Нефть, газ и воды залежей нефти и газа

ЛЕКЦИИ 2, 3

НЕФТЬ, ГАЗ И ВОДЫ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА

ЛЕКЦИЯ 2

Нефть и природный горючий газ - формулировки

Нефть и природный газ – полезные ископаемые, обладающие важнейшим свойством – способностью гореть. Таким же свойством обладает и ряд других осадочных горючих полезных ископаемых: торф, бурые и каменные угли, горючие сланцы. Все вместе горючие породы образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов (от греч. «каустос» - горючий, «биос» - жизнь, «литос» - камень, т.е. горючий органический камень). Термин каустбиолиты введен в науку в 1908 г. немецким палеоботаником Генри Потонье. Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда.

Если для углей доказано их органическое преимущественно растительное происхождение, то вопрос о генезисе нефти не находит однозначного решения и является предметом дискуссий. Наряду с гипотезой органического происхождения, предложены гипотезы о её неорганическом происхождении.

Нефть – жидкий каустобиолит, первый представитель ряда нафтидов, способный к перемещениям в недрах и в поверхностных условиях. Генетически нефть – обособившаяся в самостоятельные скопления подвижные жидкие продукты преобразования РОВ (рассеянного органического вещества) в зоне катагенеза. В химическом отношении нефть – сложная смесь УВ в гетероатомных (преимущественно серо-, кислород- и азотсодержащих) органических соединений. В физическом отношении нефть – коллоидно-дисперсная сложноорганизованная система.

Нефть хорошо растворима в органических растворителях. В воде нефть практически нерастворима, но может образовывать с водой стойкие эмульсии. С нефтью генетически ассоциируются все природные углеводородные горючие газы и широкая гамма различных асфальтово-смолистых веществ гетерогенного состава как в жидких нефтях, так и раздельно от неё в виде продуктов преобразования нефти в литосфере.

Газ природный – смесь веществ (раствор), газообразная в нормальных (атмосферных) условиях и выделенная из состава более сложных природных систем любого агрегатного состояния. Все многообразие природных газов определяется прежде всего характером исходных природных систем и условиями их дегазации или сепарации (самопроизвольной – спонтанной или принудительной). По характеру исходной природной системы различают природные газы пород, газогидратов, нефтей, природных вод и подземных газов.

Газ свободный – природный газ, который входит в состав пластового газа и сохраняет свое газообразное состояние в нормальных условиях. Фактически это газ газовых и газоконденсатных залежей, имеющий углеводородный состав.

Свободный газ древних платформ содержит высокие концентрации азота и гелия, молодых платформ – часто повышенные концентрации двуокиси углерода. В краевых, предгорных, передовых и межгорных прогибах с мощным мезо-кайнозойским осадконакоплением свободный горючий газ характеризуется преобладанием УВ и почти полным отсутствием азота и гелия.

 

Фракционный состав нефти

Важным показателем качества нефти является фракционный состав. При атмосферной перегонке получают следующие фракции: выкипающие до 350⁰С – светлые дистилляты: начало кипения (н.к.) – 140⁰С – бензиновая фракция; 140-180⁰С – лигроиновая (тяжелая нафта); 140-220⁰С – керосиновая фракция; 180-350⁰С (220-350⁰С) – дизельная фракция (легкий газойль, соляровый дистиллят). Последнее время фракции, выкипающие до 200⁰С называют легкими, или бензиновыми, от 200 до 300⁰С - средними, или керосиновыми, выше 300⁰С – тяжелыми, или масляными. Все фракции, выкипающие до 300⁰С, называют светлыми, остаток после отбора светлых дистиллятов (выше 350⁰С) называют мазутом. Мазут разгоняют под вакуумом; получают фракции в зависимости от переработки: для получения топлива (350-500⁰С) – вакуумный газойль (вакуумный дистиллят), более 500⁰С – вакуумный остаток (гудрон). Получение масел: 300-400⁰С –легкая фракция, 400-450⁰С – средняя фракция, 450-490⁰С тяжелая фракция, более 490⁰С – гудрон.

Легкие фракции нефти наиболее богаты парафиновыми УВ. По мере повышения температуры кипения доля парафиновых УВ уменьшается, а доля ароматических возрастает. Тяжелый остаток, содержащий смолистые вещества и УВ, составляет до 15-35%.

Исследования показали, что кроме УВ и их сернистых, кислородных и азотистых производных в нефтях содержится также примесь веществ, в структуру которых входит ряд других элементов, установленных в золе тяжелого остатка. Располагая эти элементы в порядке встречаемости в убывающих количествах, получаем следующий ряд: сера, азот, ванадий, фосфор, калий, никель, йод, кремний, кальций, железо, магний, натрий, алюминий, марганец, свинец, серебро, медь, титан, олово, мышьяк. Общее содержание образующейся золы по отношению к исходной нефти составляет обычно тысячные и иногда сотые доли процента.

Сырой нефтью называют жидкую природную ископаемую природную смесь углеводородов (УВ) широкого физико-химического состава, которая содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), смазочных масел, битумов и кокса. Нефть, добываемая из земных недр, отделяется на промыслах от растворенного газа, воды и солей.

Нефть, подготовленная к поставке потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных документов, называется товарной нефтью. Товарную нефть подразделяют на классы, типы, группы, виды по физико-химическим свойствам, степени подготовки, содержанию сероводорода и легких меркаптанов.

 

Товарные качества нефти

Товарные качества нефти определяются содержанием легких и тяжелых УВ, составом жидких и твердых УВ, содержанием парафина, серы смолистых веществ, наличием примесей. По содержанию парафина различают нефти: беспарафинистые – менее 1%, слабопарафинистые – 1-2% и парафинистые – более 2%. По содержанию серы нефти подразделяются на малосернистые – с содержанием серы менее 0,5% и сернистые – с содержанием серы более 0,5%. По содержанию смол нефти делятся на малосмолистые - до 5%, смолистые – 5-15% и высокосмолистые – свыше 15% смол.

 

Физические свойства нефти

 

Основные физические свойства нефти: цвет, плотность, удельный вес, объемный коэффициент, пересчетный коэффициент, коэффициент усадки, сжимаемость, вязкость, поверхностное натяжение, давление насыщения. растворимость, температура кипения и застывания, оптические и электрические свойства, люминесценция – изменяются в зависимости от состава и структуры входящих в нее индивидуальных компонентов.

 

Природные горючие газы

Природные газы представляют собой, как правило, смесь различных газов. К наиболее распространенным в природе газам относятся метан, азот и углекислый газ. Эти газы, образующиеся при разнородных биохимических и химических процессах, встречаются в том или ином количестве в составе всех природных газов и нередко в виде значительных скоплений. Другие газы играют подчиненную роль, занимают лишь небольшой объем и редко образуют скопления. К числу последних

Относятся водород и сероводород, а также углеводородные газы – этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀), отмечаются следы С₅ – С₈, а также другие газы, сопутствующие метану (СН₄).

 

Типы природных газов

 

Природная система	Дегазация или сепарация
самопроизвольная (спонтанная)	принудительная
Подземный газ (пластовый)	Свободный газ	Газ дегазации и дебутани- зации сырого конденсата
Пластовая нефть	Нефтяной газ	Газ глубокой стабилизации нефти
Природная вода	Водорастворенный спонтанный газ	Водорастворенный газ
Природные газогидраты	Газогидратный газ	Водорастворенный газ газогидратной воды
Горная порода	Природные газы открытого трещинно-порового пространства	Газы закрытых пор, окклюдированный, сорбированный и др.

 

Природные газы находятся на Земле в различном состоянии: свободные в атмосфере и газовых залежах, растворенные в водах, сорбированные, окклюдированные, в виде твердых растворов – газогидратов. Газы, растворенные в нефти и выделяющиеся при разработке и самоизлиянии, называются попутными. Высокое энергосодержание, способность к химическим превращениям, низкое загрязнение биосферы обусловливают использование углеводородных газов в качестве наиболее удобного топлива и ценного химического сырья.

Главным компонентом природных горючих газов является метан.

Природный газ считается сухим, если он состоит главным образом из метана (85 – 95%), с низкими содержанием этана (10 – 5% и менее), практическим отсутствием пропана и бутана, с содержанием менее 10 см³/м³ способных конденсироваться жидкостей. Газ тощий – пластовый газ метанового состава с низким содержанием этана, пропана и бутана; количество конденсата - 10-30см³/м³. Газ жирный – пластовый газ с содержанием конденсата от 30 до 90 см³/м³.

В геохимии широко используется показатель «коэффициент сухости» (СН₄/С_2+высш).

Природные газы бесцветные, легко смешиваются с воздухом, растворимость их в воде и нефти различна. Свойства газов на поверхности и в пластовых условиях отличаются, они во многом определяются термобарическими условиями и физико-химическими параметрами среды. На растворимость природного газа влияют температура, давление, состав газа и нефти. Растворимость газа в нефти повышается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры; она растет в ряду С₁ – С₄. Растворимость газа уменьшается с увеличением плотности нефти. Давление, при котором данная нефть полностью насыщена газом, называется давлением насыщения; если давление в залежи падает, то газ выделяется в свободную фазу.

Химический состав природных газов неоднороден и зависит от условий их образования и нахождения в осадочной толще. Согласно классификации В.А.Соколова (1956-1967 г.г.), природные газы могут быть подразделены на газы: атмосферы, земной поверхности, осадочной толщи и изверженных пород.

Каждый из этих типов газов имеет свои специфические особенности и может находиться в свободном, сорбированном и растворенном состоянии.

Свободные газы содержатся в порах горных пород и встречаются как в рассеянном виде, так и в виде скоплений. Рассеянные газы повсеместно пронизывают горные породы и содержатся в замкнутых и сообщающихся порах. Более или менее значительные концентрации газов возможны лишь в сообщающихся порах, в зонах повышенной кавернозности и трещиноватости и при определенных условиях приводят к формированию скоплений газов, имеющих промышленное значение.

Сорбированный газ удерживается на поверхности частиц породы (адсорбция) либо пронизывает всю массу плотных участков каждой частицы и минерала (абсорбция), нередко вступая при этом в химическое взаимодействие с последним (хемосорбция).

Растворенные газы – газы жидких растворов; включают газы, повсеместно распространенные в водных растворах и нефтях, пропитывающие горные породы и выделяющиеся из недр земной коры в виде минеральных и термальных источников.

Отличительной особенностью атмосферных газов является наличие свободного кислорода. Главными компонентами атмосферного газа являются азот, на долю которого приходится 78.09%, кислород, составляющий 20,95%, аргон – 0.93% и двуокись углерода – 0,03%, а также присутствуют неон (0,0018%), гелий (0,00052%), криптон (0,0001%), водород (0,00005%).

На земной поверхности процессы газообразования интенсивно протекают в условиях заболоченных площадей и в илистых отложениях на дне различных водоемов в результате анаэробного микробиального разложения органических остатков. Характерными компонентами этих газов являются метан, углекислый газ, сероводород. Нередко в них содержится и значительное количество азота, на долю которого приходится до 90% всех газов. В составе газов, образующихся в почвенных слоях, в результате процессов разложения органических остатков при свободном доступе кислорода обнаружены углекислый газ, метан, закись азота, окись углерода, водород, аммиак.

Среди природных газов осадочной толщи, образующих промышленные скопления, следует выделять: сухие газы, попутные нефтяные газы, газы конденсатных месторождений, газы каменноугольных месторождений.

 

Попутные газы

 

Попутные нефтяные газы представляют собой смесь предельных УВ состава С_n Н_2n+2, в которой кроме метана содержатся значительные количеств ТУВ: этан, пропан, изо-бутан, н-бутан. Наряду с этими УВ в них содержатся пары более ТУВ: н-пентана, изо-пентана, н-гексана, изо-гексана и другие. Суммарное содержание ТУВ в попутном газе достигает более 10 - 50%. В различных количествах в нем присутствуют углекислый газ, азот, сероводород, водород, гелий аргон и другие.

Газы газоконденсатных месторождений содержат ТУВ (свыше 10%); наличие тяжелых газообразных УВ является отличительной особенностью газов нефтяных и газоконденсатных месторождений.

Газы каменноугольных месторождений обычно содержат много метана и в различной степени обогащены углекислым газом и азотом. Содержание двух последних компонентов в смеси газов обусловлено газообменом с атмосферой и увеличивается по мере приближения к поверхности земли. ТУВ, как правило, отсутствуют в газах угольных месторождений.

Природные горючие газы либо находятся в виде самостоятельных залежей в угольных, чисто газовых и нефтяных месторождениях, либо образуют так называемую газовую шапку над нефтяной залежью, либо содержатся в растворенном состоянии в нефти (попутные газы).

Основной характеристикой УВ – состава газов является количественное соотношение метана и ТУВ – показатель «сухости» газа обратная величина, характеризующая жирность газа (Черепенникова, 1955).

В настоящее время установлено, что гелий, содержащийся в природных горючих газах, образуется за счет радиоактивного распада урана и тория в породах различного состава. Принимая, что аргон преимущественно космического происхождения, по соотношению гелия и аргона устанавливается относительный возраст газа (Савченко, 1935).

Воздушный азот и азот, образующийся в процессе биохимического преобразования ОВ, составляют азот природных газов. Учитывая постоянство аргоново-азотного соотношения в воздушном газе, по соотношению аргона и азота в составе смеси природных газов к их отношению в воздухе устанавливается доля биогенного азота в природном газе (Савченко, 1935).

 

Физические свойства газов

 

Основные физические свойства газов: растворимость (коэффициент растворимости УВ –газов в нефтях колеблется от 0,25 до 2). Количество газа, растворенного в 1 т пластовой нефти, называется растворимостью газа в нефти или газосодержанием, а количество добытого газа, приходящегося на 1 т добытой нефти, называется газовым фактором. Сорбция, фильтрация, вязкость, диффузия и другие.

Решающую роль во всех процессах играют температура и давление, определяющие состав и состояние газовой смеси на поверхности и на различных глубинах в недрах земной коры. Увеличение температуры и давления может привести к полному растворению газов в нефти (и водах), то есть к образованию однофазной жидкой системы (с растворенным газом). Одновременно увеличение температуры и давления способствует растворению жидкой фазы в газе, и при достаточном количестве газов в условиях критических температур и давлений возможен переход смеси жидких и газообразных УВ в однофазное газовое состояние – газоконденсатное. Соответственно, в процессе миграции по мере снижения давления и температуры, происходит дифференциация состава нефтей и газов.

Конденсат

КОНДЕНСАТ – жидкий продукт сепарации подземных газов. Конденсат пластовых газов представлен в основном жидкими в нормальных условиях УВ. В высокотемпературных газовых струях зон активного вулканизма в составе конденсата преобладает вода. В промысловой практике имеют дело с конденсатом УВ состава. В него обычно входят преимущественно пентан и ТУВ алканового, цикланового и аренового состава. Плотность конденсата, как правило, не превышает 0.785 г/см³, хотя известны разности с плотностью до 0.820 г/см³. Конец кипения от 200 до 350 ⁰С. Различают конденсат сырой (полученный при сепарации) и стабильный(полученный путем глубокой дегазации сырого конденсата) Сырой конденсат содержит много газовых компонентов, особенно бутана. Стабильный конденсат практически содержит пентан и более тяжелые УВ. Количество конденсата в пластовых газах выражается либо отношением его объема к объему сепарированного газа (см³/м³), либо величиной газового фактора. Количество конденсата, отнесенное к 1 м³ сепарированного (свободного) газа, достигает 700 см³.

 

Физические свойства вод

Физические свойства вод: плотность ( зависитот минерализации: чем выше минерализация воды, тем больше её плотность), удельный объем ( это, объем, который в занимает 1 кг воды. В стандартных условиях удельный объем неминерализоанной воды равен 0, 9972 дм³. С ростом давления объем воды уменьшается, а при повышении температуры увеличивается ), объемный коэффициент ( зависит от давления и температуры, степени минерализации водыи количества растворенного в ней газа), коэффициент сжимаемости ( колеблется от 0,004 до 0,005 %), вязкость ( в пластовых условиях изменяется от 0,03 до 0,18 Па^*с. С повышением температуры она уменьшается. Изменения давления и минерализации почти не оказывают влияния на вязкость) и другие.

При разработке нефтяных месторождений необходимо знать величину отношения вязкости нефти к вязкости воды. Чем меньше это отношение, тем легче осуществляется вытеснение нефти водой и достигается больший процент извлечения нефти.

Поверхностное натяжение пластовой минерализованной воды на границе с воздухом равно 0,07 – 0,08 Н/м. Величина поверхностного натяжения влияет на вымывающие способности воды: при меньшем поверхностном натяжении вода полнее вытесняет нефть из пласта.

ЛЕКЦИИ 2, 3

НЕФТЬ, ГАЗ И ВОДЫ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА

ЛЕКЦИЯ 2