4.2. Состав нефти

Различают элементный, фракционный, групповой и вещественный составы нефти.

Основными элементами состава нефти являются углерод (83,5-87%) и водород (11,5-14 %). Кроме того, в нефти присутствуют:

сера в количестве от 0,1 до 1-2 % (иногда ее содержание может доходить до 5-7 %, во многих нефтях серы практически нет);

азот в количестве от 0,001 до 1 (иногда до 1,7 %);

кислород (встречается не в чистом виде, а в различных соединениях) в количестве от 0,01 до 1 % и более, но не превышает 3,6 %.

Из других элементов в нефти присутствуют - железо, магний, алюминий, медь, олово, натрий, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть, золото и другие. Однако, содержание их менее 1 %.

Фракционный состав нефти показывает содержание в ней различных фракций, выкипающих в определенных температурных интервалах, и отражает содержание соединений в них.

Фракцией называется доля нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Нефти выкипают в очень широком интервале температур, в основном, от 28 до 520-540С. Фракционный состав нефти определяется стандартным методом (ГОСТ 2177–82) по результатам лабораторных испытаний при разделении соединений по температурам кипения методом фракционирования (разгонки) нефти, отгона или смеси соединений на установках АВТ (атмосферно-вакуумная трубчатка).

Началом кипения фракции считают температуру падения первой капли сконденсированных паров.

Концом кипения фракции считают температуру, при которой испарение фракции прекращается.

Различают следующие основные фракции нефти:

28-180⁰С – широкая бензиновая фракция;

140-200⁰С – уайт–спирит;

180-320⁰С – широкая керосиновая фракция;

150-240⁰С – осветительный керосин;

180-280⁰С – реактивное топливо;

140-340⁰С – дизельная топливо (летнее);

180-360⁰С – дизельная топливо (зимнее);

350-500⁰С – широкая масляная фракция;

380-540⁰С – вакуумный газойль.

Под групповым составом нефти (фракции) понимают количественное соотношение в ней отдельных групп углеводородов, гетероатомных соединений.

Нефть представляет собой сложную смесь органических соединений (более 1000), преимущественно углеводородов, их производных и гетероатомных соединений.

Углеводороды представляют собой органические соединения углерода и водорода. В нефти в основном содержатся следующие классы углеводородов.

Парафиновые углеводороды (алканы) – насыщенные (предельные) углеводороды с общей формулой C_nH_2n+2. Содержание их в нефти составляет 30-70 %. Различают алканы нормального строения (н-алканы-пентан и его гомологи), изостроения (изоалканы-изопентан и др.) и изопреноидного строения (изопрены – пристан, фитан и др.). В нефти присутствуют газообразные алканы от С₁ до С₄ (в виде растворённого газа), жидкие алканы С₅ – С₁₆, составляют основную массу жидких фракций нефти и твёрдые алканы состава С₁₇ – С₅₃ и более, которые входят в тяжёлые нефтяные фракции и известны как парафины.

Нафтеновые углеводороды (циклоалканы) – насыщенные алициклические углеводороды. К ним относятся моноциклические с общей формулой C_nH_2n, бициклические – C_nH_2n-2, трициклические – C_nH_2n-4, тетрациклические – C_nH_2n-6. Содержание нафтеновых углеводородов в нефтях может колебаться от 25 до 75 %. Из моноциклических углеводородов в нефти присутствуют в основном пяти- и шестичленные нафтены. Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти растёт по мере увеличения ее молекулярной массы.

Ароматические углеводороды (арены) – соединения, в молекулах которых присутствуют циклические углеводороды с р–сопряжёнными системами. Содержание их в нефти изменяется от 10 до 50 %. К ним относятся представители моноциклических: бензол и его гомологи (толуол, о-, м-, п-ксилол и др.), бициклические: нафталин и его гомологи, трициклические: фенантрен, антрацен и их гомологи, тетрациклические: пирен и его гомологи и другие.

Гибридные углеводороды (церезины) – углеводороды смешанного строения: парафино–нафтенового, парафино–ароматического, нафтено–ароматического. В основном, это твёрдые алканы с примесью длинноцепочечных углеводородов, содержащих циклановое или ароматическое ядро. Они являются основной составной частью парафиновых отложений в процессах добычи и подготовки нефтей.

В зависимости от преимущественного содержания в нефти одного или нескольких классов углеводородов она может называться парафиновой (парафинового основания), парафино–нафтеновой, нафтеновой, нафтено–ароматической, ароматической

Гетероатомные соединения – углеводороды, в состав молекул которых входят кислород, сера, азот, металлы или неметаллы. К ним относятся:

1. кислородсодержащие – фенолы, эфиры, нафтеновые кислоты, жирные кислоты и др., содержание их в нефтях колеблется от 0,1 до 1 %, иногда в высокосмолистых нефтях содержание кислорода может доходить до 2-3 %;

2. серосодержащие – меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены и др., содержание их в нефтях изменяется от 0,1 до 1-7 %, кроме того, в нефти может присутствовать сера в свободном состоянии или в виде сероводорода, как составляющая природного газа;

3. азотсодержащие – амины, пиридин, хинолин, пирролы, их производные и др., содержание их изменяется от 0,001 до 0,4-1 %;

4. порфирины – это азотистые соединения, в основе структуры которых расположены четыре пиррольных кольца координационно-соединенные с атомами ванадия, никеля и др., содержание их в нефтях меньше 1 %;

5. смолы и асфальтены – высокомолекулярные соединения, содержащие два и более гетероатома, содержание их в нефтях изменяется от 1 до 35 %.

Подавляющая часть гетероатомных соединений содержится в наиболее высокомолекулярных фракциях нефти, выкипающих выше 300^оС. В нефтях Западной Сибири на их долю приходится до 15 %.

В нефти содержатся в малых количествах минеральные вещества, вода и механические примеси.

Состав полностью определяет физико-химические свойства нефтей. Вследствие изменчивости химического состава, физико-химические свойства нефтей различных месторождений и даже различных пластов одного месторождения отличаются большим разнообразием.

Вследствие разнообразия условий залегания нефтей и генетических критериев при накоплении и сохранении их в ловушках - резервуарах свойства нефтей весьма разнообразны. Известны крайне низковязкие неф­ти в 0,3 0,4 мПа·С (Западная Украина, Узбекистан, Краснодарский край, Волгоградская область, Чечено-Ингушетия).

В то же время Усинское месторождение (Коми АССР) имеет нефть вязкостью в 400 мПа·С и более, месторождения Оха, Катангли, Восточное Эхаби на Сахалине содержат нефти с вязкостью около 1000 мПа·С. В За­падной Сибири нефть высокой вязкости (700 800 мПа·С) залегает в Рус­ском месторождении.

Количество растворенного в нефти газа изменяется от долей едини­цы до нескольких сотен м³, что в значительной степени предопределяет большой диапазон изменения давления насыщения (давление начала выде­ления газа из нефти): от нескольких МПа до 40 МПа. Высокие значения этих показателей характерны для нефтей Туркмении, Западной Украины.

Весьма разнообразен и состав растворенного газа. Аномалии по этим показателям отмечены в Иловлинском месторождении (Саратовской об­ласти): попутный газ на 97% состоит из метана. В нефти месторождения Гнединцы (Украина) газ содержит только 1,5% метана. Для месторожде­ний Пермской области характерно высокое содержание азота в попутном газе: на Киенгопском месторождении его концентрация составляет 83%.

В широком диапазоне изменяется и количество растворенного в нефти парафина: от следов до 30% (Колодезное месторождение Ставро­польского края); до 28% парафина содержат нефти месторождения Узень Казахстана.

Действующими инструкциями по подсчету запасов нефти и горючих газов предусмотрено изучение следующих параметров нефтей: плотности, вязкости, давления насыщения, газосодержания, объемного коэффициента, содержания в нефти асфальтенов, смол, парафина, серы и др.

По содержанию некоторых веществ нефти делятся на классы и подклассы.

По содержанию серы:

1) малосернистые (до 0,5%);

2) сернистые (0,5 2,0%);

3) высокосернистые (>2%).

По содержанию смол:

1) малосмолистые (< 18%);

2) смолистые (18 35%);

3) высокосмолистые (>35%). По содержанию парафинов:

1) малопарафинистые (< 1,5%);

2) парафинистые (1,5 6,0%);

3) высокопарафинистые (>6%).

Нефти Западной Сибири малосмолистые, малосернистые, малопа­рафинистые. Нефть месторождения Узень Казахстана содержит до 35% парафина и требует не только закачки горячей морской воды в пласты, но и линейныго подогрева движущейся продукции в системе сбора и подготовки нефти. Даже при летних температурах окружающей среды (40° С и выше) нефть данного месторождения застывает через несколько часов покоя до твердого состояния.

Следует отметить, что природа нефтяного парафина сложна - это смесь двух групп твердых углеводородов: парафинов и церезинов. Парафины с составом C₁₇ – C₃₅ имеют температуры плавления в диапазоне 27-71°С. Церезины более высокой молекулярной массы (С₃₆-С₅₅) характеризуются более узким температурным диапазоном плавления: от 65 до 88⁰ С. Отмечаются они и большей плотностью, вязкостью и строением кристаллической структуры.