По внешнему виду нефть – это маслянистая жидкость коричневого, темно-коричневого или черного цвета, иногда с зеленоватым отливом, с характерным резким запахом керосина. Как любое вещество, нефть обладает рядом физических характеристик: цвет, плотность, вязкость, поверхностное натяжение, температура застывания, растворимость, оптическая активность, показатель преломления, люминесценция, диэлектрические свойства.
Поскольку нефть сложный природный раствор органических соединений, то и все физические свойства изменяются в зависимости от состава и структуры, входящих в нефть компонентов. Разработано множество классификаций нефти по физико-химическим свойствам. Как наиболее полную рассмотрим составленную А.Э.Конторовичем[8], 1987 год.
Плотность нефти изменяется в пределах 0,730-1,04 г/см3, наиболее распространенные величины - 0,82-0,90 г/см3. По плотности выделяются несколько классов нефтей:
очень легкие (до 0,80 г/см3),
легкие (0,80-0,84 г/см3),
средние (0,84-0,88 г/см3),
тяжелые (0,88-0,92 г/см3)
очень тяжелые (более 0,92 г/см3)
Низкая плотность нефтей обусловлена преобладанием метановых УВ, низким содержанием смолисто-асфальтеновых компонентов, во фракционном отношении - высоким содержанием бензиновых и керосиновых фракций. Тяжелые нефти своим высоким удельным весом обязаны повышенной концентрации смолисто-асфальтеновых компонентов, преобладанию в структуре УВ циклических структур и низкому содержанию легко кипящих фракций. В недрах в условиях повышенных температур и давлений в нефти обычно растворено какое-то количество газа, поэтому плотность нефти в пласте значительно ниже, чем на поверхности.
Вязкость нефти - одна из самых главных физических характеристик. Вязкость - это свойство оказывать сопротивление перемещению частиц под влиянием приложенной силы. В применении к жидкостям различают вязкость динамическую и кинематическую. Динамическая вязкость - сила сопротивления перемещению слоя жидкости площадью в 1см2 на 1см со скоростью 1см/с, измеряется в пуазах (г/см·с). В Международной системе единиц СИ - единица измерения Паскаль в секунду - это сопротивление, оказываемое жидкостью при перемещении относительно друг друга двух ее слоев площадью каждый 1м2 на расстояние 1м со скоростью 1м/с под действием приложенной силы 1Н. Динамическая вязкость воды 1мПа·с. Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью. Кинематическая вязкость - отношение динамической вязкости к плотности жидкости; (Ст = см2/с =10-4 м2/с, измеряется в стоксах; в единицах СИ - м2/с).
В практике также используется условная вязкость, определяемая скоростью вытекания испытуемой жидкости в стандартных условиях. Приборы для определения вязкости называются вискозиметрами.
Вязкость нефти меняется в широких пределах в зависимости от свойств. Чем тяжелее нефть, тем она менее текучая и подвижная. Среди УВ с одинаковым числом атомов углерода в молекуле наибольшей вязкостью характеризуются нафтеновые, затем ароматические и метановые. Вязкость нефти растет с увеличением в ней смолисто-асфальтеновых компонентов. Вязкость нефти уменьшается с повышением температуры и увеличивается с повышением давления. В пластовых условиях, если в нефти растворен газ, то вязкость ее может снизиться в десятки раз.
Поверхностное натяжение нефти - важнейшее свойство, во многом определяющее перемещение ее в системе флюидов в недрах. Поверхностное натяжение -σ- стремление жидкости уменьшить свою поверхность. Оно обусловлено силами притяжения между молекулами.
Поверхностное натяжение - это отношение работы, требующейся для увеличения площади поверхности, к величине этого приращения (в системе единиц СИ измеряется в Дж/м2). Поверхностное натяжение также измеряется в Н/м (Ньютон на метр), или дин/см - это сила, действующая на 1 см линии, ограничивающей поверхность, направленная по нормали к этой линии в сторону уменьшения поверхности жидкости, лежащая в плоскости, касательной к жидкости в данной точке: для нефти σ - 0,03 Н/м, Дж/м2, или 25-30 дин/см; для воды σ - 0,07 Н/м, Дж/м2, или 73 дин/см. Чем больше поверхностное натяжение, тем больше проявляется капиллярный подъем жидкости. Величина поверхностного натяжения у воды почти в три раза больше, чем у нефти, что определяет разные скорости их движения по капиллярам. Это свойство влияет на особенности разработки залежей.
Температура застывания – важный показатель свойств нефтей. За таковую принимают температуру, при которой охлажденная в пробирке нефть не изменит уровня при наклоне на 45°. Температура застывания нефти возрастает с увеличением в ней твердых парафинов, а с повышением содержания смол температура застывания снижается.
Растворимость нефти в воде при обычных температурах ничтожна, но она резко возрастает при температуре больше 200°С. Жидкие УВ и гетероатомные соединения легче образуют в воде мицеллярный раствор. Растворимость УВ повышается в ряду: алканы – цикланы – арены - смолы, растворимость УВ в воде снижается с ростом ее минерализации. Нефть хорошо растворяется в углеводородном природном газе.
Оптические свойства нефти. Нефть оптически активна, она обладает способностью вращать плоскость поляризованного луча света, люминесцировать, преломлять проходящие световые лучи. Чем моложе нефти, тем больше угол поворота поляризованного луча. Оптическая активность нефтей является свидетельством их генетической связи с биологическими системами. Установлено, что главными носителями оптической активности нефти являются хемофоссилии – биологические метки позволяющие судить о степени родства нефти с генерировавшим их веществом пород.
Люминесценция, или «холодное» свечение под действием внешнего облучения - неотъемлемое свойство всех нефтей и природных продуктов их преобразования. Концентрация и состав люминесцирующего вещества, отражающиеся в цвете люминесценции и в интенсивности свечения. Например, легкая нефть под ультрафиолетовым спектром светится голубым, а битумы – коричневым (таблица 2.1.). На люминесцентных свойствах соединений нефти основан ряд методов исследования: люминесцентная спектроскопия, люминесцентная микроскопия, битуминология и др. Эти методы благодаря очень высокой чувствительности, быстроте и простоте широко используются при поисках и разведке.
Люминесцентные свойства битумоидов
Таблица 2.1.
| Группа | Цвет люминесценции капиллярных вытяжек | Состав битумоида | Тип битумоида |
| Беловато-голубые тона разной интенсивности | Углеводородные флюиды, не содержащие смол и асфальтенов | Легкий битумоид (ЛБ) | |
| Белый, голубовато-желтый, беловато-желтый | Нефть и битумоиды с низким содержанием смол, с незначительным содержанием или отсутствием асфальтенов | Маслянистый битумоид (МБ) | |
| Желтый, оранжево-желтый до светло-коричневого | Нефти и битумоиды с содержанием масел более 60%, асфальтенов 1-2% | Маслянисто-смолистый битумоид (МСБ) | |
| Оранжево-коричневый, светло-коричневый, коричневый | Битумоид и нефти с повышенным содержанием асфальтенов 13-20% | Смолистый битумоид (СБ) | |
| Темно-коричневый, зеленовато-коричневый, красно-коричневый, черно-коричневый, черный | Битумоид с содержанием асфальтенов более20% | Смолисто-асфальтеновый битумоид (САБ) |
Нефть является диэлектриком и обладает высоким удельным сопротивлением (1010-1014Ом·м) что позволяет использовать методы электроразведки при поисках нефти.
Теплота сгорания нефтей очень важная характеристика.
Для сравнения:
каменный уголь - 33,6 кДж/кг;
нефть - 43,3 - 45,5 кДж/кг;
природный газ - 37,7 - 56,6 кДж/кг.
По содержанию светлых фракций (q) нефти классифицируют на:
q ≤ 25% - нефти с низким содержанием светлых фракций
25% < q < 50% нефти со средним содержанием светлых фракций
50% < q < 75% нефти с высоким содержанием светлых фракций
75% < q <100% нефти с весьма высоким содержанием светлых фракций
По содержание серы (S):
0 ≤ S ≤ 0,5% малосернистые нефти
0,5 < S ≤ 1% нефти средней сернистости
1 < S ≤ 3% сернистые нефти
S > 3% высокосернистые нефти
По содержание твердых углеводородов (парафинов - П)
0 ≤ П ≤ 5% малопарафинистые нефти
5 < П ≤ 10% парафинистые нефти
П > 10% высокопарафинистые нефти
По содержание асфальтово-смолистых веществ (AS)
0 ≤ AS ≤ 10% малосмолистые нефти
10 <AS ≤ 20% смолистые нефти
20 < AS ≤ 33% высокосмолистые нефти