Нефть и ее состав

Что такое нефть?

Нефть, как известно, очень сложная многокомпонентная гетерогенная система, состав которой варьируется в зависимости от месторождения.

Точной «формулы» для нефти не существует, так как она представляет собой смесь самых разнообразных по составу и структуре углеводородов и их производных, а также различных примесей.

Компонентный состав нефти

Добываемая из скважин нефть является смесью, состоящей не только из углеводородов; она выносит с собой на поверхность попутно-нефтяной газ, механические примеси (частицы горных пород), пластовую воду и растворенные в ней соли. Поэтому под термином «компонентный состав нефти» понимают содержание в выходящем потоке веществ с разным фазовым состоянием, образующих множественные дисперсные системы.

Все вышеперечисленные компоненты взаимно нерастворимы и олефобны, а образующиеся дисперсии могут быть подвергнуты разделению с помощью физико - химических методов.

Содержание всех механических примесей регламентируется ГОСТ 9965 - 76.

Номер группы

Содержание солей, не более, мг/л

Содержание воды, не более, % (масс.)

Механические примеси, не более, % (масс.)

0,2

0,05

300

1,0

III

1800

1,0

3600

2,0

Попутно - нефтяной газ

Попутный газ - легкая углеводородная фракция нефти, выделяющаяся при снижении давления от пластового до давления в сепараторных установках промысловой подготовки нефти. Снижение давления происходит не менее чем в 5 - 10 раз. Учитывая колоссальную величину давления в пластах, отделение газа происходит уже в скважине по пути на поверхность.

Пластовая вода

Пластовая вода вытесняет своим напором нефть по порам горных пород в направлении к стволу скважины. В зависимости от структуры самого пласта, а также расположения и размера пор внутри него, зависит приток воды к скважине. Вначале разработки месторождения обводненность нефтей достаточно низкая, но по мере увеличения объема вынутых запасов этот параметр также увеличивается.

Например, при разработке одного из Западно - Сибирских месторождений были получены следующие данные:

Год

Количество добытой нефти, млн т/год

Количество добытой воды, млн т/год

Средняя обводненность нефти, % масс.

1970

1,6

1973

1980

312

110

Во время добычи и транспорта нефти происходит ее интенсивное перемешивание с водой. Таким образом образуется водонефтяная эмульсия. Диспергированные капли воды далеко не всегда извлекаются на установках промысловой подготовки нефти, и эта дисперсная система «нефть - вода» разделяется исключительно специальными методами. Одним из таких методов является выпаривание воды с легким растворителем (ГОСТ 2477 - 65). При этом легкий растворитель (например, толуол) улетучивается одновременно с парами воды, конденсируется и скапливается в ловушке Дина - Старка, где происходит выделение водной фазы и фазы растворителя.

Минеральные соли

Минеральные соли находятся в практически полностью растворенном состоянии в пластовой воде, а их содержание варьируется от месторождения к месторождению. Именно соли придают определенный рН пластовой воде. Этот параметр лег в основу классификации пластовых вод; по данной классификации пластовые воды делят на хлоридно - кальциевые и щелочные. Первые и наиболее распространенные представляют собой растворы хлоридов натрия, магния и кальция. Щелочные воды, в свою очередь, делятся на хлоридщелочные и хлоридсульффатощелочные. Хлоридщелочные воды содержат хлориды и карбонаты в различных соотношениях, хлоридсульфатощелочные - наименее минерализованные - содержат значительное количество сульфатов. Содержание хлоридов в нефти регламентируется ГОСТ 21534 - 76 и определяется либо титрованием водного экстракта, либо неводным потенциометрическим титрованием образца нефти.

Механические примеси

Механические примеси представляют собой мелкие частички горных пород, выносимые с потоком наружу, и карбоиды - углеродистые уплотнения, содержащиеся в самой нефти. Также в роли механических примесей могут выступать продукты коррозии нефтегазового оборудования. Удаление механических примесей осуществляется путем отстаивания на промыслах в сепараторах и отстойниках УКПН.

Содержание примесей определяют по ГОСТ 6370 - 2018 путем фильтрования образца нефти, растворенного в легком растворителе (бензин, толуол), и взвешивания полученного высушенного осадка.

Химический (элементный) состав нефти

Элементный химический состав нефти - количественный состав элементов, входящих в нефть и выраженный в массовых долях или процентах. Безусловно, в нефти можно найти без малого всю «таблицу Менделеева», но среди всех элементов выделяются несколько наиболее часто встречающихся:

Углерод

Углерод входит в состав всех органических соединений нефти и содержится в количестве 83 - 87 % масс.

Водород

Водород составляет порядка 11 - 14 % масс. от всей массы нефти. По мере утяжеления сырья содержание водорода увеличивается пропорционально.

Сера

Сера входит в состав многочисленных гетероатомных серусодержащих групп соединений. Несмотря на это, сера является одним из нежелательных компонентов нефти ввиду ее активности как каталитического яда; также она образует с углеводородами коррозионно - активные соединения. Существует классификация нефтей по содержанию в них серы. Так, выделяют малосернистые (0,02 - 0,50 %) и высокосернистые (1,5 - 6,0 %) нефти. Стоит отметить, что распределение серы по нефти неравномерно: так, она концентрируется больше в легкокипящей и высококипящей частях (самое высокое содержание).

Азот

Азот содержится в гораздо меньших количествах по сравнению с серой (до 0,6% масс.). азот входит с состав таких гетероциклических соединений как пиридины и ему подобные; амины и т.д.

Кислород

Кислород представлен в нефтях в виде кислородсодержащих соединения: фенолы, спирты, карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны, простые и сложные эфиры и так далее. Общее содержание кислорода в нефтях не превышает 0,8% масс. (в среднем). Аналогично сере и азоту кислород образует коррозионно - активные вещества, поэтому такие соединения необходимо удалять.

Металлы

Содержание металлов невелико и не превышает 0,05% масс. (500 мг/кг). Всего в разных месторождениях обнаружено порядка 30 металлов; среди них ванадий, никель, железо, цинк, медь, магний, алюминий. Металлы по большей части входят в составы высокомолекулярных соединений - порфиринов. Такие вещества сконцентрированы в тяжелых высококипящих остатках нефтей.

Групповой состав нефти

Помимо элементного и комплексного состава принято рассматривать и групповой состав нефти. Под групповым составом нефти понимают разделение всей нефтяной смеси на 3 главные группы:

Углеводороды

Углеводороды нефтей подразделяются на 4 подгруппы: алканы, циклоалканы, арены и углеводороды смешанного строения. Непредельных структур в нефтях практически не обнаруживаются.

Гетероатомные соединения

Наиболее распространенные гетероатомы: азот, сера, кислород; сюда же относятся металл - органические комплексы по типу порфиринов.

Смолы и асфальтены

Стоит оговориться, что смолы и асфальтены не являются «полноправной» группой веществ (то есть не являются характерной), но выделяются в нее для более детального изучения, так как представляют собой концентрированные коллоиды высокомолекулярных соединений. По комбинации атомов в молекулах можно отнести к гетероатомным соединениям. Свойства нефтей зависят от соотношений вышеперечисленных групп.

Фракционный состав нефти

Нефть принято делить на части по принципу интервалов температур выкипания. Такие части называют фракциями. Иными словами, фракция нефти - это некоторый объем нефтяной смеси, имеющий конкретные температуры начала и конца кипения (интервалы температур кипения). Под фракционным составом понимается набор нефтяных фракций. Понятие фракционного состава также применимо и к нефтепродуктам.

Корреляция между фракционным составом нефти и географическим положением месторождения

Каким образом состав нефти зависит от месторождения? Все дело в сложившихся сотни миллионов лет назад обстоятельствах, при которых формировались залежи. Месторождением нефти и/или газа называют участок земной коры определенного геологического строения, в полостях которого заключены объемы этих полезных ископаемых. Нефтегазовые (нефтегазоносные) месторождения, в свою очередь, объединяются в зоны нефтегазонакопления; зоны - в районы, а районы в области и бассейны. Нефтегазоносные бассейны являются элементами более глобального понятия как нефтегазоносный пояс. Всего выделяют 3 основных типа нефтегазоноосных поясов: рифтогенные, субдукционные (субдукционно - обдукционные) и депрессионные. В основу такой классификации легла теория о геодинамическом режиме недр, определившем процессы нефтегазообразования и нефтегазонакопления в полостях земной коры.

Рассмотрим подробнее значение каждого из трех типов поясов.

1. Субдукционный тип

Субдукционный тип пояса формируется под действием субдукционного геодинамического режима: происходит «закрытие» одних фрагментов коры другими. Как правило, «океанические» фрагменты коры «подползают» под материковые (континентальные). Сейчас такие пояса располагаются по окраинам современных платформ.

2. Рифтогенный тип

Рифтогенный режим характерен для окраин современных материков. Процесс образования рифтогенных структур делят на 2 вида процессов, протекающих последовательно: активный рифтогенез - толчок из недр - и спрединг (пассивный рифтогенез) - взаимное удаление фрагментов друг от друга в горизонтальном направлении.

3. Депрессионный тип

Для депрессионного типа поясов характерны месторождения, образованные на месте внутриплатформенных древних впадин. Депрессионные структуры образуются в результате тектонических прогибов. Одним из видов тектонических прогибов является рифт - линейно - горизонтальная крупная впадина в земной коре. Рифтовые зоны бывают океанические и континентальные. Океанические рифтовые зоны появляются под воздействием магматического давления на океаническое дно. Магма под давлением раздвигает плиты. Континентальные рифтовые зоны образуются в результате поднятия горячей мантии (плюмов); при таких поднятиях континентальная утончается и растягивается, в некоторых местах проваливается. Некоторые небольшие континентальные рифы, остановившиеся в развитии, становятся месторождениями полезных ископаемых (не только нефти и газа, но и угля, солей и минералов). Такие виды континентальных рифтов называют «авлакогены».

Для более наглядного описания изменения состава ниже приведены таблица и графики.

Содержание компонента, сред. %

Рифтогенный тип

Субдукционный тип

Депрессионный тип

Сера

0,63

1,23

1,77

Парафины

4,38

5,48

8,84

Смолы

6,00

10,83

14,36

Асфальтены

1,41

2,54

15,80

Графики наглядно иллюстрируют следующую закономерность: показатели состава нефтей в зависимости от их принадлежности к типу пояса нефтенакопления (содержание серы, парафины, смолы и асфальтены) возрастают в ряду: рифтогенный тип => субдукционный тип => депрессионный тип, в среднем в несколько раз. Такая закономерность позволяет более успешно прогнозировать и исследовать новые нефтегазовые месторождения.

Сырая нефть и ее сертификация

Сырая нефть, поставляемая на НПЗ, контролируется и сертифицируется согласно ГОСТ 9965 - 76 «Нефть для нефтеперерабатывающих предприятий. Технические условия». Установлены 3 группы нефти по степени подготовки сырой нефти: I, II, III. По показателям степени подготовки нефть должна соответствовать нормам, указанным в таблице:

Наименование показателя

Номер группы степени подготовки сырой нефти