Оптическая активность нефти.

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

    Всего предусмотрено 11 вариантов работ. Номер выполняемого варианта должен соответствовать последней цифре номера зачетной книжки. Работа выполняется от руки в стандартной тетради в клетку 12 листов.

Раздел 6 Основы геологии нефти и газа

Подраздел 6.1 Нефть и природный газ

Датой рождения нефтяной промышленности в России является 1864 год с начала бурения первых промышленных скважин. (Первая скважина во всем мире (в России) была пробурена в 1848 году на Апшеронском полуострове). Развитие газовой промышленности началось значительно позже, ближе к 1920 году.

Геология нефти и газа – это прикладная наука, занимающаяся изучением физико-химических свойств нефтей и газов, геологического строения залежей нефти и газа, строения месторождений, характеристик пластов коллекторов, покрышек, вопросов геохимии органического вещества. Изучение данного курса связано с исследованием современных представлений о процессах миграции и аккумуляции углеводородов, изучением основных закономерностей размещения месторождений нефти и газа.

           Слово «нефть» происходит от арабского «нафата», что означает «извергать».

    В 1859 г. американский предприниматель Э.Л. Дрейк пробурил в штате Пенсильванияпервую скважину глубиной 21 м. Скважина имела дебит 4,8 т в сутки. Эта официальная дата рождения нефтяной промышленности.

 Было доказано, что бурение для добычи нефти может быть успешным. Количество первоначально добытой нефти было невелико по сравнению с современными дебитами скважин, но это доказало всему миру, что бурение – самый эффективный способ получения нефти. С того времени геологов интересовал главный вопрос: где бурить скважины?

Было предложено много разнообразных теорий для условий формирования нефтяных залежей с целью составления прогнозов таких условий и обнаружения нефти. Антиклинальная теория привлекла наиболее серьезное и длительное внимание. Отметим, что данная теория зародилась еще до бурения скважин. Антиклинальная теория и сейчас также справедлива, как и в то время, когда её выдвинули впервые.  

   Впервые зависимость между залеганием нефти и антиклинальной складчатостью отмечена, когда в устье реки Св. Лаврентия в восточной Канаде были описаны в 1844 г. выходы, приуроченные к антиклинали. Наибольший вклад в антиклинальную теорию внес геолог Уайт, предложивший бурить скважины на нефть и газ в Западной Виргинии и Пенсильвании на антиклиналях. В 1934 г. МакКойл и Кейт обосновали возможности обнаружения нефти и в неантиклиналях. В 1934 г. МакКойлом был введён термин «ловушка». Под ним следует понимать объём породы вне зависимости от её формы и условий возникновения.

    В России на Кубани Никольским в 1864 г. была пробурена перваяскважина глубиной 70 м. Скважина имела дебит 36 т в сутки.

    В Пермском крае первое нефтяноеместорождение было открыто скважиной № 20 П.И. Преображенским 16 апреля 1929 г. в районе Верхне-Чусовских городков. Скважина имела дебит 40 т в сутки.

           В нашей стране 30-е года 20 века были периодом создания мощной сырьевой базы и развития добычи нефти и газа на Кавказе, Бакинский и Грозненский районы и на Кубани. Были изысканы и выделены средства на геологоразведочные работы в Тимано-Печорском крае и Предуралье.     

В послевоенные годы были созданы новые крупные базы добычи нефти и газа в Западной Сибири, Средней Азии, Предкавказье, Казахстане, Украине и Белоруссии. Начиная с 70-х г.г. основными регионами по добыче нефти и газа в стране является Западная Сибирь и Волго-Урал.

 

Тема происхождение нефти и газа.

 

Существует 2 гипотезы о происхождении нефти и газа. Одна из них органического, а другая неорганического происхождения.

Гипотезу органического происхождения (биогенная) впервые высказал в 1759 году ученый М. В. Ломоносов, по которой нефть и газ образуются из остатков животных и растительных организмов под воздействием высоких температур и давления без доступа кислорода. Остатки животных и растительных организмов под воздействием при высокой температуре и давлении разлагаются десятки и сотни миллионов лет. В результате разложения органических остатков образуются углеводороды как основная часть нефти и газа. Во главе приверженцев биогенной теории стояли также известные ученые: Зелинский, Вернадский, Губкин, а также Гефер, Энглер и др.

Гипотезу неорганического происхождения (абиогенная)нефти и газа выдвинул в 1877 году Д. И. Менделеев, который объяснял, что углеводороды могут образовываться в недрах земли при воздействии перегретого водяного пара на карбиды тяжелых металлов под действием высоких температур и давлений. Во время горных процессов по трещинам-разломам в земную кору поступает вглубь вода, которая на своем пути встречает карбиды железа и вступает с ними в реакцию. В результате реакций образуются окислы железа и в виде паров - углеводороды. Образовавшиеся углеводороды по тем же трещинам поднимаются в верхние слои земной коры и по проницаемым породам (песчаники известняки и др.) перемещаются к местам образования нефтяных залежей. До сих пор нет единого мнения о происхождении нефти и газа. Обе стороны имеют свои за и против. Во многом подтвердилась гипотеза органического происхождения.

К настоящему времени большинство нефтяных месторождений в мире находятся в осадочных породах, содержащих окаменелые остатки животных и растений. В то же время сторонники органического происхождения не могут обосновать огромные скопления останков животных и растений в местах, где органического вещества в осадочных породах сравнительно мало. Кроме того, имеются большие скопления нефти в Марокко, Венесуэле, и др. странах в метаморфических и изверженных породах, в которых органического вещества не может быть.

В 1892 г русский геолог В. Д. Соколов выдвинул «космическую» гипотезу возникновения нефтяных УВ в земной коре. Он утверждал, что УВ изначально присутствовали в газопылевом облаке. Затем из магмы стали выделятся и подниматься в газообразном состоянии по трещинам в верхние слои земного шара, где конденсировались и образовывали нефтяные месторождения.

Сторонники неорганического происхождения нефти и газа показывают, что образование нефти - процесс постоянный, пока в недрах земли есть вода, углекислый газ и восстановители (закись железа).

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ

Нефть представляет собой вязкую жидкость тёмно-коричневого, чаще чёрного цвета, иногда почти бесцветную, жирную на ощупь. Нефть состоит из смеси различных углеводородных соединений. В природе нефти очень разнообразны по консистенции – от жидких до густых, смолообразных.

Основные химические элементы, из которых состоит нефть, углерод и водород. Содержание углерода в нефти (С) – 82-87% и водорода (Н) – 11-14%. Кроме того, в нефти присутствуют гетероэлементы - кислород (О) – 0,2-0,7%, (бывает до 4%), азот(N) – 0,1-0,3%, (бывает до 2%), сера (S) – 0,09- 0,5%, (бывает до 2%), в небольших количествах встречаются фосфор, ванадий, никель, железо, алюминий и др.

В нефтях присутствуют три основные группы углеводородов (УВ):

- метановые или парафиновые;

- нафтеновые;

- ароматические.

МЕТАНОВЫЕ углеводороды

Общая формула C_nH_2n+2.

Метановые углеводороды - это органические соединения цепочечной структуры, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарными ковалентными связями (рис.1).

C H_4, C₂H_{6 ,} C₃H_8, C₄H₁₀  – газообразные УВ;

C₅H_12, C₆H_14, C₇H_16, C₈H_18, C₉H_20, C₁₀H₂₂ ……. C₁₆H₃₄ – жидкие УВ;                                    

C₁₇H₃₆ и выше – это твёрдые вещества.

Рис. 1. Варианты изображения строения молекул пентана:

 а) структурная формула с указанием всех валентных связей, б) структурная формула связи между атомами углерода, в) упрощенная формула.

НАФТЕНОВЫЕ углеводороды

Общая формула C_nH_2n.

Для этих углеводородов характерно циклическое строение. Они состоят из нескольких групп – СН₂-, соединённых в замкнутую систему. Для нефтей характерны нафтены, состоящие из пяти или шести групп – СН₂-. Это циклопентаны (рис.2) и циклогексаны (рис.3).

Рис. 2. Циклопентан.

Рис. 3. Циклогексан.

АРОМАТИЧЕСКИЕ углеводороды

Общая формула C_nH_2n-6.

Эти углеводороды имеют циклическое строение, но при этом углеродные атомы связаны друг с другом двойными и простыми связями.

Простейший представитель – бензол (рис.4).

Рис. 4. Бензол.

Групповой состав нефти определяет её химические и физические свойства. Ряд параметров используется при подсчёте запасов нефти и газа и проектировании систем разработки, транспорти­ровки по нефтепроводам и т.д. Закономерности изменения состава и физических свойств нефтей и газов в разрезе и площади ряда месторождений позволяют решить многие вопросы геологичес­кого развития территории, например, определить направление миграции углеводородов, дальность миграции.

КЛАССИФИКАЦИЯ НЕФТЕЙ

                   Существует несколько классификаций нефтей И.П. Чоловского, Н.А.Еременко, В.И. Ермолкина и других авторов. В данном учебно-методическом пособии рассмотрены классификации по А.А. Бакирову.

 По содержанию смол нефти классифицируются как:

1) малосмолистые (с содержанием до 10%);

2) смолистые (10–20%);

3) высокосмолистые (20–40%).

По содержанию серы нефти делятся на:

1) малосернистые (до 0,5%);

2) сернистые (0,5 – 2%);

3) высокосернистые (более 2%).

По содержанию парафи­нанефти делятся на:

1) беспарафинистые (парафина менее 1%);

2) слабопарафинистые (1–2%);

3) парафинистые (более 2%).

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ

1. Плотность нефти – это отношение массы к объёму.

Единицы измерения в системе СИ – кг/м³, в системе СГС – г /см³. Изменяется плотность в пределах от 0,70 – 1, 04 г/см³. Обычно плотность нефти меньше 1 и колеблется в пределах 0,82 – 0,92 г/см³.

По плотности нефти классифицируются:

1) лёгкие (до 0,81 г/см³);

2) средние (0,81 – 0,87 г/см³);

3) тяжёлые (0,87 – 0,90 г/см³);

4) очень тяжёлые (0,90 – 1,04 г/см³).

На практике пользуются относительной плотностью, которая представляет собой отношение плотности нефти при температуре – 20⁰С к плотности воды при температуре 4⁰С.

В пластовых условиях плотность нефти меньше, чем на земной поверхности т.к. в пластовых условиях нефти содержат растворимые газы (в 1 м³ нефти может растворяться до 650 м³ газа).

    Плотность нефти зависит от содержания в ней асфальто-смолистых веществ.

2. Вязкость нефти –свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению её частиц при движении.

Параметр вязкости имеет большое значение:

а) для установления характера и масштабов миграции;

б) при разработке залежи и добычи нефти.

    Различают вязкость: динамическую, кинематическую и относительную.                                   

Динамическая вязкость – сила сопротивления перемещению слоя жидкости площадью в 1 см² на 1 см со скоростью 1 см/с.

µ=P/F=S/v,

P - сила, F - поверхность соприкосновения двух слоев, S - расстояние между двумя слоями, v-приращение скорости движения первого слоя относительно второго.

Измеряется в системе СИ - Паскаль на секунду (Па.с) – это сопротивление, оказываемое жидкостью при перемещении относительно друг друга двух слоёв, площадью 1 м² каждый, находящийся на расстоянии 1 м со скоростью 1 м/с под действием приложенной силы 1 Н.

Измеряется в системе СГС - Пуазах (П, или г/см .с);

Динамическая вязкость воды 1,05 мПа.с (миллипаскаль-секунд), или 1,05 сП (сантипуаз).

По динамической вязкости расчетным путём определяют значения рациональных дебитов скважин.

Кинематическая вязкость– отношение динамической вязкости к плотности жидкости.

γ= µ/ρ,

     µ - динамическая вязкость, ρ – плотность жидкости.

В системе СИ измеряется – в м²/с, в системе СГС - в стоксах (Ст=см²/с =10^-4 м²/с).

Данные кинематической вязкости используются в технологических расчётах.

Относительная вязкость –вязкость нефти к вязкости воды при одной и той же температуре.

Н= µ_н/ µ_в

Приборы для определения вязкости называются вискозиметрами.

Вязкость нефти меняется в широких пределах в основном от 0,1 до 2000 мПа.с бывает и выше (природные битумы).

Выводы:

1.Чем тяжелее нефть, тем она менее подвижная.

2. Вязкость нефти растет с увеличением в ней асфальто-смолистых веществ.

3. С повышение температуры вязкость уменьшается.

4. С повышением давления вязкость увеличивается.

5. Группа нафтеновых углеводородов характеризуется большей вязкостью, чем группы ароматических и метановых.

                   Рассмотренные свойства (плотность и вязкость) определяются лабораторным путём по поверхностным пробам.

3. Газонасыщенность(газосодержание) нефти – определятся количеством газа,растворённого в нефти в условиях залежи.

Г=V_г/V_пл.ус.

Единицы измерения м³/м³ (от 30-500).

    Газонасыщенность определяется по глубинным пробам, которые отбирают при забойной части ствола скважин, глубинными пробоотборниками.

Оптическая активность нефти.

Нефти способны вращать плоскость поляризации светового луча. В большинстве нефти вращают плоскость поляризованного луча вправо, но известны и левовращающие нефти. Установлено, чем моложе нефти, тем больше угол поворота поляризованного луча.

5. Люминесценция– это свечение под действием внешнего облучения. Это неотъемлемое свойство всех нефтей и природных продуктов их преобразования.

Электропроводность.

Нефти являются диэлектриками, т.е. не проводят электрический ток.

Нефти обладают высоким удельным сопротивлением (10¹⁰ - 10¹⁴ Ом.м).