Свойства пластовых вод

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: С_nН_2n+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 С_пН_2п. 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 C_nH_2n-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, %

Месторождение	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2	H2S
Астраханское	58,3	1.9	0,6	0,2	0,1	1,4	11,0	26,5
Оренбургское	84,0	5,0	1,6	0,7	1,8	4,2	1,1	1,6
Самотлор	53,4	7,2	15,1	8,3	6,3	9,6	0,1	-
Уренгой	98,8	0,1	0,03	0,02	0,01	0,7	0,3	-
Узень	36,8	21,7	19,5	11,4	4,3	1,4	0,5	-
Тенгиз	78	6,4	3,0	1,6	1,2	0,9	6,0	3,8