1. Физико-химические свойства нефти, природного газа, углеводородного конденсата и пластовых вод. Физические свойства газа нефти и воды

Физические свойства нефти, газа и воды

Состояние и свойства углеводородов в пласте зависят от их состава, давления и температуры. В залежах они могут находиться в жидком, газообразном состоянии или в виде газожидкостной смеси.

Плотность пластовой нефти – масса нефти в пластовых условиях в единице объема. Она обычно в 1,2–1,8 раза меньше плотности дегазированной нефти, что объясняется увеличением ее объема в пластовых условиях за счет растворенного газа. По плотности пластовые нефти делятся на легкие – с удельным весом менее 0,850 г/см3, и тяжелые – с удельным весом более 0,850 г/см3.

Вязкость пластовой нефти характеризует степень подвижности флюида. Это важный параметр, от которого зависят эффективность процесса разработки и конечный коэффициент нефтеизвлечения. Вязкость нефти может в десятки раз увеличиваться при переходе из пластовых условий в поверхностные. Это обусловлено повышенной температурой и газосодержанием.

Между вязкостью и плотностью нефти существует прямая пропорциональность. Так, легкая нефть менее вязкая. Единицей измерения вязкости

служит мПа·с (миллипаскаль в секунду). По величине вязкости различают нефть с незначительной вязкостью (< 1 мПа·с), маловязкую (> 1 и < 5 мПа·с), с повышенной вязкостью (> 5 и < 25 мПа·с) и высоковязкую (> 25 мПа·с).

Давлением насыщения пластовой нефти называется давление, при котором из нее начинает выделяться газ. Давление насыщения зависит от соотношения объемов нефти и газа в залежи, их состава, пластовой температуры.

Снижение забойного давления ниже давления насыщения при определенных условиях может привести к снижению дебита нефти из-за выделения газа в призабойной зоне пласта. Это приводит к снижению притока жидкости, преждевременному прорыву воды из-за увеличения вязкости нефти, выпадению АСПО и солей в скважине и частым отказам погружных насосов.

Газосодержание (газонасыщенность) пластовой нефти равно объему растворенного газа (в стандартных условиях), содержащегося в единице объема пластовой нефти.

Коэффициентом разгазирования нефти называется количество газа, выделившегося из единицы объема нефти при снижении давления на единицу.

Промысловым газовым фактором называется количество добытого газа в м3, приходящееся на 1 м3 (т) дегазированной нефти. Если при разработке газ в пласте не выделяется, то газовый фактор меньше газосодержания пластовой нефти, т.к. в промысловых условиях полной дегазации нефти не происходит.

Сжимаемость нефти (газа, воды) обусловлена тем, что нефть (как и все жидкости) обладает упругостью, которая характеризуется коэффициентом сжимаемости.

Коэффициент сжимаемости характеризует относительное изменение объема нефти при изменении давления на единицу.

Объемный коэффициент пластовой нефти показывает, какой объем занимает в пластовых условиях 1 м3 дегазированной нефти.

Используя объемный коэффициент, можно определить «усадку нефти», т.е. установить уменьшение объема пластовой нефти при извлечении ее на поверхность.

Влагосодержание природных газов обусловлено контактом с пластовыми водами и зависит от давления, температуры и состава газа.

Объемный коэффициент пластового газа – отношение объема газа в пластовых условиях к объему того же количества газа в стандартных условиях. Объем газа в пластовых условиях примерно в 100 раз меньше, чем в стандартных условиях.

Минерализацией воды называется суммарное содержание в воде растворенных солей, ионов и коллоидов.

Плотность воды в пластовых условиях зависит, главным образом, от ее минерализации, давления и температуры.

Вязкость пластовой воды зависит, в первую очередь, от температуры, минерализации и химического состава.

Растворимость газов в воде гораздо ниже, чем в нефти. При увеличении минерализации воды растворимость газов в воде уменьшается.

Сжимаемость воды – это обратимое изменение объема воды в пластовых условиях под действием давления. Сжимаемость воды уменьшается с увеличением концентрации солей и увеличивается с увеличением содержания растворенного газа.

Геолого-физические характеристики основных продуктивных пластов разрабатываемых месторождений и свойств их нефтей приведены в таблице 1.

1. Физико-химические свойства нефти, природного газа, углеводородного конденсата и пластовых вод

Нефть – горючая, маслянистая жидкость, преимущественно темного цвета, представляет собой смесь различных углеводородов. В нефти встречаются следующие группы углеводородов: метановые (парафиновые) с общей формулой СnН2n+2; нафтеновые – СnН2ni; ароматические – Сnh3n-6. Преобладают углеводороды метанового ряда (метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8 и бутан С4Н10), находящиеся при атмосферном давлении и нормальной температуре в газообразном состоянии. Пентан С5Н12, гексан С6Н14 и гептан С7Н16 неустойчивы, легко переходят из газообразного состояния в жидкое и обратно. Углеводороды от С8Н18 до С17Н36 – жидкие вещества. Углеводороды, содержащие больше 17 атомов углерода – твердые вещества (парафины). В нефти содержится 8287 % углерода, 1114 % водорода (по весу), кислород, азот, углекислый газ, сера, в небольших количествах хлор, йод, фосфор, мышьяк и т.п.

Основной показатель товарного качества нефти – ее плотность () (отношение массы к объему), по ней судят о ее качестве. Легкие нефти наиболее ценные.

Плотность (объемная масса) – масса единицы объема тела, т.е. отношение массы тела в состоянии покоя к его объему. Единица измерения плотности в системе СИ выражается в кг/м3. Измеряется плотность ареометром. Ареометр – прибор для определения плотности жидкости по глубине погружения поплавка (трубка с делениями и грузом внизу). На шкале ареометра нанесены деления, показывающие плотность исследуемой нефти.

Вязкость – свойство жидкости или газа оказывать сопротивление перемещению одних ее частиц относительно других. Зависит она от силы взаимодействия между молекулами жидкости (газа). Для характеристики этих сил используется коэффициент динамической вязкости (). За единицу динамической вязкости принят паскаль-секунда (Па·с), т.е. вязкость такой жидкости, в которой на 1 м2 поверхности слоя действует сила, равная одному ньютону, если скорость между слоями на расстоянии 1 см изменяется на 1 см/с. Жидкость с вязкостью 1 Па·с относится к числу высоковязких.

В нефтяном деле, так же как и в гидрогеологии и ряде других областей науки и техники, для удобства принято пользоваться единицей вязкости, в 1000 раз меньшей – мПа·с. Так, пресная вода при температуре 200С имеет вязкость 1 мПа·с, а большинство нефтей, добываемых в России, - от 1 до 10 мПа·с, но встречаются нефти с вязкостью менее 1мПа·с и несколько тысяч мПа·с. С увеличением содержания в нефти растворенного газа ее вязкость заметно уменьшается. Для большинства нефтей, добываемых в России, вязкость при полном выделении из них газа (при постоянной температуре) увеличивается в 24 раза, а с повышением температуры резко уменьшается.

Вязкость жидкости характеризуется также коэффициентом кинематической вязкости, т.е. отношением динамической вязкости к плотности жидкости. За единицу в этом случае принят м2/с. На практике иногда пользуются понятием условной вязкости, представляющей собой отношение времени истечения из вискозиметра определенного объема жидкости ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 200С.

Цвет нефти варьирует от светло-коричневого до темно-бурого и черного, плотность от 730 до 9801050 кг/м3 (плотность менее 800 кг/м3 имеют газовые конденсаты). По плотности нефти делятся на 3 группы: на долю легких нефтей (с плотностью до 870 кг/м3) в общемировой добыче приходится около 60% (в России – 66%), на долю средних нефтей (871970кг/м3) в России – около 28%, за рубежом – 31%; на долю тяжелых (свыше 970 кг/м3) – соответственно около 6% и 10%. Вязкость изменяется в широких пределах (при 500С 1,2  55·10-6м2/с) и зависит от химического и фракционного состава нефти и смолистости (содержания в ней асфальтеново-смолистых веществ).

Другое основное свойство нефти – испаряемость. Нефть теряет легкие фракции, поэтому она должна храниться в герметичных сосудах.

В пластовых условиях свойства нефти существенно отличаются от атмосферных условий.

Движение нефти в пласте зависит от пластовых условий: высокие давления, повышенные температуры, наличие растворенного газа в нефти и др. Наиболее характерной чертой пластовой нефти является содержание в ней значительного количества растворенного газа, который при снижении пластового давления выделяется из нефти (нефть становится более вязкой и уменьшается ее объем).

В пластовых условиях изменяется плотность нефти, она всегда меньше плотности нефти на поверхности.

При увеличении давления нефть сжимается. Для пластовых нефтей коэффициенты сжимаемости нефти н колеблются в пределах 0,414,0ГПа-1, коэффициент н определяют пересчетом по формулам, более точно получают его путем лабораторного анализа пластовой пробы нефти.

Из-за наличия растворенного газа в пластовой нефти, она увеличивается в объеме (иногда на 5060%). Отношение объема жидкости в пластовых условиях к объему ее в стандартных условиях называют объемным коэффициентом «в». Величина, обратная объемному коэффициенту, называется пересчетным коэффициентом  = . Этот коэффициент служит для приведения объема пластовой нефти к объему нефти при стандартных условиях.

Используя объемный коэффициент, можно определить усадку нефти, т.е. на сколько изменяется ее объем на поверхности по сравнению с глубинными условиями.

Усадка – И = · 100%.

Важной характеристикой нефти в пластовых условиях является газосодержание – количество газа, содержащееся в одном кубическом метре нефти. Для нефтяных месторождений России газовый фактор изменяется от 20 до 1000 м3/т. По закону Генри растворимость газа в жидкости при данной температуре прямо пропорциональна давлению. Давление, при котором газ находится в термодинамическом равновесии с нефтью, называется давлением насыщения. Если давление ниже давления насыщения, из нефти начинает выделяться растворенный в ней газ. Нефти и пластовые воды с давлением насыщения, равным пластовому, называются насыщенными. Нефти в присутствии газовой шапки, как правило, насыщенные.

studfiles.net

Физические свойства нефти.

Измерение физических параметров нефти позволяет определить их товарные качества. Некоторые параметры (плотность, вязкость и др.) используются при расчете и проектировании разработки месторождений, нефтепроводов, транспортирования нефти и т. д. В геологии из физических параметров наибольшее значение имеют плотность, оптическая активность, люминесценция и некоторые другие.

Плотность определяется количеством массы в единице объема. Единицей плотности является кг/м3. На практике пользуются относительной плотностью, которая представляет собой отношение плотности нефти при температуре 20 °С к плотности воды при 4 °С. Плотность (относительная) нефти колеблется чаще всего в пределах 0,82—0,92. Как исключение встречаются нефти плотностью меньше 0,77 (дистилляты естественного фракционирования нефтий) и тяжелые, густые асфальтоподобные нефти, плотность которых превышает 1,000 (остатки естественного фракционирования). Различия в плотности нефти связаны с количественными соотношениями углеводородов отдельных классов. Нефти с преобладанием метановых углеводородов легче нефти, богатых ароматическими углеводородами. Плотность смолистых веществ нефти выше 1,000, поэтому чем больше их в нефти, тем выше ее плотность.

Плотность нефти зависит от соотношения количества легкокипящих и тяжелых фракций. Как правило, в легких нефтях преобладают легкокипящие (бензин, керосин), а в тяжелых—тяжелые компоненты (масла, смолы). Поэтому плотность нефти дает первое приближенное представление о ее составе.

Плотность нефти в пластовых условиях меньше, чем на земной поверхности, так как в пластовых условиях нефти содержат растворенные газы.

Застывание и плавление нефти происходит при различных температурах. Обычно нефти в природе встречаются в жидком состоянии. Однако некоторые нефти загустевают при незначительном охлаждении. Температура застывания нефти зависит от ее состава. Чем больше в ней твердых парафинов, тем выше ее температура застывания. Смолистые вещества оказывают противоположное влияние — с повышением их содержания температура застывания понижается.

Вязкость—свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц при движении. Различают динамическую (абсолютную) вязкость нефти и кинематическую .

Динамическая вязкость выражается величиной сопротивления взаимному перемещению двух слоев жидкости с поверхностью 1 см2, отстоящих друг от друга на 1 см, при относительной скорости перемещения 1 см/с. За единицу динамической вязкости принят пуаз (П) с размерностью дин*с/см2.

Кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости данной жидкости к ее плотности при той же температуре. Единица кинематической вязкости – стокс, равный см2/с (в системе СИ — м2/с).

Из различных углеводородов, составляющих нефть, наименьшей вязкостью обладают парафиновые, а наибольшей—нафтеновые.

Испаряемость. Испарение – процесс перехода жидкости у поверхности на открытом воздухе из жидкого состояния в парообразное. При этом нефть теряет наиболее лёгкие фракции. Если нефть находится в закрытых резервуарах, то при определённых условиях возможно испарение до какой-то предельной величины.

Давление насыщения. В пластовых условиях важным свойством нефти является давление насыщения нефти газом. Это наименьшее давление, при котором нефть полностью насыщается газом, или давление, при незначительном снижении которого из смеси появляются пузырьки газа.

Удельная теплоёмкость. Удельная теплоёмкость нефти – количество тепла, которое необходимо затратить для нагревания 1г нефти на 1°С. Удельная теплоёмкость колеблется в пределах 0,4 – 0,5 кал (г*°С)-1. С повышением плотности нефти она уменьшается.

Растворимость. Нефти и нефтепродукты легко растворяются в органических растворителях: бензине, хлороформе, сероуглероде и др. Растворимость нефти в воде мала. Так, в 1м3 воды может раствориться 270г керосина. Нефть и её продукты являются хорошим растворителем для ряда веществ: йода, серы, каучука, многих смол и растительных и животных жиров. Нефть ничтожно мало растворяет воду в количествах, измеряемых тысячными долями процента.

Электропроводность. Нефть и её производные по отношению к электрическому току являются изоляторами.

studfiles.net

5. Нефть, химический состав, физические свойства, давление насыщения, газосодержание, промысловый газовый фактор.

Нефть—это жидкий горючий минерал, состоит из органических соединений, основную часть которых составляют углеводороды. По внешнему виду нефть — маслянистая, чаще всего темная жидкость, флюоресцирующая на свету.

Химический состав нефтей. По химическому составу нефти из различных залежей отличаются друг от друга. Всего из нефтей выделено и идентифицировано более 500 индивидуальных химических соединений.

Элементарный состав нефтей характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов — углерода, водорода, кислорода, серы и азота при резком количественном преобладании первых двух — свыше 90 %. Максимальное содержание остальных трех элементов может в сумме доходить до 5—8% (главным образом за счет серы), но обычно оно намного меньше. Среди химических соединений в нефтях выделены углеводородные и гетероорганические. Углеводородные соединения подразделяются на парафиновые (метановые или алканы), нафтеновые (полиметиленовые или цикланы), ароматические (арены) и смешанные.

Гетероорганические соединения могут составлять 10—20 % на сырую нефть. В их состав кроме углерода и водорода входят главным образом кислород, сера и азот.

В золе нефтей обнаружены никель, ванадий, натрий, серебро, кальций, алюминий, медь и др. По-видимому, указанные элементы были в составе некоторых органических соединений. Количество золы, образующейся при сжигании нефтей, невелико — обычно сотые доли процента.

Классификация нефтей по химическому составу.

По количественному соотношению содержащихся в нефти различных групп углеводородов все нефти сгруппированы в четыре класса:

метановые, содержащие более 66% метановых углеводородов;
нафтеновые, содержащие более 66% нафтеновых углеводородов;
нафтено-метановые, в которых содержание метановых и нафтеновых углеводородов в сумме составляет более 66%;
все нефти "необычного состава", т. е. ароматические и др.

По содержанию парафина нефти подразделяются на три группы:

беспарафиновые – парафина до 1%;
слабопарафиновые – парафина 1 – 2%;
парафиновые – парафина свыше 2%.

По содержанию серы нефти делятся на две группы:

малосернистые – серы до 0,5%;
высокосернистые – серы более 0,5%.

По содержанию асфальтенов и смол выделяются три группы нефтей:

малосмолистые – смол менее 8%;
смолистые – смол 8 – 28%;
сильносмолистые – смол более 28%.

Физические свойства нефтей. Измерение физических параметров нефтей позволяет определить их товарные качества. Некоторые параметры (плотность, вязкость и др.) используются при расчете и проектировании разработки месторождений, нефтепроводов, транспортирования нефти и т. д. В геологии из физических параметров наибольшее значение имеют плотность, оптическая активность, люминесценция и некоторые другие.

Плотность определяется количеством массы в единице объема. Единицей плотности является кг/м3. На практике пользуются относительной плотностью, которая представляет собой отношение плотности нефти при температуре 20 °С к плотности воды при 4 °С. Плотность (относительная) нефтей колеблется чаще всего в пределах 0,82—0,92. Как исключение встречаются нефти плотностью меньше 0,77 (дистилляты естественного фракционирования нефтей) и тяжелые, густые асфальтоподобные нефти, плотность которых превышает 1,000 (остатки естественного фракционирования). Различия в плотности нефтей связаны с количественными соотношениями углеводородов отдельных классов. Нефти с преобладанием метановых углеводородов легче нефтей, богатых ароматическими углеводородами. Плотность смолистых веществ нефти выше 1,000, поэтому чем больше их в нефти, тем выше ее плотность.

Плотность нефтей в пластовых условиях меньше, чем на земной поверхности, так как в пластовых условиях нефти содержат растворенные газы.

Температура кипения углеводородов зависит от их строения. Чем больше атомов углерода входит в состав молекулы, тем выше температура кипения. У нафтеновых и ароматических углеводородов, у которых атомы углерода соединены в циклы (кольца), температура кипения при равном количестве атомов углерода выше, чем у метановых. Природная нефть содержит компоненты, выкипающие в широком интервале температур—от 30 до 600 °С.

Застывание и плавление нефтей происходит при различных температурах. Обычно нефти в природе встречаются в жидком состоянии. Однако некоторые нефти загустевают при незначительном охлаждении. Температура застывания нефти зависит от ее состава. Чем больше в ней твердых парафинов, тем выше ее температура застывания. Смолистые вещества оказывают противоположное влияние — с повышением их содержания температура застывания понижается.

Вязкость—свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц при движении. Различают динамическую (абсолютную) вязкость нефти, кинематическую и относительную (удельную, условную).

Условная вязкость – отношение времени истечения из вискозиметра определённого объёма жидкости ко времени истечения такого же объёма дистиллированной воды при 20 С.

Температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения, плавления и застывания. Температура, при которой смесь паров нагреваемого нефтепродукта и воздуха вспыхивает при поднесении к ней огня, называется температурой вспышки. При этом нефтепродукт нагревается в строго определённых условиях, а вспыхнувшее пламя мгновенно затухает. Температура вспышки ниже, если легче фракция нефти. Так, температура вспышки бензиновых фракций до минус 40С, керосиновых – 28-60С, масляных – 130-325С. По температуре вспышки судят о чистоте получаемых при перегонке фракций нефти, о возможности образования взрывчатых смесей.

Если после определения вспышки продолжать нагревание нефтепродукта, то при определённой температуре после поднесения пламени огня пары загорятся вновь и не гаснут в течение некоторого времени. Эта температура называется температурой воспламенения.

Если нефтепродукт нагреть до высоких температур, то после соприкосновения с воздухом он может самопроизвольно воспламениться. Эта температура называется температурой самовоспламенения. Сравнительно легко самовоспламеняются высококипящие нефтепродукты (тяжёлые нефтяные остатки – 300-350С).

Под температурой плавления твёрдых нефтепродуктов (парафина, церезина) понимают температуру, при которой нефтепродукт из твёрдого состояния переходит в жидкое (в строго определённых условиях).

Температура, при которой нефтепродукт в определённых условиях испытания теряет подвижность, называется температурой застывания нефтепродукта. Эта температура зависит от содержания в нефтепродуктах твёрдых при обычной температуре углеводородов, т. е. парафинов и церезинов.

Удельная теплоёмкость. Удельная теплоёмкость нефти – количество тепла, которое необходимо затратить для нагревания 1г нефти на 1С. Удельная теплоёмкость колеблется в пределах 0,4 – 0,5 кал (г*С)-1. С повышением плотности нефти она уменьшается.

Теплотворная способность. Теплотворная способность нефти – количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг нефти. Низшая теплота сгорания нефти изменяется от 10300 до 10800 ккал/кг, увеличиваясь с уменьшением плотности.

Электропроводность. Нефть и её производные по отношению к электрическому току являются изоляторами.

Газовый фактор. Количество газа, приходящееся на 1т нефти, называется газовым фактором. В пластовых условиях распределение каждого углеводорода между жидкой и газообразной фазами будет находиться в соответствии с давлением паров при данной температуре. Газ, не перешедший в жидкую фазу в пластовых условиях, может находиться в разных состояниях в зависимости от давления насыщения (свободном, растворённом, адсорбированном и т. д.).

studfiles.net

2. Состав и физические свойства газа, нефти и пластовых вод

2.1. Состав и физико-химические свойства природных газов

Природные газы – это вещества, которые при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии и, в зависимости от условий, могут находиться в трёх состояниях: свободном, сорбированном, растворённом.

Углеводородные газы в пластовых условиях в зависимости от их состава, давления и температуры могут находиться в залежи в различных состояниях – газообразном, жидком или в виде газожидкостных смесей. Свободный газ обычно расположен в повышенной части пласта, в газовой шапке.

Если газовая шапка в нефтяной залежи отсутствует (это возможно при высоком пластовом давлении или особом строении залежи), то весь газ залежи растворён в нефти. Этот газ будет, по мере снижения давления, выделятся из нефти при разработке месторождения и будет называться попутным газом.

В пластовых условиях все нефти содержат растворённый газ. Чем выше давление в пласте, тем больше, как правило, растворённого газа содержится в нефти.

Давление, при котором весь имеющийся в залежи газ растворён в нефти, называется давлением насыщения. Оно определяется составом нефти и газа и температурой в пласте.

От давления насыщения зависит газовый фактор – количество газа (в м3), содержащееся в 1 тонне нефти (в м3).

2.1.1. Состав природных газов

Природные газы, добываемые из газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений, состоят из углеводородов (СН4 – С4Н10, и выше), а также неуглеводородных компонентов (h3S, N2, CO, CO2, Ar, h3, He и др.). Качественный состав газов нефтяного происхождения всегда одинаков, что нельзя сказать о газах вулканических извержений.

При нормальных и стандартных условиях в газообразном состоянии существуют только углеводороды С1–С4. Углеводороды С5 и выше при нормальных условиях находятся в жидком состоянии.

Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, содержат более 95% метана (табл. 2.1).

Химический состав газа газовых месторождений, об. %

Таблица 2.1

Месторождение	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2	СО2	Относит. плотность
Северо-Ставропольское	98,9	0,29	0,16	0,05	–	0,4	0,2	0,56
Уренгойское	98,84	0,1	0,03	0,02	0,01	1,7	0,3	0,56
Шатлыкское	95,58	1,99	0,35	0,1	0,05	0,78	1,15	0,58
Медвежье	98,78	0,1	0,02	–	–	1,0	0,1	0,56

Содержание метана на газоконденсатных месторождениях колеблется от 75 - 95% (табл. 2.2).

Химический состав газа газоконденсатных месторождений, об. %

Таблица 2.2

Месторождение	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2	СО2	Относит. плотность
Вуктыльское	74,80	7,70	3,90	1,80	6,40	4,30	0,10	0,882
Оренбургское	84,00	5,00	1,60	0,70	1,80	3,5	0,5	0,680
Ямбургское	89,67	4,39	1,64	0,74	2,36	0,26	0,94	0,713
Уренгойское	88,28	5,29	2,42	1,00	2,52	0,48	0,01	0,707

Газы, добываемые вместе с нефтью (попутный газ) представляют собой смесь метана, этана, пропан-бутановой фракции (сжиженного газа) и газового бензина. Содержание метана изменяется от 35 - 85%. Содержание тяжёлых углеводородов в попутном газе варьируется в диапазоне 20-40% , реже доходит до 60% (табл. 2.3).

studfiles.net