Д. Б. Искандеров Геология нефти и газа
жүктеу/скачать 1.24 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Углеводороды
- I – поверхность газонефтяного раздела;
В нефти и ее золе установлен также фосфор, что является важным подкреплением органического происхождения нефти. Основные химические соединения нефтяных газов В газах нефтяных месторождений основными компонентами являются углеводороды – органические соединения, состоящие только из углерода и водорода: СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10, С5Н12 , С6Н14 . Помимо углеводородов нормального строения в газах содержатся также изомеры углеводородов С4 –С6. Например, СН3 - СН2 - СН2 - СН2 - СН3 - n – пентан.  - i – пентан Содержание тяжелых углеводородов, т.е. тех, которые тяжелее этана (пропан, бутан и др.) в иных газах достигает 20-40, редко 60-80%. Среди гомологов метана обычно преобладает этан, затем – пропан. Газы по соотношению различных углеводородов подразделяются на сухие и жирные. Сухие в основном состоят из метана и мало содержат более тяжелых компонентов, а жирные – наряду с метаном содержат значительное количество этана, пропана, бутана, а также немного паров пентана, гексана, гептана и др.
Как уже отмечалось, неуглеводородные компоненты газов представлены азотом, углекислотой, сероводородом и благородными газами. Основные химические соединения нефтей Основными соединениями нефтей являются углеводороды. Они различаются химическими свойствами, в которых отражаются их состав и строение. Среди углеводородов выделяются насыщенные, иначе говоря, не способные к реакциям присоединения, и ненасыщенные, обладающие большим запасом свободной энергии, и присоединяющие к своим молекулам другие атомы и молекулы. По составу и строению молекул различают 3 группы углеводородов. 1.Парафиновые (метановые) или алканы. Общая формула метановых углеводородов СnH2n+2 . Они являются ненасыщенными соединениями и могут иметь как нормальное строение (неразветвленную цепь) С i – пентан. Н3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3 или изостроение (разветвленную цепь)  Алканы до бутана включительно при комнатной температуре – вещества газообразные, от С5Н12 до С15Н32 - жидкости, а от С16Н34 и выше – твердые (но изомеры могут быть и жидкими). В нефтях больше нормальных алканов, чем изомеров. Последние менее устойчивы и, по-видимому, разрушаясь, могут выходить из общего баланса метановых углеводородов. 2. Нафтеновые (полиметиленовые) или цикланы с общей формулой СnH2n являются непредельными (ненасыщенными) углеводородами. Однако, благодаря замыканию цепи в кольцо, они имеют насыщенный характер.  В В нафтеновой молекуле может быть 1-2 и более колец. Под действием каталитических процессов системы из шестичленных циклов легко переходят в пятичленные. 3 Элементарная сера S, встречающаяся в незначительных количествах, и сероводород H2S называются неорганической серой. Из органических сернистых соединений в нефтях обнаружены меркаптаны, сульфиды, дисульфиды и тиофаны. Меркаптаны (тиолы) образуются присоединением к углеводородным радикалам группы SH: CH3SH – метилмеркаптан; CH3СН2SH – этилмеркаптан (в США обитает скунс – хищник величиной с кролика, который испускает зловонный яд, главным компонентом которого является этилмеркаптан). Более высокомолекулярные тиолы редки. Являясь слабыми кислотами, они реагируют, как и H2S и S, с металлами, поэтому серу, сероводород и меркаптаны называют активной серой. Сульфиды (тиоэфиры) имеют строение R – S – R, где R - радикал метанового, нафтенового или ароматического ряда. Сульфиды нейтральны и имеют слабо эфирный запах. Дисульфиды имеют строение R – S – S –R. Наиболее низкомолекулярный из них –диметилсульфид CH3 -S -S –СH3 – жидкость с неприятным запахом, кипящая при 118°С. Т  иофаны – циклические сульфиды, в кольце которых одна группа СН2 замещена атомом серы. Зловонные жидкости, не растворимые в воде. Сульфиды, дисульфиды и тиофаны представляют основную часть сернистых соединения и называются неактивной серой. При сгорании в двигателях сера этих соединений окисляется, образуя SO2 и SO3. Кислородные соединения в нефтях содержатся от нуля до нескольких процентов и их тем больше, чем более окислены нефти, особенно близко залегающие к поверхности. Среди них различают нафтеновые кислоты, фенолы и асфальтово-смолистые вещества. Нафтеновые кислоты – карбоксильные производные нафтенов, преимущественно пятичленных. Это жидкие маслянистые вещества с характерным запахом. Общая формула CnH2n-1COOH.  Фенолы в нефтях содержатся в очень незначительных количествах. Они состоят из ароматического цикла, к которому присоединена одна или несколько гидроксильных групп ОН. Кристаллические или жидкие вещества с характерным запахом и слабокислотными свойствами.  Смолисто-асфальтеновые вещества наряду с ароматическими радикалами с алкильными (парафиновыми) цепями содержат также O2, S, N. По содержанию смол нефти условно подразделяются на 3 типа: 1) малосмолистые (до 5% смол), 2) смолистые (5-15%) и высокосмолистые (≥ 15% смол). Смолистые вещества на воздухе могут переходить в асфальтены, отличающиеся большим молекулярным весом (≥ 2000) и плотностью (1,14). Консистенция твердая, хрупкая. В отличие от смол в них меньше водорода и больше ароматических колец. Азотистые соединения являются постоянной составной частью нефтей. Концентрация их достигает нескольких процентов, а самого азота – 0,1-0,3% , редко – 1%. Азотистые соединения, подобно металлам, реагируют с кислотами, замещая в них атом водорода и образуя органические соли. К ним относятся т.н. пиридиновые основания. Первый член этого ряда – пиридин напоминает по строению бензол, в котором одна группа СН замещена азотом.  Более легкие малосмолистые нефти всегда содержат меньше азота, который, по-видимому, связан с исходным органическим веществом нефти. Физико-химические свойства нефтей и газов Свойства любого вещества определяются в основном его составом. То же относится к нефтям и газам. Рассмотрим наиболее важные их свойства. Плотность нефти выражается в г/см3 или т/м3 и зависит от содержания в ней смолисто-асфальтеновых компонентов и растворенного газа. Для различных нефтей она колеблется в пределах 0,77 - 1 г/см3, но иногда ее пределы расширяются до 0,73 -1,05 г/см3. Вязкость связана с возникновением внутреннего трения между слоями газа или жидкости вследствие переноса молекулами количества движения из одного слоя в другой. Чем больше в нефти циклов (ароматических или нафтеновых), тем больше ее вязкость. Примесь воды резко увеличивает кинематическую вязкость нефти, а чем больше в ней содержание легких фракций и растворенного газа, тем вязкость меньше. При нормальном давлении повышение температуры ведет к уменьшению вязкости нефти. Для газов картина обратная. Температура кипения углеводородов тем выше, чем больше атомов углерода в составе молекулы. У цикланов и аренов при равном количестве атомов углерода она выше, чем у алканов. Различия температуры кипения углеводородов используются при тепловой разгонке нефтей. При этом разделяются следующие фракции: Выкипающие до 60°С - петролейный эфир; до 200°С - бензиновые; до 300°С – керосиновые; до 400°С – газойлевые; до 500°С – смазочные масла; выше 500°С – асфальтовые. По характеру содержащихся в нефтях легких фракций среди них выделяются 3 типа.
Лучшими по качеству являются нефти Волго-Уральской провинции, Грозного, Дагестана, Западной Украины, относящиеся к первому типу. Теплота сгорания – количество теплоты в килокалориях, выделяемое 1кг нефти при полном сгорании, т.е. до образования СО2 и Н2О. Она обратна плотности нефти. Плотность Теплота сгорания 0,7932 10915 0,8974 10610 0,9218 10430.
р
Рис. 51 Обратная (ретроградная) растворимость. В недрах Земли при повышении давления часть газа превращается в жидкость, а при дальнейшем увеличении давления образовавшаяся жидкость вновь может перейти в газовую фазу. Эти явления перехода газовой смеси при изменении давления называется ретроградными. Залежи, в которых газ находится в парообразном состоянии, называются конденсатными. Содержание конденсата в газе достигает 3-5% по объему, а по весу 25%. Сорбция газов – это поглощение твердым телом свободного газа, жидкости или растворенных в жидкости веществ. Различают следующие ее виды: а) капиллярную конденсацию – сгущение паров жидкости в тончайших порах (капиллярах) твердого тела; б) молекулярную адсорбцию – сгущение молекул газа или жидкости на поверхности твердого тела. Сорбция газов используется для их разделения. При этом используются различные адсорбенты: уголь, силикагель и др. Мы рассмотрели основные моменты темы этой лекции. Из изложенного явствует, в силу каких особенностей состава и свойств нефть и газ являются ценнейшим сырьем для химической промышленности и производства энергии. Лекция № 3 В предыдущей лекции были рассмотрены основные особенности состава и наиболее важные физико-химические свойства нефтей и газов. Однако необходимо установить их положение среди генетически, «кровно» связанных с ними веществ, называемых битумами. Знание «родственных связей» нефти и газа важно для определения условий их образования, преобразования и нахождения в земной коре. Тема. Каустобиолиты битумного ряда и их краткая характеристика Богатые органическим веществом горючие горные породы и минералы, образовавшиеся при изменении остатков животных и растительных организмов под действием геолого-геохимических факторов, называются каустобиолитами (каустос – горючий, био – жизнь, литос – камень). Они разделяются на 2 группы: 1) угольного ряда (торф, ископаемые угли, горючие сланцы, янтарь), 2) нефтяного (битумного) ряда (нефть, мальта, асфальт, асфальтит, керит, антраксолит). Основные особенности минеральных групп битумов Группа асфальтов Мальты (гр. «мягкий воск») – вязкие битумы, промежуточные между нефтями и асфальтами, парагенетически встречаются с ними и связаны с ними постепенными переходами. Содержание масляных фракций 40-65%. Наиболее типичная мальта – тринаскол, добываемая из Тринидадского асфальтового озера. Асфальты – высоковязкие полутвердые и твердые легкоплавкие битумы. Содержание масляных фракций 25-40%. Растворяются в бензине, сероуглероде и эфире. Асфальтиты – твердые высокоплавкие битумы, растворимые в хлороформе, бензоле и аналогичных растворителях. Содержание масел ≤25%. Кериты – твердые хрупкие углеподобные битумы, не растворяющиеся в хлороформе и не плавящиеся без разложения. Внешне похожи на каменные угли, поэтому в быту называются жильными или нефтяными углями. Выветрелые окисленные асфальтовые битумы, не растворимые в органических растворителях и щелочах, называются оксикеритами, а растворимые и окрашивающие водный раствор щелочи продукты глубокого выветривания – гуминокеритами. Когда изменяются нефти с парафиновым основанием, они превращаются в озокериты (озо – издаю запах, керос – воск) – группа битумов, масляная часть которых сложена в основном твердыми углеводородами преимущественно парафинового ряда (церезинами). В зависимости от содержания жидких масел и смолистых веществ цвет озокерита варьирует от светло-желтого до почти черного, а консистенция – от мягкой, пластичной до твердой, хрупкой. Горит коптящим пламенем, tвсп=2200С, хорошо растворяется в органических растворителях. Элементарный состав близок к составу парафина. Встречается в виде жильных или пластовых залежей. Применяется в медицине, в производстве пушечной смазки самого высокого качества и др. Ярким примером месторождения является Бориславское на Украине, где добыча ведется шахтным способом (В этой шахте найдены останки мамонта и носорога, законсервированные в озокерите. Экспозиция реконструкций их скелетов выставлена в Львовском природоведческом музее. Их в 1909 или 1910 г. обнаружили рабочие-шахтеры и уже начали делить шкуры на подошвы для обуви, но, к счастью, подоспел инженер и отобрал у них «добротную добычу»). Парагенетически с озокеритами иногда связаны альгариты – своеобразная группа природных образований углеводно-белкового состава. Сюда относится, в частности, мумиё (горное масло, каменное масло), которое с древнейших времен используется в народной медицине стран Азии. Антраксолиты – групповое название антрацитоподобных битумов высшей степени метаморфизма, встречающиеся в связи с магматическими породами. К высшим антраксолитам относятся шунгиты (по названию пос. Шунга на Онеге). Этот черный карельский камень легок в обработке и хорош как облицовочный материал, используется в химическом, лакокрасочном производстве и в металлургии. Но главное: в печах для обжига шунгитовая щебенка превращается в пористые коричневые гранулы с увеличением объема в 3-5 раз. Как наполнитель для бетона он незаменим. Этот новый материал шунгизит дает огромный экономический эффект при транспортировке по сравнению с обычно применяемой в строительном производстве щебенкой. Дисперсные битумы в горных породах содержатся в виде рассеянных мельчайших частичек органического вещества. Они обнаружены от докембрийских отложений до современных осадков. По Н.Б. Вассоевичу, общая масса рассеянных битумов в осадочных породах составляет n×1013 тонн. Это соответствует примерно 1% общего содержания органического вещества в земной коре. Битумами при исследованиях считается та часть органического вещества, которая растворима в органических растворителях. В природе имеются примеры, когда содержание дисперсных битумов в породах достигает нескольких весовых процентов; примеры: 1) доманиковая свита Волго-Уральской нефтегазоносной провинции, 2) горючие сланцы – кукерситы южного побережья Финского залива в Эстонии). Практический интерес представляют, однако, не дисперсные, а концентрированные скопления битумов. В частности, в течение ряда лет ведутся исследования условий залегания и промышленных способов получения углеводородов из битуминозных отложений пермского возраста Татарстана. Проводилась опытно-промышленная добыча углеводородов на отдельных месторождениях битумов и разработка с применением внутрипластового движущегося очага горения (Мордовская Кармалка). Эти работы время от времени прерываются и вновь возобновляются. Нерегулярность исследовательских работ, по-видимому, связана с тем, что пока еще в республике довольно высок уровень добычи нефти. Тема. Особенности нахождения нефти и газа в горных породах К 90-м годам ХIХ столетия твердо установилось представление о том, что нефть и газ залегают в недрах, насыщая поры горных пород. Еще Д.И.Менделеев утверждал, что нефть пропитывает горные породы подобно тому, как вода пропитывает губку. Действительно, между отдельными частицами горных пород существуют пустоты. Горные породы, которые способны вмещать и отдавать жидкости и газы, содержащиеся в их пустотах, называются коллекторами. Важнейшими коллекторскими свойствами являются пористость и проницаемость. Пористость – суммарный объем пустот в породе, включая поры, каверны, трещины и др. Отношение объема пустот к объему образца породы называется коэффициентом пористости: m=Vпор/Vобр. То же отношение, выраженное в процентах, называется пористостью. Проницаемость породы – ее способность пропускать через себя жидкости и газы. Единицей измерения в системе СГС является дарси – проницаемость образца породы с поперечным сечением 1 см2 и длиной 1см, через который при перепаде давления в 1 ат расход жидкости вязкостью в 1 сантипуаз составляет 1см3/ сек. В системе СИ 1 дарси соответствует 10-12 м2. Проницаемые породы являются коллекторами, непроницаемые называются покрышками. Коллектор, заключенный в непроницаемых породах, образует природный резервуар. Часть природного резервуара, в которой может установиться равновесие нефти, газа и воды, называется ловушкой. В таких участках с застойными условиями скопления нефти и газа могут сохраняться, пока не раскроется ловушка в результате геологических процессов или не вскроется буровой скважиной. Резервуары и ловушки могут быть разного происхождения и конфигурации. Единичное скопление нефти и газа, находящееся в ловушке, называется залежью. Если скопление достаточно велико и выгодно для разработки, оно называется промышленной залежью. Основным параметром залежи являются ее запасы, которые подразделяются на геологические и извлекаемые. Геологические запасы представляют количество полезных ископаемых, находящихся в залежи. Извлекаемые запасы – количество нефти и газа, которые могут быть извлечены из залежи современными методами добычи.
Линия пересечения поверхности водонефтяного раздела с кровлей пласта называется внешним (или просто) контуром нефтеносности. Линия пересечения поверхности водонефтяного раздела с подошвой пласта называется внутренним контуром нефтеносности. Скопление свободного газа над нефтью в залежи называется газовой шапкой. Однако если давление в пласте выше давления насыщения, то весь газ растворится в нефти, и газовая шапка не образуется. У чисто газовых залежей могут быть выделены все те же элементы, которые выделяются в нефтяных залежах: поверхность газоводяного раздела, внутренний и внешний контуры газоносности. В природе поверхности разделов между различными фазами (нефтью, газом и водой) чаще всего имеют вид не горизонтальных плоскостей, а приобретают причудливый волнистый характер. Нередко границы раздела исчезают, и появляются переходные от нефти к воде зоны различной (иногда до нескольких метров) мощности. Наконец, вследствие движения подстилающей воды может образоваться наклон поверхности раздела. В залежи можно выделить газовую часть, в пределах которой распространен только свободный газ. В газонефтяной части залежи под газом располагается нефть, а в чисто газовой залежи газ подстилается водой и выделяется соответственно газоводяная часть залежи.
Вода, находящаяся под нефтью или газом, называется подошвенной, а находящаяся за внешним контуром нефтеносности (газоносности), называется законтурной (Рис. 52). О Поверхности раздела: I – поверхность газонефтяного раздела;II – поверхность водонефтяного раздела; 1 – высота газовой шапки; 2 – высота нефтяной залежи; 3 – высота газонефтяной залежи; 4 – длина залежи; 5 – ширина залежи. а - внвнутренний контур газоносности; б - внешний контур газоносности; в - внвнутренний контур нефтеносности; г - внвнешний контур нефтеносности.
жүктеу/скачать 1.24 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
М3/м3 0,74
0,82
0,90
0,98
