Починаючи з XX століття одним з найважливіших для людської цивілізації корисних копалин стала нафта. Ряд унікальних властивостей роблять її не тільки головним компонентом сучасного паливно-енергетичного господарства, але і цінною хімічною сировиною. Нижче ми розглянемо деякі особливості нафти, пов’язані з її фізичними властивостями і складом.
Загальна характеристика
Нафта – це масляниста рідина, горюча, що характеризується низькою зольністю, що представляє собою складну сукупність різноманітних вуглеводнів з домішкою інших сполук. Поряд з бурими і кам’яним вугіллям, антрацитом, сланцями, торфом і сапропелем, вона відноситься до каустобиолитам – горючих мінералів органічного походження, проте має деякі риси, що відрізняють її від інших представників цієї групи корисних копалин.
Колір нафти може бути різним: від чорного, коричневого і темно-червоного до зеленого і світло-жовтого. Іноді нафту буває навіть безбарвною (так звана біла нафта).
Відмінною особливістю нафти є специфічний запах, який може дещо відрізнятися у тих чи інших нафт, але при цьому завжди пізнаваний. Консистенція варіює від рухомого, текучої до густої, схожою на смолу.
Відмінності в кольорі і запах зумовлені концентрацією ароматичних вуглеводневих і домішкових компонентів. Конкретні характеристики нафти важливі при розвідці, видобутку і переробці цієї корисної копалини, а також визначають багато експлуатаційні якості різних видів нафтопродуктів.
Хімічні елементи, що містяться в нафті
Одним з найважливіших факторів, що впливають на фізико-хімічні властивості нафти, є її хімічний склад. Він складається з безлічі компонентів, однак головні складові будь нафти – це вуглець (80-88% по масі) водень (11-14%).
Крім того, в ній у різних концентраціях присутні сірка, кисень і азот. Зміст їх може коливатися від 0,5 до 8% по масі, що робить істотний вплив на якість. У малих кількостях в елементарний склад нафти входять багато метали, такі як ванадій, мідь, нікель, кальцій та інші, а також йод, бор, миш’як і інші.
Нафта є настільки складної багатокомпонентної хімічної системи, що повністю визначити індивідуальний склад її практично не представляється можливим. Відомо, що різні нафти можуть містити більше півсотні хімічних елементів, і виділення багатьох з них пов’язане з величезними труднощами внаслідок складності не тільки хімічного складу, але і структури цього рідкого корисних копалин.
Сірка і властивості нафти
Сірка практично завжди присутня в нафти як в складі сірчистих сполук (в тиолах, сірководні, сульфидах та інших), так і у вільному вигляді. Зміст її може досягати 5%. Присутність сірки має велике значення. По-перше, вона впливає на температуру кипіння нафти. По-друге, підвищує її окислювальні властивості, сприяючи корозії обладнання, резервуарів і трубопроводів.
За змістом сірки нафти ділять на наступні групи:
- малосірчистим (до 0,5% сірки у складі);
- сірчисті (0,5–2%);
- високосірчисті (понад 2%) – найбільш агресивні.
Груповий хімічний склад нафти
Нафта являє собою складний розчин одних вуглеводнів в інших. Цей розчин утворює колоїдну систему зі згустками нерозчинних високомолекулярних сполук та іншими домішками. В якості основних компонентів нафта містить вуглеводні трьох основних груп:
- Парафінові (алкани) – насичені, або граничні, вуглеводні, такі як метан, етан і так далі, містять максимально можливу кількість атомів водню. Загальна формула алканів – c n h 2n+2. Ці сполуки найбільш хімічно стійкі. При 5-16 атомах вуглецю в молекулі алкани являють собою рідини, при більшій їх кількості – тверді речовини. Зміст алканів у нафті коливається від 25 до 75% маси.
- Нафтенові (цикланы) – насичені циклічні вуглеводні із загальною формулою c n h 2n, наприклад, циклопентан або циклогексан. Характеризуються більшими, ніж у алканів, температурами плавлення і кипіння. Завдяки нафтенам різні палива та мастильні масла набувають високі експлуатаційні якості. До складу нафти може входити від 25 до 80% нафтенових вуглеводнів.
- Ароматичні (арени) – ненасичені циклічні вуглеводні. До них відносяться бензол, нафталін, антрацен та інші. Арен властива більш висока щільність, а також здатність до заміщення водню іншими атомами. У складі бензинів і машинних масел арени також є цінним компонентом, але погіршують якість гасу і дизельного палива. Частка ароматичних вуглеводнів становить від 15 до 50%.
Залежно від переважання тієї чи іншої групи вуглеводнів нафти ділять на метанові (парафінові), нафтенові, ароматичні і проміжні види.
Крім того, фізико-хімічні властивості нафти залежать від різних смол, асфальтенів і інших гетероатомных речовин, а також від присутності і концентрації металоорганічних сполук, газів, води, мінеральних солей і інших домішок.
Парафинистость нафти
Вуглеводні алканового ряду з молекулярною масою від 240 і вище, молекули яких містять 17 і більше атомів вуглецю, в нормальних умовах являють собою тверді речовини – парафіни і церезини. У пластової нафти вони перебувають у розчиненому стані, але при розкритті пласта і підйомі на поверхню з пониженням температури і тиску парафіни нафти здатні кристалізуватися і випадати в осад. Цей твердий осад парафинирует пори в пласті-колекторі, деталі та елементів стінки нафтовидобувного обладнання, що істотно ускладнює і здорожує видобуток.
За вмістом парафінів виділяють такі групи нафт, як:
- малопарафинистые (до 1,5%);
- парафинистые (1,5–6,0%);
- высокопарафинистые (понад 6%).
Вміст парафінів впливає також на діапазон температур кипіння нафти і її застигання.
Вміст газів і води
В пластових умовах нафту входить до складу флюїду – суміші, що містить також воду і газ і заповнює пористу породу – колектор. Для забезпечення товарних якостей нафти її піддають зневодненню. Що стосується попутного газу, то його вуглеводневі компоненти є цінним продуктом і використовуються в різних галузях промисловості.
Зміст газу характеризується такою величиною, як газовий фактор. Він показує, яку кількість газу, що виділився при добуванні нафти, було розчинено в ній в пластових умовах. Для більшості нафт газовий фактор становить від 30 до 100 м3 на тонну нафти.
Газ підрозділяють на сухий, складається з легких вуглеводнів (метан, етан), і жирний, містить великий відсоток вищих вуглеводнів. Розчинність жирного газу вища, ніж сухого. Він може служити сировиною для одержання зріджених газів, конденсатів, газового бензину.
Фракційний склад нафти
Методами перегонки нафту поділяється не на індивідуальні сполуки, а на групи речовин, кожна з яких кипить в певному температурному інтервалі. Такі частини називають фракціями (дистилятами). Різні фракції нафти мають такі температурні межі википання:
- 40-120 °C – бензинова фракція;
- 120-180 °C – лигроиновая фракція (важка нафта);
- 180-245 °C – гасова фракція;
- 245-350 °C – дизельна (газойлева, соляровая) фракція.
Ці фракції називають світлими; при цьому продукти, отгоняемые при температурах до 200 °C – це легкі фракції, в інтервалі від 200 до 300 °C – середні і вище 300 °C – важкі (масляні) фракції. Чим більш високомолекулярні вуглеводневі компоненти містить фракція, тим вона важча і вимагає більш високих температур для відгонки.
Після відгону світлих дистилятів залишається темна мазутна фракція, що піддається подальшій – вторинною – розгоні з метою одержання різних машинних олій або палив. Высококипящий (понад 500 °C) залишок фракціонування, що містить важкі сірчисті речовини, смоли та асфальтени, називається гудроном.
Фракційний склад нафти залежить від співвідношення кількості вуглеводнів з різною молекулярною масою, на яке, в свою чергу, в значній мірі впливають умови утворення, міграції та накопичення нафти в пластах.
Щільність і в’язкість
Щільність (питома вага) – це одне з основних властивостей нафти, що впливають на її товарні характеристики. Чим більше міститься в чорному золоті цінних легких фракцій, тим менше її щільність. Щільність нафти в кг/м3 може варіювати від 730 до 1040. За цим показником розрізняють кілька класів нафти:
- суперлегка з щільністю нижче 0,78 г/см3 або 780 кг/м3;
- надлегка (0,78–0,82 г/см3 або 780-820 кг/м3);
- легка (0,82–0,87 г/см3 або 820-870 кг/м3);
- середня (0,87–0,92 г/см3 або 870-920 кг/м3);
- важка (0,92–1,00 г/см3 або 920-1000 кг/м3);
- надважка – щільність у цьому випадку перевищує 1000 кг/м3, така нафту важче води.
На практиці звичайно користуються поняттям відносної щільності. Ця величина відображає відношення абсолютної густини нафти в кг/м3 до щільності води.
Для легких нафт характерно переважне зміст алканів, для важких – підвищена концентрація циклічних вуглеводнів, високомолекулярних смол і асфальтенів.
З щільністю пов’язана ще одна важлива для ефективності розробки характеристика нафти – в’язкість. Легкі нафти в цілому мають меншу в’язкість, тобто більш рухливі. Слід враховувати, що на в’язкісні якості сильно впливають також температурний та газовий фактори. Газонасыщенная нафту в складі пласта має меншу в’язкість.
Термічні показники нафти і нафтопродуктів
До важливих фізико-хімічними властивостями нафти відносяться такі показники, як температури застигання і кипіння, спалаху і займання.
Існує широкий діапазон від 30-40 до 550 °C і навіть вище, в межах якого закипають різні фракції. Величина діапазону температури кипіння нафти може відрізнятися і залежить також від хімічного складу. Так, нафтенові і ароматичні вуглеводні, як і важкі сірчисті сполуки, що киплять при більш високій температурі.
Кристалізація складових нафту речовин – не менш складний поетапний процес. Температура замерзання нафти знаходиться в межах від -80 °C до +30 °C. Застиглої вважається нафту, не змінює становища в посудині при нахилі 45°. Нафтени характеризуються більш низькою температурою застигання, ніж рідкі алкани. Присутність парафінів, навпаки, підвищує температуру застигання.
Від складу нафти, точніше від меж перегонки нафтопродукту, залежать і такі показники, як температура спалаху і займання. Легкі – бензинові фракції нафти спалахують вже при -35 °с, гасові – при 30-60 °C, дизельні – при 30-90 °C. Температура займання нафти і нафтопродуктів завжди дещо вища, ніж температура спалаху, причому ця різниця істотно зростає у більш важких фракцій.
Теплові властивості
Питома теплоємність нафти (тобто кількість енергії, необхідне, щоб нагріти 1 кілограм речовини на 1 градус Кельвіна) коливається в межах від 1,7 до 2,2 кДж/кг∙К при 20 °C. Чим вище густина нафти, тим нижче її теплоємність. Для порівняння, питома теплоємність води при тій же температурі становить близько 4,18 кДж/кг∙К.
Теплопровідність нафти залежить від багатьох факторів, таких як склад, температура, тиск, фазовий стан. Алкани володіють найменшою теплопровідністю, а ароматичні вуглеводні – найбільшою (при однаковій кількості атомів вуглецю).
Одним з основних властивостей нафти, які надають їй виняткову цінність як сировини для виробництва палива, є питома теплота згоряння. Ця величина характеризує відношення теплової енергії, що виділилася при горінні, до маси повністю згорілого палива.
За питомою теплотою згоряння нафту і нафтопродукти (а також природний горючий газ) перевершують всі інші види палива. Так, для сирої нафти цей параметр становить 40-45 МДж/кг (для кращих кам’яного вугілля – 31 МДж/кг). Теплота згоряння залежить від щільності і деякою мірою від особливостей хімічного складу, але коливається в досить вузьких межах, тобто це важлива властивість притаманна усім різновидам “рідкого чорного золота”. Легкі бензинові фракції володіють ще більшою теплотворною здатністю.
Нафта відома і загадкова
Людство вже досить давно і надзвичайно активно і широко використовує нафту, але, на жаль, не завжди робить це найбільш ефективними, економічними і екологічно безпечними методами. Частково так відбувається тому, що ми далеко не все знаємо про нафту.
Наприклад, невідомий повний хімічний склад різних її видів. Хоча в даний час найбільш обгрунтованою вважається концепція біогенного походження нафти, яка довела свою пророчу силу, відсутня згода щодо факторів нефтеобразования. Немає повного уявлення про процеси виникнення пластових покладів, про їх літологічних та структурних особливостях.
Між тим всі ці питання мають відношення до формування фізико-хімічних властивостей нафти, які грають величезну роль у розвідці, видобутку, переробки і використання в різних галузях настільки цінного невідновлюваної природного ресурсу.
