Свойства нефти, газа и пластовых вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Флюиды (от латинского fluidus - текучий) - любые вещества, поведение которых при деформации может быть описано законами механики жидкостей. Термин введен в науку в 17 веке для обозначения гипотетических жидкостей, с помощью которых объясняли некоторые физические явления и образование горных пород. С развитием науки понятие «флюиды» изменилось. Реологическими и геологическими исследованиями доказано, что все реальные тела под действием длительных тангенциальных нагрузок ведут себя как жидкости. В геологических процессах, длительность которых измеряется миллионами лет, в качестве флюидов могут выступать не только газы,водные растворы, нефть, ил, магма,но и глины, соли, ангидриты, известняки и другие твердые вещества.

В данной работе мы рассмотрим только свойства нефти, газа и пластовых вод.

Свойства нефти

По внешнему виду нефть - маслянистая жидкость плотностью 0,65-1,05 г/см3 от светло-коричневого до почти черного цвета с резким запахом керосина.

По мере накопления знаний о нефти предложены различные классификации, например, по следующим показателям:

- плотности;

- содержанию серы;

- групповому углеводородному составу;

- содержанию асфальто-смолистых веществ;

- природе нефтяного пласта;

- биомаркерам или реликтовым углеводородам.

Следует отметить, что не существует единой классификации нефти даже по плотности. По одной из классификаций различают следующие четыре типа нефти:

- легкая - при плотности менее 0,87 г/см3;

- средняя - от 0,87 до 0,92 г/см3;

- тяжелая - от 0,92 до 1,0 г/см3;

- сверхтяжелая - при плотности более 1,0 г/см3.

Впервые была изучена пенсильванская нефть Северо-Американского нефтеносного бассейна, в которой немецкий ученый К. Шорлеммар (1834-- 1892) обнаружил предельные углеводороды метанового ряда. Исчерпывающее объяснение строения углеводородов дал А.М. Бутлеров (1861), а основоположником науки о нефти принято считать Д.И. Менделеева.

Основными элементами нефти являются углерод (83...87%) и водород (11...14%). Наиболее часто встречающаяся примесь сера (до 7%), хотя во многих нефтях серы практически нет. Сера содержится в нефтях в чистом виде (самородная), в виде сероводорода или меркаптанов. Она усиливает коррозию металлов. Азота в нефтях не больше 1,7%; он совершенно безвреден в силу своей инертности. Кислород встречается в нефти не в чистом виде, а в различных соединениях (кислоты, фенолы, эфиры и т.д.); его в нефти не более 3,6%. Из металловв нефти присутствуют железо, магний, алюминий, медь, натрий, олово, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть и другие. Содержание металлов столь мало, что они обнаруживаются лишь в золе, остающейся после сжигания нефти.

В зависимости от преобладания в нефти одного из трех представителей групп углеводородов в количестве более 50% нефти именуются метановыми, нафтеновыми, ароматическими. Если к доминирующему присоединяется другой углеводород в количестве не менее 25 %, то им дают комбинированное название, например метанонафтеновые.

Наиболее распространены в природных условиях углеводороды метанового ряда: метан СН4, этан С2Н6, пропан СзН8 и др. Эти углеводороды называют также предельными или насыщенными, что подчеркивает их небольшую химическую активность, а также плохую способность вступать в соединение с атомами других веществ.

М

(Метан) (Этан) (Пропан)

Метановые -- наиболее простые по строению, получившие свое название от самого простейшего из всех углеводородов -- метана. Структурная формула метана напоминает простейшее из живых существ -- амебу. Только у метана вместо ядра -- атом углерода, а протоплазму образуют 4 атома водорода. Каждый следующий углеводород имеет на 1 атом углерода больше, т. е. структурная формула алканов имеет вид: СnН2n+2. Как бы не вытягивалась цепочка углеводородов, она всегда будет окружена водородной оболочкой. В нефти встречаются почти все члены этого ряда: СН4 --С4Н10 -- газы; С5Н12 --С17Н36 -- жидкости; начиная с С18Н38 -- могут находиться в нефти в виде кристаллов и входят в состав парафинов. Отсюда еще одно название углеводородов -- парафиновые. Названия первых 10 членов по порядку: метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан. Начиная с четвертого углеводорода -- бутана, все имеют несколько разновидностей -- изомеров. Молекулы их построены по-разному, хотя химическая формула одинакова. Если основной член ряда имеет вид простой цепочки, то у изомеров цепь ветвится. Различаясь по структуре, по прочности связей, изомеры отличаются и свойствами.

Углеводороды от метана до бутана (С4Н10) включительно при атмосферном давлении находятся в газообразном состоянии. Из них состоит нефтяной газ. Углеводородные соединения, содержащие от 5 до 17 атомов углерода в молекуле (С5Н12--Ci7H36),-- жидкие вещества. Эти соединения входят в состав нефти.

Углеводороды, в молекулах которых имеется свыше 17 атомов углерода, относятся к твердым веществам. Это парафины и церезины, содержащиеся в тех или иных количествах во всех нефтях.

Нефтеновые -- это циклические насыщенные углеводороды со структурной формулой СпН2п. В их молекулах «не хватает» двух атомов водорода. В природных нефтях их нет, они образуются при ее вторичной переработке. Еще одно название углеводородов этой группы -- циклопарафины -- происходит от способности их колец удерживать при себе цепочку метановых углеводородов. Это свойство определяет и другие: большая плотность, чем у метановых, выше температура кипения и плавления, легко взаимодействуют с галогенами, присоединяют кислород. В нормальных условиях -- это всегда жидкости.

Ароматические углеводороды получили свое название из-за четко выраженных (не всегда приятных) запахов. По-гречески «арома» означает пахучее вещество. Структурная формула CnH2n-m, где т -- четные числа. Представлены такие углеводороды бензолом С6Н6 и его производными (гомологами). Ароматические углеводороды сильно недонасыщены водородом, однако химически малоактивны. В нормальных условиях -- это жидкости, имеющие очень низкую температуру застывания: от --25 до --88 °С.

Физические свойства и качественная характеристика нефтей и нефтяных газов зависят от преобладания в них отдельных углеводородов или смежных групп.

Нефти с преобладанием сложных углеводородов (тяжелые нефти) содержат меньшее количество бензиновых и масляных фракций. Содержание в нефти большого количества смолистых и парафиновых соединений делает ее малоподвижной, что требует особых мероприятий для извлечения ее на поверхность и последующего транспортирования.

Основные физические свойства нефтей: плотность, вязкость, сжимаемость и др.

Первичная характеристика нефти на промысле определяется по ее плотности, которая колеблется от 760 до 980 кг/м3. Легкие нефти с плотностью до 880 кг/м3 наиболее ценные, так как содержат больше бензиновых и масляных фракций.

Плотность нефти -- это масса единицы объема, при температуре 20 °С и атмосферном давлении колеблется от 700 до 1040 кг/м3. Нефть с плотностью ниже 900 кг/м3 называют легкой, выше -- тяжелой. Мазут имеет плотность от 900 до 990 кг/м3, керосин - 800 - 840 кг/м3, бензины 700 - 800 кг/м3, газовые конденсаты -- 650 -- 720 кг/м3. Плотность пластовой нефти всегда ниже плотности дегазированной нефти.

Одно из основных физических свойств любой жидкости, в том числе и нефти,-- вязкость (или внутреннее трение), т. е. свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц при движении. Чем больше вязкость жидкости, тем больше сопротивление при ее движении.

Вязкость -- свойство любой жидкости, в том числе и нефти, оказывать сопротивление перемещению ее частиц относительно друг друга, т. е. характеризует подвижность жидкости. Существует динамическая и кинематическая вязкость. Единица динамической вязкости -- паскаль-секунда (Па•с). Вязкость нефтей обычно намного ниже 1 Пас, поэтому на практике часто пользуются внесистемными единицами -- пуаз (П) и сантипуаз (сП): 1 П = 01Па•с, 1 сП = 10 -3Пa•c.

С понижением температуры вязкость увеличивается, с повышением -- уменьшается. Динамическая вязкость воды при 20 °С составляет около 1 сП, вязкость нефти в зависимости от ее характеристики и температуры может изменяться от 1 до нескольких десятков сантипуазов, а у отдельных нефтей вязкость достигает 100, даже 200 сП (0,1 --0,2 Па•с).

Нефти обладают самой различной вязкостью, в несколько раз превышающей вязкость воды. С повышением температуры вязкость любой жидкости (в том числе и нефти) резко уменьшается. Например, при повышении температуры многих бакинских нефтей от 10 до 30°С уменьшается их вязкость в 2 раза. Поэтому во время перекачки вязких нефтей и мазутов их обычно подогревают.

Как уже отмечалось, температура в земной коре увеличивается с глубиной. Поэтому и вязкость нефти в нефтяных пластах всегда меньше, чем на поверхности. С точки зрения добычи нефти это весьма благоприятный фактор, так как чем меньше ее вязкость, тем меньше расход энергии на добычу каждой тонны нефти.

Физические свойства нефти в пластовых условиях значительно отличаются от свойств дегазированной нефти. Это объясняется влиянием на пластовую нефть температуры, давления и растворенного газа.

В условиях пластового давления в нефти всегда растворено определенное количество газа, достигающее иногда 300--400 м3 на 1 м3 нефти. Растворенный газ резко снижает плотность и вязкость нефти и увеличивает ее сжимаемость и объем.

Сжимаемость нефти -- это изменение объема нефти при изменении давления.

Давлением насыщения нефти газом называется давление газа, находящегося в термодинамическом равновесии с пластовой нефтью. Если давление, оказываемое на пластовую нефть, становится ниже давления насыщения, то из нефти начинает выделяться растворенный газ. Нефть, находящаяся в пласте при давлении выше давления насыщения, называется недонасыщенной. Если давление насыщения равно пластовому давлению, то пластовая нефть называется насыщенной.

Газовый фактор. Газовым фактором называется количество газа (в м3), приведенное к атмосферному давлению, приходящееся на 1 т нефти. Для нефтяных месторождений России газовый фактор колеблется от 20 до 1000 м3/т (в среднем он составляет около 100 м3/т).

Все нефти в пластовых условиях содержат в растворенном состоянии то или иное количество газа. Обычное значение газосодержанияможет достигать (300-500) м3 газа в одном кубометре пластовой нефти. Легкие нефти характеризуются высоким газосодержанием - известны нефти, плотности которых в пласте составляют (0,2-0,4) г/см3. В пластовых условиях вязкость нефти всегда меньше, чем в поверхностных условиях. Например, для Ромашкинского месторождения (Россия) эта разница составляет 5,5 раза, что обусловлено повышеннымгазосодержанием и высокой температурой пласта.

Свойства газа

Различие между сырой нефтью и природным газом - в размерах молекул углеводородов. В нормальных условиях любой углеводород, молекула которого содержит от одного до четырех атомов углерода, существует в виде газа. Природный газ представляет собой смесь четырех «коротких» углеводородов. Газ с одним атомом углерода в молекуле называется метаном (СН4), с двумя - этаном (С2Н6), с тремя - пропаном (С3Н8), с четырьмя - бутаном (С4Н10). Часто в состав природных газов входят азот N2 (до 40 % по объему), углекислота СО2, сероводород H2S и редкие газы.

Природный газ бесцветен, а при отсутствии в нем сероводорода - не имеет запаха.

Вследствие высокого давления в подземном коллекторе газ присутствует в виде раствора в сырой нефти. Приведенный к нормальным условиям объем природного газа, растворенного в одном кубометре пластовой нефти, называется газовым фактором пласта. В общем случае с увеличением глубины залегания коллектора газовый фактор повышается. Когда нефть поднимается по скважине к поверхности, давление уменьшается и растворенный газ выделяется из нефти.

Природные газы делятся на три группы:

- газы, добываемые из чисто газовых месторождений;

- газы, добываемые из газоконденсатных месторождений;

- газы, добываемые вместе с нефтью из нефтяных месторождений.

Все газы представляют собой смеси парафиновых углеводородов с азотом, сероводородом, углекислым газом и другими компонентами, но в разных пропорциях. Газы чисто газовых месторождений наиболее легкие, они на 90 % и более состоят из метана. Газы нефтяных месторождений (их также называют попутным нефтяным газом) наиболее тяжелые, метана в них от 30 до 70 %. Газы газоконденсатных месторождений несколько более тяжелы, чем газы чисто газовых месторождений, но легче, чем нефтяной газ; метана в них от 80 до 90 %.

Природный газ газового месторождения не соприкасается с нефтью и почти целиком состоит из метана. Попутный газ находится в контакте с нефтью, пребывая в виде газовой шапки и в виде раствора в нефти.

Состав газа некоторых месторождений углеводородов, %

Горючие газы нефтяных и газовых месторождений по химической природе сходны с нефтью.

Они, так же как и нефть, являются смесью различных углеводородов: метана, этана, пропана, бутана, пентана.Отдельные углеводороды, входящие в состав нефтяных газов, отличаются друг от друга физическими свойствами. Это, естественно, отражается и на физических свойствах нефтяного газа. Чем больше в нефтяном газе легких углеводородов (метана и этана), тем легче этот газ и меньше его теплота сгорания. В тяжелых нефтяных газах, наоборот, содержание метана и этана незначительно.

При атмосферных условиях (и при температуре 0°С) метан и этан всегда находятся в газообразном состоянии. Пропан и бутан также относятся к газам, но они очень легко переходят в жидкость даже при очень малых давлениях. Вообще давление, потребное для перевода того или иного углеводорода из газообразного состояния вжидкое, т. е. упругость его паров, повышается с ростом температуры. При данной температуре оно тем больше, чем ниже плотность углеводорода.Наибольшей упругостью паров обладает метан, который при нормальных условиях нельзя превратить в жидкость, так как его критическая температура равна -- 82,1° С. Так же трудно переводится в жидкость этан.

В зависимости от преобладания в нефтяных газах легких или тяжелых (от пропана и выше) углеводородов газы разделяются на две группы -- сухие и жирные.

Сухой газ -- естественный газ, в котором не содержатся тяжелые углеводороды или содержание их незначительно.

Жирный газ -- газ, в котором тяжелые углеводороды содержатся в таких количествах, когда можно получать сжиженные газы или газовые бензины.

На практике сухим считается такой газ, в 1 м3 которого содержится меньше 60 г газового бензина; и жирным, если в 1 м3 содержится 60--70 г газового бензина.Более жирные газы сопутствуют обычно легким нефтям. С тяжелыминефтями, наоборот, добывают по преимуществу сухой газ, состоящий главным образом из метана. Нефтяные газы содержат кроме углеводородов в незначительных количествах углекислый газ, азот, сероводород, гелий и т. п.

Одним из основных физических параметров нефтяного газа является его плотность, которая колеблется от 0,72 у метана до 3,2 кг/м3 у пентана.

Физические свойства природного газа зависят от его состава, но в целом близки к свойствам метана как основного компонента смеси.

Относительная плотность газа изменяется от 0,50 до 1,0. Плотность индивидуальных компонентов углеводородных газов (и сероводорода), за исключением метана, больше единицы. При всех расчетах, связанных с движением газа, используется вязкость.

Вязкость природных газов зависит от их состава, температуры и давления. При высоком давлении вязкость растет с увеличением плотности газа, при низком -- уменьшается. С повышением давления вязкость увеличивается. Температура влияет на вязкость по-разному: при низких давлениях с повышением температуры она увеличивается, а при высоких (5--10 МПа) -- снижается. Такие свойства объясняются степенью близости газа к жидкому состоянию. Вязкость природных газов обычно составляет (1,1 -- 1,6)-10~5 Пас.

Состояние газа характеризуется давлением р, температуройТи объемом V. Соотношение между этими параметрами определяется законами идеальных газов (Бойля -- Мариотта, Гей-Люссака и др.), которые имеют чрезвычайно большоезначение в технологии добычи и транспортирования нефти и газа.

Свойства пластовых вод

Пластовые воды - подземные воды, циркулирующие в пластах горных пород. В нефтегазопромысловой геологии под пластовыми водами понимают воды, находящиеся в продуктивном пласте. Они подразделяются на воды законтурные, подошвенные, промежуточные пластовые.

Плотность и минерализация. Плотность дистиллированной воды при 4 °С принята за единицу. Воды нефтяных месторождений содержат в растворе различные соли, поэтому их плотность больше единицы, причем плотность пластовых вод возрастает с увеличением концентрации солей.

Вязкость пластовой воды. На вязкость пластовой воды большое влияние оказывает температура. С ее увеличением вязкость снижается. Рост давления, минерализация и содержание в ней растворенных газов существенного влияния на вязкость воды не оказывают.

Электропроводность пластовых вод зависит от степени их минерализации -- увеличивается с увеличением минерализации и температуры вод. Поверхностное натяжение воды. Имеет очень важное значение с точки зрения ее вымывающей способности. Чем меньше поверхностное натяжение воды, тем лучше она вытесняет нефть из пласта. Наименьшее поверхностное натяжение имеют щелочные воды, так как они содержат поверхностно-активные вещества (ПАВ) -- органические кислоты и основания.

нефть газ пластовый вода

Классификация пластовых вод

При наличии нижних краевых вод положение водонефтяного контакта (ВНК) определяет внешний (по кровле пласта) и внутренний (по подошве пласта) контуры нефтеносности. В части пласта, расположенной в пределах внутреннего контура нефтеносности, нефть содержится по всей мощности пласта от кровли до подошвы включительно. В верхней части пласта, расположенной между внутренним и внешним контурами нефтеносности, содержится нефть, а в нижней -- вода. Эта часть пласта называется приконтурной зоной. В процессе добычи нефти обычно происходит продвижение контуров нефтеносности. Одна из задач рациональной разработки -- обеспечение равномерного продвижения этих контуров.

Список использованной литературы

1. А.А. Коршак «Основы нефтегазового дела»;

2. Е.О. Антонова «Основы нефтегазового дела»;

3. Н.Г.Середа «Основы нефтегазового дела»;

4. В.В.Т етельмин «Слагаемые нефтегазового дела»;

5. Р.И. Вяхерев «Российская газовая энциклопедия».

Размещено на Allbest.ru