Курсовая работа: Геология нефти и газа

35

Геология нефти и газа

1.Свойства и состав нефтей и природных газов

Существует несколько определений понятия "нефть". Это связано с существованием двух различных точек зрения на принцип построения определения:

за основу принимается характеристика свойств и состава нефти - "Нефти являются смесями сложных органических соединений, в которых преобладают углеводороды (УВ)" (В.И. Вернадский, 1934 г.);

за основу берется генетический признак, как он мыслится на уровне современной науки - "Нефть - это выделившиеся в отдельную фазу наиболее стойкие жидкие гидрофобные продукты фоссилизации органического вещества, захороненного в субаквальных отложениях" (Н.Б. Вассоевич, 1967 г.).

Наиболее общим подходом к проблеме, будет рассмотрение нефти как физико-химической системы - природного углеводородного раствора, очень сложного, многокомпонентного и разнообразного по составу, свойствам и соотношению этих компонентов (А.Н. Гусева, 1978).

Каждый раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В качестве растворителя в нефти можно рассматривать жидкие углеводороды (в поверхностных условиях), а растворенным веществом будут являться газы, твердые углеводороды и неуглеводородные соединения.

Нефть с одной стороны является истинным раствором, с другой - коллоидным. Коллоидные частицы в нефти сформированы из асфальтенов с сорбированными на их поверхности смолами и более низкомолекулярными соединениями (дисперсная фаза). Остальная часть жидкого растворителя называется дисперсионной средой (рис. 1).

Рис. 1 Схема коллоидной частицы: 1 - асфальтены (ядро); 2 - смолистые вещества (сольватная оболочка); 3 - переходная зона; 4 - жидкие УВ нефти (дисперсионная среда).

Нефть состоит из основных органогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, серы, азота, и, в меньшей степени, фосфора (табл. 1).

Таблица 1. Элементный состав нефтей

Также в нефти можно найти почти все элементы периодической системы Менделеева. В разных нефтях их концентрации различны и незначительны. Поэтому они называются микроэлементами. Среди микроэлементов преобладают ванадий и никель.

В составе нефти выделяют также группы компонентов, близких по составу и свойствам: асфальтены, асфальтеновые кислоты, смолы, масла, твердые парафины.

Выделяемые группы компонентов являются аналитическими, то есть полученными в результате разрушения образца нефти растворителями и анализа образовавшихся частей природного углеводородного раствора. В разных нефтях выделенные аналитические группы имеют неодинаковый состав.

В качестве растворителей используют петролейный эфир ("легкий" с температурой кипения 40-700С и "тяжелый" с температурой кипения 70-1000С), бензол, спирт, спиртобензол. Вначале путем добавления к нефти "легкого" петролейного эфира получают две группы компонентов: мальтены, растворившиеся в смеси петролейного эфира и нефти и асфальтены, оставшиеся нерастворенными.

В свою очередь, выпавшие в осадок асфальтены осаждаются на бумажном фильтре и разделяются на асфальтеновые кислоты (смываются с фильтра спиртом) и собственно асфальтены (остающиеся на фильтре).

Мальтены состоят из масел и смол, которые выделяются путем адсорбции на силикагеле. Десорбируют масла "тяжелым" петролейным эфиром, а смолы - бензолом (получая при этом нейтральные смолы) и спиртобензолом (кислые смолы). Масла состоят только из углеводородов, из них выделяется группа высокомолекулярных n-алканов (С16 и выше), называемая твердыми парафинами.

Смолы и асфальтены часто объединяются под общим названием асфальтено-смолистые вещества.

Углеводородную часть состава нефти образуют три основные класса углеводородных соединений.

1. Алкановые (парафиновые, метановые) - соединения с открытой цепью и простыми связями между атомами углерода. Являются насыщенными (предельными) углеводородами. Гомологический ряд имеет формулу СnH2n+2.

Алканы с неразветвленной цепью называются нормальными (n-алканы, n-парафины). Алканы, имеющие в строении разветвленную открытую цепь, называются изоалканами (i-алканы, i-парафины) (рис. 2).

Рис. 2 Структура алканов

2. Циклановые (циклоалкановые, циклопарафиновые, нафтены) - соединения, имеющие в своей основе замкнутую цепь (кольцо) из метиленовых (СН2) групп. Поэтому называются также полиметиленовыми углеводородами. Могут содержать один (моноциклические нафтены) или два и более (полициклические нафтены) кольца. Гомологический ряд моноциклических нафтенов - СnH2n, бициклических - СnH2n-2, трициклических - СnH2n-4. Являются, наряду с алканами, предельными углеводородами. В нефтях содержатся нафтены с пятью и с шестью атомами углерода в кольце (циклопентаны и циклогексаны). В некоторых нефтях обнаружены нафтены с семичленными циклами, но их количество крайне незначительно. Кольца с числом атомов углерода меньше 5 и больше 7 в нефти не обнаружены (рис. 3).

Рис. 3 Структура цикланов (нафтенов)

3. Арены (ароматические) - содержат в своей структуре бензольное кольцо. Делятся на моноарены (бензол и его гомологи - СnH2n-6), и полиарены (бициклические - СnH2n-12(14); трициклические - СnH2n-14(16)). Являются ненасыщенными (непредельными) углеводородами (рис. 4).

Рис. 4 Структура Аренов

Кроме трех основных классов углеводородов, в нефтях обнаружены также алкены (олефины) - соединения, в которых два или большее число атомов углерода имеют двойные связи (СnH2n-2). В нефтях встречаются в виде следов, так как обладают слабой устойчивостью и распадаются с образованием алканов. Так же, как и арены, являются ненасыщенными углеводородами.

Помимо углеводородных соединений в нефтях присутствует и достаточное количество соединений неуглеводородной природы (гетероатомные соединения), то есть содержащих в молекуле атомы азота, серы и кислорода, называемых гетероэлементами. Из гетероатомных соединений, в основном, состоят асфальтено-смолистые компоненты нефтей.

Природные газы - это все газообразные вещества, известные в природе. Наибольшее значение среди них имеют горючие (углеводородные) газы, поэтому в практике часто под природными газами понимают именно горючие газы, хотя это не совсем верно. Кроме углеводородных к основным химическим типам природных газов относятся углекислые и азотные газы.

Горючие газы представляют собой природную смесь углеводородных и неуглеводородных соединений и элементов, находящихся в пластовых условиях в газообразной фазе либо в растворенном в нефти или воде состоянии, а в стандартных условиях - только в газообразной фазе. В пластовых условиях углеводородный газ может образовывать отдельные скопления - газовые залежи или газовые шапки нефтегазовых месторождений. В таком случае газ называется свободным. Если газ растворен в массе жидкого флюида, тогда он носит название растворенного. Обнаружены также газогидраты - твердые вещества, похожие на снег или лед, и состоящие из молекул углеводородных газов, внедренных в кристаллическую решетку воды.

К основным компонентам пластового газа относят метан и его гомологи (этан, пропан, бутаны). Также часто газ содержит сероводород, гелий, углекислый газ, азот и инертные газы, иногда ртуть. По составу углеводородов газы подразделяются на сухие и жирные. Сухие углеводородные газы состоят преимущественно из метана, содержание этана и пропана - в пределах нескольких процентов. Более тяжелые углеводороды встречаются в десятых и сотых долях процента или отсутствуют. Жирные углеводородные газы содержат углеводороды от метана до декана, а также следы УВ от С11 до С16.

2.Классификация нефтей

К настоящему времени существует множество классификаций нефтей. Цели создания этих классификаций различны и зависят, в основном, от того, в какой области науки или производства используется тот или иной тип классификации. Соответственно различаются физико-химические параметры, на которых эти классификации основаны: нефтепереработчиков больше всего интересует процентное содержание, химический состав и физические свойства (вязкость, температура застывания, содержание серы и т.д.) фракций при последовательной перегонке нефти (бензина, керосина и т.д.); геологам и геохимикам необходимо проводить идентификацию нефтей с целью сопоставления их с органическим веществом материнских пород, определения эволюции нефтей (используются химические и структурные данные о групповом и индивидуальном составе нефтей).

Технологическая классификация нефтей (ГОСТ 912-66), используемая на нефтеперерабатывающих заводах России приведена в табл. 2.

Таблица 2. Технологическая классификация нефтей

Сочетание обозначений класса, типа, группы, подгруппы и вида составляет шифр технологической классификации (например - IТ1М1И1П1). Используется такая классификация в основном для сортировки нефти, поступающей на предприятие по ее переработке.

Существует ряд классификаций, применяющихся в пределах определенных нефтегазоносных территорий. Зачастую в них используется один (чаще всего плотность) или несколько физико-химических параметров (табл. 3).

Таблица 3 Классификация нефтей (А.Э. Конторович).

Таблица 4 Классификация нефтей по групповому углеводородному составу (Н.Б. Вассоевич и др.).

Однако наиболее полные классификации отражают как физико-химические свойства нефтей, так и их состав (чаще всего - групповой или структурно-групповой). К числу таковых можно отнести типизацию нефтей Ботневой Т.А. (1987) и классификацию Старобинеца И.С. (1986).

1. По соотношению метановых и нафтеновых углеводородов (М/Н) в бензиновой фракции (н.к.-200 0С) нефти делятся на 6 типов:

Таблица 5

Нефти, в которых отсутствует бензиновая фракция, по соотношению парафино-нафтеновых и нафтено-ароматических УВ (ПН/НА) во фракции, выкипающей свыше 200 0С, подразделены на 3 типа:

2. В пределах типа нефти делятся по плотности на 4 группы:

Таблица 6

3. Далее используются данные о содержании других компонентов:

Таблица 7