ТЕМА 1.5. Состав нефти и газа

Состав нефти и газа. Нефть и газ- это жидкие и газообразные горные породы. Вместе с другими горючими осадочными породами ( торф, бурый и каменный уголь, антрацит) они образуют семейство каустобиолитов, т.е. горючих органических пород.

Говоря о составе нефти, различают элементный, фракционный и групповой составы.

Основными ее элементами является Углерод (83….87%) и водород ( 11…14%). Наиболее часто встречающаяся примесь- сера ( до 7%), хотя во многой нефти серы практически нет. Сера содержится в нефти в чистом виде (самородная), в виде сероводорода или меркаптанов. Она усиливает коррозию металлов. Азота в нефти не более 1,7% ; он совершенно безвреден в силу своей инертности.Кислород встречается в нефти не в чистом виде, а в различных соединениях ( кислоты, фенолы, эфиры и т.д.); его в нефти не более 3,6%. Из металлов в нефти присутствуют железо, магний, алюминий, медь, натрий, олово, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть и др. Содержание металлов столь мало, что они обнаруживаются лишь в золе, остающейся после сжигания нефти.

Фракционный состав нефти определяется при разделении соединений по температуре кипения. Фракцией (дистиллятом) называется доля нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Началом кипения фракции считают температуру падения первой капли сконденсировавшихся паров. Концом кипения фракции считают температуру, при которой испарение фракции прекращается. Так бензины выкипают в пределах 35…205* С, керосины – 150…315* С, дизельные топлива- 180…350* С, масла – 350* С и выше.

Под групповым составом нефти понимают количественное соотношение в ней отдельных групп углеводородов и соединений.

Углеводороды представляют собой химические соединения углерода и водорода. Они бывают парафиновые, нафтеновые и ароматические. Кроме углеводородов, в нефти содержатся кислородные , сернистые и азотистые соединения.

К числу основных кислородных соединений, сдержащихся в нефти, относятся нафтеновые кислоты и асфальто-смолистые вещества. Нафтеновые кислоты вызывают коррозию металлов.Асфальто-смолистые вещества- это сложные высокомолекулярные соединения,сдержащие, кроме углерода и водорода, кислород ( до 2%), серу ( до 7%) и азот (до 1%). При обычных температурах они представляют собой малотекучее или твердое вещество с плотностью, превышающей плотность воды. Часть асфальто-смолистых веществ, растворимая в бензине, называется смолой, а нерастворимая-асфальтом. Содержание сернистых соединений в отдельной нефти доходит до 6%. Однако встречается и малосернистая нефть.

Азотистые соединения представлены, в частности, порфиринами.

Природные газы делятся на три группы:

-газы, добываемые из чисто газовых месторождений;

-газы, добываемые из газоконденсатных месторождений;

-газы, добываемые вместе с нефтью из нефтяных месторождений.

Все газы представляют собой смеси парафиновых углеводородов с азотом, сероводородом, углекислым газом и другими компонентами, но в разных пропорциях. Газы чисто газовых месторождений наиболее легкие, они на 90% и более состоят из метана. Газы нфтяных месторождений (их также называют попутным нефтяным газом) наиболее тяжелые, содержание метана в них от 30 до 70%. Газы газоконденсатных месторождений несколько более тяжелы, чем газы чисто газовых месторождений, но легче . чем нефтяной газ; метана в них от 80 до 90%.

Природный газ бесцветен, а при отсутствии в нем сероводорода не имеет запаха.

Образование месторождений нефти и газа. Для формирования крупных скоплений нефти и газа необходимо выполнение ряда условий: наличие проницаемых горных пород (коллекторов), непроницаемых горных пород, ограничивающих перемещение нефти и газа по вертикали (покрышек), а также пласта особой формы, попав в в который, нефть и газ оказываются как бы в тупике (ловушке).

Скопление нефти и газа, сосредоточенное в ловушке в количестве, достаточном для промышленной разработки, называется залежью. Наиболее часто залежи углеводородов встречаются в ловушках антиклинального типа, представляющих собой подземную куполообразную структуру. В общем случае в верхней части продуктивного пласта располагается свободный газ (газовая шапка), внизу-вода, а между ними нефть.

Поверхность, разделяющая нефть и воду или нефть и газ, называется соответственно водонефтяным или газонефтяным контактом. Линия пересечения поверхности контактов с кровлей пласта называется соответственно внешним контуром нефтеносности или газоносности, а с подошвой пласта- внутренним контуром нефтеносности или газоносности. Кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой нефтегазоносного пласта называют его толщиной.

Под месторождением нефти и газа понимается совокупность залежей, приуроченных к общему участку земной поверхности. Месторождение называют газовым, если оно содержит только газовые залежи, состоящие более чем на 90% из метана. К газоконденсатным относят такие газовые месторождения, из газа которых при снижении давления до атмосферного выделяется жидкая фаза- конденсат. Если месторождение состоит из нефтяных или газонефтяных залежей, то оно соответственно называется нефтяным или газонефтяным.

Нефть- это сложное соединение углерода и водорода. Такие соединения называются углеводородами. Существует множество углеводородов, которые отличаются друг от друга числом атомов углерода и водорода в молекуле и характером их скопления. Физические свойства пластовых нефтей в значительной степени отличаются от свойств дегазированных (поверхностных) нефтей и зависят от влияния температуры, давления и растворимости газа в нефти.

В нефтях, кроме углерода и водорода, в небольших количествах содержится кислород, азот, сера, в виде следов хлор, фосфор, иод и другие химические элементы. Плотность (удельный вес) разгазированной нефти изменяется в больших пределах-от о,600 до 1,000 г/и зависит, в основном, от углеводородного состава, а также от асфальто смолопарафиновых веществ. В пластовых условиях плотность нефти зависит от количества растворенного газа, давления и температуры.

В состав нефти входят также многие металлы, в том числе щелочные и щелочноземельные (литий, натрий, калий, барий, кальций, стронций , магний), металлы подгруппы меди (медь, серебро, золото), подгруппы цинка (цинк, кадмий, ртуть), подгруппы бора (бор, алюминий, галлий, индий, талий), подгруппы ванадия (ванадий, ниобий, тантал), многие металлы переменной валентности (никель, железо, молибден, кобальт, вольфрам, хром, марганец, олово и др). В тяжелых вязких нефтях концентрируется ванадий и никель в промышленных количествах, и нередко в мировой практике дорогостоящий ванадий добывается из тяжелой, вязкой нефти (Канада, Мексика, Аргентина и др). Чаще в сернистых нефтях содержится ванадий, а в малосернистых-никель.

При растворении газа в нефти (жидкости) объем ее увеличивается. Отношение объема нефти (жидкости) с растворенным в ней газом в пластовых условиях к объему этой же нефти на поверхности после ее дегазации называется объемным коэффициентом.

,

Где - объем нефти в пластовых условиях, -объем той же дегазированной нефти при атмосферном давлении.

Объемный коэффициент пластовой нефти показывает, какой объем в пластовых условиях занимает 1 м³ дегазированной нефти. Этот коэффициент всегда больше 1. Он может достигать у некоторых нефтей до 3 и более.

В нефтях встречаются следующие группы углеводородов: 1) метановые (парафиновые); 2) нафтеновые; 3) ароматические.

В основном, нефти бывают смешанного типа с преобладанием в их составе той или иной группы углеводородов и в зависимости от этого называются парафиновыми, нафтеновыми или ароматическими.

Самые распространенные в природных условиях- углеводороды метанового ряда: метан СН₄, этан С₂Н_6, пропан С₃Н₈ и другие. Углеводороды от метана ( СН₄) до бутана (С₄Н₁₀) включительно при атмосферном давлении находятся в газообразном состоянии. Из них состоит нефтяной газ. Углеводородные соединения, содержащие от 5 до 17 атомов углерода в молекуле ( С₅Н₁₂ – С₁₇Н₃₆) –жидкие вещества. Эти соединения входят в состав нефти. Углеводороды, в молекулах которых имеется свыше 17 атомов углерода, относятся к твердым веществам. Это парафины и церезины, содержащиеся втех или иных количествах во всех нефтях. Физические свойства и качественная характеристика нефтей и нефтяных газов зависят от преобладания в них отдельных углеводородов или смежных групп. Нефти с преобладанием сложных углеводородов (тяжелые нефти) содержат меньшее количество бензиновых и масляных фракций. Содержание в нефти значительного количества смолопарафиновых соединений делает ее малоподвижной и требует особых подходов при ее добыче и транспорте.

Товарные качества и фракционный состав нефти определяют в лабораторных условиях путем ее разгонки. Разгонка нефти основана на том, что каждый углеводород, входящий в ее состав, имеет свою точку кипения. Легкие углеводороды имеют низкую точку кипения. У пентана (С₅Н₁₂) точка кипения равна 36^о С, у гексана (С₆Н₁₄)-69^о С; у тяжелых углеводородов точки кипения значительно выше до 300^о С и более. Процентное содержание в нефти отдельных фракций, выкипающих при определенных температурах, характеризует фракционный состав нефти.

В лабораторных условиях разгонку нефти производят при температуре до 100.150,200,250,300,350 и 400^о С.

Переработка нефти основана на принципе прямой перегонки нефти с выделением из нее в условиях атмосферного давления и нагрева до 350-400^о С и выше бензиновых, керосиновых, соляровых и масляных фракций.

Фракции нефти, кипящие в интервале температур от 40 до 200^о С, являются бензиновыми, от 200 до 300^о С-керосиновыми, от 300 ло 400^о С и выше- масляными.

Одним из основных физических свойств нефти является вязкость.

Вязкость- это свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц при движении.

При ламинарном движении жидкости по трубе скорость отдельных слоев жидкости неодинакова и изменяется от минимальной у стенки трубы до максимальной у осевой линии. Движение жидкости (нефти) происходит как бы отдельными слоями, движущимися с различной скоростью. В этой связи, если рассматривать два смежных соприкасающихся слоя жидкости, то из за разности скоростей их движение между ними будет происходить еще и относительное движение, что и вызывает возникновение сил внутреннего трения, обусловленных вязкостью жидкостей. Чтобы переместить один слой относительно другого, необходимо приложить силу Р.

Установлено, что сила прямо пропорциональна поверхности соприкосновения двух слоев, их относительной скорости и обратна пропорциональна расстоянию между слоями. Это соотношение выражается формулой

Р=µ F, (1)

где µ - коэффициент вязкости; -приращнение скорости движения первого слоя относительно другого; - расстояниен между слоями; F –поверхность соприкосновения двух слоев.

Из формулы (1) коэффициент вязкости равен

(2)

Подставляя в формулу (2) единицы измерения:

-единицу силы 1 Н;

-единицу площади 1 м²;

-единицу расстояния 1 м;

-единицу скорости 1 м/с,

Получим размер единицы динамическойт вязкости:

)

Учитывая, что вязкость пластовых жидкостей (нефти) ниже 1 Па*с, то в промысловой практике пользуются меньшими единицами вязкости-пуаз, сантипуаз:

1пз=0,1Н*с/м² =0,1Па*с

1спз=10^_3*Н*с/м²=10^-3 Па*с.

Динамическая вязкость воды при+20^о С равна 0,01 пз, или 1 спз.

Вязкость нефти в зависимости от ее характеристики и температуры может изменяться от одного до нескольких десятков сантипуаз.

Пользуются также понятием кинематической вязкости

Кинематическая вязкость-это отношение динамической вязкости к плотностит.е.

.

В международной системе (СИ) единицей кинематической вязкости является 1 м²/с.

В промысловой практике пользуются внесистемной единицей кинематической вязкости – стоксом ( 1ст= 10^-4 м²/с)

Для измерения динамической и кинематической вязкости применяют стандартные капилярные вискозиметры.

Для оценки качества нефти и нефтепродуктов пользуются относительной (условной) вязкостью, которая показывает, во сколько раз вязкость данной жидкости больше или меньше вязкости воды при определенной температуре.

Чем больше вязкость жидкости, тем болше сопротивление при ее движении. Нефти имеют самую различную вязкость, в несколько раз превышающую вязкость воды. С повышением температуры вязкость нефти ( как и любой жидкости) значительно уменьшается.

Вязкость пластовой нефти отличается от вязкости поверхностной (дегазированной) нефти, так как пластовая нефть в своем составе имеет растворенный газ и находится в условиях повышенных давлений и температуры. С увеличением количества растворенного в нефти газа и температуры вязкость нефти уменьшается.

^{Зависимость вязкости от температуры.}

С увеличением в составе нефти смолопарафиновых соединений вязкость нефти увеличивается. С учетом того, что температура в земной коре повышается с глубиной, вязкость нефти в пластах всегда меньше, чем на поверхности.

В пластовых условиях в нефти всегда растворено определенноу количество газа, которое изменяется от десятков м³ до несколько сот м³ в1 м³ нефти. Растворенный в нефти газ снижает плотность и вязкость нефти и увеличивает ее сжимаемостьи объем. Физические характеристики нефти в пластовых условиях важно знать, как от них зависит правидьный подсчет запасов нефти и газа, составление технологических схем разработки нефтяных месторождений, выбор методов воздействия на залежь с целью получения максимального нефтеизвлечения, а также выбор техники и технологии добычи нефти и газа и так далее.