Мұнайдың құрамы, жіктелуі және негізгі физикалық-химиялық қасиеттері

Мұнайдың қасиеті өндіру барысында, мұнайдың қабат бойымен қозғалысында, ұңғыда және жинау мен тасымалдау жүйесінде өзгеріп отырады.

Мұнайдың құрамына метанды немесе парафинді (С_п Н_2п+2), нафтенді (С_п Н_2п) және ароматты (С_п Н_2п-6) көмірсутектер кіреді.

Метанды немесе парафинді көмірсутектері метаннан (С₂Н₄) бастап, пентанға (С₅Н₁₂) дейін қалыпты жағдайда, яғни (Р=0,1 МПа және Т=273 К) газ күйінде болады. Ал пентаннан бастап гептадеканға (С₁₇Н₃₆) дейін - сұйық түрінде, ал одан да жоғарғысы - қатты заттар (парафиндер) күйінде кездеседі [18]. Мұнайдың парафинді көмірсутектерінің жартысы қалыпты құрылымға, ал қалған бөлігі тармақталған құрылымға ие екені белгілі. Изоалкандар - бензин мен майдың, олардың пайдаланылу сапасын жақсартатын бағалы компоненттер болып табылады.

Нафтенді көмірсутектер (циклоалкандар). Моноциклді нафтендер мұнайда циклопентанды және циклогександы көмірсутектермен кең танымал болып келеді. Нафтенді көмірсутектері - моторлы жанар және жағар майлардың ең маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Нафтенді көмірсутектері парафинді көмірсутектеріне қарағанда асфальтендер мен шайырларды өте жақсы еріту қабілетіне ие.

Ароматты көмірсутектері бензолдық қатардың циклді шексіз көмірсутектеріне жатады. Мұнайдың тығыздығы, химиялық тұрақтылығы, улылығы және басқада сипаттамалары ароматты көмірсутектерінің алатын үлесіне және құрамына байланысты. Мұнайдың ароматты көмірсутектері басқа қосылыстармен салыстырғанда асфальтты-шайырлы (смолалы) заттарды өте жоғары дәрежеде еріте алады.

Мұнайдың құрамы элементтік, фракциялық және топтық деп жіктеледі [2], [4].

Мұнайдың элементтік құрамы деп, ондағы әртүрлі химиялық элементтердің бірлік үлестегі немесе пайыздағы массалық құрамын айтамыз. Мұнайдың негізгі элементі көміртегі (С) мен сутегі (Н) болып табылады.

Көбінесе мұнайда көміртегінің пайыздық үлесі - 83-87%, ал сутегінің үлесі - 12-14% құрайды. Ал басқа элементтер - күкірт, азот, оттегі және тағы басқалары 3-4% аралығында кездеседі.

Күкіртті қосылыстар (меркаптандар, сульфидтер, күкіртсутектері) металдарды қатты коррозияға ұшыратады және мұнайдың тауарлық сапасын төмендетеді. Еркін күкірт мұнайда сирек кездеседі және күрделі күкіртті қосылыстарға ыдырайды. Зияндық (улы) қасиеті бойынша барлық осы аталған күкіртті қосылыстардың ішінде күкіртсутегі ең қауіпті болып табылады.

Мұнай құрамына кіретін, оттекті құрамды компоненттерге - нафтенді және майлы қышқылдар, фенолдар және т.б. жатады. Нафтенді қышқылдың құрамы бірнеше пайызға дейін жетуі мүмкін. Нафтенді қышқылдар тез жағымсыз иіс шығаратын аз ұшатын сұйықтар болып келеді, олар суда ерімейді, бірақта мұнай өнімдерінде жеңіл ериді. Сілтілі металдары бар қабат суларымен әрекеттескен кезде түзілетін нафтенді қышқыл тұздары - эмульгаторлар болып табылады.

Азоттық қосылыстар мұнай құрамында аз мөлшерде кездеседі (0,5% дейін).

Асфальтты-шайырлы заттар жұқа беттегі мұнайдың түсін анықтайды (сарыдан, қоңырдан бастап қараға дейін). Олар күрделі қоспалар болып келеді. Оларда көміртегі, сутегі және оттегі атомдарымен қатар күкірттің, темірдің, магнидің, никельдің және т.б. заттардың атомдары болады. Шайырлар сілтілер мен қышқылдарда ерімейді, бірақ жеңіл мұнай дистилляттарында толық ериді. Шайырлардың тұтқырлықтары өте жоғары, тығыздығы шамамен 1,0-ге тең. Асфальтендер - жеңіл бензиндерде ерімейді, бірақта бензолда, хлороформде жақсы ериді. Ол морт сынғыш, әдетте қара түсті болып келетін қатты зат. Олардың тығыздығы 1-ден артық. Мұнайдағы асфальтендер мен шайырлардың жалпы мөлшері 20-25% дейін жетуі мүмкін. Бұл заттар - сумұнай эмульсиясының негізгі табиғи тұрақтандырғышы, олар мұнайдың көбіктенуіне жағдай жасайды.

Мұнайда аз мөлшерде металдар - ванадий, никель, хром, темір, магний және т.б. кездеседі.

Мұнайдың фракциялық құрамын, айыру барысындағы әртүрлі қайнау температурасымен олардан шығатын фракциялар арқылы анықтайды. Мұнай фракцияларының қайнау температурасы:

30-205 °С - бензин; 200-300 °С - керосин;

120-240 °С - лигроин (аралық фракция);

300 ° С –тан астам температурада мазуттар алынады.

Айдау барысында алынған өнімдерді, егер олар 350 °С-қа дейін қайнаса - ашық фракциялар деп, ал егер қайнау шегі 350 °С және оданда жоғары температурада қайнаса - қара фракциялар деп атайды.

Мұнайларды былай бөледі:

- ашық фракциялардың шығуы бойынша түрлерге

(қайнау температурасы 300 °С дейін)

І түрі - ашық фракциялардың шығуы 45%-дан жоғары

ІІ түрі - 30-45% аралығында

ІІІ түрі - ашық фракциялардың шығуы 30%- дан төмен

- құрамындағы күкірт мөлшері бойынша кластарға

І класты - аз күкіртті (күкірт 0,5%-дан көп емес)

ІІ класты - күкіртті - 0,51-2% аралығында

ІІІ класты - жоғары күкіртті - 2%-дан жоғары

- құрамындағы парафиннің мөлшері бойынша

аз парафинді - 1,5 %-дан төмен

парафинді - 1,5 - 6% аралығында

жоғары парафинді 6%-дан жоғары

- шайыр мөлшері бойынша

аз шайырлы - 18%-дан төмен

шайырлы – 18-35% аралығында

жоғары шайырлы - 35%-дан жоғары

Мысалы Өзен кен орнының XVІ қабатының мұнайының құрамында 19,3% парафин, 0,2% күкірт, 16,8% шайыр, 31,3% ашық түсті фракция бар десек, онда І-класты аз күкіртті, ІІ-түрге жататын ашық фракциялы, жоғары парафинді және аз шайырлы болып жіктеледі.

Мұнайдың тығыздығы - мұнайдың тауарлық сапасының негізгі көрсеткішінің бірі. Стандарттық жағдайда (20 °С және 0,1 МПа) мұнайдың тығыздығы 700-1000 кг/м³ аралығында болады. Жеңіл мұнайлар (880 кг/м³-ке дейінгі) моторлы жанармай өндірісі үшін бағалы шикізат қызметін атқарады. Мұнайдың тығыздығын ареометрмен немесе пикнометрмен анықтайды.

Мұнайдың тығыздығы, оған кіретін компоненттер құрамына, қысымға, температураға, мұнайда еріген газ мөлшеріне байланысты болады. Мұнайдың тығыздығы, оның жату тереңдігіне байланысты, мұнайдың жатқан тереңдігі өскен сайын, оның тығыздығы азая түседі.

Айрылған мұнайдың тығыздығы температураға байланысты, мұнайдың термиялық ұлғаю коэффициентінен шығара отырып есептеледі [4]:

мұнда - 20 °С және t -температурасы кезіндегі айрылған мұнайдың тығыздығы;

- тығыздыққа байланысты мұнайдың термиялық ұлғаю коэффициенті:

егер , онда ;

егер , онда ;

Құрамында еріген газы бар мұнайдың тығыздығын мына формула бойынша анықтайды:

мұнда, b- мұнайдың көлемдік коэффициенті;

r_м , r_{г -} айрылған мұнай тығыздығы мен стандарттық жағдайдағы мұнай газының тығыздығы, кг/м³ ;

Г₀ - стандарттық жағдайдағы газ факторы, м³/м³.

Мұнай мен мұнай өнімдерінің тығыздығын әдетте 20 °С кезінде анықтайды және 4°С кезіндегі судың тығыздығымен салыстырылады. Тығыздықты кез-келген температурада анықтап, одан соң түзетулерді қолдана отырып мына формула бойынша қайта есептеуге болады

мұнда, b -көлемдік ұлғаю коэффициенті, мұнай үшін 0,0005-0,0009 кг/(м³К) құрайды.

Қабаттағы мұнайдың тығыздығы газсызданған мұнайдың тығыздығынан аз болады.

Мұнайдың маңызды қасиетінің бірі, оның тұтқырлығы. Тұтқырлық дегеніміз - сұйық бөлшектерінің қозғалыс кезінде бір-біріне қатысты орын ауыстыруындағы көрсеткен кедергілерін сипаттайтын сұйықтың қасиеті. Ол вискозиметр аспабының көмегімен анықталады. Мұнайдың тұтқырлығы мұнай құрамына, мұнайда еріген газ мөлшеріне, қысымға, температураға байланысты болады. Құрамында шайырлардың, асфальтендердің және парафиндердің болуы мұнай тұтқырлығына үлкен әсер етеді. Мұнайдың тұтқырлығы, оны өндіру, жинау және құбырлар арқылы тасымалдау кезінде қосымша энергия шығынын талап етеді.

Ньютон тұтқырлығының жалпы заңы келесі формуласымен өрнектеледі. Мұнайдың тұтқырлығы динамикалық тұтқырлық коэффициентімен - mсипатталады [2].

Егерде мұнай ішінен бірдей S- аудандарға ие және бір-бірінен h- қашықтықта орналасқан екі параллелді жазықтықты ойша бөліп қарастырсақ, онда олар w- салыстырмалы жылдамдықпен өзара орын ауыстырған кезде ішкі үйкеліс күшін жоюы қажет:

мұнда, m- динамикалық тұтқырлық коэффициенті, оның өлшем бірлігі Па×с.

Тазартылған судың тұтқырлығы 20 °С кезінде 1 мПа×с (10^-3 Па×с)

Жоғары құрамды парафині бар мұнайлар аномалды тұтқырлық қасиетіне ие, сондықтан ньютондық сұйықтарға жатпайды.

Кері динамикалық тұтқырлықтың шамасын аққыштық деп атайды және былай белгілейді:

Мұнай тұтқырлығын сипаттау үшін кинематикалық тұтқырлық кең түрде қолданылады, бұл m-динамикалық тұтқырлықтың r-тығыздыққа қатынасымен сипатталады: , оның өлшем бірлігі м²/с.

Тұтқырлығы жоғары мұнай және мұнай өнімдерін сипаттау үшін қолданылатын шартты тұтқырлық (ШТ) - бұл 20 °С кезінде 200см³ судың ағын уақыты мен берілген шарттағы сондай мұнай көлеміне қатынасымен өрнектеледі. Шартты тұтқырлық Сейболт секунды және Редвуд секундтарымен өрнектеледі (Сейболт пен Редвуд вискозиметрлерінде өлшенеді).

Тұтқырлық температураға тікелей байланысты (тәуелді) болғандықтан, әрқашан оны анықтау температурасы көрсетіледі (көбінесе 20°С және 50°С).

1.1-кесте.Қазақстанның бірқатар кен орындарындағы газсыздандырылған мұнайдың құрамы мен қасиеті

Кен орны, қабат	тығыздық, кг/м3	тұтқырлық, мПа×с	күкірт, %	парафин, %	шайыр, асфальтен-дер, %
Жетібай ІІІ V VІ VІІІ ІX X		47,2 58,6 60,5 19,8 21,4 14,1	0,23 0,13 0,17 0,13 0,09 0,23	19,1 20,2 21,3 18,6 21,2	16,95 15,7 15,12 14,53 10,2 9,15
XІ XІІ XІІІ тауарлы мұнай		14,5 11,5 10,3	0,12 0,31 0,28 0,18	24,2 19,4 20,5	8,5 8,78 7,31 13,8
Құмкөл Ю-І+Ю-ІІ Ю-ІІІ Ю-ІV Борлық	823,4 817,3	11,7 14,2 8,5 22,4	0,11 0,2 0,06 0,68	11,7 11,9 12,7 16,5	5,9 6,1 5,9 7,02

1.1-кестенің жалғасы.

Қарамандыбас ІX X XІІ		10,4 16,5 30,5	0,23 0,2 0,17	20,7 18,4 20,3	14,7 18,3 16,39
Доссор, юралық		13,41	0,134	0,61
Құлсары, Юралық пермотриастық		2,61 1,76	0,1 0,1	3,42 5,5	3,04 1,81
Прорва, юралық		7,46	1,25	3,16	24,19
Тереңөзек, Альб-сеноман Неоком		25,88 215,5	1,44 1,22	0,92 0,46	37,09 35,9
Мартыши, апт-неоком		100,812	0,37	2,6	27,35
Камышитовый, аптский		11,27	0,08	1,2	9,98
Шұбарқұдық, пермотриастық		56,71	0,47	2,14	36,9
Кенқияқ, юралық пермотриастық төменгітриастық		170,7 18,18	0,63 0,4 0,45	2,98 4,48	37,72 26,32 73,43
Жаңажол, К-ІІ Тауарлы мұнай		6,9	0,6 0,67	6,7 3,3	8,5 5,7
Қаламқас, тауарлы мұнай			1,62	3,15	14,18
Өзен, XІІІ XІV XV XVІ		13,37 9,72 9,48 23,5	0,17 0,13 0,16 0,19	29,4 28,6 19,3	12,64 10,7 11,51 16,88

Қазақстанның бірқатар кен орындарындағы мұнайдың физика-химиялық қасиеті 1.1-кестесінде келтірілген [7], [14].

Барлық кен орындары үшін газсыздандырылған мұнайдың тұтқырлығы 20 °С температураға, ал Өзен мен Қарамандыбас кен орындары үшін 50 °С температураға арнап келтірілген.

Газдан айырылған (газсыз) мұнайдың тығыздығын температураға байланысты мұнайдың термиялық ұлғаюын сипаттайтын коэффициент арқылы анықтауға болады

, (1.1)

мұндағы, ρ_м(t), ρ_м — белгілі бір t-температура мен 20 ^оС-ғы газдан айырылған мұнайдың тығыздықтары, кг/м³; α_м — мұнайдың термиялық ұлғаю коэффициенті және оны төмендегі формулалар бойынша анықтауға болады

егер, 780 ρ_м 860 кг/м³ α_м = 10^-3 * (2.638 (1.169 – ρ_м * 10 ^{- 3})), (1.2)

егер, 860 < ρ_м 960 кг/м³ α_м = 10^-3 * (1.975 (1.272 – ρ_м* 10 ^{- 3})), (1.3)

Құрамында еріген газы бар мұнайдың тығыздығын келесі теңдеумен табуға болады: (1.4)

мұндағы, Г_о — газ факторы, м³/м³; b – мұнайдың көлемдік коэффициенті.

Мұнайдың газға қанығу қысымына температураның әсерін келесі формуламен анықтауға болады

, (1.5)

мұндағы, Р_st, Р_sto—t және t_{0 ,} температураларындағы қанығу қысымы, МПа;

, (1.6)

мұндағы, N_CH4, N_А - атмосфералық қысымға және 20 ^оС температураға дейін бірінші реттік мұнайды газсыздандырған кездегі, газдағы метан мен азоттың молярлық массасы.

20^оС және 50^оС температурадағы мұнай тұтқырлығының екі эксперименттік мәндерін ескере отырып, динамикалық тұтқырлықтың температурадан тәуелділігін келесі түрде жазуға болады

(1.7)

мұндағы, μ₂₀, μ₅₀, μ_t — газынан айырылған мұнайдың атмосфералық қысымдағы және 20^оС, 50^оС сондай-ақ берілген t-температурадағы динамикалық тұтқырлықтары, секундына миллипаскалмен берілген (мПа*с).

Егер, кез-келген температурада мұнай тұтқырлығының бір ғана эксперименттік мәні берілген болса, онда басқа температурадағы мәндерін келесі формуламен анықтаймыз:

(1.8)

мұндағы, (1.9)

μ_t, μ_t0 — t және t₀ температурасындағы мұнайдың динамикалық тұтқырлығы мПа*с; ал, С — эмпирикалық (тәжірибелік) коэффициенттер.

Егер, μ > 1000 мПа*с, онда, С = 10 ; а = 2.52 * 10^-3 ; (1.10)

егер 10 μ 1000 мПа*с, онда, С = 100 ; а = 1.44 * 10^-3 (1.11)

егер μ < 10 мПа*С, онда, С = 1000 ; а = 1.76 * 10^-3 (1.12)

20 ^оС және атмосфералық қысымда (стандарттық жағдайдағы) мұнай тұтқырлығын анықтау үшін эксперименттік мәліметтер болмаса, онда мұнайдың тығыздығын ескере отырып келесі формулаларды пайдалануға болады:

егер, 845 < ρ_м < 924 кг/м³, (1.13)

егер, 780 < ρ_м < 845 кг/м³, (1.14)

мұндағы, μ_м, ρ_м — стандарттық жағдайдағы (яғни, 20^оС және атмосфералық қысымдағы) мұнайдың тығыздығы мен тұтқырлығы, мПа*С және кг/м³;

Чью және Каннели формулалары арқылы қанығу қысымындағы газға қаныққан мұнайдың тұтқырлығын анықтауға болады:

, (1.15)

мұндағы μ_s — қанығу қысымы мен берілген температурадағы газға қаныққан мұнайдың тұтқырлығы ,мПа*с;

μ_t —t температурасындағы газдан айырылған мұнайдың тұтқырлығы, мПа*с;

А, В —эмпирикалық (тәжірибелік) коэффициенттер, келесі формулалармен анықталады

(1.16)

(1.17)

Тапсырма 1

Есеп 1.1. Қаламқас кен орнының бірінші горизонтының газынан айрылған мұнайының тығыздығын 68 ^оС температурадағы мәнін анықтау керек, егерде оның 20 ^оС кезіндегі тығыздығы 849 кг/м³ тең болса, және 73 ^оС кезіндегі осы кен орнының екінші горизонтының мұнайының тығыздығын анықтау керек, егерде оның 20 ^оС кезіндегі тығыздығы 893 кг/м³ тең болса.

Берілгені: ρ_м (1_г) = 849 кг/м³; ρ_м(2_г) = 893 кг/м³; t (1_г) = 68 ^оС; t (2_г) = 73 ^оС;

Табу керек: ρ_м (1_г 68 ^оС) =?; ρ_м (2_г 73 ^оС) =?;

Шешімі: Мұнайдың термиялық ұлғаю коэффициентін ескере отырып, температураға байланысты газсыз мұнайдың тығыздығын былай анықтаймыз:

егер 780 ρ_м 860 кг/м³; ;

;

= 816 кг/м³;

дәл солай 2-ші горизонтта:

= 859 кг/м³

Есеп 1.2.Солтүстік Бозашы кен орнының газынан айрылған мұнайының тұтқырлығын 73 ^оС кезіндегі мәнін анықтау керек, егерде оның стандарттық жағдайындағы тығыздығы 919 кг/м³ тең болса.

Берілгені: ρ_м = 919 кг/м³; t_o = 20 ^оС; t = 73 ^оС;

Анықтау керек: μ_t73 =?.

Шешімі:

;

= 180мПа * с;

; мұндағы

10 μ 1000 мПа с, болғандықтан, С = 100 ; а = 1.44 10^-3 ;

= 93 мПа с

Өзіндік жұмысқа арналған тапсырма

Есеп 1.1

Берілген температурадағы екі кен орнының газынан бөлінген мұнайының тығыздықтарын есептеу керек, егер олардың 20^оС температурадағы тығыздықтары белгілі болса. Температураның мұнай тығыздығына қалай әсер ететінін анықтаңыз.

Есеп 1.2

Егер мұнайдың қалыпты жағдайдағы тығыздығы берілген болса, оның газдан айырғаннан кейінгі тұтқырлығын табу керек. Алғашқы мәліметтер төмендегі 1.2-кестеде вариант бойынша берілген.

1.2-кесте