Физические свойства нефти

Физические свойства нефти в пластовых условиях значи­тельно отличаются от свойств дегазированной нефти на дневной поверхности. Это объ­ясняется влиянием на пластовую нефть температуры, давления и растворённого газа. Физические характеристики нефти в пластовых условиях не­обходимо знать при подсчёте запасов нефти и газа, составле­нии технологических схем разработки нефтяных месторождений, выборе техники и технологии извлечения нефти из пласта, способа транспортировки нефти. Некоторые вопросы геологической истории решаются с учётом сведений об изменении физических свойств нефтей по разрезу.

Плотностью нефти r_н называется масса нефти в единице её объема. Плотность пластовой нефти определяют при анализе проб, отобранных из скважин глубинными пробоотборниками. В пластовых условиях плотность нефти всегда меньше, чем на поверхности, потому что на глубине нефть газированная и горячая. Обычно плотность нефтей находится в пределах 0,82–0,92 г/см³, (или 820–920 кг/м³), но есть нефти с плотностью 0,70 и 1,07 г/см³. Это зависит от группового состава. Нефти с преобладанием метановых углеводородов самые лёгкие, ароматические тяжелее, смолистые самые тяжёлые. В лёгких нефтях высокое содержание низкокипящих фракций (бензин, керосин), а в тяжёлых нефтях больше высококипящих фракций (асфальтены, смолы), поэтому плотность нефти дает первое приближенное представление об её составе. Лёгкие нефти с плотностью до 0,88 г/см³ наиболее цен­ные, так как содержат больше бензиновых и масляных фракций.

Вязкость – свойство жидкости сопротивляться взаимному перемеще­нию её частиц при движении. Вязкость определяется касательной силой, которую нужно приложить к единице площади сдвигаемого слоя, чтобы поддержать в нём течение с постоянным градиентом скорости, равным единице. Эту величину h принято называть динамической вязкостью; она имеет размерность Па с. На практике чаще всего пользуются кинематической вязкостью; она равна отношению динамической вязкости к плотности жидкости при температуре определения. Единицы её измерения м²/с или см²/c. Один см²/с – это стокс (1 Ст = 10^–4 м²/с). Вязкость изменяется в широких пределах и зависит от химического и фракционного состава нефти. Вязкость нефти примерно в 10 раз больше вязкости воды и в 100 раз больше вязкости газа. Поэтому при движении в пласте поровых флюидов газ проскальзывает к скважинам в первую очередь, затем по проницаемым прослоям идёт вода, а нефть из-за высокой вязкости отстаёт в своем движении. С понижением температуры вязкость любой жидкости резко умень­шается. Поэтому во время перекачки вязких нефтей и мазутов по трубопроводам их обычно подогревают.

Температура кипения углеводородов зависит от их строения. Чем больше атомов углерода входит в состав молекулы, тем выше температура кипения. Она повышается в ряду парафины – нафтены – арены. Пределы кипения фракций при атмосферном давлении указаны в пункте 2.2.1. Остаток – это мазут, температура кипения которого выше 350 ^оС.

Испаряемость – свойство нефтей переходить из жидкого в газообразное состояние при меньшей температуре, чем температура кипения. Углеводородные жидкости испаряются до тех пор, пока газовое пространство над ними будет полностью насыщено углеводородами. Люди чувствуют запах углеводородов. Большое количество лёгких фракций (пропан, бутан) и высокая температура увеличивают скорость испарения. Полагают, что ежегодно 1–3 % добываемой нефти улетучиваются в атмосферу. При общемировой добыче 3, 3 млрд. т в год это составляет примерно 50 млн. т. Средний коэффициент нефтеизвлечения составляет около 0,33. Получается, за год люди теряют месторождение нефти с запасами 150 млн. т. Все системы сбора, транспортировки и переработки нефти должны быть герметичны.

Температура застывания и плавления нефти зависит от содержания в ней твердых парафинов с числом атомов углерода больше 16. Грозненская парафиновая нефть плотностью 0,838 г/см³ застывает при температуре минус 11 ^оС, а грозненская беспарафиновая плотностью 0,863 г/см³ при минус 20 ^оС. Смолистые вещества значительно понижают температуру застывания. Охинская смолистая нефть плотностью 0,925 г/см³ остается текучей даже при очень сильных морозах.

Температура вспышки паров– это температура, при которой пары нагретой жидкости образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении огня. Жидкости с температурой вспышки до 60 ^оС относят к легковоспламеняющимся, выше 61 ^оС – к горючим. У сырой нефти температура вспышки колеблется от 35 до 120 ^оС в зависимости от фракционного состава и давления насыщенных паров.

Нефть – диэлектрик, поэтому с помощью электрических геофизических методов можно распознавать в скважине нефтенасыщенные пласты. При движении углеводородных жидкостей из-за трения частиц между собой, о стенки трубопроводов и емкостей нефть и нефтепродукты электризуются,ивозникают заряды статического электричества величиной до нескольких десятков киловольт. Для воспламенения достаточно разряда с энергией 4–8 кВт. Поэтому при перевозке нефти и нефтепродуктов требуется заземление токопроводящих элементов оборудования, а перекачивать их по трубопроводам нужно со скоростью не более 10 м/с.

Поверхностное натяжение характеризует противодействие силам, стремящимся к изменению формы поверхности. Оно существует на границе раздела двух любых фаз и измеряется в системе СИ в Дж/м². Поверхностное натяжение характеризует молекулярные силы сцепления между твёрдыми частицами и флюидами. Молекулярные силы сцепления между водой и породой больше, чем между нефтью и породой. Эта особенность позволяет нефти мигрировать по проницаемым водоносным горизонтам. Поверхностное натяжение можно уменьшить, добавляя в жидкость поверхностно-активные вещества (ПАВ) – типа стиральных порошков. ПАВ часто применяют при добыче нефти.

Газовый фактор. В условиях пластового давления в нефти всегда растворено некоторое количество газа, достигающее 600 м³ на 1 м³ нефти, иногда и больше. Растворённый газ резко снижает плотность и вязкость нефти, увеличивает её сжимаемость и объём.

Объёмный коэффициент – это отношение объема нефти с растворённым в ней газом в пластовых условиях к объёму этой же нефти после дегазации в нормальных условиях. Величина не имеет размерности; обычно объёмный коэффициент равен 1,1–2,0, но бывает и больше трёх.

Коэффициент сжимаемости характеризует относительное приращение единицы объёма нефти при изменении давления. Негазированная нефть имеет коэффициенты сжимаемости в диапазоне от 4 10^–4 до 7 10^–4 1/Па.

Прочие физические свойства. Нефть люминесцирует в ультрафиолетовом свете, благодаря чему с помощью люминесцентного анализа можно обнаружить в породе или воде тысячные доли процента нефти. Теплота сгорания характеризуют энергетическую ценность нефтей. Нефть растворима в органических растворителях. В воде при обычных условиях она практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии.