Нефть представляет собой маслянистую жидкость, имеющую окраску от светло-бурого до почти черного цвета, обладающую характерным запахом (рис. 1). Она залегает в толще земной коры на разных глубинах. Нефть несколько легче воды: плотность нефти равна 0,73 - 0,96 г/см 3 . Не растворяется в воде.

Рис. 1. Нефть. Внешний вид.

Нефть - это сложная смесь различных, в основном жидких углеводородов, (алканов, циклоалканов и аренов), в которых растворены твердые и газообразные углеводороды. Поэтому она не имеет постоянной температуры кипения. Кроме углеводородов нефть содержит органические соединения, включающие кислород, серу, азот. Состав нефти различается в зависимости от месторождения. Например, бакинская нефть богата циклоалканами, грозненская - предельными углеводородами. От того, какие углеводороды входят в состав нефти зависит и её плотность, поэтому существует классификация сырой нефти от величины её плотности (табл.1). В России и странах СНГ плотность нефти измеряется в г/см 3 , а в США - в API (от англ. «AmericanPetroleumInstitute»). Чем выше величина плотности в в г/см 3 , тем ниже в API и наоборот.

Таблица 1. Плотность нефти.

Нефти с низкими значениями плотности характеризуются преобладанием в их составе алканов, низким содержанием смолисто-асфальтеновых компонентов, а во фракционном соотношении - высоким содержанием бензиновых и керосиновых фракций.

В тяжелых нефтях (высокие значения плотности) концентрация содержание смолисто-асфальтеновых компонентов наоборот очень высоком.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Удельный вес нефти представляет собой отношение веса к объему

где g – ускорение свободного падения, σ - плотность нефти. Удельный вес не является справочной величиной, так как он изменяется с изменением g в различных точках Земли. Поэтому лучше рассматривать плотность нефти, т.е. свойства вещества, определяющиеся массой m (физической характеристикой материи) и объемом V.

Единицей плотности с системе СГС является г/см 3 , в СИ- кг/м 3 .

Плотность нефти колеблется от 0,76 до 0,96 г/см 3 (Т=20°) и зависит от соотношения указанных составных частей. Плотность древних нефтей всегда меньше плотности нефти молодых месторождений.

Повышение молекулярной массы углеводорода сказывается на увеличении его вязкости. Наибольшей вязкостью обладают нафтеновые углероды, меньшей – ароматические и парафиновые, непердельные. При повышении давления, вязкость возрастает незначительно, а рост температуры приводит к существенному изменению вязкости (она уменьшается). С увеличением вязкости сжимаемость нефти уменьшается.

Вязкость – или внутреннее трение- способность жидкости проявлять сопротивление перемещению ее частиц относительно друг друга. Единицей измерения вязкости является пуаз (сантипуаз). Для одной и той же нефти вязкость в зависимости от температуры оказывается различной. При равных условиях измерения вязкость нафтеновых и ароматических нефтей больше чем у метановых.

Удельное электрическое сопротивление (р) нефтей достигает 10 16 Омм, диэлектрическая постоянная - 2. Скорость сейсмических волн (V Р) меньше чем в воде и изменяется от 1300 до 1400 м/с. С увеличением плотности на 0,01 г/см скорость ультразвука увеличивается на 7 м/с. Углеводородные газы в нефти являются причиной изменения физических свойств. С увеличением газа (Vp) снижается более чем на 150 м/с.

Природные газы в месторождениях нефти, в основном, состоят из метана, более летучих углеводородов и небольшого количества азота. Сухие газы содержат 90-99% метана. Почти все газы в нормальных условиях (0,1 МПа,20 с) устойчивы и только пентан легко приходит в жидкое состояние. Относительная плотность метана по воздуху равна 0,554. Для сухого воздуха плотность равна 0,00128 для метана 0,000677. Скорость распространения ультразвука при температуре ноль градусов и давлении 0,1 МПа в сухом воздухе составляет332 м/с, в метане - 500 м/с, в азоте - 338 м/с, в углекислом газе - 261 м/с, в кислороде - 316 м/с.

Растворимость газов в нефти. Любой газ обладает способностью растворяться в жидкости, причем количество растворившегося газа зависит от состава жидкости и газа, от давления, температуры и присутствующих в жидкости иных растворимых веществ.

Нефть и газ – вещества очень сходного состава, поэтому их взаимная растворимость высокая. Это приводит к тому, что находясь в природных условиях газы теряют тяжелые компоненты (этан, пропан, бутан, петан), которые почти полностью растоворяются в нефти. Однако происходит процесс и противоположного характера.

Если в природном резервуаре много сухого метанового газа и мало нефти, может произойти полное растворение нефти в газе и в этом случае гах обогатится тяжелыми компоненами.

Пластовые воды в нефтяных и газовых месторождениях по химическому составу делятся на два типа: хлор-кальциевые и щелочные.

Плотность дистиллированной воды при 4°С принята за 1. Выше и ниже этой температуры плотность воды меньше. Поскольку пластовые воды содержат различные соли, то их плотность обычно выше 1.

Удельное электрическое сопротивление (ρ) в зависимости от концентрации солей изменяется в широких пределах от 10" до 10 мм. Диэлектрическая постоянная ε 0 равна 81. С увеличением температуры растворов р уменьшается. Для дистиллированной воды ρ= 2*10 5 Омм.

Скорость для дистиллированной воды при I = 20° равна 1480 м/с. С увеличением давления и минерализации Vр увеличивается.

Современные требования, которые предъявляют к качеству нефти, достаточно высоки. Поэтому ее производство постоянно требует совершенства, чтобы нефтепродукты соответствовали всем стандартам и нормам. Соответствующие организации осуществляют контроль над производством и конечным продуктом.

Система стандартизации, которая разработана государством, является эталоном, на который равняются все производители. Соблюдение ее условий является обязательным для всех.

Нефть и прочие нефтепродукты - это жидкая смесь, имеющая сложный состав углеводородных соединений и близко кипящих углеводородов, а также гетероатомов кислорода, азота, серы, некоторых металлов и кислот.

Удельный вес - это вес, который имеет одна единица объема. По-другому, это сила, с которой притягивается к земле одна единица объема этого вещества. То есть, это плотность, умноженная на ускорение силы тяжести.

Еще одним понятием является относительный удельный вес. Величина этого показателя равна численной величине, которую имеет относительная плотность. Ее и используем для расчета этого показателя.

И плотность нефти могут изменять свои значения при изменении температуры. Поэтому, чтобы рассчитать плотность, найденную при одной температуре на такой же показатель при других температурных данных, надо учитывать поправки на изменения плотности в зависимости от изменения температуры.

Плотность нефти, вычисленная на практике, считается аддитивной величиной. Это связано с тем, что этот показатель может быть получен в виде средней величины для нескольких нефтепродуктов.

Для каждого района характерны свои физические свойства этого продукта. Так, например плотность нефти в Тюменской области в среднем колеблется от 825 до 900 килограмм на кубический метр.

Изучение физических свойств этого продукта необходимо не только для ее рационального применения в хозяйственных целях и для продажи на мировом рынке. Иногда это бывает очень важным при устранении возникающих в результате выброса нефтепродуктов в окружающую среду, и позволяет избежать многих ошибок.

Так, при ликвидации аварии предпринимают попытки устранить нефтяное пятно при помощи поджога, не учитывая, что физические характеристики этого продукта могли измениться в результате взаимодействия с окружающей средой. Поэтому эти обстоятельства следует учитывать в случаях очистки водных поверхностей. Это очень важный фактор, который не следует игнорировать.

Плотность – важнейшая характеристика нефти во многом определяющая ее качество.

Плотностью жидкости называется масса вещества, заключенная в единице объема.

Единицей измерения плотности в системе СИ служит кг/м 3 .

Вес единицы объема вещества называется удельным весом.

Единицей измерения удельного веса в системе СИ служит Н/м 3 .

Плотность и удельный вес вещества связаны между собой соотношением

где g – ускорение силы тяжести, 9,81 м/с 2 .

Относительная плотность
является безразмерной величиной, представляющей собой отношение массы объема данного вещества при температуре определения к массе равного объема воды при стандартной температуре. В США и Англии стандартная температура дляводы и нефти принята t ст = 15,6 °С (60 °F). В России была принята стандартная температура t ст = +4 °С, а температура определения t опр = 20 °С. Относительная плотность обозначалась
С 1 января 2004 г. введенв действие ГОСТ Р51858-2002 «Нефть. Общие технические условия» и стало обязательным определение плотности нефти при 15 °С. Поэтому ГОСТ Р 51069-97 дает следующее определение: относительная плотность (удельный вес) – отношение массы данного объема жидкости при температуре 15 °С (60 °F) к массе равного объема чистой воды при той же температуре. При записи результатов указывают стандартную температуру

Нефти различных месторождений России характеризуются широким диапазоном плотности: от 770 до 970 кг/м 3 . Плотность нефтей изменяется в пределах каждого нефтегазоносного района. Это объясняется тем, что большинство разрабатываемых нефтяных месторождений представлено многопластовыми залежами, для которых, как правило, с увеличением глубины залегания продуктивного горизонта плотность нефти снижается .

Плотность нефти зависит:

от химического состава, в частности, от содержания тяжелых смолисто-асфальтеновых и сернистых компонентов, парафинов (табл. 1.1, 1.2) ;

от фракционного состава (табл. 1.3) .

Таблица 1.1

Характеристика нефтей по плотности и содержанию смол и асфальтенов

Таблица 1.2

Характеристика нефтей по плотности и содержанию парафинов

Сравнивая плотности товарных нефтей с примерно равным содержанием асфальтенов и смол, можно получить ориентировочные представления об их углеводородном составе: парафиновые нефти имеют плотность в пределах 750–800, нафтеновые 820–860 и ароматические 860–900 кг/м 3 .

Плотность нефтяных фракций увеличивается по мере возрастания температурных пределов их выкипания.

Таблица 1.3

Плотность фракций нефти Ишимбаевского месторождения

Плотность нефтепродуктов, вырабатываемых из определенных фракций нефти, соответственно составляет:

бензины – 730–760 кг/м 3 ;

керосины – 780–830 кг/м 3 ;

дизельные топлива – 840–850 кг/м 3 ;

мазут – 950 кг/м 3 ;

масла – 880–930 кг/м 3 .

Изменение плотности нефти в процессе ее добычи, сбора и подготовки, транспорта и хранения зависит от:

температуры;

давления;

Плотность нефти является классификационным параметром. В табл. 1.4 приведены типы нефти по плотности согласно .

В мировой торговой практике принято измерять добываемую и продаваемую нефть в баррелях, а ее плотность определять в градусах Американского нефтяного института – American Petroleum Institute (API) – при 60 °F, что соответствует 15,56 °С.

Плотность в градусах API – специальная функция относительной плотности (удельного веса), которую вычисляют по формуле :

(1.2)

Для России традиционно применение массовых единиц при расчетных операциях с подготовленной нефтью и нефтепродуктами.

Таблица 1.4

Плотность, относительная плотность (удельный вес) или плотность в градусах API необходимы для пересчета измеренных объемов в объемы при стандартной температуре, при товарно-коммерческих операциях с нефтью, подготовленной к транспортированию по магистральным нефтепроводам, наливным транспортом для переработки и/или поставки на экспорт. Чем меньше плотность нефти, тем выше ее стоимость на мировом рынке.

В зависимости от требуемой точности плотность нефти определяют ареометром (точность до 0,001 г/см 3), гидростатическими весами Вестфаля-Мора (точность до 0,0005 г/см 3), пикнометром (точность до 0,00005 г/см 3) или автоматическими цифровыми плотномерами (точность от 0,0001 до 0,00001 г/см 3).

Плотность - один из основных физических параметров и качественных характеристик сырой и товарной нефти . Относительная плотность нефти обычно варьируется в пределах 0,83 – 0,96.

Зная плотность нефти, можно сделать некоторые выводы о ее химическом и фракционном составе, то есть предположить какие компоненты преобладают в смеси, что в свою очередь влияет на стоимость сырья . Чем легче нефть, тем выше в ней содержание наиболее ценных легких фракций, тем меньше требуется усилий для ее переработки, и, соответственно, тем она ценнее. Ярким представителем легкой нефти является американский сорт WTI , который по-другому так и называется - Light Sweet, что в переводе с английского языка означает «легкая и сладкая» (сладкая в данном случае означает малосернистая). Некоторые виды легкой нефти, например, так называемые «белые нефти», имеют плотность всего 0,75 – 0,77.

В тяжелой нефти, наоборот, содержится большое количество высокомолекулярных примесей, таких как, смолисто-асфальтеновые вещества , что делает переработку довольно ресурсно-затратной. Поэтому и стоят тяжелые сорта нефти существенно дешевле легких сортов. Такие нефти имеют плотность, близкую к единице.

Таким образом, плотность – неотъемлемая характеристика каждого сорта нефти .

Кроме этого плотность нефти нужно знать при пересчете ее количества из объемных единиц в массовые, и наоборот, что необходимо при приемке, учете и отгрузке на нефтеперерабатывающих заводах и при транспортировке. При этом учитывается температура окружающей среды, а также климатический пояс, время года и пр. Следовательно, данные о плотности нефти необходимы не только для расчетов технологических процессов, но и для экономического планирования.

Плотность как физическая величина

Плотность – это отношение массы тела к занимаемому им объему.

Вычисляемое по данной формуле значение называют также абсолютной плотностью . В системе СИ данная величина выражается в кг/м 3 .

На практике же чаще всего прибегают к определению так называемой относительной плотности – отношению абсолютной плотности исследуемого вещества к абсолютной плотности какого-либо эталона при определенной температуре.

В большинстве случаев, в том числе в нефтяной индустрии, в качестве эталона используют дистиллированную воду. Измерения образцов нефти обычно проводят при 20 °С, и соответственно, относят полученные значения к плотности дистиллированной воды при 20 °С, либо при 4 °С (абсолютная плотность воды при данной температуре равна единице).

Установлено, что зависимость плотности большинства нефтей и нефтепродуктов от температуры имеет линейный характер (в интервале температур 0 – 50 °С) и выражается следующей формулой:

Опираясь на данную зависимость можно вычислить плотность нефти при какой-либо температуре, зная ее плотность при другой температуре. В частности, довольно распространенной характеристикой нефти является ее относительная плотность при 20 °С относительно воды при 4 °С:

Плотность в градусах API рассчитывается из относительной плотности, определяемой при стандартной температуре 15,6 °С (60 °F), по формуле:

Вычислить относительную плотность, зная значение плотности в градусах API можно по обратной формуле:

Таблица соответствия градусов API и относительной плотности нефти (при температуре 15,6 °С ):

От чего зависит плотность нефти

Плотность нефтей зависит от множества факторов: в первую очередь от фракционного и химического состава, а также от содержания растворенных газов, условий образования и др.

В частности, чем глубже находятся залежи нефти, тем она легче. Дело в том, что чем глубже залегает нефть, тем она старше, и тем больше в ней накапливаются углеводороды, обладающие минимальной свободной энергией, такие как алканы.

Иногда из этого правила бывают исключения, которые, однако, объясняются вторичными явлениями, например миграцией нефти в верхние пласты.