Читать книгу Организация эксплуатации и ремонта установок электроцентробежных насосов в нефтедобывающей отрасли. Том 1. Эксплуатация - С. Ш. Шарипов - Страница 7

Вот уже 200 лет прошло с момента промышленного применения нефти и углеводородов, но до сих пор окончательно не изучен состав нефти, история раскрытия этой тайны тесно связана с историей развития химии, в частности органической химии. Родоначальник современной химии А. Л. Лавуазье (1743–1794 гг.) выяснил, что нефть состоит из углерода и водорода и имеет более сложное строение, чем неорганические соединения. В 1817 г. французский химик X. Соссюра установил, что итальянская нефть содержит углеводороды, ав 1833 г. химики пришли к выводу о том, что атомарное отношение углерода и водорода в нефтях подчиняется формуле С_пН_2п+2.

Не изучив свойств, не раскрыв всех тайн, не понимая все парадоксы свойств нефти и углеводородов в различных условиях, невозможно определить происхождение нефти; соответственно, не зная происхождения нефти, нельзя увеличить ее извлечение из пластов.

В нефти содержится примерно 500 углеводородных соединений, основная часть (80–90%) – смесь углеводородов. Значительно меньшая составляющая нефти – гетероатомные соединения (массовая доля 4–5%). В нефти примерно 250 сернистых, 85 кислородных и 30 азотистых гетероатомных веществ, примеси серы, меди, цинка, ванадия и др., также неметаллы и вода.

Примерный элементный состав нефти: С – 85,1, Н – 13,0, S – 0,36, N – 0,6, О – 0,8, зола – 0,05%. Таким образом, как отмечено ранее, нефть на 95% состоит из углерода и водорода. Для сравнения отметим, что среднее содержание углерода в бактериях не превышает 20, а в водорослях – 8,5%, причем углеводород в живом организме присутствует в виде сложных гетероциклических соединений. Важно иметь в виду, что углеводороды в чистом виде как газы или как жидкости не встречаются ни в одном живом организме и не синтезируются непосредственно ни одним из них.

В мощной толще горных пород, пропитанных водой, появляется вещество, по всем своим физическим свойствам противоположное воде, гидрофобное, плотность которого всегда меньше плотности воды и в отличие от воды не повышается с глубиной, а, как правило, понижается. Если вода стремится занять в породах, в первую очередь, самые мелкие поры и трещины, то нефть, наоборот, – самые крупные. Нефть представляет собой жидкость, чаще всего коричневую, с зеленоватым или другими оттенками, иногда почти черную и редко бесцветную. Плотность изменяется в широких пределах – от 0,76 до 0,99 г/см³, чаще всего составляет 0,80-0,87 г/см³. Очень редко встречается нефть плотностью от 1,0–1,04 г/см³ (месторождение Окснард в Калифорнии). В соответствии с плотностью меняется вязкость нефти от 1,41 до 660 мПа · с. Плотность и вязкость нефти зависят от многих факторов, в том числе от температуры и количества растворенных в нефти газов. Поверхностное натяжение нефти (19–33 мН/м) почти в 3 раза меньше, чем у воды (73 мН/м), вследствие чего вода всегда вытесняет нефть из мелких пор в крупные. Температура кипения нефти колеблется в широких пределах – от 78 до 250°C. Одним из примечательных свойств нефти является ее способность растворять огромное количество углеводородных газов – до 400 (1000) м³ в 1 м³ нефти и самой растворяться в них до 400 г нефти в 1 м³ газа. При этом чем больше в нефти растворенного газа, тем меньше ее плотность и вязкость. Энергетическая теплотворная способность нефти составляет 42000 кДж/кг; для сравнения: торфа – 10500-14700; каменного угля – 21000-30240; антрацита – 27300-31500.

Нефть обладает рядом интересных оптических свойств: светится под ультрафиолетовыми лучами – люминесцирует, может вращать плоскость поляризации светового луча. Молекулярный вес нефти колеблется в пределах 240290, иногда превышая эту величину. Главным элементом является углерод, составляющий от 83–87% нефти, содержание водорода – колеблется в пределах 12–14%. Кислород, азот и сера содержатся в пределах 5–8%. В нефти в весьма небольших количествах встречаются фосфор, ванадий, никель, железо, алюминий, кальций, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор и т. д.

Теперь о газах. Горючие углеводородные газы бесцветные, почти 2 раза легче воздуха. Они, как правило, не имеют запаха. При наличии примеси сероводорода приобретают неприятный запах и становятся очень токсичными. Теплотворная способность газов составляет 27300-37800 кДж/м³, а попутных нефтяных газов (ПНГ) – 42000-71400 кДж/м³. Довольно часто в состав природных горючих газов в разных количествах входит сероводород. Например, в газах Оренбургского месторождения его содержание – 4,5%, а в газах Астраханского месторождения – 26%. В природе встречаются газы, содержащие более 50% сероводорода. Сероводород токсичен и агрессивен по отношению к металлам, вследствие чего все оборудование должно быть изготовлено из специальных сталей.

Нефть и углеводороды находятся не только в сообщающихся пустотных пространствах горных пород (в случае образования залежей), но и в закрытых породах, а также в сорбированных минеральной частью угольных или сланцевых породах или растворены в подземных водах.

Интересно распределение температуры в недрах. На суше сезонные колебания температуры отражаются до глубин 15–25 м, где они обычно равны среднегодовой температуре воздуха. Исключение составляют вулканические области и зоны поступления глубинных вод. Ниже глубины 20–25 м температура начинает возрастать в среднем на 1°C через каждые 30 м, но в отдельных районах (в Ставрополье, частично в Западной Сибири, Средней Азии и др.) температура увеличивается быстрее – на 1°C через 15–25 м, а в других районах (на Кольском полуострове, в районе Курской магнитной аномалии и др.) температура повышается на 1°C лишь через 60-100 м. Давление воды, нефти и газа в недрах возрастает с глубиной примерно на 1 кг/см² через каждые 10 м глубины.

Согласно физическим законам, благодаря действию сил молекулярного притяжения в капиллярных каналах с поперечным сечением менее 0,001 мм вода не перемещается под влиянием силы тяжести и требуется приложение значительных градиентов давления, чтобы сдвинуть такую пленочную жидкость. Поры всех осадочных пород на дне водных бассейнов и на суше, как только порода оказывается ниже уровня грунтовых вод, заполняются водой. Таким образом, когда в породу поступают нефть или газ, то для заполнения ее пор им надо вытеснить воду. Из пор крупнее 0,001 мм вода может уйти, а из более мелких пор при давлениях, обычно существующих на глубинах до 10 км, она не может быть вытеснена. По этой причине вода, нефть и газ в недрах могут двигаться по пластам песков, песчаников, пористых известняков, доломитов, различных трещиноватых пород, но для них непроницаемы пласты влажных глин, каменной соли, плотных известняков, ангидритов и других непористых и нетрещиноватых пород.

Следует иметь в виду, что нефть и газ из пластов никогда не удается извлечь полностью. Например, нефть задерживается в уголках пор, тупиковых каналах, просто на поверхности зерен породы, в более мелких порах и т. д. Количество извлеченной нефти по отношению к общему ее количеству в нефтесодержащих породах месторождения может колебаться в пределах от 5 до 95% и зависит от множества как природных, так и технических факторов: вязкости нефти, типа породы, в которой она находится, температуры и давления, содержания растворенных газов, частоты расположения эксплуатационных скважин, темпа отбора (т. е. от количества ежегодно добываемой нефти по отношению к тому количеству нефти, которое первоначально содержалось в залеже нефти), темпа заводнения и т. д. В настоящее время в мире в среднем значение КИН составляет примерно 35%. В связи с энергетическими кризисами в последнем десятилетии встал вопрос об общей оценке запасов нефти и газа, содержащихся в земной коре и предельных глубинах их распространения. Очевидно, что такой прогноз можно сделать лишь на основании определенных теоретических представлений о происхождении нефти и газа.