Глава 4. Состав и свойства пластовых флюидов. Элементы механики пласта

4.1 Состав и свойства пластовых флюидов

(Слайд 1G4_2)

Смесь природных углеводородов в зависимости от пластового давления и температуры может существовать в пласте в различном физическом состоянии — в виде нефти или природного газа. Изучение свойств и состава пластовых флюидов имеет большое значение в добыче и переработке нефти и газа.

4.1.1. Состав и свойства природных углеводов

(Слайд 1G4_3)

Природные нефти на 95—99% состоят из углерода и водорода; процентное содержание углерода колеблется от 83 до 87,4, а водо-рода — от 9,3 до 15. С увеличением содержания водорода в нефти снижается ее удельный вес. В пластовых условиях нефть почти всегда содержит то или иное количество растворенных в ней природных газов.

Углеводороды нефти соответственно их молекулярному строению подразделяются на гомологические ряды. Каждый ряд состоит из большого числа соединений с разным молекулярным весом, но с определенной аналогией в строении молекул; соотношение атомов углеводорода и водорода в них выражается формулой. Число атомов водорода у представителей каждого ряда равно числу атомов угле-рода, умноженному на 2, плюс или минус определенное четное число, которое может варьировать от +2 до - 6.

Углеводороды с наименьшим числом атомов в молекуле (низшие, или легкие) кипят и плавятся при более низких температурах, чем последующие члены гомологического ряда (высшие, или тяжелые), с большим числом атомов в молекуле — с крупными молекулами. Эти углеводороды кипят и плавятся при более высоких температурах.

Все углеводороды в зависимости от их молекулярного строения подразделяют на две большие группы:

1. Ациклические с открытой цепью.

2. Циклические, образующие замкнутые цени, т. е. кольца.

Процесс расщепления крупных молекул называют крекингом(диссоциацией). С увеличением молекулярного веса и с усложнением строения молекулы расщепляются обычно легче. В лабораторных условиях температуры диссоциации молекул колеблются от 400 до 800° С. С соответствующими катализаторами расщепление молекул происходит при более низких температурах. Так, метан диссоциирует без катализаторов при температуре 650° С, а в присутствии палладия разлагается на водород и углерод при 250° С.

(Слайд 1G4_31)

Углеводороды, образующие нефть, подразделяют на три ряда:

- парафиновые (метановые),

- нафтеновые

- ароматические.

Парафиновые. Общая формула углеводородов парафинового ряда СnН2n+2.

Из всех углеводородов метан наиболее богат водородом и химически самый стойкий. Члены парафинового ряда по сравнению с членами других рядов химически наиболее стойкие; их молекулы относятся к числу насыщенных с незамкнутой цепью. Нефтей, состоящих исключительно из парафиновых углеводородов, не существует. Озокерит и природный газ образованы почти одними метановыми угле-водородами.

Жидкие продукты, получаемые при перегонке нефти, и конденсаты природного газа на 75% могут состоять из углеводородов парафинового ряда.

Нефти парафинового (метанового) ряда иногда содержат до 20—35% твердого парафина (Октябрьское месторождение Грозненской нефтегазоносной области, Дагестан и другие нефтяные районы; в США — Пенсильвания, Луизиана). Парафинистые нефти метанового ряда характерны для более глубоких зон стратисферы. Они начали разрабатываться в связи с успехами в технике глубокого бурения.

Нафтеновые. Общая формула углеводородов нафтенового ряда СnН2n.

Они имеют циклическую структуру и насыщенную молекулу. По сравнению с метановыми углеводородами члены нафтенового ряда, характеризующиеся теми же температурами кипения, обладают более высоким удельным весом. Однако химически они менее стойкие.

Тяжелые фракции нефтей нафтенового ряда могут содержать очень мало твердых парафинов или не содержать их; количество асфальтово-смолистых веществ в них значительное.

Ароматические.Общая формула углеводородов ароматического ряда С_nН_2n-6

Они имеют циклическую структуру и ненасыщенную молекулу. Химически они менее стойки и быстрее окисляются, чем члены парафинового и нафтенового рядов; вступают в реакцию с концентрированной серной кислотой.

Нефти, состоящие исключительно из ароматических углеводородов, в природе неизвестны; однако некоторое их количество содержат все нефти. Относительно высокому процентному содержанию ароматических углеводородов обычно сопутствует большое количество асфальтово-смолистых веществ, что связано со способностью ароматических углеводородов легко окисляться.

По генезису различают три основных типа нефтей:

- нефти, претерпевшие незначительные вторичные изменения;

- нефти, испытавшие воздействие повышенных температур (более 100° С), т. е. затронутые катагенезом (стадия литогенеза, промежуточная междудиагенезом и собственно метаморфизмом);

- нефти, подвергшиеся окислению в зоне гипергенеза (обычно залегают на глубинах менее 2000 м).

Для выделения и анализа различных веществ, присутствующих в нефти, применяют ряд методов. Один из самых распространенных — дистилляция, дающая хорошие результаты при выделении компонентов с низкими температурами кипения и значительным интервалом в точках кипения. При близких точках кипения ряда соединений, входящих в состав тяжелых фракций, и разложении многих сложных веществ при нагревании дистилляция не дает положительных результатов.

В каждой отдельной нефти может преобладать какой-либо определенный гомологический ряд, характеризующий тип нефти в целом. Наибольшее количество парафиновых углеводородов из всех типов нефтей содержит газолиновая фракция—40—60%, реже оно снижается до 20%.

Сера, азот и кислород присутствуют в нефтях в различных количествах.

Содержание серы колеблется от 0,01 до 5% (тяжелые мексиканские нефти). Нефти с количеством серы 2 и более процентов обычно тяжелые. В легких нефтях, особенно парафинового ряда, серы обычно мало, порядка 0,01—0,22%. Сернистые соединения в нефтях представлены меркаптанами, сероводородом и другими сульфидами; в большом количестве сера содержится в смолах и асфальтенах. Свободная сера в нефтях встречается редко.

Содержание азота в нефтях, по данным А. Саханена (Sachanen, 1945), не превышает 1%, а во многих случаях 0,1%. Содержание кислорода обычно составляет менее 0,5%, в более тяжелых фракциях изредка превышает 2%; в природных асфальтах, состоящих преимущественно из смол и асфальтенов, оно достигает 5%.

(Слайд 1G4_32)

В асфальтах, асфальтовых нефтях и горючих сланцах присутствуют порфирины — сложные органические вещества, генетически связанные с хлорофиллом и гемоглобином, разрушающиеся под влиянием кислорода и высокой температуры. Происхождение порфиринов в нефтях еще не ясно. По данным О.А. Радченко и Л.С. Шешиной, часть их привносится в нефть в условиях залежи микроорганизмами.

Изучение состава зольного остатка имеет интерес в связи с проблемой происхождения и миграции нефти. Зольный остаток присутствует в нефти в незначительном количестве, обычно до 0,01 — 0,05%. Наиболее низкое его содержание отмечается в самых легких нефтях и возрастает с увеличением удельного веса нефти.

В составе золы наибольший интерес представляют редкие металлы, например никель и ванадии, встречающиеся в ней чаще всего. Исследования показывают, что чем тяжелее нефть, тем боль-шее количество никеля содержится в составе золы. По данным У. Рамсея (Ramsay, 1934), содержание никеля в нефтях колеблется от 0,0001 до 0,0083%. Ванадий обычно отсутствует в легких нефтях и нефтях, не содержащих асфальта. В зольных остатках нефтей асфальтового основания ванадий составляет 30% и более. Отношение ванадия к никелю в тяжелых нефтях изменяется от 0,16 до 2,88 [Мак Коннел-Сандерс (McConnell-Saunders), 1938]. Определение содержания редких металлов в нефтяном зольном остатке производится спектральными методами.

Для суждения об образовании и миграции нефти, а также о химических изменениях ее в процессе перемещения важно установить, в каком состоянии находятся металлы в нефти: в виде истинного раствора или в виде коллоидного. Нахождение их в виде растворимых солей позволяет предположить, что они могли мигрировать с нефтью из материнских пород.

Природный газ на 90—95% состоит из метана. Он содержит метан (СН₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀), пентан (С₅Н₁₂) и небольшую примесь (1 —10%) азота. Углеводороды относятся в основном к парафиновому ряду и являются гомологами метана. В газах, добываемых с нефтью и сопутствующих ей, количество парафиновых углеводородов, помимо метана, может достигать 50% и более. В зависимости от присутствия или отсутствия сероводорода природный газ называют «сухим», «тощим» или «жирным» от количества содержащихся в нем газолиновых паров. Плотность чистого метана по отношению к воздуху равна 0,554; другие угле-водороды тяжелее воздуха; сухой природный газ может иметь плотность 0,6 Г/см³; жирные газы тяжелее воздуха.

Количество углекислого газа в природных газах может быть как низкое — не более 2%, так и высокое — более 98% (области Скалистых гор; месторождение Пануко в Мексике; Новая Зеландия).

Гелий в небольших количествах около 0,01 % встречается во многих природных газах; концентрация его больше 0,5% редка. В Канзасе, Оклахоме, Техасе, в районе Скалистых гор в ряде газовых месторождений зафиксировано содержание гелия до 1 % и более.

Количество сероводорода в природном газе обычно невелико; при содержании его более 0,46—0,70 г в 1 м³газа он чаще всего удаляется. Природный газ, извлекаемый из известняков и доломитов, обычно содержит больше сероводорода, чем газ, добываемый из песчаников. Некоторые природные газы, получаемые из карбонатных пород, содержат 20% сероводорода (Западный Техас, к югу от Нью-Мексико).

Касаясь проблемы происхождения нефти и природного газа, следует сказать, что имеющийся фактический материал с большой убедительностью подтверждает органическую теорию происхождения нефти и газа.

(Слайд 1G4_33)

Нефти вследствие различного состава и разных условий залегания в пласте (давление, температура) могут различаться но своим физическим свойствам — удельному весу, вязкости, цвету, растворимости, точкам кипения и застывания, оптической активности, критическим температуре и давлению, поверхностному натяжению и другим свойствам.

Удельный вес нефтей колеблется от 0,65 до 1 Г/см³;нефти с удельным весом ниже 0,75 и выше 0,95 Г/см³встречаются редко. Удельный вес асфальта может достигать 1,10 Г/см³. Удельный вес нефти в породах-коллекторах меньше, чем замеренный на поверхности. На глубинах около 2500 мон может составлять 0,55—0,65 Г/см³.

Вязкость нефти измеряется визкозиметрами Уббелоде — Гольде, Энглера, Оствальда и др. При обычной температуре вязкость первичных нефтей составляет от 2 до 1000 спз и более, воды 1, газолина 0,6, керосина 2.

За единицу вязкости в системе СГС принят пуаз (газ), равный 100 сантипуазам (спз). Вязкость возрастает с увеличением давления и уменьшается с повышением температуры; снижается при растворении в нефти газа. В связи с этим изменяются поверхностное натяжение, капиллярные и другие физические свойства нефти.

Объем газа, растворяющегося в нефти, увеличивается с повышением давления и уменьшается с ростом температуры.

(Слайд 1G4_34)

Р астворимость углеводородных газов в воде при постоянной температуре с повышением давления возрастает . Наблюдается большое различие в точках кипения разных углеводородов. Так, точка кипения бензола + 80,1°, метана — 161,7°, этана — 88,6°, пропана — 42,2°.

Критические температуры и давления углеводородных смесей значительно отличаются от критических температур и давлений отдельных их компонентов. Явление ретроградной конденсации наблюдается в смесях природного газа с легкими жидкимиуглеводородами. Оно фиксируется при высоких давлениях и при температурах, не достигающих критической.

Газоконденсатная пластовая система представляет собой смесь углеводородов с некоторой примесью неорганических соединений (азот, углекислота, пары влаги, редкие газы, сероводород). В этой смеси 75—95% составляет метан. В зависимости от условий образования залежи, а также от пластового давления и температуры в состав газоконденсата могут входить очень тяжелые углеводороды.

В процессах миграции нефти и газа большое значение приобретает поверхностное межфазное натяжение между газом и нефтью, газом и водой, нефтью и водой, а также между газом, нефтью, водой, с одной стороны, и стенками пористой среды, с другой. При обычных температурах поверхностное натяжение в динах на сантиметр (дин/см) для нефти в воздухе равно 24—28, для воды в воздухе 73, для воды в нефти 33—54. На глубине в пластовых коллекторах оно значительно меньше. Поверхностное натяжение воды, находящейся в контакте с газом, при увеличении давления от 0 до 250 кГ/см²снижается на 60%; на контакте нефть — газ с возрастанием давления до 350 кГ/см²оно приближается к нулю. С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Нефти обладают высоким электрическим сопротивлением, измеряемым от 10¹¹ до 10¹⁸ ом/см.Это свойство нефтей используют для выявления их в разрезах скважин.

Диэлектрическая постоянная нефти равна 2, льда 93,9, обычных горных пород от 6 до 11.