Типизация нефтей и природных газов

Цель и содержание.Изучить нефтегазопромысловые классификации нефтей и природных газов по составу и свойствам, определить типы нефтей и газов по предложенным типизациям и графическим классификациям. В указаниях приводятся свойства нефтей и природных газов, особенности компонентного состава, ряд классификаций по различным критериям и методика типизации нефтей и природных газов по промысловым параметрам.

Теоретическое обоснование.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»(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). Нефть – единственный не водный жидкий раствор на Земле.

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. Остальная часть жидкого растворителя называется дисперсной средой.

Нефть состоит из основных органогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, серы, азота и, в меньшей степени, фосфора (табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Элементный состав нефтей

Также в нефти можно найти почти все элементы периодической системы Менделеева. В разных нефтях их концентрации различны и не-значительны. Поэтому они называются микроэлементами. Среди микро-элементов преобладают ванадий и никель.

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).

Рисунок 2.1 – Алкановые углеводороды

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.

Рисунок 2.2 – Циклановые углеводороды

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.

Рисунок 2.3 – Ароматические углеводороды

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.

Кроме углеводородных соединений в нефтях присутствует и достаточное количество соединений неуглеводородной природы, то есть содержащих в молекуле атомы азота, серы и кислорода (в основном это смолисто-асфальтеновые 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 углекислыеи азотныегазы.

По составу углеводородов газы подразделяются на сухиеи 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.

Классификация нефтей

К настоящему времени существует множество классификаций нефтей. Цели создания этих классификаций различны и зависят, в основном, от того, в какой области науки или производства используется тот или иной тип классификации. Соответственно различаются физико-химические параметры, на которых эти классификации основаны. Нефтепереработчиков больше всего интересует процентное содержание, химический состав и физические свойства (вязкость, температура застывания, содержание серы и т. д.) фракций при последовательной перегонке нефти (бензина, керосина и т. д.); геологам и геохимикам необходимо проводить идентификацию нефтей с целью сопоставления их с органическим веществом материнских пород, определения эволюции нефтей.

В основу технологической классификации нефтей (ГОСТ 912–66), используемой на нефтеперерабатывающих заводах России, положено выделение классов, типов, групп и видов нефтей по показателям содержания серы, масел и парафинов.

Сочетание обозначений класса, типа, группы, подгруппы и вида составляет шифр технологической классификации (например – IТ₁М₁И₁П₁). Используется такая классификация в основном для сортировки нефти, поступающей на предприятие по ее переработке.

Существует ряд классификаций, применяющихся в пределах определенных различных нефтегазоносных территорий. Зачастую в них используется один (чаще всего плотность) или несколько физико-химических параметров.

Созданы также классификации на основе группового углеводородного состава нефтей.

Однако наиболее полные классификации отражают как физико-химические свойства нефтей, так и их состав. К числу таких классификаций можно отнести классификацию Т. А. Ботнева (1987 г.). По соотношению метановых и нафтеновых углеводородов, содержащихся в бензиновой фракции (т. к. 200^о С) выделяют шесть типов нефтей. В пределах типа нефти по плотности делятся на четыре группы (табл. 2.2):

Таблица 2.2 – Группы нефтей, выделяемые по плотности

Затем идет подразделение нефтей по категориям на основе содержания серы, парафинов, асфальтенов и смол. Используя классификационные индексы, тип нефти можно представить в виде формулы, например нефть метановая средняя малосмолистая малосернистая парафинистая имеет формулу I.2.См₁.Ср₁.Пр₂.

Очень часто в промысловых добывающих предприятиях используется типизация И. С. Старобинца (1986 г.).

1. По групповому углеводородному составу бензиновых и структурно-групповому составу фракций, выкипающих до 500 ⁰С (С_а, С_н и С_п – молярное содержание углерода в ароматических циклах, нафтеновых и метановых УВ по данным кольцевого анализа) нефти делятся на:

- метановые (М), М>60 %, С_п>60 %;

- нафтеновые (Н), Н>60 %, С_н>50-60 %;

- метано-нафтеновые (МН), М+Н>60 % (М>Н>А), С_п+С_н>60 (С_п>С_н>С_а);

- нафтено-метановые (НМ), М+Н>60 % (Н>М>А), С_п+С_н>60 % (С_н>С_а);

- метано-ароматические (МА), М+А>60 % (М>А>Н), С_п+С_а>60 % (С_м>С_а>С_н);

- нафтено-ароматические (НА), Н+А>60 % (Н>А>М), С_н+С_а>60 % (С_н>С_а).

2. По содержанию смолистых веществ (сумма асфальтенов и смол):

- малосмолистые (СМ₁) – менее 5 %;

- смолистые (СМ₂) – 6–15 %;

- высокосмолистые (СМ₃) – более 15 %.

3. По содержанию серы:

- малосернистые (S₁) – менее 0,5 %;

- среднесернистые (S₂) – 0,6–1 %;

- сернистые (S₃) – 1–2 %;

- высокосернистые (S₄) – более 2 %.

4. По содержанию твердых парафинов:

- практически беспарафинистые (П₁) – менее 0,5 %;

- малопарафинистые (П₂) – 1–3 %;

- парафинистые (П₃) – 3–8 %;

- высокопарафинистые (П₄) – более 8 %.

5. По выходу бензиновых фракций (н.к. – 200 ⁰С):

- низкобензиновые (Б₁) – 0–5 %;

- среднебензиновые (Б₂) – 5–15 %;

- бензиновые (Б₃) – 15–30 %;

- высокобензиновые (Б₄) – более 30 %.

Классификация газов

Разными исследователями были рекомендованы те или иные классификации газов (В.А. Соколов, А.А. Карцев, М.И. Суббота, И.С. Старобинец и др.).

Химическая классификация природных газов, охватывающая наиболее часто встречающиеся в природе газы, разработана Н. А. Еременко и С. П. Максимовым (1953 г.). Согласно классификации выделяются десять классов газов:

I – углеводородные газы,

II – углеводородно-углекисло-азотные газы,

III – углеводородно-азотные газы,

IV – углеводородно-углекислые газы,

V – азотные газы,

VI – азотно-углеводородно-углекислые газы,

VII – азотно-углекислые газы,

VIII – углекислые газы,

IX – углекисло-углеводородно-азотные газы,

X – равносмешанные углеводородно-углекисло-азотные газы.

Для отнесения газа к тому или иному классу используют треугольную диаграмму (рис. 2.4).

Для классификации углеводородных газов более всего подходит типизация газов по содержанию отдельных компонентов (И. С. Старобинец, 1986 г.). При этом использован коэффициент жирности углеводородных газов, который определяется по формуле:

,

(2.1)

где а – коэффициент жирности,

с(С_2+высшН) – содержание в газе углеводородных соединений от этана и более высших, %;

с(СН₄) – содержание в газе метана, %.

Таблица 2.3 – Классификация углеводородных газов И. С. Старобинца.

Также используя индексы можно охарактеризовать тип газа формулой.

Аппаратура и материалы.Таблицы данных физико-химических свойств и состава нефтей и природных газов. Диаграммы компонентной классификации нефтей и химической классификации газов. Бумага формата А4, чертежные принадлежности.

Рисунок 2.4 – Треугольная диаграмма определения классов природных

газов