1.3. Характеристика нафти

Хімічний склад нафти. Нафта - це суміш різних вуглеводневих і невуглеводневих (ге-тероатомних) сполук. У нафті присутні три класи (ряди) вуглеводнів: парафінові (мета­нові) , нафтенові та ароматичні. Співвідношення цих класів сполук у нафті може бути різне.

Парафінові вуглеводні (метанові, алкани) мають загальну формулу , де п -кількість атомів вуглецю. Чотири перших представники цього ряду (метан, етан, пропан і бутан) в нормальних умовах це гази. Вуглеводні, які мають від 5 до 15 атомів вуглецю, є рідинами; більш високомолекулярні є твердими тілами. Алкани можуть мати нормальну будову у вигляді нерозгалуженого ланцюжка, або ізомеричну будову — у вигляді розгалу­женого ланцюжка.

Нафтенові вуглеводні (поліметиленові, циклопарафіни, циклани) мають циклічну бу­дову. Прості моноциклічні сполуки мають загальну формулу В нафті зустрічаються переважно вуглеводні з п'яти- і шестичленною структурою. У висококипячих фракціях нафти трапляються і поліциклічні вуглеводні, які складаються з двох — чотирьох циклів (кілець). Більшість нафтенових вуглеводнів є рідинами, лише високомолекулярні вугле­водні є твердими тілами.

Ароматичні вуглеводні (бензольні, арени) мають одне або більше бензольних кілець. До цих кілець можуть бути приєднані (із заміщенням атомів водню) інші радикали. Загальна формула цих вуглеводнів , де 6.

Для всіх вуглеводнів характерне зростання температури кипіння з ростом молекуляр­ної маси. В низькокипячих фракціях переважають парафінові вуглеводні, а у висококипя­чих — нафтенові й ароматичні. При високих температурах (переважно понад 300°С) вуг­леводневі сполуки поступово розпадаються. Найбільш термічне стійким є метан. Невугле-водневі сполуки нафти - це органічні сполуки сірки, кисню, азоту, або всіх їх разом узятих.

Сірка в нафті може зустрічатись в малих кількостях у вільному стані, у вигляді сірководню, розчиненого в нафті, і в органічних сполуках. Вміст сполук сірки в 10 — 12 разів перевищує за­гальний вміст самої сірки. Серед сполук сірки відомі меркаптани, сульфіди, дисульфіди та циклічні сполуки (тіофани і тіофени).

Меркаптани (тіоспирти, тіоли) — це сполуки, в яких до вуглеводневого радикала приєднано групи SH. Вони мають дуже неприємний запах і викликають корозію металів. Сульфіди (тіоефіри, тіоалкани) мають будову типу R—S—R, де R - радикал метанового або ароматичного ряду вуглеводнів. Дисульфіди мають будову R—S—S—R. Тіофани і тіофени є циклічними сульфідами, де в кільці один атом вуглецю заміщений на атом сірки.

В цілому сполуки сірки вважаються шкідливими домішками, які знижують якість про­дуктів переробки, викликають корозію обладнання і спричиняють

7

отруєння повітряного ба­сейну.

Кисень в нафті утворює кілька груп сполук: нафтові (нафтенові і жирні) кис-лоти, фе­ноли і кетони. Найбільш поширені нафтенові кислоти, які є похідними нафтенових вугле­воднів, де один атом водню заміщений на карбоксильну групу СООН.

Азотні сполуки найменш вивчені порівняно з іншими сполуками нафти. Серед них виділяють нейтральні (аміни, піридини, хіноліни) та основні (індоли, окремі піроли, карбазоли). Серед азотних сполук є група порфіринів, які вважаються продуктами пере­творення хлорофілу рослин та гемоглобіну крові. Вони мають складну будову, куди вхо­дять і метали, зокрема ванадій і нікель, їх присутність в нафті вважають доказом біогенного походження нафти.

Смоли та асфальтени є найбільш складними сполуками нафти, де вуглеводне-ві радика­ли пов'язані між собою, а також з сіркою, киснем і азотом. Вміст смолис-то-асфальтенових речовин у нафті коливається від 1 — 2 до 60 — 70 %. Смоли мА-ють напіврідку конси­стенцію. Асфальтени є порошкоподібними речовинами і не-розчинні в легких вуглеводнях. Молекулярна маса смол - 500 - 1000, а асфальтенів — 1000 - 6000. Густина їх - від 1000 до 1140 кг/м³. Смол в нафті завжди значно більше, ніж асфальтенів. Смоли під дією різних факторів (при нагріванні, під дією світла, сірчаної кислоти) можуть перейти в асфальтени. Смоли й асфальтени визна-чають колір нафти. Використовуються для одержання різних бітумів і для технічних цілей.

Газові конденсати мають склад, аналогічний складу нафти, тільки в них відсутні ас­фальтени (як нерозчинні в легких вуглеводнях) і мало смол (як погано розчинні).

Фізичні властивості нафти. Нафта - масляниста речовина від рідкої до густої смоле-подібної консистенції. Колір нафти змінюється від чорного та темно-коричневого до жовтого та світло-жовтого, іноді з зеленкуватим або синюватим відтінком.

Густина нафти - це П маса в одиниці об'єму. Зручно виражати густину нафти через безрозмірну величину, тобто через відношення густини нафти до густини води при тем­пературі 4°С. Густину нафти та нафтопродуктів визначають при стандартній темпера­турі (20°С).

Густина нафти залежить від вмісту смолисто-асфальтенових сполук, фракційного скла­ду нафти, молекулярної маси вуглеводнів та будови молекул, що становлять основну части­ну нафти. В пластах внаслідок розчинення газу та підвищеної температури густина нафти на 5-30% менша за її густину в стандартних умовах. Найбільший вплив на густину нафти мають смолисто-асфальтенові сполуки, які ведуть до зростання густини. Наявність низько-кипячих сполук має зворотну дію і веде до зниження густини нафти.

Абсолютна більшість нафт в стандартних умовах має густину в межах 0,76 — 0,99 (760 —990 кг/м³). Тільки як виняток зустрічаються нафти з густиною, що вихо­дить за ці межі.

В'язкість нафти в поверхневих умовах коливається в дуже широких межах від 1 —2 мПа*с до кількох сот, в пластових умовах - від десятих часток до сотень міліпаскалів на се­кунду. В'язкість нафти залежить від її хімічного складу, температури, тиску та кількості розчиненого газу.

Поверхневий натяг характеризує рідини тільки на межі фаз. Він впливає на розподіл нафти, газу і води в поровому просторі порід. На межі нафти з повітрям він становить 17— 35, а на межі з водою 15 — 27 мН/м. Порівняно з водою нафта має менший поверхневий натяг в 2-3 рази.

Молекулярна маса нафти коливається переважно в межах 200 — 300 і лише іноді може перевищувати 600. Нафта характеризується температурою початку кипіння, яка здебільшого становить 60 — 120°С, і продовжує кипіти при

8

нагріванні до 300°С і вище.

Температура застигання нафти коливається від — 40 до 20 — 40°С. Загущення нафт може відбуватися внаслідок випаровування легких фракцій. Теплотворна здатність нафти -41000—46000 кДж.

Нафта є оптично активною, тобто здатна повертати площину поляризації світла здебільшого вправо на 1 — 2°. Під дією ультрафіолетового проміння вона світиться в голу­бих, жовто-бурих і бурих тонах з різною інтенсивністю. На основі їх люмінесценції існують методи виявлення нафти і бітумів в гірських породах.

Нафта і природний газ є діелектриками. Нафта добре розчиняється у всіх органічних розчинниках і сама є органічним розчинником. Вона легко розчиняє в собі вуглеводневі га­зи, погано розчиняється у воді і погано розчиняє воду. При підвищенні температури роз­чинність її у воді збільшується, а при температурі понад 200°С різко зростає. В цілому роз­чинність рідких вуглеводнів у пластових водах коливається від декількох грамів до 1-2 кг в 1 м³ води. Зростання мінералізації води зменшує розчинність вуглеводнів.

Класифікація нафти. Нафту за складом дистилятної частини ділять на п'ять класів: ме­танова, метано-нафтенова, нафтенова, метано-нафтено-ароматична і нафтено-ароматич-на. За вмістом сірки нафту ділять на малосірчисту (до 0,5 %), сірчисту (0,5—2 %) і висо-косірчисту (більше 2 %); за вмістом фракцій, що википають до температури 350°С - на три типи: T₃(більше 45%), Т₂ (30—45 %), Т₃ (менше 30 %); за вмістом базових масел - на групи: m₁ (більше 25 %), М₃(20—25 %), М₃ (15—20 %) і М₄ (менше 15 %); за вмістом твердих парафінів - на три види: n_t (менше 1,5 %), П₁(1,5—6,0 %) і П₃ (більше 6 %). В практиці вживається умовний поділ нафти на легку, середню і важку відповідно з густиною до 850, 850-950 і понад 950 кг/м³. За вмістом смол і асфальтенів нафту ділять на малосмо-листу (до 10%), смолисту (10-20%) івисокосмолисту (більше20 %).