Нефть, газ и воды залежей нефти и газа
ЛЕКЦИИ 2, 3
НЕФТЬ, ГАЗ И ВОДЫ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА
ЛЕКЦИЯ 2
Нефть и природный горючий газ - формулировки
Нефть и природный газ– полезные ископаемые, обладающие важнейшим свойством – способностью гореть. Таким же свойством обладает и ряд других осадочных горючих полезных ископаемых: торф, бурые и каменные угли, горючие сланцы. Все вместе горючие породы образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов ( от греч. «каустос» - горючий, «биос» - жизнь, «литос» - камень, т.е. горючий органический камень). Термин каустбиолиты введен в науку в 1908 г. немецким палеоботаником Генри Потонье. Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда.
Если для углей доказано их органическое преимущественно растительное происхождение, то вопрос о генезисе нефти не находит однозначного решения и является предметом дискуссий. Наряду с гипотезой органического происхождения, предложены гипотезы о её неорганическом происхождении.
Нефть – жидкий каустобиолит, первый представитель ряда нафтидов, способный к перемещениям в недрах и в поверхностных условиях. Генетически нефть – обособившаяся в самостоятельные скопления подвижные жидкие продукты преобразования РОВ (рассеянного органического вещества) в зоне катагенеза. В химическом отношении нефть – сложная смесь УВ в гетероатомных (преимущественно серо-, кислород- и азотсодержащих) органических соединений. В физическом отношении нефть – коллоидно-дисперсная сложноорганизованная система.
Нефть хорошо растворима в органических растворителях. В воде нефть практически нерастворима, но может образовывать с водой стойкие эмульсии. С нефтью генетически ассоциируются все природные углеводородные горючие газы и широкая гамма различных асфальтово-смолистых веществ гетерогенного состава как в жидких нефтях, так и раздельно от неё в виде продуктов преобразования нефти в литосфере.
Газ природный – смесь веществ (раствор), газообразная в нормальных (атмосферных) условиях и выделенная из состава более сложных природных систем любого агрегатного состояния. Все многообразие природных газов определяется прежде всего характером исходных природных систем и условиями их дегазации или сепарации (самопроизвольной – спонтанной или принудительной). По характеру исходной природной системы различают природные газы пород, газогидратов, нефтей, природных вод и подземных газов.
Газ свободный – природный газ, который входит в состав пластового газа и сохраняет свое газообразное состояние в нормальных условиях. Фактически это газ газовых и газоконденсатных залежей, имеющий углеводородный состав.
Свободный газ древних платформ содержит высокие концентрации азота и гелия, молодых платформ – часто повышенные концентрации двуокиси углерода. В краевых, предгорных, передовых и межгорных прогибах с мощным мезо-кайнозойским осадконакоплением свободный горючий газ характеризуется преобладанием УВ и почти полным отсутствием азота и гелия.
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.
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%.
Исследования показали, что 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.
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.
Товарные качества нефти
Товарные качества нефтиопределяются 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.
Физические свойства нефти
Основные физические свойства нефти:цвет, 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.
Природные горючие газы
Природные газы представляют собой, как правило, смесь различных газов. К наиболее распространенным в природе газам относятся метан, азот и углекислый газ. Эти газы, образующиеся при разнородных биохимических и химических процессах, встречаются в том или ином количестве в составе всех природных газов и нередко в виде значительных скоплений. Другие газы играют подчиненную роль, занимают лишь небольшой объем и редко образуют скопления. К числу последних
Относятся водород и сероводород, а также углеводородные газы – этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), отмечаются следы С5 – С8, а также другие газы, сопутствующие метану (СН4 ).
Типы природных газов
| Природная система | Дегазация или сепарация | |
| самопроизвольная (спонтанная) | принудительная | |
| Подземный газ (пластовый) | Свободный газ | Газ дегазации и дебутани- зации сырого конденсата |
| Пластовая нефть | Нефтяной газ | Газ глубокой стабилизации нефти |
| Природная вода | Водорастворенный спонтанный газ | Водорастворенный газ |
| Природные газогидраты | Газогидратный газ | Водорастворенный газ газогидратной воды |
| Горная порода | Природные газы открытого трещинно-порового пространства | Газы закрытых пор, окклюдированный, сорбированный и др. |
Природные газы находятся на Земле в различном состоянии: свободные в атмосфере и газовых залежах, растворенные в водах, сорбированные, окклюдированные, в виде твердых растворов – газогидратов. Газы, растворенные в нефти и выделяющиеся при разработке и самоизлиянии, называются попутными. Высокое энергосодержание, способность к химическим превращениям, низкое загрязнение биосферы обусловливают использование углеводородных газов в качестве наиболее удобного топлива и ценного химического сырья.
Главным компонентом природных горючих газов является метан.
Природный газ считается сухим, если он состоит главным образом из метана (85 – 95%), с низкими содержанием этана (10 – 5% и менее), практическим отсутствием пропана и бутана, с содержанием менее 10 см3/м3 способных конденсироваться жидкостей. Газ тощий – пластовый газ метанового состава с низким содержанием этана, пропана и бутана; количество конденсата - 10-30см3/м3. Газ жирный – пластовый газ с содержанием конденсата от 30 до 90 см3/м3.
В геохимии широко используется показатель «коэффициент сухости» (СН4/С2+высш).
Природные газы бесцветные, легко смешиваются с воздухом, растворимость их в воде и нефти различна. Свойства газов на поверхности и в пластовых условиях отличаются, они во многом определяются термобарическими условиями и физико-химическими параметрами среды. На растворимость природного газа влияют температура, давление, состав газа и нефти. Растворимость газа в нефти повышается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры; она растет в ряду С1 – С4. Растворимость газа уменьшается с увеличением плотности нефти. Давление, при котором данная нефть полностью насыщена газом, называется давлением насыщения; если давление в залежи падает, то газ выделяется в свободную фазу.
Химический состав природных газов неоднороден и зависит от условий их образования и нахождения в осадочной толще. Согласно классификации В.А.Соколова (1956-1967 г.г.), природные газы могут быть подразделены на газы: атмосферы, земной поверхности, осадочной толщи и изверженных пород.
Каждый из этих типов газов имеет свои специфические особенности и может находиться в свободном, сорбированном и растворенном состоянии.
Свободные газы содержатся в порах горных пород и встречаются как в рассеянном виде, так и в виде скоплений. Рассеянные газы повсеместно пронизывают горные породы и содержатся в замкнутых и сообщающихся порах. Более или менее значительные концентрации газов возможны лишь в сообщающихся порах, в зонах повышенной кавернозности и трещиноватости и при определенных условиях приводят к формированию скоплений газов, имеющих промышленное значение.
Сорбированный газ удерживается на поверхности частиц породы (адсорбция) либо пронизывает всю массу плотных участков каждой частицы и минерала (абсорбция), нередко вступая при этом в химическое взаимодействие с последним (хемосорбция).
Растворенные газы – газы жидких растворов; включают газы, повсеместно распространенные в водных растворах и нефтях, пропитывающие горные породы и выделяющиеся из недр земной коры в виде минеральных и термальных источников.
Отличительной особенностью атмосферных газов является наличие свободного кислорода. Главными компонентами атмосферного газа являются азот, на долю которого приходится 78.09%, кислород, составляющий 20,95%, аргон – 0.93% и двуокись углерода – 0,03%, а также присутствуют неон (0,0018%), гелий (0,00052%), криптон (0,0001%), водород (0,00005%).
На земной поверхности процессы газообразования интенсивно протекают в условиях заболоченных площадей и в илистых отложениях на дне различных водоемов в результате анаэробного микробиального разложения органических остатков. Характерными компонентами этих газов являются метан, углекислый газ, сероводород. Нередко в них содержится и значительное количество азота, на долю которого приходится до 90% всех газов. В составе газов, образующихся в почвенных слоях, в результате процессов разложения органических остатков при свободном доступе кислорода обнаружены углекислый газ, метан, закись азота, окись углерода, водород, аммиак.
Среди природных газов осадочной толщи, образующих промышленные скопления, следует выделять: сухие газы, попутные нефтяные газы, газы конденсатных месторождений, газы каменноугольных месторождений.
Попутные газы
Попутные нефтяные газы представляют собой смесь предельных УВ состава Сn Н2n+2, в которой кроме метана содержатся значительные количеств ТУВ: этан, пропан, изо-бутан, н-бутан. Наряду с этими УВ в них содержатся пары более ТУВ: н-пентана, изо-пентана, н-гексана, изо-гексана и другие. Суммарное содержание ТУВ в попутном газе достигает более 10 - 50%. В различных количествах в нем присутствуют углекислый газ, азот, сероводород, водород, гелий аргон и другие.
Газы газоконденсатных месторождений содержат ТУВ (свыше 10%); наличие тяжелых газообразных УВ является отличительной особенностью газов нефтяных и газоконденсатных месторождений.
Газы каменноугольных месторождений обычно содержат много метана и в различной степени обогащены углекислым газом и азотом. Содержание двух последних компонентов в смеси газов обусловлено газообменом с атмосферой и увеличивается по мере приближения к поверхности земли. ТУВ, как правило, отсутствуют в газах угольных месторождений.
Природные горючие газы либо находятся в виде самостоятельных залежей в угольных, чисто газовых и нефтяных месторождениях, либо образуют так называемую газовую шапку над нефтяной залежью, либо содержатся в растворенном состоянии в нефти (попутные газы).
Основной характеристикой УВ – состава газов является количественное соотношение метана и ТУВ – показатель «сухости» газа обратная величина, характеризующая жирность газа (Черепенникова, 1955).
В настоящее время установлено, что гелий, содержащийся в природных горючих газах, образуется за счет радиоактивного распада урана и тория в породах различного состава. Принимая, что аргон преимущественно космического происхождения, по соотношению гелия и аргона устанавливается относительный возраст газа (Савченко, 1935).
Воздушный азот и азот, образующийся в процессе биохимического преобразования ОВ, составляют азот природных газов. Учитывая постоянство аргоново-азотного соотношения в воздушном газе, по соотношению аргона и азота в составе смеси природных газов к их отношению в воздухе устанавливается доля биогенного азота в природном газе (Савченко, 1935).
Физические свойства газов
Основные физические свойства газов: растворимость (коэффициент растворимости УВ –газов в нефтях колеблется от 0,25 до 2). Количество газа, растворенного в 1 т пластовой нефти, называется растворимостью газа в нефти или газосодержанием, а количество добытого газа, приходящегося на 1 т добытой нефти, называется газовым фактором. Сорбция, фильтрация, вязкость, диффузия и другие.
Решающую роль во всех процессах играют температура и давление, определяющие состав и состояние газовой смеси на поверхности и на различных глубинах в недрах земной коры. Увеличение температуры и давления может привести к полному растворению газов в нефти (и водах), то есть к образованию однофазной жидкой системы (с растворенным газом). Одновременно увеличение температуры и давления способствует растворению жидкой фазы в газе, и при достаточном количестве газов в условиях критических температур и давлений возможен переход смеси жидких и газообразных УВ в однофазное газовое состояние – газоконденсатное. Соответственно, в процессе миграции по мере снижения давления и температуры, происходит дифференциация состава нефтей и газов.
Конденсат
КОНДЕНСАТ– жидкий продукт сепарации подземных газов. Конденсат пластовых газов представлен в основном жидкими в нормальных условиях УВ. В высокотемпературных газовых струях зон активного вулканизма в составе конденсата преобладает вода. В промысловой практике имеют дело с конденсатом УВ состава. В него обычно входят преимущественно пентан и ТУВ алканового, цикланового и аренового состава. Плотность конденсата, как правило, не превышает 0.785 г/см3, хотя известны разности с плотностью до 0.820 г/см3. Конец кипения от 200 до 350 0С. Различают конденсат сырой (полученный при сепарации) и стабильный( полученный путем глубокой дегазации сырого конденсата) Сырой конденсат содержит много газовых компонентов, особенно бутана. Стабильный конденсат практически содержит пентан и более тяжелые УВ. Количество конденсата в пластовых газах выражается либо отношением его объема к объему сепарированного газа (см3/м3), либо величиной газового фактора. Количество конденсата, отнесенное к 1 м3 сепарированного (свободного) газа, достигает 700 см3.
Физические свойства вод
Физические свойства вод: плотность (зависитот минерализации: чем выше минерализация воды, тем больше её плотность), удельный объем ( это, объем, который в занимает 1 кг воды. В стандартных условиях удельный объем неминерализоанной воды равен 0, 9972 дм3. С ростом давления объем воды уменьшается, а при повышении температуры увеличивается), объемный коэффициент (зависит от давления и температуры,степени минерализации водыи количества растворенного в ней газа),коэффициент сжимаемости (колеблется от 0,004 до 0,005 %),вязкость (в пластовых условиях изменяется от 0,03 до 0,18 Па*с. С повышением температуры она уменьшается. Изменения давления и минерализации почти не оказывают влияния на вязкость)и другие.
При разработке нефтяных месторождений необходимо знать величину отношения вязкости нефти к вязкости воды. Чем меньше это отношение, тем легче осуществляется вытеснение нефти водой и достигается больший процент извлечения нефти.
Поверхностное натяжение пластовой минерализованной воды на границе с воздухом равно 0,07 – 0,08 Н/м. Величина поверхностного натяжения влияет на вымывающие способности воды: при меньшем поверхностном натяжении вода полнее вытесняет нефть из пласта.
ЛЕКЦИИ 2, 3
НЕФТЬ, ГАЗ И ВОДЫ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА
ЛЕКЦИЯ 2