Начиная с XX века одним из важнейших для человеческой цивилизации полезных ископаемых стала нефть. Ряд уникальных свойств делают ее не только главным компонентом современного топливно-энергетического хозяйства, но и ценным химическим сырьем. Ниже мы рассмотрим некоторые особенности нефти, связанные с ее физическими свойствами и составом.
Общая характеристика
Нефть – это маслянистая жидкость, горючая, характеризующаяся низкой зольностью, представляющая собой сложную совокупность разнообразных углеводородов с примесью других соединений. Наряду с бурыми и каменными углями, антрацитом, сланцами, торфом и сапропелем, она относится к каустобиолитам – горючим минералам органического происхождения, однако имеет некоторые черты, отличающие ее от остальных представителей этой группы полезных ископаемых.
Цвет нефти может быть различным: от черного, коричневого и темно-красного до зеленоватого и светло-желтого. Иногда нефть бывает даже бесцветной (так называемая белая нефть).
Отличительной особенностью нефти является специфический запах, который может несколько разниться у тех или иных нефтей, но при этом всегда узнаваем. Консистенция варьирует от подвижной, текучей до густой, похожей на смолу.
Различия в цвете и запахе обусловлены концентрацией ароматических углеводородных и примесных компонентов. Конкретные характеристики нефти важны при разведке, добыче и переработке этого полезного ископаемого, а также определяют многие эксплуатационные качества различных видов нефтепродуктов.
Химические элементы, содержащиеся в нефти
Одним из важнейших факторов, влияющих на физико-химические свойства нефти, является ее химический состав. Он складывается из множества компонентов, однако главные составляющие любой нефти – это углерод (80–88% по массе) водород (11–14%).
Кроме того, в ней в разных концентрациях присутствуют сера, кислород и азот. Содержание их может колебаться от 0,5 до 8% по массе, что оказывает существенное влияние на качество. В малых количествах в элементарный состав нефти входят многие металлы, такие как ванадий, медь, никель, кальций и другие, а также йод, бор, мышьяк и прочие.
Нефть является настолько сложной многокомпонентной химической системой, что полностью определить индивидуальный состав ее практически не представляется возможным. Известно, что различные нефти могут содержать более полусотни химических элементов, и выделение многих из них сопряжено с огромными трудностями вследствие сложности не только химического состава, но и структуры этого жидкого полезного ископаемого.
Сера и свойства нефти
Сера практически всегда присутствует в нефти как в составе сернистых соединений (в тиолах, сероводороде, сульфидах и прочих), так и в свободном виде. Содержание ее может достигать 5%. Присутствие серы имеет большое значение. Во-первых, она оказывает влияние на температуру кипения нефти. Во-вторых, повышает ее окислительные свойства, способствуя коррозии оборудования, резервуаров и трубопроводов.
По содержанию серы нефти делят на следующие группы:
- малосернистые (до 0,5% серы в составе);
- сернистые (0,5–2%);
- высокосернистые (свыше 2%) – наиболее агрессивные.
Групповой химический состав нефти
Нефть представляет собой сложный раствор одних углеводородов в других. Этот раствор образует коллоидную систему со сгустками нерастворимых высокомолекулярных соединений и другими примесями. В качестве основных компонентов нефть содержит углеводороды трех основных групп:
- Парафиновые (алканы) – насыщенные, или предельные, углеводороды, такие как метан, этан и так далее, содержащие максимально возможное количество атомов водорода. Общая формула алканов – CnH2n+2. Эти соединения наиболее устойчивы химически. При 5-16 атомах углерода в молекуле алканы представляют собой жидкости, при большем их количестве – твердые вещества. Содержание алканов в нефти колеблется от 25 до 75% массы.
- Нафтеновые (цикланы) – насыщенные циклические углеводороды с общей формулой CnH2n, например, циклопентан или циклогексан. Характеризуются большими, чем у алканов, температурами плавления и кипения. Благодаря нафтенам различные топлива и смазочные масла приобретают высокие эксплуатационные качества. В состав нефти может входить от 25 до 80% нафтеновых углеводородов.
- Ароматические (арены) – ненасыщенные циклические углеводороды. К ним относятся бензол, нафталин, антрацен и прочие. Аренам свойственна более высокая плотность, а также способность к замещению водорода другими атомами. В составе бензинов и машинных масел арены также являются ценным компонентом, но ухудшают качество керосинов и дизельного топлива. Доля ароматических углеводородов составляет от 15 до 50%.
В зависимости от преобладания той или иной группы углеводородов нефти делят на метановые (парафиновые), нафтеновые, ароматические и промежуточные виды.
Кроме того, физико-химические свойства нефти зависят от различных смол, асфальтенов и других гетероатомных веществ, а также от присутствия и концентрации металлоорганических соединений, газов, воды, минеральных солей и прочих примесей.
Парафинистость нефти
Углеводороды алканового ряда с молекулярной массой от 240 и выше, молекулы которых содержат 17 и более атомов углерода, в нормальных условиях представляют собой твердые вещества – парафины и церезины. В пластовой нефти они пребывают в растворенном состоянии, но при вскрытии пласта и подъеме на поверхность с понижением температуры и давления парафины в нефти способны кристаллизоваться и выпадать в осадок. Этот твердый осадок парафинирует поры в пласте-коллекторе, детали и стенки элементов нефтедобывающего оборудования, что существенно осложняет и удорожает добычу.
По содержанию парафинов выделяют такие группы нефтей, как:
- малопарафинистые (до 1,5%);
- парафинистые (1,5–6,0%);
- высокопарафинистые (свыше 6%).
Содержание парафинов влияет также на диапазон температур кипения нефти и ее застывания.
Содержание газов и воды
В пластовых условиях нефть входит в состав флюида – смеси, содержащей также воду и газ и заполняющей пористую породу – коллектор. Для обеспечения товарных качеств нефти ее подвергают обезвоживанию. Что касается попутного газа, то его углеводородные компоненты являются ценным продуктом и используются в разных отраслях промышленности.
Содержание газа характеризуется такой величиной, как газовый фактор. Он показывает, какое количество газа, выделившегося при извлечении нефти, было растворено в ней в пластовых условиях. Для большинства нефтей газовый фактор составляет от 30 до 100 м3 на тонну нефти.
Газ подразделяют на сухой, состоящий из легких углеводородов (метан, этан), и жирный, содержащий большой процент высших углеводородов. Растворимость жирного газа выше, чем сухого. Он может служить сырьем для получения сжиженных газов, конденсатов, газового бензина.
Фракционный состав нефти
Методами перегонки нефть разделяется не на индивидуальные соединения, а на группы веществ, каждая из которых кипит в определенном температурном интервале. Такие части называют фракциями (дистиллятами). Различные фракции нефти имеют следующие температурные пределы выкипания:
- 40–120 °C – бензиновая фракция;
- 120–180 °C – лигроиновая фракция (тяжелая нефть);
- 180–245 °C – керосиновая фракция;
- 245–350 °C – дизельная (газойлевая, соляровая) фракция.
Эти фракции называют светлыми; при этом продукты, отгоняемые при температурах до 200 °C – это легкие фракции, в интервале от 200 до 300 °C – средние и выше 300 °C – тяжелые (масляные) фракции. Чем более высокомолекулярные углеводородные компоненты содержит фракция, тем она тяжелее и требует более высоких температур для отгонки.
После отгона светлых дистиллятов остается темная мазутная фракция, подвергаемая дальнейшей – вторичной – разгонке с целью получения различных машинных масел или топлив. Высококипящий (более 500 °C) остаток фракционирования, содержащий тяжелые сернистые вещества, смолы и асфальтены, называется гудроном.
Фракционный состав нефти зависит от соотношения количества углеводородов с различной молекулярной массой, на которое, в свою очередь, в значительной степени влияют условия образования, миграции и накопления нефти в пластах.
Плотность и вязкость
Плотность (удельный вес) – это одно из основных свойств нефти, влияющих на ее товарные характеристики. Чем больше содержится в черном золоте ценных легких фракций, тем меньше ее плотность. Плотность нефти в кг/м3 может варьировать от 730 до 1040. По этому показателю различают несколько классов нефти:
- суперлегкая с плотностью ниже 0,78 г/см3 или 780 кг/м3;
- сверхлегкая (0,78–0,82 г/см3 или 780–820 кг/м3);
- легкая (0,82–0,87 г/см3 или 820–870 кг/м3);
- средняя (0,87–0,92 г/см3 или 870–920 кг/м3);
- тяжелая (0,92–1,00 г/см3 или 920–1000 кг/м3);
- сверхтяжелая - плотность в этом случае превышает 1000 кг/м3, такая нефть тяжелее воды.
На практике обычно пользуются понятием относительной плотности. Эта величина отражает отношение абсолютной плотности нефти в кг/м3 к плотности воды.
Для легких нефтей характерно преимущественное содержание алканов, для тяжелых – повышенная концентрация циклических углеводородов, высокомолекулярных смол и асфальтенов.
С плотностью связана еще одна важная для эффективности разработки характеристика нефти – вязкость. Легкие нефти в целом имеют меньшую вязкость, то есть более подвижны. Следует учитывать, что на вязкостные качества сильно влияют также температурный и газовый факторы. Газонасыщенная нефть в составе пласта обладает меньшей вязкостью.
Термические показатели нефти и нефтепродуктов
К важным физико-химическим свойствам нефти относятся такие показатели, как температуры застывания и кипения, вспышки и воспламенения.
Существует широкий диапазон от 30–40 до 550 °C и даже выше, в пределах которого закипают различные фракции. Величина диапазона температуры кипения нефти может различаться и зависит также от химического состава. Так, нафтеновые и ароматические углеводороды, как и тяжелые сернистые соединения, кипят при более высокой температуре.
Кристаллизация составляющих нефть веществ – не менее сложный поэтапный процесс. Температура замерзания нефти находится в пределах от –80 °C до +30 °C. Застывшей считается нефть, не меняющая положения в сосуде при наклоне 45°. Нафтены характеризуются более низкой температурой застывания, нежели жидкие алканы. Присутствие парафинов, напротив, повышает температуру застывания.
От состава нефти, точнее от пределов перегонки нефтепродукта, зависят и такие показатели, как температура вспышки и воспламенения. Легкие – бензиновые – фракции нефти вспыхивают уже при –35 °C, керосиновые – при 30–60 °C, дизельные – при 30–90 °C. Температура воспламенения нефти и нефтепродуктов всегда несколько выше, чем температура вспышки, причем эта разница существенно возрастает у более тяжелых фракций.
Тепловые свойства
Удельная теплоемкость нефти (то есть количество энергии, необходимое, чтобы нагреть 1 килограмм вещества на 1 градус Кельвина) колеблется в пределах от 1,7 до 2,2 кДж/кг∙К при 20 °C. Чем выше плотность нефти, тем ниже ее теплоемкость. Для сравнения, удельная теплоемкость воды при той же температуре составляет около 4,18 кДж/кг∙К.
Теплопроводность нефти зависит от многих факторов, таких как состав, температура, давление, фазовое состояние. Алканы обладают наименьшей теплопроводностью, а ароматические углеводороды – наибольшей (при одинаковом количестве атомов углерода).
Одним из основных свойств нефти, придающих ей исключительную ценность как сырью для производства топлива, является удельная теплота сгорания. Эта величина характеризует отношение тепловой энергии, выделившейся при горении, к массе полностью сгоревшего топлива.
По удельной теплоте сгорания нефть и нефтепродукты (а также природный горючий газ) превосходят все остальные виды топлива. Так, для сырой нефти этот параметр составляет 40–45 МДж/кг (для лучших каменных углей – 31 МДж/кг). Теплота сгорания зависит от плотности и в некоторой степени от особенностей химического состава, но колеблется в довольно узких пределах, то есть это важное свойство присуще всем разновидностям "жидкого черного золота". Легкие бензиновые фракции обладают еще большей теплотворной способностью.
Нефть известная и загадочная
Человечество уже достаточно давно и чрезвычайно активно и широко использует нефть, но, к сожалению, не всегда делает это наиболее эффективными, экономичными и экологически безопасными методами. Отчасти так происходит потому, что мы далеко не все знаем о нефти.
Например, неизвестен полный химический состав различных ее видов. Хотя в настоящее время наиболее обоснованной считается концепция биогенного происхождения нефти, доказавшая свою предсказательную силу, отсутствует согласие по поводу факторов нефтеобразования. Нет полного представления о процессах возникновения пластовых залежей, об их литологических и структурных особенностях.
Между тем все эти вопросы имеют отношение к формированию физико-химических свойств нефти, которые играют огромную роль в разведке, добыче, переработке и использовании в разных отраслях столь ценного невозобновляемого природного ресурса.
