1. Состав и свойства нефти. Углеводородный состав нефти. Неуглеводородные компоненты нефти, хемофоссилии.

Основные элементы состава горючих ископаемых: C, H, O, N, S. Это макроэлементы. Все остальные - микроэлементы. Наиболее часто встречаются ванадий (в окисленный высокосернистых нефтях, Орланское месторождение, V=150 мг/кг) и никель. Есть нефти, обогащенные ураном и другими редкими и рассеянными элементами

Все соединения, содержащие углерод, называются органическими, за исключением двуокиси углерода, карбонатов и карбидов металлов.

Нефть - сложный природный раствор, в котором твердые высокомолекулярные УВ, гетероатомные соединения (смолы, асфальтены, металлоорганические комплексы) и газы растворены в жидких УВ. Нефть - это жидкие гидрофобные продукты процесса фоссилизации ОВ пород, захороненного в субаквальных отложениях.

Элементный состав.

Элемент	Нефть	Уголь
C	82-86	65-98
H	12-14	2-6 (гумиты), 8-12 (сапропелиты)
O	0,n-2	n-35
S	0,0n-6 (max - 10)	0,n-n
N	0,05-1,5 (max - 2)	1-2,5
P	Около 0,n	n

Молекулярный состав нефти:

1. Группа УВ соединений - алканы (метановые, парафиновые), циклоалканы (нафтены) и арены (ароматические).

2. Группа гетероатотомных соединений (NOS) - сернистые, кислородные и азотистые соединения.

Углеводородный состав нефти (70-90% на нефть) по структуре молекул (C и H):

1. Насыщенные (C-C-C-C...):

   • Открытые цепи (апифатические): нормальные алканы, изоалканы.

   • Циклические (алициклические): циклоалканы моноциклические и полициклические.

2. Ненасыщенные (ароматические, с бензольными кольцами):

   • Моноциклические

   • Полициклические.

Не УВ состав:

• Гетероэлементы - O до 4%, N до 2%, S до 7—8% (обычно меньше), P до 0,1%. Гетероэлементы входят в состав НУВ соединений — смол и асфальтенов. Смолы — вязкие полужидкие образования, содержащие O, N и S, растворимые в органических растворителях. Асфальтены — твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных алканах, содержащие высококонденсированные УВ структуры с гетероэлементами. По содержанию асфальтеново-смолистых веществ выделяются нефти: малосмолистые 10%, смолистые 10-20% и высокосмолистые более 20%. По содержанию серы: малосернистые до 0,5%, сернистые 0,5-2%, высокосернистые — более 2%.

• Микрокомпоненты: V, Ni, Fe, Zn, W, Hg, U.

Технологические фракции нефти (то, что испаряется из нефти при определенной температуре нагрева нефти НК):

• Бензин С₅-С₁₀, НК - 200⁰С (температура кипения УВ).

• Керосин С₁₁-С₁₃, 200-300⁰С

• Керосино-газойлевые, 250-350⁰С.

• Мазут и смазочные масла, 350-550⁰С

• Гудрон >550⁰С.

Чем больше молекула и чем она сложнее, тем нужна более высокая температура, чтобы перевести это соединение в парообразное состояние.

В этом ряду увеличивается количество ароматических соединений.

Органолептические свойства - свойства вещества, воспринимаемые или определяемые с помощью органов чувств исследователя.

1. Цвет - от бесцветного (ГК) до почти черного (тяжелые окисленные нефти, уголь). Цветовые вариации как в солнечном, так и в ультрафиолетовом свете зависят от группового и УВ состава нефти.

2. Консистенция или агрегатное состояние нефти в поверхностных условиях изменяются от жидкой подвижной, текучей до почти твердой нетекучей. Это зависит от фракционного, группового и УВ состава.

3. Запах - может быть приятным и неприятным. Резкий запах зависит от количества и типов сернистых соединений.

4. Вкус.

Физические свойства:

1. Плотность 0,78-0,99 г/см³. В США определяют плотность при 60⁰F в градусах API (плотность воды в американской системе - 10⁰API, тяжелая нефть - 20-17⁰API; чем больше API, тем более легкая нефть). d = 141,5/(⁰API+131,5). Чем более тяжелая нефть, тем она более вязкая, менее текучая. Нефть качества Brent: плотность 31⁰API (0,871 г/см³), содержание серы не более 0,1-0,2%.

2. Молекулярная масса - масса усредненной (гипотетической )молекулы. М.м. большинства нефтей изменяется от 180 до 250 г/моль, для тяжелых нефтей достигает 450 и более. Самую высокую М.м. из нефтяных компонентов имеют асфальтены - до 10000. Компонентный состав нефти: масла (все насыщенные УВ и частично ароматические), смолы и асфальтены (в их состав входят высокомолекулярные соединения, гетероатомные - S, O, N).

3. Вязкость - это свойство молекул и текучих тел к взаимному перемещению.

   • Абсолютная динамическая (n¹) - скорость истечения жидкости их определенного объема. Измеряется в пуазах (г/см*сек), в системе СИ - паскаль в сек. Максимум - нафтеновые УВ, минимум - парафиновые УВ. Чем больше цикличность, тем больше вязкость. Величина, обратная динамической вязкости - текучесть. Динамическая вязкость для нефти от n*10^-3 до n*10^-2 Па*с. Может достигать 0,1-0,2 при наличии высокомолекулярных соединений. Зависимость динамической вязкости от температуры: при уменьшении температуры вязкость увеличивается.

   • Кинематическая (v) - отношение абсолютной вязкости к плотности жидкости при температуре определения (20, 50⁰С).

Чем тяжелее нефть, тем она менее текучая и подвижная. Вязкость нефти растет с увеличением смолисто-асфальтеновых компонентов. С увеличением Т она уменьшается; с увеличением Р она увеличивается. В пластовых условиях, если в нефти растворен газ, ее вязкость может снизиться в десятки раз.

4. Т начала кипения и Т начала плавления (или потери текучести). Градации: начало кипения - при 60⁰C; 60-95⁰; 95-122; 122-150; 150-200; 200-250; 250-300; 300-350; 350-400; 400-450; 450-500; 500-550.

Температуры застывания нефти или потери подвижности в стандартных условиях может быть выше 0 (до 16⁰С) и ниже (до -20⁰С). Зависит от содержания высокомолекулярных соединений - твердых парафинов и смолисто-асфальтеновых веществ. Для газа температура самовозгорания 650⁰С.

Критическая Т - температура, выше который газ при повышении давления не может быть превращен в жидкость. Растворимость газов при повышении Т в воде и нефти уменьшается, при повышении Р - увеличивается. Растворимость в нефти более высокая, чем в воде. Она зависит от свойств и состава нефти. В тяжелых вязких нефтях газ растворяется хуже, чем в легких.

5. Поверхностное натяжение. Когезия - сцепление молекул физических тел друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение - результат действующих между собой молекулярных сил когезии, неправленых внутрь. При повышении температуры поверхностное натяжение снижается приближенно к прямолинейному закону. При Т критической натяжение уменьшается. Из всех жидкостей самое большое ПН - у воды, которое в 3 раза больше чем у нефти, что определяет разные скорости движения этих флюидов в капиллярах пород. При увеличении плотности нефти ПН на границе с воздухом увеличивается, на границе с водой - уменьшается.

6. Парамагнетизм - связан с наличием неспаренных электронов в асфальтенах нефти - ванадий, входящий в состав порфиринов, а также ненасыщенные связи в сложных полиароматических структурах и радикалах. На каждую частицу асфальтена приходится до 10 неспаренных электронов. Парамагнетизм асфальтенов составляет 1018-1021 спин/г. Количество свободных радикалов варьирует с изменением Т, максимум возникает при 140-180⁰С.

7. Растворимость УВ в воде:

   • Увеличивается в ряду: алканы, цикланы - арены (насыщенные УВ - наименьше растворимы).

   • Уменьшается в ростом минерализации (главным образом, солености - NaCl).

   • Уменьшается с увеличением газонасыщенности воды (на 30-50%).

   • Увеличивается с увеличением температуры воды.

   • С увеличением давления увеличивается растворимость легких газообразных УВ.

Оптические свойства:

1. Люминесценция - способность некоторых веществ флюоресцировать под действием света разной длины волны. Под действием УФ излучения люминесцируют ароматические УВ, содержащие бензольные кольца.

2. Оптическая активность - способность некоторых органических молекул поворачивать плоскость, в которой происходят колебания плоско поляризованного света (вправо/влево). Активность наследуется в нефти от биомолекул, молекулы, в которых присутствует ассиметричный атом углероды (хиральный центр).

Электрические свойства: удельные электрическое сопротивление (важно для электроразведки): нефть 10⁹-10¹⁶ Ом*м - диэлектрик.

Теплофизические свойства:

1. Теплопроводность (Вт/м*К) - способность вещества передавать тепло: нефть

2. Теплоемкость (Дж/кг*К) - зависит от Т и агрегатного состояния, это сколько нужно энергии, чтобы нагреть тело массой 1 кг на 1⁰К: нефть - 1700-2100.