Физики-химические и физические свойства нефти

Введение  

развитием техники повышаются требования к  ассортименту и качеству нефтей и нефтепродуктов, что, в свою очередь, требует совершенствования процессов их производства. Поэтому качества, как товарной нефти, так и продуктов ее переработки, подлежат обязательному контролю. Организацию контроля качества невозможно осуществлять без стандартов на нефтепродукты и методов их испытания. Задачи стандартизации многообразны. Это и удовлетворение более высоких требований к выпускаемой продукции технологии транспорта, защита интересов потребителя, также и интересов изготовителя— от необоснованных претензии.

Государственная система стандартизации предусматривает  следующие категории стандартов, государственные на нефтепродукты (ГОСТ), отраслевые (ОСТ), республиканские (РСТ), стандарты предприятий (ГТП), технические  условия (ТУ). Соблюдение государственных  стандартов обязательно для всех предприятий и организаций, причастных к транспорту и хранению нефтей и нефтепродуктов, тогда как другие имеют ограниченную сферу влияния. В этих документах устанавливается перечень формулируемых физико-химических, наиболее важных эксплуатационных свойств, допустимые значения ряда констант, имеющих специфическое назначение и условие использования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   В пластовых условиях газ, нефть, вода и их смеси в зависимости от их состава, температуры и давления могут находиться в газообразном, жидком состоянии или в виде газожидкостных смесей. Газ в большом количестве, а также часть жидких углеводородов  в виде паров могут находиться в верхней части структуры.

   Высокие давления увеличивают плотность  газа, и в сжатом газе создаются условия для растворения нефти. При значительном количестве газа вся нефть может оказаться растворенной. Если же газа мало по сравнению с объемом нефти, то при достаточно высоком давлении газ может полностью раствориться в нефти, образуя однофазную (жидкую) смесь. Поэтому газонефтяные залежи разделяются на чисто газовые, газонефтяные (с газовой шапкой и нефтяной оторочкой), нефтяные (с различным содержанием попутного газа) и газоконденсатные.

   В пластовых условиях физико-химические свойства нефтей определяются их химическим составом, что обусловливает некоторые особенности эксплуатации нефтяных месторождений (наличие парафина, смол, ПАВ и т.д.).

   По  элементарному составу большинство  нефтей более чем на 99 % состоят из углерода и водорода. Присутствуют также кислород, азот, сера (иногда в больших количествах), в очень малых количествах хлор, йод, фосфор, мышьяк, калий, натрий, кальций, магний.

   В нефтях наиболее широко представлены углеводороды метанового или парафинового ряда (СпН2п+2) и полиметиленовые углеводороды или нафтены (СпН2п). Почти всегда в нефтях присутствуют ароматические углеводороды. Количество нафтеновых кислот, асфальтенов, смол незначительно. На свойства поверхностей раздела в пласте и на распределение жидкостей и газов в поровом пространстве пласта существенно влияют наличие кислорода и серосодержащие вещества, что обусловливается высокой поверхностной активностью большинства кислород- и серосодержащих соединений нефти.

   Парафин не растворяется в воде, но растворяется в эфире, хлороформе, бензоле, минеральных маслах. Плотность чистого парафина колеблется от 907 до 915 кг/м3 при температуре 15 °С.

   Парафины  имеют состав С\7 — С35 с температурой плавления 27 — 71 °С. Нефтяные церезины имеют состав С36 — C55l температура их плавления 65 — 88 °С. Церезин и парафин имеют различные химические свойства. В нефтепромысловой практике известно несколько различных способов преду-

преждения отложений парафинов на стенках труб и борьбы с этим осложнением.

   Кислород  содержится в смолистых и кислых веществах нефти (нафтеновые и жирные кислоты, фенолы). Нафтеновые кислоты (их содержание в нефтях не превышает 2 %) имеют общую эмпирическую формулу CnH2n_2O2. Они представляют собой либо жидкие, либо кристаллические вещества, мало растворимые в воде и имеющие высокую плотность. В присутствии воды при повышенной температуре нафтеновые кислоты вызывают коррозию оборудования.

   Содержание  фенолов, жирных кислот и их производных  в нефти не превышает 5— 10 % от содержания нафтеновых кислот.

   Нефти СНГ содержат серу в количестве от долей процента до 5 — 6 %. Она входит в состав различных сернистых  соединений, но встречается и в  свободном состоянии. Из органических сернистых соединений в нефтях обнаружены меркаптаны (R = SH), сульфиды, дисульфиды и др. Все эти соединения в нефти — вредные примеси.

   Асфальтосмолистые вещества нефти в нефтях содержатся в пределах от 1 до 40 %. Это высокомолекулярные органические соединения, в состав которых входят углерод, водород, кислород, сера и азот. Составляющие асфальтосмолистых веществ различаются по физическим свойствам. Плотность асфальтосмолистых веществ нефти колеблется от 1000 до 1070 êã/ñì3.

   По  содержанию серы нефти делятся на два класса: малосернистые (при содержании серы не более 0,5 %) и сернистые (содержание серы превышает 0,5 %).

   Нефть обладает упругостью, т.е. способностью изменять свой объем под действием  внешнего давления. Она определяется коэффициентом сжимаемости рн 
(м2/Н):

Рн      V     Ар’

где V — исходный объем нефти, м3; AV — изменение объема нефти, м3; Ар — изменение давления, Н/м2.

   Коэффициент сжимаемости зависит от состава  нефти, температуры и абсолютного  давления. Нефти, не содержащие растворенного  газа, имеют низкий коэффициент сжимаемости (4 —7)-10~10 м2/Н. Нефти со значительным содержанием растворенного газа характеризуются повышенным коэффициентом сжимаемости.

   Вязкость  нефтей уменьшается с увеличением количества газа, температуры; увеличение вязкости нефти с ростом давления заметно лишь при давлениях выше давления насыщения. Практические значения вязкости нефтей в пластовых условиях различных месторождений изменяются в широких пределах: от многих сотен мН-с/м2 до десятых долей мН-с/м2 (от нескольких пуаз до десятых долей сантипуаза).

   Газы. В нефтяном месторождении совместно с нефтью содержится газ; он может быть в растворенном состоянии или в виде свободного газа. Эти газы называются попутными (нефтяными). Углеводородные газы, залегающие в пластах, не содержащих нефть, называют природными (свободными), а месторождения — чисто газовыми.

   Известны  залежи с растворенным газом в  пластовых водах; они пока практически  не разрабатываются (кроме Японии и  Китая).

Таблица 2.1

Физико-химические свойства алканов  

   Среди природных углеводородов выделяют три основные группы (Р.И. Вяхирев, Ю.П. Коротаев, Н.И. Кабанов).

   1. Метановые парафиновые углеводороды (алканы) с общей формулой 
CnH2n+2. Это предельные насыщенные соединения. Эти газы, как правило, 
состоят на 90 — 98 % из метана (СН4). Среди тяжелых газообразных углево 
дородов в составе природного газа преобладают этан и пропан; в меньших 
количествах содержатся бутан, пентан, гептан и более тяжелые углеводо 
роды. Они образуют с метаном единый гомологический ряд, и их называют 
гомологами метана. Бутан и более тяжелые углеводороды имеют изомеры. 
Некоторые физико-химические свойства алканов приведены в табл. 2.1.

   2.      Нафтеновые углеводороды — алкены (цикланы) с общей формулой 
СпН2п. Это непредельные соединения. Но благодаря замыканию углеводо 
родной цепи в кольцо они имеют насыщенный характер. Среди тяжелых 
газообразных углеводородов непредельные углеводороды (алкены) обнару 
живаются в виде следов или в небольших количествах. Среди них часто 
встречается этилен С2Н2. В эту же группу входят пропилен С3Н6 и бутилен 
С4Н8. При атмосферном давлении все они газы.

   3.      Ароматические углеводороды, или арены, с простейшей формулой 
СпН2п_6 
содержат в своем составе ароматическое ядро бензола. Они часто 
входят в состав конденсата газоконденсатных месторождений.

   Природные газы состоят из углеводородов метанового ряда, а также азота (N2), углекислого  газа (СО2), сероводорода (H2S), инертных газов: гелия (Не), аргона (Аг), криптона (Кг), ксенона (Хе); ртути. Содержание метана часто превышает 85 — 98 %. Содержание азота в природном газе не превышает 10 % (обычно 2 — 3 %); содержание углекислого газа меняется от долей процента до 10 — 25 %. Количество сероводорода колеблется от 0 до 20 % (иногда больше).

Природные газы подразделяют на:

   сухой газ с небольшим содержанием  тяжелых углеводородов, добываемый из чисто газовых месторождений;

   смесь сухого газа, пропан-бутановой фракции (сжиженного газа) и газового бензина, добываемую вместе с нефтью;

   сухой газ и жидкий углеводородный конденсат, добываемые из газоконденсатных месторождений. Углеводородный конденсат состоит из большого числа тяжелых углеводородов, являющихся ценнейшим сырьем нефтехимической и химической промышленности.

   Метан очень устойчив. Он может сохраняться  без изменений сотни миллионов  лет. При утечке метана и достижении его концентрации (по объему) в воздухе 5,35 % любая искра вызывает взрыв. Метан и его гомологи растворяются в воде и нефти. Его растворимость растет с повышением давления. Вязкость газов в зависимости от изменения параметров, характеризующих их состояние, изменяется сложным образом. Динамическая вязкость ц газа связана с его плотностью рг, средней длиной свободного пути X и средней скоростью молекул v :

ц = ρλv/3.

   Эта формула определяет зависимость  динамической вязкости газа от давления и температуры, так как при  повышении давления плотность газа возрастает, но при этом уменьшается  средняя длина свободного пробега  молекул, а скорость их остается постоянной. С увеличением температуры вязкость газа возрастает.