Физические свойства

В физическом отношении нефть — сложный коллоидный природный УВ-раствор. По внешнему виду нефть — маслянистая жидкость коричневого, темно-коричневого или черного цвета, иногда с зеленоватым отливом, с характерным резким запахом керосина. При 20°С это подвижная жидкость.

Поскольку нефть представляет собой сложный природный УВ-раствор органических соединений, то и все физические свой­ства — цвет, плотность, вязкость, растворимость, температура ки­пения и застывания, оптические и электрические свойства — из­меняются в зависимости от состава и структуры входящих в нее индивидуальных компонентов.

Плотность нефти (объемная масса) — масса единицы объема тела измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м³), ее ве­личина изменяется в пределах 730-1040 кг/м³, на практи­ке чаше используются единицы измерения грамм на кубичес­кий сантиметр (г/см³) и соответственно плотность колеблется в

пределах 0,730-1,040 г/см³; наиболее распространенные величи­ны плотности — 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 и 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. В США плотность нефти измеряется в единицах API (American Petroleum Institute — градус): высокие значения API соответствуют низким значениям плотности (рис. 1.2, табл. 1.1).

Вязкость нефти одна из самых главных физических характе­ристик нефти. 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 1 см² на 1 см со скоростью 1 см/с, измеряется в пуазах (П, или г/см-с); в системе СИ — в Паскалях в секунду (Пас) — это сопротивление, оказываемое

жидкостью при перемещении относительно друг друга двух слоев, площадью 1 м² каждый, находящийся на расстоянии 1 м со ско­ростью 1 м/с под действием приложенной силы 1 Н. Динамичес­кая вязкость воды 1 мПа-с. Величина, обратная ей, называется текучестью. Кинематическая вязкость — отношение динамичес­кой вязкости к плотности жидкости, измеряется в стоксах (Ст = см²/с = 10^-4 м²/с); в системе СИ — в м²/с.

В практике используется также 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: от менее 0,1 до 10 мПа·с. 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; внут­ри единого гомологического ряда вязкость увеличивается с рос­том молекулярной массы. Вязкость нефти растет с увеличением в ней смолисто-асфальтеновых компонентов. С повышением тем­пературы она уменьшается и увеличивается с повышением давле­ния. В пластовых условиях, если в нефти растворен газ, ее вяз­кость может снизиться в десятки раз.

Поверхностное натяжение — — стремление жидкости уменьшить свою поверхность; для нефти — важнейшее свойство, во многом определяющее перемещение ее в системе флюидов в недрах. Поверхностное натяжение обусловлено силами притяже­ния между молекулами, которые внутри жидкости взаимно ком­пенсируются. На поверхности на молекулы действует некомпен-

сированная результирующая сила, направленная от поверхности жидкости внутрь, поэтому на поверхности молекулы обладают определенной потенциальной энергией.

Поверхностное натяжение — это отношение работы, требую­щейся для увеличения площади поверхности, к величине этого приращения. В системе СИ оно 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 жидкости, направленная по нормали к этой ли­нии в сторону уменьшения поверхности жидкости, лежащая в плоскости, касательной к жидкости в данной точке. Для нефти а — 0,03 Н/м (дж/м²) или 25—30 дин/см; для воды а — 0,07 Н/м (дж/м²) или 73 дин/см. Чем больше поверхностное натяжение, тем интенсивнее проявляются капиллярные свойства 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 и др.

Температура застывания — важный показатель свойств неф-тей. 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 она снижается.

Растворимость нефти в воде при обычных температурах нич­тожна, но при температуре больше 200°С резко возрастает. Жид­кие УВ и гетероатомные соединения легче образуют в воде ми-целлярный раствор. Растворимость индивидуальных 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. В подавляющем большинстве нефти вращают плоскость поляри­зованного луча света вправо, известны и левовращающие нефти. Отмечено, чем моложе нефти, тем больше угол поворота поляри­зованного луча. Поскольку образование веществ, обладающих оптической активностью, характерно для жизненных процессов, то оптическая активность нефтей свидетельствует об их генети­ческой связи с биологическими системами. Установлено, что главными носителями оптической активности нефти являются полициклические углеводороды — стераны и тритерпаны, так на­зываемые хемофоссилии.

Показатель преломления нефти или узкой фракции нефти (я) широко используется при характеристике физических свойств флюида. Определение показателя преломления на границе воз-

дух-жидкость производят на специальных приборах — рефракто­метрах. Величина показателя преломления зависит от относи­тельного содержания углерода и водорода в гомологических ря­дах, он растет с увеличением числа атомов углерода: от метано­вых УВ (n =1,3575-1,4119) к ароматическим (у бензола п —

1,5011).

Все соединения нефти имеют определенные спектры погло­щения, излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне, а аромати­ческие — в ультрафиолетовом (УФ). На этом свойстве молекул основаны ИК и УФ спектроскопия нефтей и фракций нефтей.

Люминесценция, или «холодное», свечение под действием внешнего облучения — неотъемлемое свойство всех нефтей и природных продуктов их преобразования. Характерной чертой люминесценции является то, что способностью люминесцировать обладают не чистые вещества, а растворы. Нефть — это природ­ный раствор способных к люминесценции веществ — смол в не-люминесцирующих в основном соединениях — углеводородах. Люминесцирующие вещества имеют свои определенные спектры, отражающиеся в цвете люминесценции, их концентрация выра­жается в интенсивности свечения. На люминесцентных свойствах соединений нефти основан ряд методов исследования: люминес­центные спектроскопия и микроскопия, люминесцентно-битуми-нологический анализ и др. Эти методы благодаря очень высокой чувствительности, экспрессности и простоте аналитических прие­мов широко используются в нефтяной геологии и геохимии.

Нефть является диэлектриком и обладает высоким удельным сопротивлением (10¹⁰-10¹⁴ Ом·м).