Состав нефти: элементный, количественный, групповой, фракционный

Состав нефти: элементный, количественный, групповой, фракционный

Нефть – это сложная коллоидная гидрофобная система, состоящая из углеводородов различного строения и гетероатомных или неуглеводородных соединений (кислородных, сернистых, азотистых и высокомолекулярных металлорганических смолисто-асфальтеновых соединений), которая распространена в породах осадочного чехла и фундамента осадочных бассейнов. Среди углеводородных и неуглеводородных компонентов нефти содержатся так называемые реликтовые структуры или хемофоссилии, которые по своему составу близки к некоторым биологическим веществам или их фрагментам. Обычно нефть имеет черный или темно-коричневый цвет, иногда, при солнечном свете, зеленовато-желтый оттенок и реже она почти бесцветная.

При химическом анализе нефти определяют её элементный, изотопный, компонентный и фракционный состав. В нефтях обнаружено свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева, которые разделяются на главные и основные элементы, а также на микроэлементы.

Главными химическими элементами нефти являются углерод и водород. Содержание углерода составляет 82-87 %, а водорода 12-14 %. В сумме их содержание составляет 96-99 %.

Основные элементы представлены кислородом, серой и азотом. Их общее содержание составляет от 0,5 до 2 %, но может достигать 8 % и более, главным образом, за счет серы.

Микроэлементы содержатся в количестве от одной десятой до одной десятимиллионной доли процента. В сумме они составляют менее 1 %. Главное место среди микроэлементов занимают металлы - это: ванадий (V), никель (Ni), железо (Fe), цинк (Zn) и другие металлы. Содержатся также и неметаллы - галогены: хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и другие элементы-неметаллы: фосфор (P), кремний (Si), мышьяк (Аs). Наибольшим содержанием выделяется: фосфор, до 0,1 %, ванадий (V) - 0,03-0,004 %, никель (Ni) - 0,03-0,05 %, железо (Fe) - 0,012-0,0003 % и цинк (Zn) - 0,0036-0,0004 %. При этом ванадий и никель концентрируются в золе некоторых нефтей в количествах, соизмеримых с их содержанием в промышленных рудах.

В изотопном составе соединений нефтей преобладают легкие изотопы элементов.

В нефтях определено около 1300 индивидуальных химических соединений, которые разделяются на две группы: углеводородную и неуглеводородную.

Основными компонентами нефти являются углеводороды, которые представлены алкановыми, нафтеновыми, ароматическими и гибридными соединениями. В некоторых нефтях обнаружены этиленовые УВ или алкены.

Фракционный состав нефти. Нефть содержит компоненты, выкипающие в широком интервале температур – от 35 до 600 °С и поэтому по степени летучести разделяется на составные части или фракции. Фракционный состав является важным показателем качества нефти.

При физической переработке происходит прямая перегонка нефти, которая заключается в термическом разделении нефти на фракции. Разделение основано на различии температур кипения (ТК) разных фракций с различной молекулярной массой. На первой стадии нефть перегоняют при атмосферном давлении и получают легкие светлые нефтепродукты или дистиллятные фракции, выкипающие до 350 °С:

1) бензин (УВ С₅-С₁₀) - ТК от 35 до 200 °С;

2) керосин (УВ С₁₁-С₁₃) – ТК от 200 до 250 °С;

3) газойль, дизельное топливо или легкие соляровые масла (УВ С₁₄-С₂₁) – ТК от 250 до 350 °С; 4)мазут.

Мазут – остаток при переработке тяжелых нефтей, состоит из УВ масляной фракции, смол, асфальтенов и гетероатомных соединений, которые составляют тяжелые темные фракции нефти, выкипающие при температуре выше 350 °С.

При переработке мазута получают следующие фракции нефти:

1) масла соляровые (УВ С₂₂-С₂₅);

2) масла смазочные (УВ С₂₆-С₃₅);

3) гудрон или нефтяной пек (смолы, асфальтены и УВ С₃₆-С₆₀ и более).

Факторы, определяющие основные закономерности распределения нефти и газа

 

Известно два закона нефтегазонакопления. Согласно одному из них – нефтегазообразование и нефтегазонакопление связано с осадочными бассейнами (закон И.О. Брода), согласно другому – месторождения формируются в ОПБ до фундамента включительно (закон Н.А. Кудрявцева).

Среди наиболее общих и формальных факторов выделяют общую площадь и объём осадочного чехла НГБ. Эти факторы, в отличие от средней и максимальной толщины осадочного чехла, сопоставимы. Диапазон их изменчивости в НГБ Земли лежит в пределах тысячи (10³) раз, в то время как диапазон изменчивости толщины осадочного чехла не превышает 5-7 раз.

Кроме того, интересен факт, что подавляющая часть как крупных, так и уникальных месторождений связана с НГБ, которые на планетарном профиле «континент-океан» лежат в его центральной части. При этом у большинства НГБ доля площади территорий превышает долю площади акваторий. Эта закономерность подтверждает справедливость определения В.Е. Хаина, что континентальные окраины являются «родиной нефти».

Крупные месторождения формируются в ОПБ, для которых характерно длительное и непрерывное прогибание, приводящее к накоплению огромных объёмов осадочных пород, как морского, так и континентального происхождения. Кроме того, важными геолого-генетическими условиями являются:

- совмещение процессов генерации и аккумуляции УВ в пространстве и времени;

- близкое расположение регионально распространенных нефтематеринских пород, с повышенным содержанием ОВ и крупных ловушек, размеры которых составляют от нескольких сотен до нескольких тысяч квадратных километров и часто объединённых в единую зону нефтегазонакопления с общим контуром нефтеносности и наличием великолепных емкостно-фильтрационных свойств;

- присутствие в разрезе надёжных региональных флюидоупоров, представленных эвапоритами, глинами, иногда глинистыми известняками и мергелями с высокими экранирующими свойствами;

- наличие участков с повышенной тепловой энергией, повторном опускании и прогреве нефтегазопроизводящих пород;

- непродолжительность формирования месторождений

- сравнительно позднее вступлением нефтегазоматеринских толщ в очаг генерации (24 % уникальных и крупных месторождений УВ открыто в палеогеново-неогеновых отложениях, 59 % - в мезозойских и 13 % в палеозойских отложениях, но в очаг генерации они попали, как правило, не ранее палеогена).

- связь месторождений нефти и газа, в том числе уникальных и крупных, с активизированными глубинными разломами, узлами их пересечения и с областями активного сейсмопроявления и повышенной новейшей тектонической активности.

 

Особенности ГРР при поисках газовых и газоконденсатных месторождений

 

Экзаменационный билет №___2__

1.Физические свойства нефти

2.Ловушки. Механизмы аккумуляции.

3.Классификация буровых скважин при ГРР на нефть и газ

 

Физические свойства нефти

Физические свойства нефти косвенно отражают её химический состав и определяют товарные качества нефти. Они учитываются при составлении технологической схемы эксплуатации залежей, проектировании нефтепроводов. Диэлектрические свойства нефти и её способность люминесцировать используются при проведении поисково-разведочных работ.

Плотность нефти определяется ее массой в единице объема. В нормальных условиях от 0,73 до 1,04 г/см³. В условиях залежи нефть содержит растворенный газ и отличается более высокой температурой. В недрах плотность нефти меньше, чем в стандартных условиях от 15 до 40 % и более (0,3-0,4 г/см³).

Газонасыщенность нефти. Нефть, за исключением высоковязких гипергенно измененных нефтей, всегда содержит в своем составе растворенные газы. Газонасыщенность или газовый фактор (Г_Ф) – это количество кубических метров природного газа, выделившегося в нормальных условиях при дегазации 1 м³ или 1 т пластовой нефти. Газонасыщенность нефти растет с ростом давления и может достигать значений 600-750 м³/т и более.

Обратная (ретроградная) растворимость нефти в газах. При повышенном давлении и большом объеме газа жидкие УВ переходят в парообразное состояние и растворяются в газах. Меньше всего нефть растворяется в метане. Растворимость компонентов нефти в газах падает с повышением молекулярной массы компонентов.

Давление насыщения пластовой нефти газом. Это давление, при котором нефть предельно насыщена газом, или давление, при снижении которого растворённый газ начинает выделяться из нефти.

Температура застывания и плавления. Эти параметры у различных нефтей зависят от их состава и лежат в широких пределах, от минус 35 до плюс 40 °С. Высокая температура застывания обусловливается высоким содержанием парафинов, а низкая температура – высоким содержанием смол.

Сила поверхностного натяжения - важнейшее свойство нефти. Она определяет способность нефти перемещаться в пористых водонасыщенных пластах. С увеличением поверхностного натяжения растёт капиллярное давление. У воды поверхностное натяжение почти в три раза больше, чем у нефти, поэтому вода быстрее движется по мелким капиллярам. Молекулярные силы сцепления между водой и породами также больше, чем между нефтью и породами, поэтому вода вытесняет нефть из мелких пустот пород в более крупные. Это обусловливает возможность самостоятельной струйной миграции нефти в водонасыщенных породах по системе сообщающихся крупных пор.

Оптические свойства. Нефть имеет цвет, обладает свойством вращать плоскость поляризации света, люминесцировать, преломлять проходящие световые лучи.

Цвет нефти зависит от содержания в ней неуглеводородных компонентов - в основном смол и асфальтенов (чем их больше, тем темнее).

Электрические свойства. Нефть является диэлектриком и при трении электризуется. Удельное электрическое сопротивление обезвоженной нефти равно 10¹⁰-10¹⁴ Ом·м. Сопротивление нефтегазонасыщенных пород зависит от соотношения в пласте нефти и воды. Так, глины имеют удельное сопротивление от 1 до 10 Ом·м, а нефтенасыщенный песчаник – от 10-15 до 1000 Ом·м. Предельные значения электропроводности пород и минералов могут различаться в 10¹⁰ раз, то есть в 10 млрд. раз.

 

Классификации нефти

Классификации нефтей используются для оценки состава, качества, технологических свойств, изучения истории образования и преобразования нефтей. Для этих целей составлены различныехимические, генетические и геохимические классификации,а такжетехнологическаяклассификация.

В основе технологической классификации лежат признаки, которые определяют технологические свойства нефти - это содержание: серы; светлых фракций, выкипающих до 350 ºС; выход базовых масел; индекс вязкости масел; и содержание парафина. Каждому признаку присвоен свой индекс и подиндексы, которые определяют количественные параметры признаков.

Технологическая классификация нефтей

Класс нефтей по содерж. серы, %	Тип нефтей по содерж. фракций, выкип. до 350 °С, %	Группа нефтей по содержанию масел, %	Подгруппа нефтей по вязкости масел	Вид нефтей по содерж. парафина, %
I – менее 0,5	Т1 – 45 и более	М1 – 25 и более	И1 - более 85	П1 – до 1,5
II – 0,51-2,0	Т2 – 30,0-44,9	М2 - 15-25	П2 - 1,51-6,0
М3 - 15-25	И2- 40-85
III– более 2,0	Т3 - менее 30	М4- менее 15	П3 более 6,0

Совокупность индексов образует шифр нефти, например: IТ₂М₃И₁П₃ означает, что нефть содержит менее 0,5 % серы, 30,0-44,9 % лёгких светлых фракций, способна дать 15-25 % базовых масел в расчёте на нефть и 30-45 % в расчёте на мазут с индексом вязкости выше 85 и содержит более 6 % парафина. Классификация дает представление о товарных свойствах любой нефти, возможной технологической схеме её переработки и выходе конкретных нефтепродуктов.

В основе химических классификаций лежат данные о соотношении углеводородных компонентов в составе нефтей - алканов, нафтенов и аренов в целом или только в составе бензиновой фракции, а также - показатели содержания серы, САВ, твердых парафинов и плотности нефти.

Генетические классификации основаны на учете признаков, которые характеризуют геолого-геохимические условия накопления ОВ и образования нефтей. Генетическую информацию несет состав и молекулярно-массовое распределение в нефтях хемофоссилий, а также фациально-генетический тип ОВ и степень его преобразования (окисленности или метаморфизма). Генетические классификации используются для установления генетической принадлежности или однородности нефтей как по разрезу, так и по площади нефтегазоносного региона, а также - для прогноза перспектив нефтегазоносности изучаемого региона.

Геохимические классификации основаны на учёте признаков вторичного изменения состава нефтей в залежах, которые контролируются катагенетическими, гипергенными и миграционными факторами. Эти классификации также используются для прогноза нефтегазоносности, состава нефтей и направления их миграции.

 

Механизм миграции УВ

В результате миграции часть нефти и газа аккумулируется в ловушках и образует скопления нефти и газа. Например, аллохтонные битумоиды, или микронефть, находятся в нефтегазопроизводящих породах в рассеянном состоянии в количестве, измеряемом сотнями граммов и реже несколькими килограммами в 1 м³. В залежах концентрация нефти достигает 250 кг на 1 м³ коллектора. Значительная часть нефти и газа рассеивается в горных породах на путях миграции или окисляется, достигая земной поверхности и атмосферы.

Различают три этапа или вида миграции нефти и газа: первичную миграцию, вторичную миграцию и третичную миграцию.

Первичная миграция протекает в нефтегазопроизводящих породах. Её часто называют эмиграцией. Первичная миграция УВ представляет собой процесс десорбции (отрыва) микронефти и газов от рассеянного ОВ и минеральной части нефтегазоматеринских или нефтегазопроизводящих пород и их перемещение в породы-коллекторы.

Вторичная миграция, просто миграция, или собирательная миграция протекает в природных резервуарах до ловушек или выхода пласта-коллектора на земную поверхность и завершается образованием скоплений нефти и газа или природных битумов. Сущность процессов вторичной миграции заключается в передвижении нефти и газа в водонасыщенных природных резервуарах до ловушек и формировании залежей. Поэтому вторичную миграцию нефти и газа иногда называют собирательной миграцией.

Миграция УВ происходит по зонам наименьшего фильтрационного сопротивления, имеет разные масштабы и направления как по отношению к толщам горных пород, так и по отношению к тектоническим элементам.

Путями миграции являются локализованные «каналы» в природных резервуарах это: весь объём эффективных пор и трещин в кровельной части проницаемых пород; зоны повышенной трещиноватости пород, связанные с разломами и тектоническими разрывами; плоскости напластования и несогласного залегания пластов; контакты боковой поверхности соляных массивов и интрузий с примыкающими породами; сутурные поверхности, литологические окна в толще флюидоупоров и другие проницаемые зоны.

Третичная миграция возникает за счёт нарушения условий залегания залежей. При этом нефть и газ снова начинают мигрировать, но уже из залежей. Этот вид миграции иногда называют ремиграцией.

Газовые гидраты

При образовании ГГ полости кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи заполняются молекулами только одного определённого газа. При этом один объем воды связывает от 70 до 300 объемов газа, поэтому плотность газогидратов меняется в широком диапазоне, от 0,8 до 1,8 г/см³. В полостях решётки газ удерживается силами Ван-дер-Ваальса, которые имеют электрическую природу.

Общая идеальная формула газовых гидратов М∙nН₂О, где М – 1 моль конкретного газа. Значения n меняются от 5,75 до 17, в зависимости от состава газа и условий образования гидратов. В реальных условиях n может быть больше, вследствие неполного заполнения полости решетки гидрата молекулами газа – гидратообразователя. 1 м³ воды может удержать в гидратном состоянии 200 м³ метана, тогда как растворимость метана в воде в аналогичных условиях не превышает 2-3 м³.

Условия образования газогидратов определяются составом газа, температурой, давлением и минерализацией воды. Обычно газогидраты образуются при температуре ниже 30 °С и повышенном давлении. Например, при 0 ºС гидрат метана образуется при давлении 3 МПа, а при температуре 25 ºС уже при давлении 40 МПа. Таким образом, чем выше температура, тем выше необходимо давление для образования ГГ.

Непосредственно в воде ГГ не образуются потому, что там концентрация растворенного газа не достигает необходимых значений. Образуются они в водонасыщенных осадках и на разделах горная порода-вода, так как на поверхности минеральных частиц имеется слой адсорбированных молекул газа. Образуются ГГ и из свободного газа на разделе: газ-вода.

Образование газогидратов может происходить в пласте в процессе разработки газовой залежи, в стволе скважины или в газопроводе, поэтому прежде чем газ подают потребителям, его осушают.

Условиям образования ГГ в природе соответствуют зоны многолетнемерзлых пород, а также морские и озерные осадки, лежащие на достаточной глубине. Сезонные колебания температуры воды в Мировом океане захватывают только верхний слой толщиной около 100 м. Затем колебания сглаживаются и на глубинах ниже 1500-2000 м температура становится постоянной в пределах от 2 до 3 ºС и только в Арктике падает до минус 0,7 и даже до минус 1,4 ºС. Поэтому образование гидратов происходит в глубоких акваториях не зависимо от широты. Например, гидраты метана образуются на глубинах от 500 до 600 м, а в полярных широтах верхняя граница гидратообразования приближается к поверхности.

В настоящее время установлено, что условиям гидратообразования соответствует до 23 % площади континентов, особенно Евразии и 90 % площади Мирового океана. Ресурсы гидратного в десятки тысяч раз превышают мировые запасы природного газа.

Химический состав газов

Состав газов газовых залежей. Свободные природные газы образуют скопления, состоящие из углеводородных и неуглеводородных компонентов. Главное значение имеют углеводородные компоненты: метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈ и бутан С₄Н₁₀, а также пары жидких УВ. Среди них преобладает метан.

Среди неуглеводородных компонентов преобладают: азот, углекислый газ и сероводород. Иногда каждый из этих газов может превышать 50 % и даже достигать 100 % в составе газовых залежей. В меньших количествах в залежах присутствуют следующие газы: водород, гелий, аргон, ксенон, окись углерода, а также пары воды и ртути.

Природный газ, в котором суммарное содержание углеводородных газовых компонентов превышает 50 %, называется углеводородным.

Сухие газы состоят на 95-99 % из метана. Сухими они называются потому, что практически не образуют конденсат.

Тощие газы состоят из метана на 90-95 % и содержат пары жидких углеводородов, которые при снижении давления образуют конденсат в количестве от 10 до 30 см³/м³.

Жирные газы также состоят в основном из метана, но его содержание составляет менее 90 %. Содержат они и ТУВГ, а также - пары жидких высококипящих УВ, которые при снижении давления образуют конденсат в количестве боле 30 см³/м³. Имеются жирные газы с преобладанием неуглеводородных компонентов.

 

Состав нефти: элементный, количественный, групповой, фракционный

Нефть – это сложная коллоидная гидрофобная система, состоящая из углеводородов различного строения и гетероатомных или неуглеводородных соединений (кислородных, сернистых, азотистых и высокомолекулярных металлорганических смолисто-асфальтеновых соединений), которая распространена в породах осадочного чехла и фундамента осадочных бассейнов. Среди углеводородных и неуглеводородных компонентов нефти содержатся так называемые реликтовые структуры или хемофоссилии, которые по своему составу близки к некоторым биологическим веществам или их фрагментам. Обычно нефть имеет черный или темно-коричневый цвет, иногда, при солнечном свете, зеленовато-желтый оттенок и реже она почти бесцветная.

При химическом анализе нефти определяют её элементный, изотопный, компонентный и фракционный состав. В нефтях обнаружено свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева, которые разделяются на главные и основные элементы, а также на микроэлементы.

Главными химическими элементами нефти являются углерод и водород. Содержание углерода составляет 82-87 %, а водорода 12-14 %. В сумме их содержание составляет 96-99 %.

Основные элементы представлены кислородом, серой и азотом. Их общее содержание составляет от 0,5 до 2 %, но может достигать 8 % и более, главным образом, за счет серы.

Микроэлементы содержатся в количестве от одной десятой до одной десятимиллионной доли процента. В сумме они составляют менее 1 %. Главное место среди микроэлементов занимают металлы - это: ванадий (V), никель (Ni), железо (Fe), цинк (Zn) и другие металлы. Содержатся также и неметаллы - галогены: хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и другие элементы-неметаллы: фосфор (P), кремний (Si), мышьяк (Аs). Наибольшим содержанием выделяется: фосфор, до 0,1 %, ванадий (V) - 0,03-0,004 %, никель (Ni) - 0,03-0,05 %, железо (Fe) - 0,012-0,0003 % и цинк (Zn) - 0,0036-0,0004 %. При этом ванадий и никель концентрируются в золе некоторых нефтей в количествах, соизмеримых с их содержанием в промышленных рудах.

В изотопном составе соединений нефтей преобладают легкие изотопы элементов.

В нефтях определено около 1300 индивидуальных химических соединений, которые разделяются на две группы: углеводородную и неуглеводородную.

Основными компонентами нефти являются углеводороды, которые представлены алкановыми, нафтеновыми, ароматическими и гибридными соединениями. В некоторых нефтях обнаружены этиленовые УВ или алкены.

Фракционный состав нефти. Нефть содержит компоненты, выкипающие в широком интервале температур – от 35 до 600 °С и поэтому по степени летучести разделяется на составные части или фракции. Фракционный состав является важным показателем качества нефти.

При физической переработке происходит прямая перегонка нефти, которая заключается в термическом разделении нефти на фракции. Разделение основано на различии температур кипения (ТК) разных фракций с различной молекулярной массой. На первой стадии нефть перегоняют при атмосферном давлении и получают легкие светлые нефтепродукты или дистиллятные фракции, выкипающие до 350 °С:

1) бензин (УВ С₅-С₁₀) - ТК от 35 до 200 °С;

2) керосин (УВ С₁₁-С₁₃) – ТК от 200 до 250 °С;

3) газойль, дизельное топливо или легкие соляровые масла (УВ С₁₄-С₂₁) – ТК от 250 до 350 °С; 4)мазут.

Мазут – остаток при переработке тяжелых нефтей, состоит из УВ масляной фракции, смол, асфальтенов и гетероатомных соединений, которые составляют тяжелые темные фракции нефти, выкипающие при температуре выше 350 °С.

При переработке мазута получают следующие фракции нефти:

1) масла соляровые (УВ С₂₂-С₂₅);

2) масла смазочные (УВ С₂₆-С₃₅);

3) гудрон или нефтяной пек (смолы, асфальтены и УВ С₃₆-С₆₀ и более).