Элементарный состав нефтей и горючих газов

Основным элементом, входящим в состав нефтей и природных горючих газов углеводородного состава является углерод (С). Его содержание колеблется в нефтях от 79,5 до 87,5 % и в более широком диапазоне: в газах – от 42 до 78 %. Второй по значению элемент – водород (Н) – содержится в количестве 11 – 14 % в нефтях, в природных углеводородных газах составляет более 14 – 24 % [23].

Эти компоненты – С и Н – в нефтяных и природных горючих газах связаны между собой в углеводородные соединения, различные по химическому составу и свойствам. В составе нефтей нередко большую роль играет кислород (содержание от 0 до 5 %), азот (от 0 до 3 %), сера (до5 %); соответственно нефти бывают окисленными, азотистыми и сернистыми.

По элементарному составу нефть и углеводородные газы сходны с другими горючими полезными ископаемыми органического происхождения.

Основные различия в их элементарном составе обусловлены соотношением С и Н, а также степенью окисленности этих соединений.

Соотношение С/Н в нефтях колеблется от 6 до 8, а в газах – от 3 до 4,3.

В нефтях соотношение С/Н близко к его значениям в сапропелях и горючих сланцах и занижено по сравнению с его значением для торфов и углей. Отношение водорода к кислороду резко возрастает в нефтях по сравнению с другими горючими полезными ископаемыми. Эти данные свидетельствуют о том, что роль кислорода в нефтях (и горючих углеводородных газах) незначительна, между тем как роль водорода весьма существенна [23, 76].

 

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 ) [23].

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 [76, 78].

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 [76].

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.) [76].

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 [76, 78].

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 [78].

Дериваты нефти – производные нефти, т.е. вещества, которые образуются или могут быть получены из нефти: бензины, дизельное топливо, керосины, мазут, нефтяные масла, нефтепродукты специальног назначения (жидкие парафины, нефтяные битумы, технический углерод, нефтяной кокс, нефтяные растворители, парафины, церезины, вазелины, смазочно-охлаждающие жидкости, пластификаторы) [75].

 

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 [23, 52].

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%.

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%.

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 [46].

 

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 [46].

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 [46].

Физические свойства нефти

Основные физические свойства нефти: цвет, плотность, 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. Одним из важнейших показателей нефти является ее плотность (ρ), величина которой изменяется в пределах – ρ = 0.730-1.040 г/см³ (табл. 1) [29, 76].

 

Таблица 1. Типы нефтей по плотности, выходу фракций и массовой доле парафина [76]

Очень (особо) легкие до 0.80 г/см3

Легкие 0.80-0.84 г/см3

Средние 0.84-0.88 г /см3

Тяжелые 0.88-0.92 г/см3

Очень тяжелые (битуминозные) более 0.92 г/см3

В США плотность нефти измеряется в единицах API (American Petroleum Institute – градус): высокие значения API соответствуют низким значениям плотности. Например: 85 ^оAPI = ρ 0.654 г/см³, 50 ^оAPI = ρ 0.780 г/см³, 35 ^оAPI = ρ 0.850 г/см³, 25 ^оAPI = ρ 0.904 г/см³ и, наконец, 10 ⁰API = ρ 1.000 г/см³ [29].