Свойства и состав нефтей и природных газов

Существует несколько определений понятия "нефть". Это связано с существованием двух различных точек зрения на принцип построения определения:

1. за основу принимается характеристика свойств и состава нефти – "Нефти являются смесями сложных органических соединений, в которых преобладают углеводороды (УВ)" (В.И. Вернадский, 1934 г.);

2. за основу берется генетический признак, как он мыслится на уровне современной науки – "Нефть – это выделившиеся в отдельную фазу наиболее стойкие жидкие гидрофобные продукты фоссилизации органического вещества, захороненного в субаквальных отложениях" (Н.Б. Вассоевич, 1967 г.).

Наиболее общим подходом к проблеме, будет рассмотрение нефти как физико-химической системы – природного углеводородного раствора, очень сложного, многокомпонентного и разнообразного по составу, свойствам и соотношению этих компонентов (А.Н. Гусева, 1978).

Каждый раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В качестве растворителя в нефти можно рассматривать жидкие углеводороды (в поверхностных условиях), а растворенным веществом будут являться газы, твердые углеводороды и неуглеводородные соединения.

Нефть с одной стороны является истинным раствором, с другой – коллоидным. Коллоидные частицы в нефти сформированы из асфальтенов с сорбированными на их поверхности смолами и более низкомолекулярными соединениями (дисперсная фаза). Остальная часть жидкого растворителя называется дисперсионной средой (рис. 1).

Рис. 1 Схема коллоидной частицы.

1 – асфальтены (ядро); 2 – смолистые вещества (сольватная оболочка);

3 – переходная зона; 4 – жидкие УВ нефти (дисперсионная среда).

Нефть состоит из основных органогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, серы, азота, и, в меньшей степени, фосфора (табл. 1).

Таблица 1 Элементный состав нефтей.

Элементы	Нефть, вес %
Углерод	82-86
Водород	12-14
Кислород	0,n-2
Сера	0,0n-6 (максимум 10)
Азот	0,05-1,5 (максимум 2)
Фосфор	0,n

Также в нефти можно найти почти все элементы периодической системы Менделеева. В разных нефтях их концентрации различны и незначительны. Поэтому они называются микроэлементами. Среди микроэлементов преобладают ванадий и никель.

В составе нефти выделяют также группы компонентов, близких по составу и свойствам: асфальтены, асфальтеновые кислоты, смолы, масла, твердые парафины.

Выделяемые группы компонентов являются аналитическими, то есть полученными в результате разрушения образца нефти растворителями и анализа образовавшихся частей природного углеводородного раствора. В разных нефтях выделенные аналитические группы имеют неодинаковый состав.

В качестве растворителей используют петролейный эфир ("легкий" с температурой кипения 40-70⁰С и "тяжелый" с температурой кипения 70-100⁰С), бензол, спирт, спиртобензол. Вначале путем добавления к нефти "легкого" петролейного эфира получают две группы компонентов: мальтены, растворившиеся в смеси петролейного эфира и нефти и асфальтены, оставшиеся нерастворенными.

В свою очередь, выпавшие в осадок асфальтены осаждаются на бумажном фильтре и разделяются на асфальтеновые кислоты(смываются с фильтра спиртом) и собственно асфальтены(остающиеся на фильтре).

Мальтены состоят из масел и смол, которые выделяются путем адсорбции на силикагеле. Десорбируют масла "тяжелым" петролейным эфиром, а смолы – бензолом (получая при этом нейтральные смолы) и спиртобензолом (кислые смолы). Масла состоят только из углеводородов, из них выделяется группа высокомолекулярных n-алканов (С₁₆ и выше), называемая твердыми парафинами.

Смолы и асфальтены часто объединяются под общим названием асфальтено-смолистые вещества.

Углеводородную часть состава нефти образуют три основные класса углеводородных соединений.

1. Алкановые (парафиновые, метановые) – соединения с открытой цепью и простыми связями между атомами углерода. Являются насыщенными (предельными) углеводородами. Гомологический ряд имеет формулу С_nH_2n+2.

Алканы с неразветвленной цепью называются нормальными (n-алканы, n-парафины). Алканы, имеющие в строении разветвленную открытую цепь, называются изоалканами (i-алканы, i-парафины) (рис. 2).

Рис. 2 Структура алканов.

2. Циклановые (циклоалкановые, циклопарафиновые, нафтены) – соединения, имеющие в своей основе замкнутую цепь (кольцо) из метиленовых (СН₂) групп. Поэтому называются также полиметиленовыми углеводородами. Могут содержать один (моноциклические нафтены) или два и более (полициклические нафтены) кольца. Гомологический ряд моноциклических нафтенов - С_nH_2n, бициклических - С_nH_2n-2, трициклических - С_nH_2n-4. Являются, наряду с алканами, предельными углеводородами. В нефтях содержатся нафтены с пятью и с шестью атомами углерода в кольце (циклопентаны и циклогексаны). В некоторых нефтях обнаружены нафтены с семичленными циклами, но их количество крайне незначительно. Кольца с числом атомов углерода меньше 5 и больше 7 в нефти не обнаружены (рис. 3).

Рис. 3 Структура цикланов (нафтенов).

3. Арены (ароматические) – содержат в своей структуре бензольное кольцо. Делятся на моноарены (бензол и его гомологи - С_nH_2n-6), и полиарены (бициклические - С_nH_2n-12(14); трициклические - С_nH_2n-14(16)). Являются ненасыщенными (непредельными) углеводородами (рис. 4).

Рис. 4 Структура Аренов.

Кроме трех основных классов углеводородов, в нефтях обнаружены также алкены (олефины) – соединения, в которых два или большее число атомов углерода имеют двойные связи (С_nH_2n-2). В нефтях встречаются в виде следов, так как обладают слабой устойчивостью и распадаются с образованием алканов. Так же, как и арены, являются ненасыщенными углеводородами.

Помимо углеводородных соединений в нефтях присутствует и достаточное количество соединений неуглеводородной природы(гетероатомные соединения), то есть содержащих в молекуле атомы азота, серы и кислорода, называемых гетероэлементами. Из гетероатомных соединений, в основном, состоят асфальтено-смолистые компоненты нефтей.

Природные газы – это все газообразные вещества, известные в природе. Наибольшее значение среди них имеют горючие (углеводородные) газы, поэтому в практике часто под природными газами понимают именно горючие газы, хотя это не совсем верно. Кроме углеводородных к основным химическим типам природных газов относятся углекислые и азотные газы.

Горючие газы представляют собой природную смесь углеводородных и неуглеводородных соединений и элементов, находящихся в пластовых условиях в газообразной фазе либо в растворенном в нефти или воде состоянии, а в стандартных условиях – только в газообразной фазе. В пластовых условиях углеводородный газ может образовывать отдельные скопления - газовые залежи или газовые шапки нефтегазовых месторождений. В таком случае газ называется свободным. Если газ растворен в массе жидкого флюида, тогда он носит название растворенного. Обнаружены также газогидраты – твердые вещества, похожие на снег или лед, и состоящие из молекул углеводородных газов, внедренных в кристаллическую решетку воды.

К основным компонентам пластового газа относят метан и его гомологи (этан, пропан, бутаны). Также часто газ содержит сероводород, гелий, углекислый газ, азот и инертные газы, иногда ртуть. По составу углеводородов газы подразделяются на сухие и жирные. Сухие углеводородные газы состоят преимущественно из метана, содержание этана и пропана – в пределах нескольких процентов. Более тяжелые углеводороды встречаются в десятых и сотых долях процента или отсутствуют. Жирные углеводородные газы содержат углеводороды от метана до декана, а также следы УВ от С₁₁ до С₁₆.