين:

التصنيف حسب الكثافة (API Gravity)

كما ذكرنا سابقًا، يصنف النفط إلى خفيف، متوسط، ثقيل. النفط الخفيف هو الأكثر طلبًا وسعرًا.

التصنيف حسب محتوى الكبريت (Sulfur Content)

يصنف النفط بناءً على نسبة الكبريت الوزنية فيه إلى:

• نفط حلو (Sweet Crude): يحتوي على نسبة كبريت منخفضة، عادة أقل من 0.5%. يسهل تكريره وأقل تآكلًا، وبالتالي فهو أغلى ثمنًا.
• نفط حامض (Sour Crude): يحتوي على نسبة كبريت عالية، أعلى من 0.5%. يتطلب وحدات معالجة إضافية لإزالة الكبريت، مما يزيد من تكلفة التكرير.

يتم دمج هذين التصنيفين لوصف الخامات القياسية في السوق، على سبيل المثال، خام غرب تكساس الوسيط (WTI) هو خام خفيف حلو (Light Sweet Crude)، بينما خام دبي هو خام متوسط حامض (Medium Sour Crude).

فحص النفط الخام (Crude Oil Assay)

فحص النفط الخام هو تحليل شامل ومفصل للخواص الفيزيائية والكيميائية للنفط. إنه بمثابة "شهادة ميلاد" للنفط الخام، ويوفر للمصافي المعلومات اللازمة لتحديد ما إذا كان النفط مناسبًا لتكوينها، وما هي المنتجات التي يمكن إنتاجها منه وبأي كميات، وما هي التحديات التشغيلية التي قد تواجهها.

منحنى التقطير (Distillation Curve)

الجزء الأكثر أهمية في فحص النفط الخام هو تحليل التقطير. يتم تسخين عينة من النفط الخام تدريجيًا لفصلها إلى أجزاء (أو قطفات) مختلفة بناءً على نقاط غليانها. الطريقة الأكثر دقة هي تقطير نقطة الغليان الحقيقية (True Boiling Point - TBP)، والتي تستخدم عمود تقطير عالي الكفاءة.

ينتج عن هذا الاختبار منحنى TBP، وهو رسم بياني يوضح النسبة المئوية الحجمية أو الوزنية للنفط الخام المقطر مقابل درجة حرارة الغليان. يسمح هذا المنحنى للمهندسين بتحديد "نقاط القطع" (Cut Points) للحصول على المنتجات المختلفة:

• غازات البترول المسالة (LPG): تغلي عند درجات حرارة منخفضة جدًا.
• النافثا الخفيفة والثقيلة (Light/Heavy Naphtha): تستخدم لإنتاج البنزين والمواد البتروكيماوية.
• الكيروسين (Kerosene): يستخدم كوقود للطائرات.
• زيت الغاز (Gas Oil) / الديزل (Diesel).
• زيت الغاز الفراغي (Vacuum Gas Oil - VGO): يستخدم كلقيم لوحدات التكسير.
• البقايا (Residue): الجزء الذي لا يغلي حتى في ظل التفريغ، ويستخدم لإنتاج زيت الوقود الثقيل، أو الإسفلت، أو يتم معالجته في وحدات تكسير متخصصة.

منحنى تقطير TBP نموذجي للنفط الخام يوضح نقاط القطع للمنتجات البترولية المختلفة

الخواص المتعلقة بالشوائب (Properties Related to Impurities)

يقيس فحص النفط الخام أيضًا مستوى الشوائب التي تؤثر على التشغيل والجودة.

محتوى الماء والرواسب (Basic Sediment and Water - BS&W)

يقيس هذا الاختبار النسبة الحجمية للماء والرواسب (مثل الرمل والطين ومنتجات التآكل) في النفط الخام. يتم إجراء الاختبار عادةً باستخدام جهاز طرد مركزي. الماء والرواسب ليس لهما قيمة، ويجب دفع تكاليف لنقلهما، كما يسببان مشاكل تشغيلية مثل التآكل وتكوين المستحلبات والترسبات في المعدات. يتم تحديد سعر النفط الخام بناءً على حجمه الصافي بعد خصم BS&W.

محتوى الملح (Salt Content)

يوجد الملح (أساسًا كلوريد الصوديوم، الكالسيوم، والمغنيسيوم) مذابًا في قطرات الماء الصغيرة المصاحبة للنفط الخام. يتم التعبير عن محتوى الملح بوحدة رطل لكل ألف برميل (Pounds per Thousand Barrels - PTB). أثناء تسخين النفط الخام في وحدات التقطير، يمكن أن تتحلل أملاح المغنيسيوم والكالسيوم بالماء لتكوين حمض الهيدروكلوريك ($HCl$)، وهو شديد التآكل. كما يمكن للأملاح أن تترسب على أسطح المبادلات الحرارية، مما يقلل من كفاءة نقل الحرارة. لذلك، يجب إزالة الملح في وحدة إزالة الملوحة (Desalter) قبل دخول النفط إلى برج التقطير.

رقم الحمض الكلي (Total Acid Number - TAN)

كما ذكر سابقًا، يقيس TAN تركيز الأحماض النفثينية. الخامات ذات TAN المرتفع (High TAN Crudes) تتطلب استخدام سبائك معدنية مقاومة للتآكل في أجزاء من المصفاة تعمل عند درجات حرارة عالية، مما يزيد من التكاليف الرأسمالية.

بقايا الكربون (Carbon Residue)

يقيس هذا الاختبار ميل النفط الخام أو أجزائه الثقيلة إلى تكوين فحم الكوك (Coke) عند تعرضه لدرجات حرارة عالية في غياب الهواء. هناك طريقتان شائعتان: بقايا كربون كونرادسون (Conradson Carbon Residue - CCR) وبقايا كربون رامسبوتوم (Ramsbottom Carbon Residue - RCR). تعتبر هذه الخاصية مهمة جدًا لتقييم لقيم وحدات التكسير مثل التكسير المتأخر (Delayed Coking) والتكسير الحفزي المائع (FCC)، حيث يؤثر ميل تكوين الكوك بشكل مباشر على إنتاجية الوحدة وعمر المحفز.

عوامل التوصيف (Characterization Factors)

لتلخيص الطبيعة الكيميائية العامة للنفط الخام أو قطفاته في رقم واحد، تم تطوير عوامل توصيف مختلفة. أشهرها هو عامل واتسون K (Watson K Factor) أو عامل UOP K.

يُحسب هذا العامل من متوسط ​​درجة حرارة الغليان (Mean Average Boiling Point, $T_B$) بالرانكين (°R) والجاذبية النوعية (SG) عند 60 درجة فهرنهايت:

يوفر عامل K مؤشرًا جيدًا على التركيب الهيدروكربوني النسبي للنفط:

• $K > 12.1$: يشير إلى هيمنة المركبات البارافينية (نفط بارافيني).
• $K$ بين 11.0 و 12.1: يشير إلى تركيبة مختلطة أو هيمنة المركبات النفثينية (نفط نفثيني).
• $K < 10.0$: يشير إلى هيمنة المركبات العطرية (نفط عطري).

يستخدم مهندسو التكرير عامل K لتقدير خصائص أخرى وللتنبؤ بسلوك النفط في وحدات المعالجة المختلفة.

تأثير الخواص على العمليات الصناعية (Impact of Properties on Industrial Processes)

إن فهم الخواص الفيزيائية والكيميائية للنفط الخام ليس غاية في حد ذاته، بل هو وسيلة لاتخاذ قرارات هندسية واقتصادية سليمة في جميع قطاعات الصناعة.

في قطاع الاستكشاف والإنتاج (Upstream)

هندسة المكامن (Reservoir Engineering)

تؤثر خصائص موائع المكمن بشكل مباشر على تقدير الاحتياطيات وتخطيط استراتيجيات الإنتاج. اللزوجة والكثافة تحددان حركة النفط في الوسط المسامي للصخور. التركيب الكيميائي، وخاصة وجود الغازات الخفيفة، يحدد ضغط نقطة الفقاعة (Bubble Point Pressure)، وهو الضغط الذي يبدأ عنده الغاز بالتحرر من النفط. هذه المعلومات حيوية لنمذجة المكمن وتوقع أداء الإنتاج. كما أن خصائص مثل التوتر البيني والترطيبية ضرورية لتصميم وتنفيذ مشاريع الاستخلاص المعزز للنفط (Enhanced Oil Recovery - EOR)، مثل حقن الماء أو الغاز أو المواد الكيميائية.

هندسة الإنتاج والنقل (Production and Transportation Engineering)

هنا، تبرز تحديات ضمان التدفق (Flow Assurance). فالنفط الذي يحتوي على نسبة عالية من الشموع (نقطة انسكاب عالية) أو الأسفلتينات يتطلب تصميمات خاصة لخطوط الأنابيب، مثل العزل الحراري، أو التسخين، أو الحقن المستمر للمواد الكيميائية لمنع الترسب والانسداد. اللزوجة العالية تتطلب مضخات أكبر وطاقة أكبر للنقل. الخواص المسببة للتآكل مثل محتوى $H_2S$ (نفط حامض) أو $CO_2$ أو الأحماض النفثينية (TAN مرتفع) تفرض استخدام مواد بناء خاصة ومكلفة لآبار الإنتاج وخطوط الأنابيب ومعدات السطح، بالإضافة إلى برامج مراقبة صارمة للتآكل.

في قطاع التكرير والمعالجة (Downstream)

تعتبر خصائص النفط الخام هي العامل الأكثر أهمية في تحديد اقتصاديات مصفاة التكرير.

اختيار النفط الخام

تقوم المصافي بتقييم فحوصات النفط الخام المختلفة لاختيار المزيج الأمثل من الخامات (Crude Slate) الذي يتوافق مع تصميم وحداتها ويمكنها من إنتاج المنتجات المطلوبة بأقصى ربحية. المصفاة المصممة لمعالجة النفط الخفيف الحلو لا يمكنها بسهولة معالجة النفط الثقيل الحامض دون تعديلات مكلفة.

عمليات الفصل (Separation Processes)

يتم تصميم وتشغيل أبراج التقطير الجوي والفراغي مباشرة بناءً على منحنى TBP للنفط الخام. يحدد هذا المنحنى درجات الحرارة والضغوط اللازمة لفصل القطفات المختلفة بكفاءة.

عمليات التحويل (Conversion Processes)

تتأثر وحدات التحويل، التي تكسر الجزيئات الثقيلة إلى جزيئات أخف وأكثر قيمة، بشكل كبير بخصائص اللقيم. في وحدة التكسير الحفزي المائع (FCC)، يؤدي ارتفاع محتوى بقايا الكربون والمعادن (النيكل والفاناديوم) في اللقيم إلى تعطيل المحفز بسرعة وزيادة إنتاج الكوك، مما يقلل من كفاءة الوحدة. في وحدات المعالجة بالهيدروجين، يتطلب ارتفاع محتوى الكبريت والنيتروجين ظروف تشغيل أكثر قسوة (ضغط ودرجة حرارة أعلى) واستهلاكًا أكبر للهيدروجين، مما يزيد من التكاليف.

متطلبات المعالجة

الشوائب مثل الملح والماء والكبريت والأحماض النفثينية تفرض وجود وحدات معالجة مسبقة (Pre-treatment) ومتخصصة. وجود وحدة إزالة الملوحة، ووحدات معالجة الغازات الحمضية، ووحدات استخلاص الكبريت، واستخدام مواد مقاومة للتآكل، كلها تكاليف إضافية مباشرة ناتجة عن الخصائص الكيميائية غير المرغوب فيها للنفط الخام.

طرق القياس والاختبار القياسية (Standard Measurement and Test Methods)

لضمان الاتساق والموثوقية وقابلية المقارنة للبيانات في جميع أنحاء العالم، يتم إجراء جميع اختبارات خصائص النفط الخام وفقًا لطرق موحدة صارمة. المنظمات الرئيسية التي تطور وتنشر هذه المعايير هي الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM International)، ومعهد البترول الأمريكي (API)، ومعهد الطاقة (Energy Institute - EI، سابقًا Institute of Petroleum - IP). يوضح الجدول التالي بعض الخصائص الهامة وطرق الاختبار القياسية المرتبطة بها.

في الختام، يتضح أن الخواص الفيزيائية والكيميائية للنفط الخام تشكل لغة مشتركة ومعرفة أساسية لجميع المهندسين والعلماء العاملين في صناعة الطاقة. إنها ليست مجرد أرقام وبيانات، بل هي مفتاح لفهم سلوك هذا المورد الطبيعي المعقد، وتحسين طرق استخراجه ونقله، وتحويله بكفاءة وأمان إلى المنتجات التي يعتمد عليها عالمنا الحديث. من كثافة API التي تحدد سعره في الأسواق العالمية، إلى محتوى الكبريت الذي يملي مسار معالجته، وصولًا إلى ميل الأسفلتينات للترسب الذي يهدد استمرارية الإنتاج، تظل كل خاصية من هذه الخصائص عنصرًا حاسمًا في سلسلة القيمة الكاملة للنفط والغاز.

المصادر

• Speight, J. G. (2014). The Chemistry and Technology of Petroleum (5th ed.). CRC Press.
• Fahim, M. A., Alsahhaf, T. A., & Elkilani, A. (2010). Fundamentals of Petroleum Refining. Elsevier.
• Gary, J. H., Handwerk, G. E., & Kaiser, M. J. (2007). Petroleum Refining: Technology and Economics (5th ed.). CRC Press.
• ASTM International. (2023). Annual Book of ASTM Standards, Section 5: Petroleum Products, Lubricants, and Fossil Fuels. ASTM International.
• Dandekar, A. Y. (2013). Petroleum Reservoir Rock and Fluid Properties (2nd ed.). CRC Press.
• Schlumberger. (n.d.). Oilfield Glossary. Retrieved from https://glossary.slb.com/

اقرأ أيضًا

• النفط الخام
• مسار معالجة النفط
• محطة عزل الغاز عن النفط
• تجفيف النفط الخام
• معالجة الغاز الطبيعي
• حفر الآبار
• جس الآبار
• الانابيب
• المبادلات الحرارية
• قطاعات الصناعة النفطية