Лекция 2

Химические и физические свойства нефти

природного газа

пластовой воды

23.09.2017 1

Нефть

(из тур. neft, от персидск. нефт) — природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом.

23.09.2017 2

Трудность определения химического состава нефти

• Нефть и природный газ T, P>> атмосферного

• Давление и температура меняются при добыче нефти и при химических анализах -> испарение и разрушение некоторых входящих в ее состав углеводородов.

• Выделить из нефти соединения можно пока лишь путем перегонки.

Вывод:

• Первоначальный состав нефти можно определить в лучшем случае только приблизительно.

23.09.2017 3

Нефть - смесь около 1000 индивидуальных веществ

• большая часть — жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80—90 % по массе);

• гетероатомные органические соединения (4—5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ);

• металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые);

• растворённые углеводородные газы (от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %);

• минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более);

• растворы солей органических кислот и др.

• механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

23.09.2017 4

раствор чистых углеводородов и гетероатомных органических соединений, т.е. углеводородов, содержащих в молекуле атомы кислорода, азота, или серы.

Именно раствор, а не смесь, причем не обычный раствор, а раствор различных соединений друг в друге.

23.09.2017 5

Химические свойства нефти

• более половины элементов таблицы Менделеева;

• химический состав нефти полностью не известен;

• сейчас обнаружены 425 видов углеводородов, содержащих серу, азот и кислород.

23.09.2017 6

Химические свойства нефти

Таблица. Углеводороды метанового ряда

Наименование Формула Примечание

Метан СН4 При атмосферном давлении и нормальной температуре в газообразном состоянии

Этан С2Н6

Пропан С3Н8

Бутан С4Н10

Пентан С5Н12 Неустойчивы, легко переходят из газообразного состояния в жидкое и обратно

Гексан С6Н14

Гептан С7Н16

Октан С8Н18. . . C17H36

Жидкие вещества

23.09.2017 7

Группы углеводородов •метановые с общей формулой СnН2n+2; •нафтеновые – СnН2n; •ароматические – СnH2n-6. Преобладают углеводороды метанового ряда.

Химические свойства нефти

Структурные схемы метана и этана

23.09.2017 8

Фракционный состав нефти

• углеводороды, близкие по составу - фракции. Разделение таких сложных смесей, как нефть, на более простые называют фракционированием;

• фракции имеют температуру начала кипения tн.к. и конца кипения tк.к.;

• фракционный состав нефтяной смеси определяется обычно простой перегонкой или ректификацией;

• на практике его определяют стандартным перегонным аппаратом и измеряют в объемных или массовых единицах;

• при перегонке нефти, имеющей типичный состав, можно получить: 31% бензиновых фракций, 10% керосиновых, 51% дизельных, 20% базового масла и около 15% мазута.

23.09.2017 9

Фракционный состав

• определяет количество углеводородов с определенными свойствами;

• по имеющимся данным о физико-химических свойствах можно судить о фракционном составе.

23.09.2017 10

• цвет;

• запах;

• плотность;

• объем;

• вязкость;

• показатель преломления;

• флуоресценция;

• оптическая активность;

• температуры застывания и помутнения;

• температуры вспышки и воспламенения;

• коэффициент расширения;

• адсорбция;

• смачиваемость нефти;

• испаряемость;

• сжимаемость;

• газосодержание;

• газовый фактор.

23.09.2017 11

Физические свойства нефти

Физические свойства пластовых нефтей

• исследуют в специальных лабораториях по глубинным пробам, отобранным из скважин герметичными пробоотборниками;

• плотность и вязкость находят при постоянном давлении, равном начальному пластовому;

• остальные характеристики определяют при начальном пластовом и при постепенно снижающемся давлении;

• в итоге строят графики изменения различных коэффициентов в зависимости от давления, а иногда и от температуры;

• эти графики используются при решении геологопромысловых задач, при математическом моделировании.

23.09.2017 12

Цвет и запах нефтей

• желтый, зеленый, янтарный, вишнево-красный, красно-коричневый, темно-коричневый или черный, некоторые нефти в отраженном свете флуоресцируют в зеленых или пурпурных цветах.

• приятный эфирный запах,

• свежий, душистый;

• запах прочих напоминает скипидарный или камфорный,

• многие имеют очень неприятный запах обычно из-за наличия сернистых соединений.

23.09.2017 13

Плотности нефтей

могут значительно различаться, даже если эти нефти обладают близким родством:

• приурочены к соседним резервуарам в пределах одного месторождения

• находятся в одной и той же геологической обстановке;

• связаны с одним и тем же пластом-коллектором, но контролируются разными ловушками,

• находятся в одном и том же резервуаре, но занимают в нем различное структурное положение.

23.09.2017 14

Физические свойства нефти

23.09.2017 15

Единицы измерения объема нефти

• галлоны;

• кубометры (Норвегия, Канада);

• тонны (Великобритания, Франция, Россия);

• британские тепловые единицы (БТЕ или BTU);

• американский нефтяной баррель = 158,988 литров при расчетах за продажу

23.09.2017 16

ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕСЧЕТА

Вязкость

• свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой;

• для характеристики нефтепродуктов используются показатели динамической, кинематической и условной вязкости.

23.09.2017 17

ВЯЗКОСТЬ НЕФТИ

зависит от:

1. температуры,

2. давления,

3. состава нефти.

С ростом температуры вязкость падает.

С ростом давления до давления насыщения вязкость падает.

Дальнейший рост давления ведет к росту вязкости.

Чем больше газов в нефти, тем меньше ее вязкость.

23.09.2017 18

Динамическая (абсолютная) вязкость ()

• единица измерения в Международной системе единиц (СИ) — Па·с, в системе СГС — пуаз; 1 Па·с = 10 пуаз

• физический смысл: численно равен касательному напряжению, возникающему между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга с единичной скоростью, при расстоянии между этими слоями, равном единице длины.

23.09.2017 19

F=μS (∆V)/ (∆y)

Кинематическая вязкость () • свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению

одной части жидкости относительно другой с учетом силы тяжести;

• отношение динамической вязкости к плотности вещества =/;

• своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости: измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести;

• пусть две жидкости равного объема помещены в идентичные капиллярные вискозиметры и двигаются самотеком. Если одной жидкости требуется для вытекания 200 сек., а другой - 400 сек., вторая жидкость в два раза более вязкая, чем первая по шкале кинематической вязкости.

23.09.2017 20

Кинематическая вязкость Наиболее употребляемые в нефтяной

промышленности единицы

• стокс (1 Ст = 10-4 м2/с) или сантистокс (1 сСт = 10-6 м2/с),

• в Великобритании - секунды Редвуда (RS),

• в Европе - градусы Энглера (°Е)

• в США - универсальные секунды Сэйболта (SUS).

Соотношение различных единиц вязкости при одной температуре:

5 сСт = 42 SUS = 1,4 °E = 39 RS

23.09.2017 21

Условная вязкость

• отношение времени истечения из вискозиметра определенного объема жидкости ко времени истечения такого же объема (дистиллированной) воды при температуре 20оС .

23.09.2017 22

Для чего нужно измерять вязкость нефти?

23.09.2017 23

• испаряемость;

• сжимаемость;

• газосодержание;

• газовый фактор.

Физические свойства нефти (продолжение)

23.09.2017 24

Газосодержание

• количество газа, растворенного в 1м3 нефти; • закон Генри: растворимость газа в жидкости при

t=const прямо пропорциональна давлению (P); • P, при котором газ находится в термодинамическом

равновесии с нефтью, называется давлением насыщения (Pн);

• если P < Pн , из нефти начинает выделяться растворенный в ней газ;

• нефти и пластовые воды с Pн = Pпл (пластовое давление), называются насыщенными;

• нефти в присутствии газовой шапки, как правило, насыщенные.

23.09.2017 25

Термодинамическое равновесие

• состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды;

• в общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений.

23.09.2017 26

Газовый фактор

Газовый фактор России от 20 до 1000 м3/т

23.09.2017 27

В чем отличие понятий "газосодержание" и "газовый фактор"

Газосодержание - сколько газа растворено в нефти при заданном давлении.

Газовый фактор - отношение добытого газа к добытой нефти за заданный период.

Так что газовый фактор состоит из растворенного и свободного газа и др., туда же попавшего, и не обязан всегда быть равным газосодержанию.

23.09.2017 28

Природный газ

В пластовых условиях (при залегании в земных недрах) образуется при медленном анаэробном (без доступа воздуха) разложении органических веществ.

Находится в газообразном состоянии в виде:

• отдельных скоплений (газовые залежи);

• газовой шапки нефтегазовых месторождений;

• в растворённом состоянии в нефти или воде;

• в виде газоконденсатов;

• естественных газогидратов в океанах и зонах вечной мерзлоты материков.

23.09.2017 29

Химические свойства природного газа

• углеводородные газы нефтяных и газовых месторождений – это газовые смеси;

• состоят в основном из предельных углеводородов метанового ряда СnН2n+2:

метана СН4 (до 98-99%);

этана С2Н6;

пропана С3Н8;

бутана С4Н10

и других;

в них встречаются также сероводород (H2S), азот (N2), углекислота (СO2), водяные пары.

23.09.2017 30

Химические свойства природного газа (горючие и негорючие вещества)

К горючим газам относятся: • углеводороды; • водород; • H2S. Горючие газы представляют значительную пожарную опасность; они сами легко воспламеняются, и их горение может вызвать ожоги или воспламенение других горючих материалов. К негорючим газам относятся: • углекислый газ; • кислород; • азот; • водяной пар

23.09.2017 31

Химические свойства природного газа

• природные газы не ядовиты, однако при концентрации метана в воздухе, доходящей до 10% и более, возможно удушье вследствие уменьшения количества кислорода в воздухе

• после добычи из газа извлекают токсичный газ сероводород, содержание которого на тот момент не должно превышать 0,02г/м3.

23.09.2017 32

Химические свойства природного газа

• у природного газа отсутствует запах;

• чтобы определить утечку газ одоризируют (т.е. придают ему специфический запах);

• осуществляют одоризацию на газораспределительных станциях (ГРС);

• при попадании в воздух 1 % природного газа начинает ощущаться его запах.

23.09.2017 33

Физические свойства природного газа

• плотность;

• критическая температура, критическое давление;

• растворимость;

• вязкость;

• теплоемкость;

• теплота сгорания;

• верхний и нижний предел взрываемости.

23.09.2017 34

Плотность газов

• существенно зависит от давления и температуры; • при давлении 0,1 МПа и температуре 00С плотность газов

примерно в 1000 раз меньше плотности жидкости • может измеряться в абсолютных единицах (г/см3, кг/м3) и в

относительных. • относительной плотностью газа называют отношение плотности

газа при атмосферном давлении (0,1 МПа) и стандартной температуре (обычно 00С) к плотности воздуха при тех же значениях давления и температуры.

• плотность природного газа полностью зависит от его состава и находится в пределах 0,73-0,85 кг/м3

• относительная плотность по воздуху изменяется в пределах 0,61,1.

23.09.2017 35

Критическая температура, критическое давление

• Критическая температура - температура, выше которой газ не переходит в жидкое состояние, как бы велико ни было давление.

• Критическое давление – минимальное давление, при котором газ, находящийся при критической температуре, может быть сжат до состояния жидкости.

Пример. Критическое давление для метана 4,7 МПа, а

критическая температура 82,50С.

23.09.2017 36

Растворимость углеводородных газов в жидкости

при t = const определяют по формуле: S = aPb , где • S – объем газа, растворенного в единице объема жидкости,

приведенной к стандартным условиям; • Р – давление газа над жидкостью, • a - коэффициент растворимости газа в жидкости,

характеризующий объем газа (приведенный к стандартным условиям), растворенный в единице объема жидкости при увеличении давления на 1МПа;

• b - показатель, характеризующий степень отклонения растворимости реального газа от идеального. Значение a и b зависят от состава газа и жидкости.

Коэффициент растворимости a для нефтей и газов основных месторождений России изменяется в пределах 5 11 на 1МПа. Показатель b изменяется в пределах 0,8 0,95. 23.09.2017 37

Вязкость природного газа

• при давлении 0,1 МПа и температуре 00С обычно не превышает 0,01мПа·с;

• с повышением давления и температуры она незначительно увеличивается;

• при давлениях выше 3 МПа увеличение температуры вызывает понижение вязкости газа;

• газы, содержащие более тяжелые углеводороды, как правило, имеют большую вязкость.

23.09.2017 38

Теплоемкость и теплота сгорания газа

• Теплоемкостью называется количество тепла, необходимое для нагревания единицы веса или объема этого вещества на 10С. Весовая теплоемкость газа измеряется в кДж/кг, а объемная в кДж/м3.

• Теплота сгорания какого-либо вещества определяется количеством тепла, выделяющимся при сжигании единицы веса или единицы объема данного вещества.

Теплота сгорания газов выражается в кДж/кг и кДж/м3 и является основным показателем, характеризующим газ.

23.09.2017 39

Верхний и нижний предел взрываемости

23.09.2017 40

• Природные газы могут воспламеняться или взрываться, при следующих условиях: смешаны в определенных соотношениях с воздухом; нагреты до температуры их воспламенения; имеется открытый огонь.

• Верхним и нижним пределом взрываемости называется min и max содержание газа в газо-воздушных смесях, при которых может произойти их воспламенение.

• Для СН4 эти пределы составляют от 5 до 15%. Эта смесь называется гремучей и давление при взрыве достигает 0,8 МПа.

Границы взрываемости Газовоздушная смесь, в которой газа находится:

до 5% - не горит; от 5 до 15% - взрывается; больше 15% - горит при подаче воздуха.

Скорость распространения пламени для природного газа - 0,67 м/сек (метан СН4)

Свойства пластовой воды

• Образование пластовых вод

• Связанная или погребенная вода

23.09.2017 41

Вода, залегающая в одном и том же пласте вместе с нефтью или газом, называется пластовой. Пластовые воды являются обычным спутником нефти.

Образование пластовых вод • Осадочные породы, являющиеся нефтяными коллекторами, формировались,

в основном, в водных бассейнах.

• Поэтому еще до проникновения в них нефти поровое пространство между зернами породы было заполнено водой.

• В процессе тектонических вертикальных перемещений горных пород (коллекторов нефти и газа) углеводороды мигрировали в повышенные части пластов, где происходило распределение жидкостей и газов в зависимости от плотности.

• При этом вода вытеснялась нефтью и газом не полностью, так как основные минералы, входящие в состав нефтесодержащих пород, гидрофильные, т.е. лучше смачиваются водой, чем нефтью.

• Вода при вытеснении ее нефтью в процессе образования нефтяных залежей частично удерживалась в пластах в виде тончайших пленок на поверхности зерен песка или кальцита и в виде мельчайших капелек в точках контакта между отдельными зернами и в субкапиллярных каналах.

• Эта вода находится под действием капиллярных сил, которые значительно превосходят наибольшие перепады давлений, возникающие в пласте при его эксплуатации, и поэтому остается неподвижной при разработке нефтегазовой залежи.

23.09.2017 42

Образование пластовых вод

• Распределение жидкостей и газов в пласте соответствует их плотностям: верхнюю часть пласта занимает свободный газ, ниже залегает нефть, которая подпирается пластовой водой.

• Пластовая вода в нефтяных и газовых залежах может находиться не только в чисто водяной зоне, но и в нефтяной и газовой, насыщая вместе с нефтью и газом продуктивные породы залежей.

• Эту воду называют связанной или погребенной.

23.09.2017 43

Химический состав пластовых вод

• В состав вод нефтяных месторождений входят, главным образом, хлориды, бикарбонаты и карбонаты металлов натрия, кальция, калия и магния.

• Содержание хлористого натрия может доходить до 90% от общего содержания солей.

• Иногда встречается сероводород и в виде коллоидов окислы железа, алюминия и кремния. Часто присутствует йод и бром, иногда в таком количестве, что вода может быть объектом их промышленной добычи.

• Воды нефтяных месторождений отличаются от поверхностных или отсутствием сульфатов (соединений SO4), или их слабой концентрацией.

• Помимо минеральных веществ, в водах нефтяных месторождений содержатся некоторые минеральные вещества, углекислота, легкие углеводороды, нафтеновые и некоторые жирные кислоты.

23.09.2017 44

• Минерализация (жесткие и щелочные)

• Плотность (от 1080 кг/м3)

• Сжимаемость (меряется в единицах изменения объема)

• Растворимость газа в воде (меньше, чем в нефти)

• Электропроводность

• Вязкость (при 20оС - 1 мПа/сек)

Свойства пластовой воды

23.09.2017 45

Коэффициент сжимаемости воды

- изменение единицы объема ее при изменении давления на 0,1 МПа в пластовых условиях.

Содержание в воде растворенного газа повышает ее сжимаемость.

23.09.2017 46

Спасибо за внимание!

23.09.2017 47