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 углекислые и азотные газы.

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.

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 ^оС (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 ^оС):

- 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, 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.; табл. 2.3). 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, %.

Также используя индексы можно охарактеризовать тип газа формулой (шифром технологической классификации).

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.

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

Рисунок 2.4 – Треугольная диаграмма определения классов природных

газов