Групповой состав нефтей и нефтяных газов

 

В плане геохимического изучения нефти более важным, по сравнению с элементарным составом, является групповой состав.

Нефть представляет собой смесь веществ различных классов с неизменным преобладанием УВ; при термической разгонке нефтей многие сложные природные соединения разлагаются, и в в нефти они уже являются вторичными продуктами.

В составе нефтей указываются следующие классы соединений, включая вторичные:

1) углеводороды (от С_nН_2n+2 до С_nН_2n-20);

2) полициклические ароматические углеводороды (от С_nН_2n-22 до С_nН_2n-30);

3) сернистые соединения;

4) карбонатные соединения;

5) азотистые соединения;

6) смолистые соединения;

7) минеральные вещества.

По физическому состоянию различают углеводороды: от СН₄ до С₄Н₁₀ – газы; С₅Н₁₂ – С₁₆Н₃₄ – жидкости; С₁₇Н₃₆ – С₃₅Н₇₂ – твердые (парафины).

 

Нефти

В составе нефтей присутствуют три основные группы УВ: парафиновые, нафтеновые и ароматические. Встречаются также и некоторые производные этих УВ, а также соединения, представляющие сочетание различных типов УВ. Обычно преобладают УВ парафинового (метанового) или нафтенового ряда. В меньших количествах встречаются УВ ароматического ряда.

Алканы (метановые, парафиновые УВ) углеводороды общей формулы С_nН_2n+2. Углеродный скелет алканов представляет собой линейные или разветвленные цепи углеродных атомов, соединенных простыми связями. Алканы, имеющие линейную структуру, называются нормальными (н-алканами), а алканы с разветвленной углеродной цепью – изоалканами. Температура кипения и плавления изоалканов ниже, чем н-алканов с тем же числом углеродных атомов. Алканы химически наиболее инертная группа УВ, неспособная к реакциям присоединения. Основные реакции алканов – термическая деструкция, изомеризация, дегидрирование, окисление. Наибольшим содержанием алканов (до 70%) характеризуются легкие нефти из мезозойских и палеозойских отложений, залегающие на глубинах более 2000 м.

Цикланы (нафтеновые УВ) характеризуются формулой С_nН_2n. Эти соединения имеют замкнутую УВ цепь и, как и парафиновые УВ, являются насыщенными. По плотности, температуре кипения и показателю преломления цикланы занимают промежуточное положение между алканами и аренами с тем же числом углеродных атомов в молекуле. Эти особенности УВ разных классов используются для определения группового и структурно-группового состава фракций нефти и масел битумоидов. По многим химическим свойствам цикланы подобны алканам. Содержание цикланов в нефтях и битумоидах ОВ колеблется от 25 до 75 %. Цикланы связаны с бассейнами молодой альпийской склачатости и залегают в отложениях палеоген-неогенового возраста (Сахалин, Аляска, Венесуэла, Калифорния, Азербайджан и др.).

Арены (ароматические УВ) – класс углеводородов общей формулы С_n Н_2n-p (р = 6, 12, 14, 18, 20, 24, 28, 30, 36), содержат хотя бы одно бензольное кольцо (так называемое ароматическое ядро). Арены наряду с алканами и цикланами составляют основную массу УВ ископаемого ОВ. Эти соединения обладают повышенной химической активностью по сравнению с метановыми и нафтеновыми УВ. Они имеют высокую растворяющую способность, значительно лучше растворимы в воде и органических растворителях, чем метановые и нафтеновые УВ, и неограниченно растворяются друг в друге. В нефтях и битумоидах РОВ пород моноциклические арены представлены бензолом (С₆Н₆) и его гомологами; бициклические арены – нафталином (С₁₀Н₈) и бифенилом (С₁₂Н₁₀) и их гомологами; три-, тетра- и другие полициклические арены – фенантреном (С₁₄Н₁₀), антраценом и другими. По физическим и химическим свойствам арены существенно отличаются от алканов и цикланов.

Строго говоря, состав нефти до настоящего времени остается еще слабо изученным, особенно состав ее высокомолекулярных соединений. Ввиду невозможности определения всех индивидуальных компонентов нефти широко применяется так называемый групповой состав, показывающий содержание парафиновых, нафтеновых и ароматических УВ. В зависимости от группового состава выделяются метановые, метаново-нафтеновые, нафтеновые, нафтеново-ароматические и ароматические нефти.

Нефти – парадоксальные образования в составе земной коры: обладают плотностью меньшей чем у воды, причем, с глубиной плотность нефти снижается. В среднем она составляет 0,80 – 0,87 г/см³, варьируя в целом от 0,76 до 0,99 г/см³, в редких случаях достигая 1,04 г/см³. Вязкость нефти составляет от 1,41 до 600 м^*Па^*с (величина обратная текучести). Плотность и вязкость нефти являются функциями пластовой температуры и количества растворенных в ней газов.

Наблюдается некоторая связь между плотностью и цветом нефти: все светлые нефти обладают меньшим удельным весом, чем все темные. Нефти желтого цвета обладают плотностью 0,777- 0,798 г/см³, янтарного (более желтого) – 0,792-0,820, вишнево-красного (сураханская нефть) – 0,802 – 0,840, плотность коричневых нефтей варьирует в пределах от 0,798 до 0,967 г/см³; плотность белой нефти – 0,763 г/см³. Темная окраска тяжелых нефтей обусловлена содержанием большого количества смолистых, углистых и асфальтообразных веществ. Нефти, в которых преобладают УВ парафинового ряда, легче нефтей с УВ нафтенового ряда, а эти последние – легче нефтей ароматических.

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.