Нефть и газ — это тоже горные породы, но не твердые, а жидкие и газообразные. 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, изотопный и групповой составы.
Элементный состав характеризует наличие химических элементов. Основными элементами являются углерод (83…87 %) и водород (11…14 %). Наиболее часто встречающаяся примесь — сера (до 7 %), хотя во многих нефтях серы практически нет. Сера содержится в нефтях в чистом виде (самородная), в виде сероводорода или меркаптанов. Она усиливает коррозию металлов. Азота в нефтях не больше 1,7 %; он совершенно безвреден в силу своей 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 присутствуют железо, магний, алюминий, медь, натрий, олово, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть и другие. Содержание металлов столь мало, что они обнаруживаются лишь в золе, остающейся после сжигания нефти. Таким образом, углерод и водород являются составными частями основы всех углеводородов.
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 — температуру, при которой испарение фракции прекращается. Так, бензины выкипают в пределах 35-205 °С, керосины — 15-315 °С, дизельные топлива — 180-350 °С, масла — 350 °С и выше.
Большой интерес при изучении геохимической истории нефтей представляет их изотопный состав. При этом изучается поведение соотношений в нефтях масс стабильных изотопов углерода С12 и С13, водорода Н1 (протия) и Н2 (дейтирия – D), серы (S32и S34) и азота (N14 и N15). Различные компоненты нефти имеют неодинаковый изотопный состав. Так, например, бензиновые фракции нефтей характеризуются
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.
Парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан и т. д.) имеют химическую формулу СnH2n+2 (n — число атомов углерода). При n от 1 до 4 парафиновые углеводороды являются газами, при n от 5 до 15 — жидкостями, при n ≥ 16 — при обычных температурах твердыми веществами. Твердые углеводороды метанового ряда называют парафинами. Температура их плавления составляет в основном 52-62 °С. В пластовых условиях парафины находятся в растворенном состоянии. Однако при снижении температуры, давления и выделении растворенного газа парафин выделяется из нефти в виде кристаллов, создавая тем самым проблемы для ее фильтрации в пласте и движения в трубопроводах. В зависимости от строения и количества жидких парафиновых углеводородов в нефтях, свойства получаемых из них нефтепродуктов могут различаться довольно существенно.
Нафтеновые углеводороды (цикланы) имеют химическую формулу СnH2n. В отличие от парафиновых углеводородов они имеют циклическое строение. Нафтеновые углеводороды присутствуют во всех фракциях нефтей. Они — важнейший компонент моторных топлив и смазочных масел (улучшают эксплуатационные свойства бензинов, уменьшают зависимость вязкости масел от температуры), а также сырье для получения ароматических углеводородов.
Ароматические углеводороды (арены) имеют химическую формулу СnH2n–6(при n ≥ 6). Циклическое строение ароматических углеводородов в отличие от нафтеновых характеризуется наличием двойных связей. Они также встречаются во всех фракциях, обладают хорошей растворяющей способностью по отношению к органическим веществам, но высокотоксичны.
Кроме углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотистые соединения. К числу основных кислородных соединений, содержащихся в нефтях, относятся нафтеновые кислоты и асфальто-смолистые вещества. Нафтеновые кислоты вызывают коррозию металлов. Асфальто-смолистые вещества — это сложные высокомолекулярные соединения, содержащие 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 отдельных нефтях доходит до 6 %. Однако встречаются и малосернистые нефти.
Азотистые соединения представлены, в частности, порфиринами, которые, как считалось, образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. Сторонники теории органического происхождения нефти видели в этом подтверждение своих взглядов.
Природные газы делятся на три группы:
• добываемые из чисто газовых месторождений;
• добываемые из газоконденсатных месторождений;
• 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 нефтяных месторождений (их также называют попутным нефтяным газом) наиболее тяжелые, 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.
СВОЙСТВА НЕФТИ
К свойствам нефти относится:
· плотность
· вязкость
· газосодержание (газовый фактор)
· давление насыщения нефти газом
· сжимаемость нефти и ее усадка
· поверхностное натяжение
· температура кипения
· температура плавления, застывания и теплота сгорания
· Электрические свойства
Количество растворенного в нефти газа характеризуется газосодержанием нефти (газовый фактор), под которым подразумевают объем газа, выделившийся из единицы объема пластовой нефти при снижении давления и температуры от пластовых до стандартных условий. Единица измерения м3/м3 или м3/т.
Важнейшим свойством нефти является давление насыщения нефти газом, при котором определенный объем газа находится в растворенном состоянии в нефти. При снижении давления ниже этого значения происходит выделение газа в свободное состояние. От этого процесса зависит продвижение нефти по пластам и подъем на поверхность по скважинам.
Плотность нефти зависит от ее состава, количества растворенного газа, давления и температуры.
Плотность нефти - физическая величина, измеряемая отношением массы нефти к единице объема. Единица измерения - кг/м3. Пользуются понятием относительной плотности нефти численно равной отношению плотности нефти к плотности дистиллированной воды при t = +4 оС.
Плотность нефти в пластовых условиях значительно отличается от плотности этой же нефти на поверхности за счет изменения объема.
Вязкость нефти – это внутреннее трение, возникающее между двумя смежными слоями жидкости, которое необходимо преодолеть, чтобы началось их взаимное перемещение. Различают динамическую и кинетическую вязкость. Вязкость нефти зависит от ее состава, давления и температуры.
Динамическая вязкость — это сила сопротивления, которую необходимо преодолеть для перемещения двух слоев жидкости относительно друг друга.
Кинематическая вязкость– это отношение динамической вязкости к плотности нефти.
С вязкостью непосредственно связан еще один параметр нефти – ее текучесть, представляющий собой величину, обратную вязкости.
Поверхностное натяжение— это сила, с которой нефть сопротивляется изменению своей поверхности. Это свойство обусловлено молекулярно-поверхностными свойствами нефти на границе различных фаз. Внутри жидкости силы притяжения между молекулами взаимно компенсируются. Величина поверхностного натяжения нефти значительно меньше, чем у воды, что во многом определяет возможность ее продвижения по коллекторам во вмещающих породах.
Сжимаемость нефти. Нефть, как и все жидкости, обладает упругостью, то есть способностью изменять свой объем под действием внешнего давления. Коэффициент сжимаемости зависит от давления, температуры, состава нефти и газового фактора. Стоит отметить, что с увеличением плотности нефти коэффициент сжимаемости уменьшается, а с увеличением количества растворенного углеводородного газа – возрастает. Коэффициент сжимаемости также увеличивается также с ростом температуры.
Температура кипения нефти зависит от содержания в ней тех или иных компонентов и от их строения. Чем выше концентрация в нефти легких углеводородов, тем ниже ее температура кипения.
Электрические свойства. Важнейшими параметрами, характеризующими электрические свойства растворов, являются электропроводность и электрическое сопротивление.
Электропроводность – это способность вещества пропускать через себя электрические заряды под действием электрического поля.
Электрическое сопротивление – свойство вещества препятствовать распространению электрического тока. Стоит отметить, что нефть обладает высоким удельным сопротивлением и является диэлектриком.