ЛЕКЦИИ 2 и 3
НЕФТЬ, ГАЗ И ВОДЫЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА
ЛЕКЦИЯ 2
Нефть и природный горючий газ - формулировки
Нефть и природный газ – полезные ископаемые, обладающие важнейшим свойством – способностью гореть. Таким же свойством обладает и ряд других осадочных горючих полезных ископаемых: торф, бурые и каменные угли, горючие сланцы. Все вместе горючие породы образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов (от греч. «каустос» - горючий, «биос» - жизнь, «литос» - камень, т.е. горючий органический камень). Термин каустбиолиты введен в науку в 1908 г. немецким палеоботаником Генри Потонье. Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда.
Если для углей доказано их органическое преимущественно растительное происхождение, то вопрос о генезисе нефти не находит однозначного решения и является предметом дискуссий. Наряду с гипотезой органического происхождения, предложены гипотезы о её неорганическом происхождении.
Нефть – жидкий каустобиолит, первый представитель ряда нафтидов, способный к перемещениям в недрах и в поверхностных условиях. Генетически нефть – обособившаяся в самостоятельные скопления подвижные жидкие продукты преобразования РОВ (рассеянного органического вещества) в зоне катагенеза. В химическом отношении нефть – сложная смесь УВ в гетероатомных (преимущественно серо-, кислород- и азотсодержащих) органических соединений. В физическом отношении нефть – коллоидно-дисперсная сложноорганизованная система.
Нефть хорошо растворима в органических растворителях. В воде нефть практически нерастворима, но может образовывать с водой стойкие эмульсии. С нефтью генетически ассоциируются все природные углеводородные горючие газы и широкая гамма различных асфальтово-смолистых веществ гетерогенного состава как в жидких нефтях, так и раздельно от неё в виде продуктов преобразования нефти в литосфере.
Газ природный – смесь веществ (раствор), газообразная в нормальных (атмосферных) условиях и выделенная из состава более сложных природных систем любого агрегатного состояния. Все многообразие природных газов определяется прежде всего характером исходных природных систем и условиями их дегазации или сепарации (самопроизвольной – спонтанной или принудительной). По характеру исходной природной системы различают природные газы пород, газогидратов, нефтей, природных вод и подземных газов.
Газ свободный – природный газ, который входит в состав пластового газа и сохраняет свое газообразное состояние в нормальных условиях. Фактически это газ газовых и газоконденсатных залежей, имеющий углеводородный состав.
Свободный газ древних платформ содержит высокие концентрации азота и гелия, молодых платформ – часто повышенные концентрации двуокиси углерода. В краевых, предгорных, передовых и межгорных прогибах с мощным мезо-кайнозойским осадконакоплением свободный горючий газ характеризуется преобладанием УВ и почти полным отсутствием азота и гелия.
Элементарный состав нефтей и горючих газов
Основным элементом, входящим в состав нефтей и природных горючих газов углеводородного состава является углерод (С). Его содержание колеблется в нефтях от 79,5 до 87,5 % и в более широком диапазоне: в газах – от 42 до 78 %. Второй по значению элемент – водород (Н) – содержится в количестве 11 – 14 % в нефтях, в природных углеводородных газах составляет более 14 – 24 %.
Эти компоненты – С и Н – в нефтяных и природных горючих газах связаны между собой в углеводородные соединения, различные по химическому составу и свойствам. В составе нефтей нередко большую роль играет кислород (содержание от 0 до 5 %), азот (от 0 до 3 %), сера (до5 %); соответственно нефти бывают окисленными, азотистыми и сернистыми.
По элементарному составу нефть и углеводородные газы сходны с другими горючими полезными ископаемыми органического происхождения.
Основные различия в их элементарном составе обусловлены соотношением С и Н, а также степенью окисленности этих соединений.
Соотношение С/Н в нефтях колеблется от 6 до 8, а в газах – от 3 до 4,3.
В нефтях соотношение С/Н близко к его значениям в сапропелях и горючих сланцах и занижено по сравнению с его значением для торфов и углей. Отношение водорода к кислороду резко возрастает в нефтях по сравнению с другими горючими полезными ископаемыми. Эти данные свидетельствуют о том, что роль кислорода в нефтях (и горючих углеводородных газах) незначительна, между тем как роль водорода весьма существенна.
Групповой состав нефтей и нефтяных газов
В плане геохимического изучения нефти более важным, по сравнению с элементарным составом, является групповой состав.
Нефть представляет собой смесь веществ различных классов с неизменным преобладанием УВ; при термической разгонке нефтей многие сложные природные соединения разлагаются, и в в нефти они уже являются вторичными продуктами.
В составе нефтей указываются следующие классы соединений, включая вторичные:
1) углеводороды (от СnН2n+2 до СnН2n-20);
2) полициклические ароматические углеводороды (от СnН2n-22 до СnН2n-30);
3) сернистые соединения;
4) карбонатные соединения;
5) азотистые соединения;
6) смолистые соединения;
7) минеральные вещества.
По физическому состоянию различают углеводороды: от СН4 до С4Н10 – газы; С5Н12 – С16Н34 – жидкости; С17Н36 – С35Н72 – твердые (парафины).
Нефти
В составе нефтей присутствуют три основные группы УВ: парафиновые, нафтеновые и ароматические. Встречаются также и некоторые производные этих УВ, а также соединения, представляющие сочетание различных типов УВ. Обычно преобладают УВ парафинового (метанового) или нафтенового ряда. В меньших количествах встречаются УВ ароматического ряда.
Алканы (метановые, парафиновые УВ) углеводороды общей формулы СnН2n+2. Углеродный скелет алканов представляет собой линейные или разветвленные цепи углеродных атомов, соединенных простыми связями. Алканы, имеющие линейную структуру, называются нормальными (н-алканами), а алканы с разветвленной углеродной цепью – изоалканами. Температура кипения и плавления изоалканов ниже, чем н-алканов с тем же числом углеродных атомов. Алканы химически наиболее инертная группа УВ, неспособная к реакциям присоединения. Основные реакции алканов – термическая деструкция, изомеризация, дегидрирование, окисление. Наибольшим содержанием алканов (до 70%) характеризуются легкие нефти из мезозойских и палеозойских отложений, залегающие на глубинах более 2000 м.
Цикланы (нафтеновые УВ) характеризуются формулой СnН2n. Эти соединения имеют замкнутую УВ цепь и, как и парафиновые УВ, являются насыщенными. По плотности, температуре кипения и показателю преломления цикланы занимают промежуточное положение между алканами и аренами с тем же числом углеродных атомов в молекуле. Эти особенности УВ разных классов используются для определения группового и структурно-группового состава фракций нефти и масел битумоидов. По многим химическим свойствам цикланы подобны алканам. Содержание цикланов в нефтях и битумоидах ОВ колеблется от 25 до 75 %. Цикланы связаны с бассейнами молодой альпийской склачатости и залегают в отложениях палеоген-неогенового возраста (Сахалин, Аляска, Венесуэла, Калифорния, Азербайджан и др.).
Арены (ароматические УВ) – класс углеводородов общей формулы Сn Н2n-p (р = 6, 12, 14, 18, 20, 24, 28, 30, 36), содержат хотя бы одно бензольное кольцо (так называемое ароматическое ядро). Арены наряду с алканами и цикланами составляют основную массу УВ ископаемого ОВ. Эти соединения обладают повышенной химической активностью по сравнению с метановыми и нафтеновыми УВ. Они имеют высокую растворяющую способность, значительно лучше растворимы в воде и органических растворителях, чем метановые и нафтеновые УВ, и неограниченно растворяются друг в друге. В нефтях и битумоидах РОВ пород моноциклические арены представлены бензолом (С6Н6) и его гомологами; бициклические арены – нафталином (С10Н8) и бифенилом (С12Н10) и их гомологами; три-, тетра- и другие полициклические арены – фенантреном (С14Н10), антраценом и другими. По физическим и химическим свойствам арены существенно отличаются от алканов и цикланов.
Строго говоря, состав нефти до настоящего времени остается еще слабо изученным, особенно состав ее высокомолекулярных соединений. Ввиду невозможности определения всех индивидуальных компонентов нефти широко применяется так называемый групповой состав, показывающий содержание парафиновых, нафтеновых и ароматических УВ. В зависимости от группового состава выделяются метановые, метаново-нафтеновые, нафтеновые, нафтеново-ароматические и ароматические нефти.
Нефти – парадоксальные образования в составе земной коры: обладают плотностью меньшей чем у воды, причем, с глубиной плотность нефти снижается. В среднем она составляет 0,80 – 0,87 г/см3, варьируя в целом от 0,76 до 0,99 г/см3, в редких случаях достигая 1,04 г/см3. Вязкость нефти составляет от 1,41 до 600 м*Па*с (величина обратная текучести). Плотность и вязкость нефти являются функциями пластовой температуры и количества растворенных в ней газов.
Наблюдается некоторая связь между плотностью и цветом нефти: все светлые нефти обладают меньшим удельным весом, чем все темные. Нефти желтого цвета обладают плотностью 0,777- 0,798 г/см3, янтарного (более желтого) – 0,792-0,820, вишнево-красного (сураханская нефть) – 0,802 – 0,840, плотность коричневых нефтей варьирует в пределах от 0,798 до 0,967 г/см3; плотность белой нефти – 0,763 г/см3. Темная окраска тяжелых нефтей обусловлена содержанием большого количества смолистых, углистых и асфальтообразных веществ. Нефти, в которых преобладают УВ парафинового ряда, легче нефтей с УВ нафтенового ряда, а эти последние – легче нефтей ароматических.