1. Физико-химические свойства нефти, природного газа, углеводородного конденсата и пластовых вод

1.1. Понятие об углеводородах

Нефть и газ относятся к невозобновляемым источникам энергии. Преимущества нефти и газа перед другими источниками энергии заключаются в относительно высокой теплоте сгорания и в простоте использования с технологической точки зрения. Так, при полном сгорании 1 кг нефти выделяется 46 МДж тепла, 1 м³ природного газа – 36 МДж, 1 кг бурого угля – 9,3 МДж.

Единого мнения о происхождении нефти и газа пока не существует. Имеются две основные гипотезы неорганического и органического происхождения нефти и газа. Целый ряд ученых придерживается неорганического происхождения нефти и газа в недрах Земли в результате химических реакций между водородом и углеродом в условиях высоких температур и давлений при отсутствии органических веществ.

Гипотеза органического происхождения предполагает образование нефти и газа из остатков организмов животных и растительного мира в условиях высоких температур при отсутствии кислорода.

Полагают, что для преобразования первичного органического материала в нефть необходима совокупность ряда факторов: повышенные температуры (60÷150⁰С) и давления (15÷45 МПа), глубины 1,5÷6 км, деятельность бактерий, действие радиоактивных веществ.

Теория органического происхождения не дает достаточных объяснений и перспектив в отношении разведки новых крупных месторождений нефти и газа. Иное дело теория неорганического происхождения нефти и газа. В недрах имеется достаточное количество исходного материала для образования углеводородов. Источниками углерода и водорода считаются вода и углекислый газ. Благоприятная для реакции химическая среда обеспечивается присутствием закисных соединений металлов, содержание которых в вулканических породах доходит до 20 %.

1.2. Состав нефти

Нефть в природных условиях представляет собой жидкую гидрофобную фазу, распределенную в пустотном пространстве горной породы. Дать определение понятия «нефть» можно с разных позиций:

^ геологическое определение – жидкий каустобиолит (горючая органическая порода), углеродистый минерал;

8

• органолептическое определение – маслянистая жидкость бурого или черного цвета с характерным запахом, легче воды;

• химическое определение – естественная сложная смесь углеводородов и гетероатомных (преимущественно серо-, кислородо- и азотосодержащих) органических соединений;

• системное определение – система природного многокомпонентного углеводородного раствора, в котором растворителем являются жидкие углеводороды, а растворенным веществом – твердые углеводороды (высокомолекулярные парафины, полициклические нафтены, некоторые арены), газы, неуглеводородные соединения как низкомолекулярные (азотистые, сернистые и др.), так и высокомолекулярные (смолы и асфальтены).

Различают элементный, фракционный и групповой составы нефти. Элементарный состав. Основными элементами нефти являются углерод и

водород. В среднем в состав нефти входит 86 % углерода и 13 % водорода^. Большой интерес для промысловой практики представляют другие классы органических соединений, на присутствие которых указывает содержание в нефти кислорода, азота, серы и других элементов. Их количество в составе нефтей незначительно. Однако кислород и сера могут существенно влиять на свойства поверхностей раздела в пласте, на распределение жидкостей и газов в поровом пространстве и, следовательно, на закономерности движения жидкостей и газов. С этими веществами также связаны процессы, имеющие важное промысловое значение, – коррозия, образование и разрушение нефтяных эмульсий, выделение из нефти и отложение парафина в поровых каналах пласта, в скважинах, в промысловом оборудовании.

Наиболее часто встречающаяся примесь – сера (до 7 %), хотя во многих нефтях серы практически нет. Сера содержится как в чистом виде, так и в виде

сероводорода и меркаптанов. Она усиливает коррозию металлов.
Согласно ГОСТ Р 51858-2002 «Нефть. Общие технические				условия» по
массовой доле общей серы нефть подразделяется на классы:
1	– малосернистая,	не более 0,60 %;
2	– сернистая,	0,61÷1,80 %;
3	– высокосернистая,	1,81÷3,50 %;
4	– особо высокосернистая,	более 3,50 %.
Азота в нефтях содержится не более 1,7 %. Он обычно безвреден благодаря
свой инертности.
Кислород встречается 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 присутствует железо, магний, алюминий, медь, натрий, олово, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть и др. Содержание

^ Здесь и далее без дополнительных указаний проценты – это массовая доля.

9

металлов очень мало, их обнаруживают лишь в золе, оставшейся после сжигания нефти.

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

Нефть представляет собой смесь углеводородов метанового – алканы, нафтенового – циклоалканы и ароматического – арены рядов, причем преобладают чаще углеводороды метанового или нафтенового рядов.

Алканы  насыщенны, предельны, химически малоактивны. Химическая формула C_nH_2n+2 (n – число атомов углерода). При стандартных условиях (давление 0,1 МПа и температура 20⁰С):

• С₁÷С₄ – газы;

• С₅÷С₁₇ – жидкости;

• при n>17 – твердые вещества. С₁₈÷С₃₅ – истинные парафины (кристаллы имеют рыхлую структуру),

С₃₆÷С₇₂ – церезины (кристаллическое, игольчатое строение, легко выносятся с потоком нефти).

Классификация нефти по содержанию парафина:
малопарафиновая (П1)	–	менее 1,5 %;
парафиновая (П2)	–	1,5÷6,0 %;
высокопарафиновая (П3)	–	более 6,0 %.

Циклоалканы состоят из нескольких метиленовых групп СН₂ с двумя валентностями, которые соединены в кольцо или цикл. Могут присоединять к себе объединенные кольца и цепочки метанового строения (циклопропан, циклобутан, циклопентан и т.д.). Химическая формула циклоалканов C_nH_2n.

Арены имеют также циклическое строение, объединяющие радикалы СН. Трехвалентны. В ароматическом кольце соединение происходит через одно не одинарными, а двойными связями. Поэтому они ненасыщенные и непредельные, но из-за циклического строения химически малоактивны. Химическая формула

аренов  C_nH_2n-m (здесь m – четные цифры от 6 и выше).

Кроме групп углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотистые соединения.

К кислородным соединениям относятся нафтеновые кислоты, вызывающие коррозию, и асфальтосмолистые вещества (АСВ).

АСВ – это сложные высокомолекулярные органические соединения, содержащие кроме углерода и водорода кислород (до 2 %), серу (до 7 %) и азот (до 1 %). Содержание АСВ в нефти может достигать 40 %. При обычных температурах они представляют собой малотекучее или твердое вещество с плотностью, превышающую плотность воды. Часть АСВ, растворимая в бензине, относится к смолам, а нерастворимая – к асфальтам (асфальтенам).

10

Фракционный состав нефти определяется при разделении сложной смеси 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.

На практике используют стандартный метод фракционной разгонки, при котором нефть разгоняют на стандартные температурные фракции. При заводской перегонке нефти, как правило, отбираются фракции, имеющие следующие

температурные интервалы кипения:
40÷1800С	–		авиационный бензин;
40÷2050С	–		автомобильный бензин;
200÷3000С	–		керосин;
270÷3500С	–		лигроин.
Все остальные высококипящие фракции относятся к масляным.
Классификация нефти по содержанию светлых фракций, выкипающих до
3500С:
тип Т1			–		более 45 %;
тип Т2			–		30÷44,9 %;
тип Т3			–		менее 30 %.