По хімічною природою і походженням нафта близька до природних горючих газів, озокеритові, а також асфальтові. Іноді всі ці горючі копалини об`єднуються під загальною назвою петроліти і відносяться до ще більш великої групи так званих каустобіолітів - горючих мінералів біогенного походження, що включають також викопні тверді палива - торф, буре і кам'яне вугілля, антрацит, сланці. По здатності розчинятися в органічних рідинах (сірковуглеці, хлороформі, спиртобензольній суміші) нафта, як і інші петроліти, а також речовини, що вилучаються цими розчинниками з торфу, викопного вугілля або продуктів їх переробки, прийнято відносити до групи бітумів [1].
Нафта являє собою суміш близько 1000 індивідуальних речовин, з яких велика частина - рідкі вуглеводні (> 500 або звичайно 80-90 % по масі) і гетероатомні органічні сполуки (4-5 %), переважно сірчисті (близько 250), азотисті (> 30) і кисневі (близько 85), а також металоорганічні з'єднання (в основному ванадієві і нікелеві); інші компоненти - розчинені вуглеводневі гази (C1-C4, від десятих часток до 4 %), вода (від слідів до 10 %), мінеральні солі (головним чином хлориди, 0,1-4000 мг/л і більш), розчини солей органічних кислот і ін., механічні домішки (частки глини, піску, вапняку).
В основному в нафті представлені парафінові (звичайно 30-35, рідше 40-50 % за об`ємом) і нафтенові (25-75 %). У меншому ступені - сполуки ароматичного ряду (10-20, рідше 35 %) і змішаної будови (наприклад, парафіно-нафтенові, нафтено-ароматичні).
Елементний склад нафти і гетероатомні компоненти
Поряд з вуглеводнями до складу нафти входять речовини, що містять допоміжні атоми. Сірковмісні - H2S, меркаптани, моно- і дисульфіди, тіофени і тіофани, а також поліциклічні і т.п. (70-90 % концентрується в залишкових продуктах - мазуті і гудроні); азотвмісні - переважно гомологи піридину, хіноліну, індолу, карбазолу, піролу, а також порфірини (здебільшого концентрується у важких фракціях і залишках); кисеньвмісні - нафтенові кислоти, феноли, смолисто-асфальтенові й ін. речовини (зосереджені звичайно у висококиплячих фракціях). Елементний склад (%): С - 82-87,Н - 11-14,5, S - 0,01-6 (рідко до 8), N - 0,001-1,8, O - 0,005-0,35 (рідко до 1,2) і ін. Усього в нафті виявлено більш 50 елементів. Так, поряд зі згаданими в нафті присутні V(10-5 - 10-2%), Nі(10-4-10-3%), Cl (від слідів до 2o10-2%) і т.д. Вміст зазначених сполук і домішок у сировині різних родовищ коливається в широких межах, тому говорити про середній хімічний склад нафти можна тільки умовно.
Клас вуглеводнів, за яким нафті дається найменування, повинні бути присутнім у кількості більш 50 %. Якщо присутні вуглеводні також і інших класів і один із класів складає не менш 25 %, виділяють змішані типи нафти: метано-нафтенові, нафтено-метанові, ароматично-нафтенові, нафтено-ароматичні, ароматическо-метанові і метано-ароматичні; у них першого компонента міститься більш 25 %, другого - більш 50 %. Сира нафта безпосередньо не застосовується. Для одержання з неї технічно цінних продуктів, головним чином моторних палив, розчинників, сировини для хімічної промисловості, її піддають переробці [5].
Сирою нафтою називають нафта, одержувану безпосередньо зі шару. При виході з нафтового шару нафта містить частки гірських порід, воду, а також розчинені в ній солі і гази. Ці домішки викликають корозію устаткування і серйозні утруднення при транспортуванні і переробці нафтової сировини. Таким чином, для експорту або доставки у віддалені від місць видобутку нафтопереробні заводи необхідний промислова обробка сирої нафти: з неї віддаляється вода, механічні домішки, солі і тверді вуглеводні, виділяється газ. Газ і найбільш легкі вуглеводні необхідно виділяти зі складу сирої нафти, тому що вони є цінними продуктами, і можуть бути загублені при її зберіганні. Крім того, наявність легких газів при транспортуванні сирої нафти по трубопроводу може привести до утворення газових мішків на ділянках траси. Очищену від домішок, води і газів сиру нафту поставляють на нафтопереробні заводи (НПЗ), де в процесі переробки з неї одержують різні види нафтопродуктів. Якість, як сирої нафти, так і нафтопродуктів, одержуваних з неї, визначається її складом: саме він визначає напрямок переробки нафти і впливає на кінцеві продукти.
Найважливішими характеристиками властивостей сирої нафти є: густина, вміст сірки, фракційний склад, а також в'язкість і вміст води, хлористих солей і механічних домішок.
Густина нафти, залежить від вмісту важких вуглеводнів, таких як парафіни і смоли. Для її вираження використовується як відносна густина нафти, виражена в г/см3, так і густина нафти, виражена в одиницях Американського інституту нафти - APІ, вимірювана в градусах.
За густиною можна орієнтовно судити про вуглеводневий склад сирої нафти і нафтопродуктів, оскільки її значення для вуглеводнів різних груп по-різному. Більш висока густина сирої нафти вказує на більший вміст ароматичних вуглеводнів, а більш низька - на більший вміст парафінових вуглеводнів. Вуглеводні нафтенової групи займають проміжне положення. Таким чином, величина густини до відомого ступеня буде характеризувати не тільки хімічний склад і походження продукту, але і його якість. Найбільш якісними і цінними є легкі сорти сирої нафти (російська Sіberіan Lіght). Чим менше густина сирої нафти, тим легше процес її переробки і вище якість одержуваних з неї нафтопродуктів [7].
За вмістом сірки сиру нафту в Європі і Росії підрозділяють на малосірчисту (до 0,5%), сірчисту (0,51-2%) і високосірчисту (більш 2%), у США - на солодку (до 0,5%), середньосолодку/середньокислу (0,51-2%) і кислу (більш 2%). Класифікація, прийнята в США, що здається на перший погляд незвичайною, має, однак, пряме відношення до смаку. На зорі видобутку нафти в Пенсільванії, одержуваний з неї гас використовувався як лампова олія для освітлення приміщень. Гас з великим вмістом сірки давав огидний запах при згорянні, тому більше цінувався гас з низьким вмістом сірки, солодкий на смак. Звідси і відбулася ця термінологія.
Нафта є сумішшю декількох тисяч хімічних сполук, більшість з яких - комбінація атомів вуглецю і водню - вуглеводні; кожна з цих сполук характеризується власною температурою кипіння, що є найважливішою фізичною властивістю нафти, широко використовуваним у нафтопереробній промисловості. На кожній зі стадій кипіння нафти випаровуються певні сполуки, цей процес називають перегонкою нафти. Сполуки, що випаровуються в заданому проміжку температури, називаються фракціями, а температури початку і кінця кипіння - границями кипіння фракції або межами википання. Фракції, що википають до 350°С, називають світлими дистилятами. Фракція, що википає вище 350°С, є залишком після добору світлих дистилятів і називається мазутом. Мазут і отримані з нього фракції - темні. Назви фракціям привласнюються в залежності від напрямку їхнього подальшого використання.
Різні нафти сильно відрізняються за складом. У легкій нафті (lіght oіl) звичайно більше бензину, нафти і гасу, у важких - газойлю і мазуту. Найбільш поширені нафти зі вмістом бензину 20-30%.
Присутність механічних домішок у складі сирої нафти порозумівається умовами її залягання і способами видобутку. Механічні домішки складаються з часток піску, глини й інших твердих порід, що, осідаючи на поверхні води, сприяють утворенню нафтової емульсії. У відстійниках, резервуарах і трубах при підігріві сирої нафти частина механічних домішок осідає на дні і стінках, утворити шар бруду і твердого осаду. При цьому зменшується продуктивність устаткування, а при відкладенні осаду на стінках труб зменшується їхня теплопровідність. Масова частка механічних домішок до 0,005% включно оцінюється як їхня відсутність.
В'язкість визначається структурою вуглеводнів, що складають нафту, тобто їхньою природою і співвідношенням, вона характеризує властивості розпилення і перекачування нафти і нафтопродуктів: чим нижче в'язкість рідини, тим легше здійснювати її транспортування по трубопроводах, робити її переробку. Особливо важлива ця характеристика для визначення якості маслених фракцій, одержуваних при переробці нафти і якості стандартних мастил. Чим більше в'язкість нафтових фракцій, тим більше температура їхній википан.
Найважливішим показником якості нафти є фракційний склад.
Фракційний склад визначається при лабораторній перегонці з використанням методу поступового випару, у процесі якої при поступово підвищується температурі з нафти відганяють частини - фракції, що відрізняються одна від одної межами википання. Кожна з фракцій характеризується температурами початку і кінця кипіння [7].
Промислова перегонка нафти ґрунтується на схемах з так називаним однократним випаром і подальшою ректифікацією.
Фракції, що википають до 350оС, відбирають при тиску трохи вищому атмосферного, називають світлими дистилятами(фракціями). Назви фракціям привласнюються в залежності від напрямку їхнього подальшого використання. В основному, при атмосферній перегонці одержують наступні світлі дистиляти: 140оС (початок кипіння) - бензинова фракція, 140-180оС - лігроїнова фракція(важка нафта), 140-220оС (180-240оС ) - гасова фракція, 180-350оС (220-350оС, 240-350оС) - дизельна фракція (легкий або атмосферний газойль, соляровий дистилят).
Фракція, що википає вище 350оС є залишком після добору світлих дистилятів і називається мазутом. Мазут розганяють під вакуумом і в залежності від подальшого напрямку переробки нафти одержують наступні фракції: для одержання палив - 350-500оС вакуумний газойль (дистилят), >500оС вакуумний залишок (гудрон); для одержання олій - 300-400оС (350-420оС) легка маслена фракція (трансформаторний дистилят), 400-450оС (420-490оС) середня маслена фракція (машинний дистилят), 450-490оС важка маслена фракція (циліндровий дистилят), >490оС гудрон. Мазут і отримані з нього фракції - темні.