физико-химические свойства нефтей и природных газов

15 основных свойств нефтей и природных газов

1. Плотность нефти в зависимости от химического состава и количества растворенного газа колеблется от 700 до 1000 кг/м³. Она возрастает по мере увеличения содержания в ней тяжелых смолисто-асфальтеновых компонентов. Плотность газов при температуре 0⁰С и давлении 1 атм для метана составляет 0,716 кг/м³, для этана – 1,356 кг/м³, пропана – 2,019 кг/м³, бутана 2,672 кг/м³, пентана – 3,215 кг/м³. Плотность воздуха при тех же условиях составляет 1,292 кг/м³.
2. Вязкость. Вязкостью жидкости называется ее способность оказывать сопротивление действующей силе. Единицей измерения вязкости в системе СИ является миллипаскаль в секунду – мПа·с. Чем больше в нефтях ароматических и нафтеновых циклов, тем выше ее вязкость. При нормальном давлении с повышением температуры вязкость нефти уменьшается, а вязкость газов возрастает. Вязкость воды составляет 1 мПа·с, нефти – от 1 до 25 мПа·с.
3. Текучесть – величина обратная вязкости. Чем меньше вязкость, тем больше текучесть.
4. Температура кипения. Чем больше атомов углерода  входит в состав молекул, тем выше температура кипения углеводородов. Легкие нефти закипают раньше, чем тяжелые.
5. Фракционный состав нефти. Фракции нефти, выкипающие при температуре 95⁰С, называются петролейным эфиром, от 95-195⁰С  - бензином, от 190-260⁰С – керосином, от 260-350⁰С – дизельным топливом, от 350-530⁰С – маслами, свыше 530⁰С – остатком (мазут, смола, битум). Для нормальной нефти (плотностью 850 кг/м³) выход бензиновой фракции составляет 27%, керосина – 13%, дизельного топлива – 12%, тяжелого газойля – 10%, смазочных масел – 20%, мазута, смол – 18%. На заводах глубокой переработки нефти по крекинг-технологии выход бензиновой фракции доводится 45%.
6. Теплота сгорания – количество теплоты выделяющееся при сгорании 1 кг. топлива. Для угля она составляет 33600 Дж/кг, для нефти – 43250-45500 Дж/кг, для газа – 37700-56600 Дж/кг.
7. Цвет нефти изменяется в широких пределах от бесцветного, светло-желтого, желтого до темно-коричневого и черного. Некоторые нефти при дневном освещении имеют зеленоватый и синеватый оттенки.
8. Люминесценция – холодное свечение веществ под действием различных факторов. Различают флюоресценцию и фосфоресценцию. Флюоресценцией называют свечение веществ непосредственно после прекращения возбуждения в течение не более 10^-7 сек. Если вещество продолжает светиться более длительное время, то говорят о фосфоресценции. В ультрафиолетовых лучах легкие нефти флюоресцируют интенсивно голубым цветом, тяжелые – желто-бурым и бурым цветами.
9. Электропроводимость. Нефти являются диэлектриками, т.е. не проводят электрический ток.
10. Оптическая активность. Нефти способны слабо вращать плоскость поляризации светового луча. Величина угла оптического вращения уменьшается с уменьшением возраста нефтей.
11. Молекулярный вес. Молекулярный вес сырой нефти колеблется в пределах 240-290. Наиболее тяжелые фракции нефтей – смолы и асфальтены имеют высокий молекулярный вес – 700-2000.
12. Коэффициент теплового расширения нефти характеризует ее способность увеличивать объем при нагревании. Зависит от состава нефти.
13. Растворимость газов. Все углеводородные газы, начиная от метана до пентана, при обычных температурах весьма инертны к действию кислорода, щелочей и кислот. Растворяются в воде. Растворимость газов в нефтях зависит от состава нефти и газа, возрастает по мере повышения давления. При одинаковом количестве атомов углерода в молекуле жидкого углерода при прочих равных условиях газ лучше всего растворяется в метановых нефтях, хуже в нафтеновых и хуже всего в ароматических нефтях. Чем выше молекулярный вес газообразного углеводорода, тем он лучше растворяется в нефтях: лучше растворяется пентан, хуже всех – метан. Количество растворенного в жидкости газа называется газовым фактором. Газовый фактор нефтей возрастает с глубиной, по мере увеличения давления. На глубинах 1,5-2 км он составляет 150-200 м³/м³. Если снизить давление в пласте, то часть газа выделяется в свободную фазу.
14. Давление насыщения. В природных условиях нефти не всегда полностью насыщены газом. Давление (при постоянной температуре), при котором из нефти начинает выделяться растворенный в ней газ в свободную фазу, называется давлением насыщения.
15. Обратная (ретроградная) растворимость – растворимость нефтей в газах. В области повышенных давлений при достаточно большем объеме газовой фазы жидкие углеводороды растворяются в газе, переходя в парообразное состояние. Образуется газоконденсатная смесь (залежь). Нефть меньше всего растворяется в метане. Добавка к метану более тяжелых газообразных углеводородов увеличивает его растворяющую способность. С повышением давления при постоянной температуре и с повышением температуры при постоянном давлении растворимость жидких углеводородов в газах увеличивается. Она падает с повышением молекулярного веса углеводородов. Хуже всего растворяются смолы и асфальтены. Если понизить давление в пласте, то конденсат выделится в свободную фазу. Количество растворенной в газе нефти называется конденсатным фактором. Конденсатный фактор газов возрастает с глубиной, по мере увеличения давления. На глубине 3 км он составляет 200-250 см³/м³, на глубине 4 км 400-450 см³/м³.

Таблица 4

Растворимость газов в воде и других растворителях

(см³/1000см³ растворителя) при t=20°С, Р=1 атм.

1. Упругость паров углеводородов. Наибольшей упругостью паров обладает метан. Чем тяжелее углеводороды, тем меньше упругость и разность упругости паров при различных температурах.
2. Сорбция нефтей и газов – способность поглощаться различными адсорбентами. В качестве сорбента чаще всего применяется уголь, силикагель. На способности адсорбентов поглощать углеводороды основаны хроматографические методы разделения нефтей и газов на фракции.
3. Газонасыщенность (газовый фактор) нефти определяется количеством газа, растворенного в нефти в условиях залежи. Измеряется в м³ на 1 м³ нефти.
4. Конденсатный фактор газов – количество растворенной нефти в 1 м³ газа в условиях залежи. Выражается в кубических сантиметрах на 1 м³ газа.

II.4. Классификация нефтей и газов по их химическим и физическим свойствам

В природе наблюдается огромное разнообразие нефтей и газов. Классификация их производится по каждому признаку (свойству) отдельно и на количественной основе. По этим признакам выделяются марки нефтей.

1. По химическому составу различаются три класса нефтей:

1. Метановые, нафтен-метановые
2. Нафтеновые,метан-нафтеновые
3. Нафтен-ароматические.

К первой группе относятся нефти, добываемые в Волго-Уральской провинции, в Западной Сибири, Чечено-Ингушетии, Дагестане, Западной Украине и др. Нефти второй группы добываются в Западно-Предкавказской провинции (Кубань), в Апшерон-Нижнекуринской провинции (Баку), в Туркмении, на Эмбе, на Сахалине. Нефти третьего типа встречаются редко: на Кубани, Эмбе, Ухте и др.

2. По содержанию серы различаются нефти трех типов:

I. малосернистые (S<0,5%)

II. сернистые (S - 0,5 – 2%)

III. высокосернистые (S>2,0%)

3. По содержанию легких фракций (выкипающих при температуре до 350 С) выделяются три типа нефтей

Т₁>45%

Т₂- 30 – 45%

Т₃<30%

4. По содержанию базовых масел выделяются четыре класса нефтей:

М₁>25%

М₂- 20 – 25%

М₃- 15 – 20%

М₄<15%

5. По содержанию парафина различаются нефти трех типов:

П₁ – малопарафиновые (<1,5%)

П₂ –парафиновые (1,5 – 6%)

П₃ – высокопарафиновые (>6%)

6. По степени вязкости выделяются три типа нефтей:

И₁– 1–5мПа×с

И₂- 5-25мПа×с

И₃>25мПа×с

7. По удельному весу различаются нефти пяти классов:

1. очень легкие – 700 – 750 кг/м³
2. легкие – 750 – 830 кг/м³
3. нормальные – 830 – 860 кг/м³
4. тяжелые – 860 – 900 кг/м³
5. очень тяжелые – 900 – 1000 кг/м³

По этим признакам составляется шифр нефти. Например IТ₂М₃И₁П₃ – нефть малосернистая, со средним содержанием легких фракций, малосмолистая, маловязкая, высокопарафинистая. Такую характеристику имеет нефть Жетыбайского месторождения (п-ов Мангышлак). В России особо легкие нефти добываются в Калининградской, Саратовской, Новосибирской областях, на Северном Кавказе, в Эвенкии (Восточная Сибирь). Наиболее тяжелые нефти добываются в Пезенской, Ульяновской областях, в Удмуртии, Краснодарском крае. Тяжелые нефти извлекаются на севере Волго-Уральской провинции, в Астраханской, Сахалинской областях. В остальных районах добывается нормальная нефть плотностью 830 – 870 кг/м³.

Малосернистые (S<0,6%) нефти добываются на юге Волго-Уральской провинции, на Северном Кавказе, в Калининградской, Новосибирской областях, сернистые – в Среднеобской области Западной Сибири. Высокосернистые (S>1,8%) нефти извлекаются в Центральных и Северных частях Волго-Уральской провинции, на юге Тюменской области.

Конденсаты представляют легкую нефть светлого, желтого, оранжевого цветов. Это – готовое топливо для машин и ценнейшее химическое сырье. Выход бензиновой фракции из них составляет 44-85%. Плотность их колеблется от 698 до 840 кг/м³. Вязкость низкая – от 0,5 до 1,5 мПа·с. Химический состав их: преобладают алканы – 55-70%, содержание нафтенов – 20-30%, аренов – 8-20%. В природных (пластовых) условиях конденсат находится в растворенном в газе (парообразном) состоянии, выделяется в свободную фазу в виде жидкости при снижении давления, например, при разработке газоконденсатных месторождений и залежей.

Конденсатный фактор природных газов возрастает с глубиной. Например, на Уренгойском месторождении на глубине 2340м он составляет 110 см³/м³, на глубине 3000 м – 400 см³/м³.

Классификация углеводородных газов производится по содержанию гомологов метана и по количеству растворенного в них конденсата. К гомологам метана относятся этан, пропан, бутан, пентан. Среди гомологов метана обычно преобладает этан – 6-20%. Природный газ в основном (на 98-99%) состоит из метана. Такой газ называется сухим. Газ, богатый гомологами метана и конденсатом, называется жирным. Жирность газов возрастает по мере увеличения глубины залегания и пластового давления. Газы малых глубин (до 1,5 км) сухие, тощие, средних глубин (1,5-4 км) – полужирные, жирные, больших глубин (>4 км)– жирные.

Таблица 5

Классификация природных газов по содержанию гомологов метана и растворенного конденсата.

Попутный газ – газ, добываемый при разработке нефтяных месторождений. В пластовых условиях этот газ находится в растворенном в нефти состоянии, а при снижении давления выделяется в свободную фазу. По химическому составу обычно он относится к классу жирных газов.

Сжижение газов. В промышленности сжижение газов осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается под давлением, а потом охлаждается холодильным россолом. В качестве хладоагента при сжижении метана используется жидкий азот. Различаются две группы сжиженных газов:

1. пропан-бутановые и пропилен-бутановые газы. Они сжижаются при обычных температурах и сравнительно невысоких давлениях, хранятся в стальных баллонах, рассчитанных на давление 16 кг/см²
2. Метановый газ. Сжижается при низких температурах (-161,3ºС), хранится в специальных хладостойких баллонах, расчитанных на 10кг/см².

Сжиженный газ используется в качестве топлива в быту и в газобаллонных автомобилях. В Алжире, Ливии, Канаде построены заводы по сжижению и транспортировке его в Японию, Великобританию. Температура горения природного газа в воздухе составляет 195°С, в кислороде – 278°С.

Газокогидраты – полутвердые и твердые вещества в виде льда и снега, содержащие растворенный газ, выделяющийся в свободную фазу в процессе их растаивания. Плотность метановых газогидратов 920 кг/м³, этановых – 1000 кг/м³. В кубическом метре газогидрата содержится до 200 м³ метана. Залежи газогидрата выявлены в вечно мерзлых горных породах и на дне мирового океана, где господствуют низкие температуры (ноль - минус 2°С). Здесь под действием высокого давления и низкой температуры образовались триллионы тонн газогидрата – энергоемкого минерала, который кристаллизовался из газонасыщенной воды.

Рынок нефти. На мировом рынке различаются несколько сортов нефти. Сортность нефти определяется по их химическому составу. Наиболее высоко ценятся ароматические нефти, но их в природе мало. Содержание серы ухудшает товарные качества нефти. В нефтях сорта "брент" содержание серы в среднем составляет 0,5%, в сортах "дубай", "уралс" 1–1,5%. Основная часть мировой нефти относится к сорту "дубай", покупается по более низким ценам, чем сорт "брент". Российская нефть на мировом рынке в основном относится к сорту "уралс" – (уральская), по химическому составу близка к сорту "дубай". Цены на нефть определяются странами ОПЕК, куда входят страны-экспортеры нефти: Венесуэла, Эквадор, Ливия, Габон, Нигерия, Индонезия, Алжир, Арабские Эмираты, Саудовская Аравия, Катар, Кувейт, Иран, Ирак. Основными покупателем нефти являются США – 300 млн.т в году, Япония, Китай, Западная Европа. В 1987 году цена нефти составляла 18 долларов за баррель, в 1990 – 14 долларов. В 1988 году цены на нефть были рекордно низкие: от 9,5 до 12 долларов, в 2000 году – рекордно высокие – 29 долларов за баррель. Мировые цены на сырую нефть в 2002 году составляли ( баррель/доллар) по сортам "брент" – 25,02, "дубай" – 23,85, "уралс" – 23,73, "опек" – 24,34. Цены на конденсат вдвое дороже нефти.