Элементный и компонентный состав нефтей. Компонентный состав нефти это


Компонентный состав - нефть - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Компонентный состав - нефть

Cтраница 3

Сероводород в составе газа значительно ускоряет процесс коррозии. В таких случаях, опираясь на результаты исследований компонентного состава нефти и газа, подземное оборудование подбирается в коррозионно-стойком исполнении.  [31]

Как уже отмечалось, все ступени разгазирования реализуются аналогично, как и для первой ступени. При этом компонентный состав системы, подвергающейся разгазированию, соответствует компонентному составу нефти предыдущей ступени разгазирования.  [32]

Пласты, содержащие нефти с неодинаковыми свойствами, нецелесообразно объединять в один объект, так как для извлечения продукции необходимо применять технологии воздействия на них, требующие различных схем расположения скважин и их числа. Компонентный состав нефтей может послужить причиной выделения отдельных пластов в самостоятельные объекты разработки. Существенную роль в решении этого вопроса играют физико-химические свойства пластовых вод. Например, закачка воды в пласт, содержащий пластовую воду определенного состава, может вызвать химические реакции, в результате которых ухудшаются условия фильтрации жидкостей.  [33]

При диэлькометрическом методе на результаты измерений оказывают большое влияние различные неинформативные параметры. Наибольшее влияние оказывает компонентный состав нефти. Исследования показали, что компонентный состав нефти может быть оценен по ее плотности.  [34]

Химические структуры асфальтенов чрезвычайно разнообразны: от соединений с преобладанием алифатических элементов в молекулах до высококонденсированных ароматических систем - и от чистых углеводородов до гетероциклических соединений с различными полярными группами. Поэтому асфальтены рассматривают как класс веществ, объединенных не по химической природе, а по растворимости. Учитывая, что свойства нефтевмещаю-щих пород и компонентный состав нефти изменяются и в пределах одной залежи, а также принимая во внимание физико-химическое воздействие пластовых вод, контактирующих с нефтью, и биохимические процессы, можно предполагать, что и физико-химические свойства асфальтенов различны.  [35]

С целью исследования характера взаимодействия ПФР с образцами различных нефтей и их асфальтеновых фракций использованы различные методы анализа - ЭПР, ЯМР Н1, ИК -, УФ-спектроскопии. На основании проведенных исследований [1] установлен факт влияния ПФР на соответствующие спектральные характеристики нефтей. Известно, что метод ЯМР Н1 находит широкое применение в исследовании компонентного состава нефтей. Установлено, что спектральные параметры нефтей и асфальтенов после их обработки водными растворами ПФР претерпевают существенные изменения: увеличивается содержание парафинов, изменяется компонентный состав.  [36]

При завершении работы по адаптации модели необходимо проверочное сопоставление полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными. Прежде всего, нужно сопоставлять температуру начала выпадения парафинов. Совпадение полученных результатов с промысловыми данными служит хорошей гарантией по правильности представления компонентного состава нефти для целей расчета выпадения парафинов во всем исследуемом интервале.  [38]

В результате установлено, что толщина граничного слоя для исследованной нефти на данной поверхности ( органическое стекло) составляет 1 мкм. Исследованиями [54, 59] было установлено, что в зависимости от природы твердой подложки и компонентного состава нефти толщина граничного слоя может достигать 2 - 5 мкм. Причем толщина аномального слоя зависит от градиента давления вытеснения и величины радиуса капилляров. Поэтому в пористой среде с размером пор, соизмеримым с толщиной граничного слоя, адсорбционно-сольватные слои, обладающие аномальными свойствами, должны оказывать значительное влияние на процесс фильтрации.  [39]

В результате установлено, что толщина граничного слоя для исследованной нефти на данной поверхности ( органическое стекло) составляет 1 мкм. Исследованиями [136, 120] было установлено, что в зависимости от природы твердой подложки и компонентного состава нефти толщина граничного слоя может достигать 2 - 5 мкм. Причем толщина аномального слоя зависит от градиента давления вытеснения и величины радиуса капилляров. Поэтому в пористой среде с размером пор, соизмеримым с толщиной граничного слоя, адсорбционно-сольватные слои, обладающие аномальными свойствами, должны оказывать значительное влияние на процесс фильтрации.  [40]

Эффективность достигнута только в 40 % скважин, продолжительность эффекта составила от 30 сут до 5 месяцев. Видимо, данный метод имеет узкую область оптимального применения, в зависимости от физико-химических свойств и компонентного состава нефтей и вод конкретного объекта.  [41]

Пластовые системы рассматриваемых залежей имеют практически одинаковую плотность углеводородов С5 ( 0 8 г / см3) и близкий состав пластового газа. Различия отмечаются лишь в свойствах тяжелых компонентов. Причем для рассматриваемых залежей в характере распределения углеводородов в ряду С5 различий нет, лишь в конечных фракциях компонентный состав нефти характеризуется относительно высоким по сравнению с конденсатом содержанием углеводородов С16: соответственно 23 и 16 % от их общего содержания. В индивидуальном составе флюидов Карачаганакско-го месторождения отсутствуют и эти отличительные признаки.  [42]

Рассмотрим расчетную модель процесса вытеснения нефти из пласта оторочкой двуокиси углерода, которая может быть жидкой, газообразной или находиться в закритическом состоянии. В обводненной части пласта остаются тяжелые фракции нефти, которые будем считать не вытесняемыми водой. Однако в отличие от рассмотренного процесса вытеснения нефти полным ее растворителем в оторочку СО2 переходят из нефти только легкие углеводороды и уже в области смешения образуется малоподвижный остаток нефти, состоящий в основном из смол и асфальтенов. Количество этого остатка зависит от компонентного состава нефти и, конечно, может быть различным у различных нефтей. Эта величина определяется экспериментальным путем. Следует отметить, что при вытеснении некоторых нефтей, содержащих смолы и ас-фальтены, сжиженным пропаном также может наблюдаться выпадение из нефти твердого остатка.  [44]

На базе адсорбционного слоя формируется граничный слой нефти. По составу граничные слои ( ГС) отличны от нефти в объеме. Они обладают повышенной вязкостью и предельным напряжением сдвига. Толщина и реологические характеристики ГС находятся в зависимости от свойств породообразующих минералов и компонентного состав нефти. Как показали исследования, толщина ГС в ряде случаев соизмерима с радиусом поровых каналов. В связи с этим уменьшается проницаемость и увеличивается микро - и макронеоднородность коллектора.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Элементный и компонентный состав нефтей

Поиск Лекций

СОСТАВ, СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИИ НЕФТЕЙ

 

 

Цель изучения – получить знание о нефти как сложной коллоидной системе, состоящей из углеводородных и неуглеводородных (гетероатомных) компонентов разного фазового состояния, содержащих биологические метки (хемофоссилии) и способной изменять свой состав и свойства вслед за изменением термобарических и геохимических условий.

 

Задачи – изучить:

ü элементный и компонентный состав;

ü физические свойства;

ü фракционный состав;

ü факторы, влияющие на изменение состава и свойств нефтей.

 

Уметь:

ü определять физические свойства и товарные качества нефтей по их компонентному составу и содержанию: серы, светлых фракций, содержанию масел, содержанию параина;

ü определять фракционный состав нефтей по пределам температур кипения;

ü определять химический тип нефтей по групповому составу.

 

Элементный и компонентный состав нефтей

 

Нефть – это сложная коллоидная гидрофобная система, состоящая из углеводородов различного строения и гетероатомных или неуглеводородных соединений (кислородных, сернистых, азотистых и высокомолекулярных металлорганических смолисто-асфальтеновых соединений), которая распространена в породах осадочного чехла и фундамента осадочных бассейнов. Среди углеводородных и неуглеводородных компонентов нефти содержатся так называемые реликтовые структуры или хемофоссилии, которые по своему составу близки к некоторым биологическим веществам или их фрагментам. Обычно нефть имеет черный или темно-коричневый цвет, иногда, при солнечном свете, зеленовато-желтый оттенок и реже она почти бесцветная.

При химическом анализе нефти определяют её элементный, изотопный, компонентный и фракционный состав.

В нефтях обнаружено свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева, которые разделяются на главные и основные элементы, а также на микроэлементы.

Главными химическими элементами нефти являются углерод и водород. Содержание углерода составляет 82-87 %, а водорода 12-14 %. В сумме их содержание составляет 96-99 %.

Основные элементы представлены кислородом, серой и азотом. Их общее содержание составляет от 0,5 до 2 %, но может достигать 8 % и более, главным образом, за счет серы.

Микроэлементы содержатся в количестве от одной десятой до одной десятимиллионной доли процента. В сумме они составляют менее 1 %. Главное место среди микроэлементов занимают металлы - это: ванадий (V), никель (Ni), железо (Fe), цинк (Zn) и другие металлы. Содержатся также и неметаллы - галогены: хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и другие элементы-неметаллы: фосфор (P), кремний (Si), мышьяк (Аs). Наибольшим содержанием выделяется: фосфор, до 0,1 %, ванадий (V) - 0,03-0,004 %, никель (Ni) - 0,03-0,05 %, железо (Fe) - 0,012-0,0003 % и цинк (Zn) - 0,0036-0,0004 %. При этом ванадий и никель концентрируются в золе некоторых нефтей в количествах, соизмеримых с их содержанием в промышленных рудах.

В изотопном составе соединений нефтей преобладают легкие изотопы элементов.

В общем, в нефтях определено около 1300 индивидуальных химических соединений, которые разделяются на две группы: углеводородную, состоящую примерно из 900 индивидуальных УВ и неуглеводородную, состоящую примерно из 370 гетероорганических соединений. В обобщённом виде состав нефтей представлен в таблице 2.

Основными компонентами нефти являются углеводороды, которые представлены алкановыми, нафтеновыми, ароматическими и гибридными соединениями. В последнее время в некоторых нефтях обнаружены этиленовые УВ или алкены.

Алкановые УВ, они же метановые, парафиновые, алифатические УВ или алканы (Al)соответствуют общей формуле Cnh3n+2, где n – количество атомов углерода, которое может изменяться от одного до нескольких десятков. Их содержание в нефтях составляет от 10 до 70 %.

Химическое строение простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, из которых видно, что в алканах имеются два типа химических связей: С–С и С–Н. Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

 

Пространственное строение зависит от направленности атомных орбиталей (АО). В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода образует s-связи С-Н или С-С.

Четыре s-связи углерода направлены в пространстве под углом 109о28', что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109о28'. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

В молекуле следующего гомолога – этана С2Н6 – два тетраэдрических sp3-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н-бутана или н-пентана:

 

 

Алканы кроме н-алканов содержат и изо-алканы. При этом среди изо-алканов выделяются изопреноидные алканы, метильные группы СН3, которых имеют регулярное чередование, что видно на примере пристана: (С19Н40):

 

СН3-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН3.

| | | |

СН3 СН3 СН3 СН3.

 

Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными атомами или атомными группами, то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются оптическими изомерами или оптическими антиподами:

Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки), в них отсутствует плоскость симметрии. Таким образом, оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение. Оптические изомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, но различаются отношением к поляризованному свету. Такие изомеры обладают оптической активностью (один из них вращает плоскость поляризованного света влево, а другой - на такой же угол вправо). Различия в химических свойствах наблюдаются только в реакциях с оптически активными реагентами. Оптическая изомерия проявляется в органических веществах различных классов и играет очень важную роль в химии природных соединений.

 

Алканы, содержащие от одного до четырех атомов углерода (С1-С4), при нормальных условиях являются газами, от пяти до 15 (С5-С15) – жидкостями, больше 16 (С16) - твердыми веществами. При этом твердые алканы от С16-С32 называются парафинами, а от С32 и выше церезинами.

 

Таблица 2. Состав нефти (В.В. Доценко; 2007)

 

Элементный состав
Главные элементы: С – 82-87 %, Н – 12-14 % Основные гетероэлементы: S – до 6-8 %, О – до 3,6 %, N - до 1,7 % S+О+N – от 0,5-2 до 8 и более % Микро- гетероэлементы: Металлы: V, Ni, Fe, Zn, Mо, Co, W, Hg, U, и др. Галогены: Cl, Br, I Неметаллы: Р, Si, Аs Всего более 70 элементов, с содержанием от 10-1 до 10-7 %
Компонентный (групповой) состав (около 1300 химических соединений)
Углеводородные (УВ) компоненты (более 900 химических соединений): алканы – от 10 до 70 %, цикланы – от 25 до 80 %, арены – от 10 до 25 %, иногда до 50 %, гибридные УВ – от 20 до 50 %, алкены (олефины) – иногда до 8-10 % Неуглеводородные компоненты (около 370 химических соединений): сернистые соединения (более 250), кислородные соединения (более 70), азотистые соединения (более 50), смолы, асфальтены
Реликтовые соединения (хемофоссилии)
Углеводородные структуры: нормальные и изопреноидные алканы; полициклические изопреноидные УВ (стераны, терпаны, гопаны) Неуглеводородные структуры: металлопорфирины
Фракционный состав
Легкие светлые фракции УВ (температура кипения (т.к.) 35-350 °С): бензин – УВ С5-С10 (т.к.35-200 °С), керосин – УВ С11-С13 (т.к.200-250 °С), газойль – УВ С14-С21 (т.к.250-350 °С) Тяжелые темные фракции или мазут (температура кипения (т.к.) 350-600 °С): масла соляровые - УВ С22-С25, масла смазочные - УВ С26-С35, гудрон или нефтяной пек - смолы, асфальтены и УВ С36-С60 и более Остаток после термической обработки гудрона: технический битум, кокс
           

 

Алканы обладают сильным токсическим и наркотическим действием, особенно нормальные алканы с короткой углеродной цепью.

Нафтеновые УВ, они же циклановые, циклоалкановые, циклопарафиновые, полиметиленовые УВ или нафтены (Nf)состоят из замкнутых в цикл метиленовых групп СН2.

Атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в sp3–гибридизованном состоянии и все их валентности полностью насыщены.

Простейший циклоалкан – циклопpопан С3Н6 – представляет собой плоский трехчленный карбоцикл:

Остальные циклы имеют неплоское строение вследствие стремления атомов углерода к образованию тетраэдрических валентных углов.

По правилам международной номенклатуры в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов, образующих цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавлением приставки "цикло" (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т.д.). При наличии в цикле заместителей нумерацию атомов углерода в кольце проводят так, чтобы ответвления получили возможно меньшие номера. Так, соединение

следует назвать 1,2-диметилциклобутан, а не 2,3-диметилциклобутан, или 3,4-диметилциклобутан.

Молекулы циклоалканов содержат на два атома водорода меньше, чем соответствующие алканы. Напpимеp, бутан имеет фоpмулу С4Н10, а циклобутан – С4Н8. Поэтому общая формула циклоалканов Сnh3n. Структурные формулы циклоалканов обычно изображаются сокращенно в виде правильных многоугольников с числом углов, соответствующих числу атомов углерода в цикле.

 

 

Нафтены имеют моноциклическое би-, три- и полициклическое строение. В моноциклической молекуле может быть от трех до шести метиленовых групп.

 

Общая формула моноциклических нафтенов имеет вид: Cnh3n, а би- и трициклических структур: Cnh3n-2 и Cnh3n-4 соответственно.

Нафтены, кроме моноциклических могут иметь неконденсированное и конденсированное строение. В неконденсированных структурах нафтеновые циклы отделены (изолированы) друг от друга метиленовыми группами (СН2), которых может быть несколько. Смежные структуры конденсированных нафтенов содержат два общих атома углерода и состоят из различных комбинаций пяти- и шестичленных циклов, которые часто содержат также ароматические кольца и алкильные цепи. Нафтены С3-С4 являются газами, С5-С7 жидкостями, С8 и выше – твердыми веществами.

Содержание нафтенов в нефтях колеблется в широких пределах, от 25 до 80 %. Среди соединений нефти нафтены наименее токсичны и даже обладают стимулирующим действием на живые организмы.

  • Ароматические УВ или арены (Аr) – это класс УВ, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.

Простейшие представители (одноядерные арены):

Многоядерные арены: нафталин С10Н8, антрацен С14Н10 и др.

Термин "ароматические соединения" возник давно в связи с тем, что некоторые представители этого ряда веществ имеют приятный запах. Однако в настоящее время в понятие "ароматичность" вкладывается совершенно иной смысл.

Ароматичность молекулы означает ее повышенную устойчивость, обусловленную делокализацией p-электронов в циклической системе.

Бензол С6Н6 – родоначальник ароматических углеводородов. Каждый из шести атомов углерода в его молекуле связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя s-связями. Валентные углы между каждой парой s-связей равны 120°. Таким образом, скелет s-связей представляет собой правильный шестиугольник, в котором все атомы углерода и все s-связи С-С и С-Н лежат в одной плоскости:

 

р-Электроны всех атомов углерода взаимодействуют между собой путем бокового перекрывания соседних 2р-АО, расположенных перпендикулярно плоскости s-скелета бензольного кольца. Они образуют единое циклическое p-электронное облако, сосредоточенное над и под плоскостью кольца.

Все связи С-С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф.Кекуле), а все они выровнены (делокализованы). Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника (s-скелет) и кружка внутри него, обозначающего делокализованные p-связи:

Формула Кекуле также нередко используется, но при этом учитывается, что она лишь условно передает строение молекулы.

 

 

Арены моноциклические, би-, три- и полициклические представлены на рисунке (рис. 3).

Арены, по сравнению с алканами и нафтенами содержатся в нефти, как правило, в меньших количествах, в основном от 10 до 25 %. Иногда их содержание достигает 50 %. Ароматические УВ являются наиболее токсическими компонентами нефтей. Например, при концентрации в воде всего 1% они убивают все водные растения.

Гибридные УВ. В молекулах УВ гибридного (смешанного) строения находятся различные структурные элементы: ароматические кольца, нафтеновые циклы и алкильные цепи (см. рис. 3). Сочетание этих структурных элементов может быть самым разнообразным. Гибридное строение в нефтях имеет от 20 до 50 % высокомолекулярных УВ.

Этиленовые УВ или алкены, олефины. Это - непредельные (ненасыщенные)УВ с открытой цепью, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна двойная связь. Как и предельные УВ, алкены образуют свой гомологический ряд с общей формулой Cnh3n. Простейшим представителем этого ряда и его родоначальником является этилен С2Н4 (Н2С=СН2).

Алкены обнаружены во многих образцах нефтей только в конце ХХ века в количестве до 8-10 %. Образуются они в результате радиолитического дегидрирования алканов при воздействии естественного радиоактивного излучения в недрах.

Неуглеводородные компоненты нефти являются производными углеводородов и разделяются на две группы.

В первую группу входят гетероорганические соединения, которые описываются точной химической формулой. Называются они по содержащемуся или преобладающему в них гетероатому и представлены сернистыми, кислородными и азотистыми соединениями.

 

 

Во вторую группу веществ входят высокомолекулярные соединения, структура которых сложна, и поэтому определяется неоднозначно. Эта группа представлена смолами и асфальтенами или смолисто-асфальтеновыми веществами (САВ).

Смолы и асфальтены - это высокомолекулярные конденсированные циклические структуры, которые содержат гетероатомы и боковые алкильные цепи, состоящие из одновалентных радикалов: метила (СН3), этила (С2Н5), пропила (С3Н7) и других.

Смолы имеют молекулярную массу от 500 до 2000 единиц и обладают хорошей растворимостью в органических растворителях и УВ.

Асфальтены – это продукты конденсации нескольких молекул смол, поэтому они являются твердыми веществами с кристаллоподобной структурой и не растворяются в алканах. Их молекулярная масса лежит в пределах от 1000-5000 до 10000 единиц. Однако имеются сведения, что она может доходить до сотен тысяч и даже миллионов единиц.

Сернистые соединения. В нефтях содержится более 250 индивидуальных органических и неорганических соединений, содержащих серу. Неорганические соединения представлены элементной серой – S и сероводородом - h3S. Основное количество серы, от 70 до 90 %, связано со смолами и асфальтенами.

Пределы изменения концентраций серы в элементном составе нефтей очень широки: от сотых долей процента до 6-8 %, и более.

Сернистые компоненты нефтей разделяются на агрессивные и неагрессивные соединения. Присутствие агрессивных соединений весьма нежелательно, так как они активно корродируют металлы, являются сильнейшими каталитическими ядами, экологически опасны и придают нефти неприятный запах. Например, нефть Ишимбайского месторождения, содержащая 3,4 % серы, вызывает коррозию нефтепромыслового и нефтезаводского оборудования, выполненного из углеродистой стали, со скоростью 6,88 мм в год. Агрессивная сера представлена органическими и неорганическими соединениями, которые обладают кислотными свойствами. К ним относятся: элементная сера - S, сероводород - h3S, и меркаптаны - тиолы и тиофенолы.

К неагрессивным сернистым соединениям относятся сульфиды, дисульфиды, тиофан, тиофен и тиопиран – С5Н10S.

Кислородные компоненты нефтей представлены 70 индивидуальными соединениями кислого и нейтрального характера, которые содержат кислород в виде различных функциональных групп: гидроксила (-ОН), карбоксила (-СООН), карбонила (>СО), метоксила (ОСН3), оксигрупы (=О), пероксигруппы (-О-О-) и других. Кислород содержится в нефти в элементном составе в количестве от 0,05 до 3,6 %, что соответствует примерно от 0,5 до 36 % кислородных соединений.

Соединения кислого характера представлены кислотами и фенолами. Кислоты имеют различное строение: алифатическое (Аl-СООН), нафтеновое (Nf-СООН или Nf-(СН2)n-СООН), в том числе и стероидное строение, а также ароматическое и гибридное строение.

Кроме фенола С6Н5ОН в нефтях присутствуют его гомологи, содержащие до шести конденсированных колец.

 

 

Кислородные соединения нейтрального характера представлены спиртами, алифатическими и циклическими кетонами и пероксидами.

Азотистые компоненты нефтей составляют более 50 индивидуальных соединений, которые разделяются на три группы.

Первая группа - это азотистые основания, которые реагируют с кислотами, образуя органические соли, поэтому сравнительно легко выделяются из нефти. Представлены они ароматическими гетероциклами: пиридином (С5Н5N), анилином (С6Н5NН2), хинолином (С9Н7N), акридиномом (С13Н9N) и их гомологами.

Вторая группа - это нейтральные соединения, которые представлены ароматическими гетероциклами: пирролом (С4Н4NН), индолом (С8Н6NН), карбазолом (С12Н8NН) бензокарбазолом (С16Н10NН), а также их гомологами и производными.

Третья группа - это порфирины, которые представляют собой сложные циклические металлоорганические азотсодержащие соединения.

Содержание азотистых соединений в нефти обычно не превышает нескольких процентов от её состава, а концентрация азота в элементном составе нефти находится в пределах от 0,01 до 1,7 %.

Реликтовые соединения или хемофоссилии. Эти соединения представляют особую группу веществ, которые одновременно присутствуют в углеводородном и в неуглеводородном составе нефтей, а также в ОВ осадочных пород.

Реликтовые химические соединения по своей структуре близки к некоторым биологическим веществам или их фрагментам: стероидам, терпенам и терпеноидам, порфиринам (хлорофилл, гем крови), аминокислотам и другим. Ниже на рисунках представлены химическая структура ванадилпорфирина, присутствующего в неуглеводородном составе нефтей

 

и его предшественника – хлорофилла.

Хемофоссилии являются устойчивыми соединениями, поэтому они почти в неизменном виде поступают из химических остатков организмов в осадки, сохраняются при литогенезе и переходят в состав нефтей. В ходе литогенеза в строении этих биологических веществ происходит небольшая перестройка углеродной структуры молекул и потеря функциональных групп. Поэтому хемофоссилии несут информацию об условиях образования и преобразования нефтематеринского ОВ и заключающих их осадков и горных пород.

Из УВ к хемофоссилиям относятся высокомолекулярные нормальные и изопреноидные алканы, а также полициклические нафтены, а из неуглеводородных компонентов нефти - порфирины, амиды кислот.

 

poisk-ru.ru

Элементный и компонентный состав нефтей

Нефть – сложная коллоидная гидрофобная система, состоящая из углеводородов различного строения и гетероатомных или неуглеводородных соединений (кислородных, сернистых, азотистых и высокомолекулярных металлорганических смолисто-асфальтеновых соединений), которая распространена в породах осадочного чехла и фундамента осадочных бассейнов. Обычно нефть имеет черный или темно-коричневый цвет, иногда, при солнечном свете, зеленовато-желтый оттенок и реже она почти бесцветная.

При химическом анализе нефти определяют её элементный, изотопный, компонентный и фракционный состав.

В нефтях обнаружено свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева, которые разделяются на главные и основные элементы, а также на микроэлементы.

Главными химическими элементами нефти являются углерод и водород. Содержание углерода составляет 82–87 %, а водорода 12–14 % (Σ составляет 96–99 %).

Основные элементыпредставлены кислородом, серой и азотом. Их … общее содержание составляет от 0,5 до 2 %, но может достигать 8 % и более, главным образом, за счет серы.

Микроэлементы содержатся в количестве от одной десятой до одной десятимиллионной доли процента. В сумме они составляют менее 1 %. Главное место среди микроэлементов занимают металлы: ванадий (V), никель (Ni), железо (Fe), цинк (Zn) и другие металлы. Содержатся также и неметаллы – галогены: хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и другие элементы-неметаллы: фосфор (P), кремний (Si), мышьяк (Аs). Наибольшим содержанием выделяется: фосфор, до 0,1 %, ванадий (V) – 0,03–0,004 %, никель (Ni) – 0,03–0,05 %, железо (Fe) – 0,012–0,0003 % и цинк (Zn) – 0,0036–0,0004 %. Ванадий и никель концентрируются в золе некоторых нефтей в количествах, соизмеримых с их содержанием в промышленных рудах.

В изотопном составе соединений нефтей преобладают легкие изотопы элементов.

В нефтях определено около 1300 индивидуальных химических соединений, которые разделяются на две группы: углеводородную, состоящую примерно из 900 индивидуальных УВ и неуглеводородную, состоящую примерно из 370 гетероорганических соединений.

Основными компонентами нефти являются углеводороды, которые представлены алкановыми, нафтеновыми, ароматическими и гибридными соединениями. В последнее время в некоторых нефтях обнаружены этиленовые УВ или алкены.

Алкановые УВ, или метановые, парафиновые, алифатические УВ, или алканы (Al)соответствуют общей формуле Cnh3n+2, где n – количество атомов углерода, которое может изменяться от одного до нескольких десятков. Содержание алканов нефтях составляет от 10 до 70 %.

Химическое строение простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы: в алканах имеются два типа химических связей: С–С и С–Н. Молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода: валентный угол Н-С-Н равен 109о28′.

Алканы кроме н-алканов содержат и изо-алканы. При этом среди изо-алканов выделяются изопреноидные алканы, метильные группы СН3, которых имеют регулярное чередование, что видно на примере пристана: (С19Н40):

СН3-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН3.

| | | |

СН3 СН3 СН3 СН3.

 

Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными атомами или атомными группами, то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются оптическими изомерами или оптическими антиподами. Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки), в них отсутствует плоскость симметрии. Таким образом, оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение. Оптические изомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, но различаются отношением к поляризованному свету. Такие изомеры обладают оптической активностью (один из них вращает плоскость поляризованного света влево, а другой – на такой же угол вправо). Различия в химических свойствах наблюдаются только в реакциях с оптически активными реагентами. Оптическая изомерия проявляется в органических веществах различных классов и играет очень важную роль в химии природных соединений.

Алканы, содержащие от одного до четырех атомов углерода (С1-С4), при нормальных условиях являются газами, от пяти до 15 (С5-С15) – жидкостями, больше 16 (С16) – твердыми веществами. Твердые алканы от С16-С32 называются парафинами, а от С32 и выше церезинами.

Нафтеновые УВ, они же циклановые, циклоалкановые, циклопарафиновые, полиметиленовые УВ или нафтены (Nf)состоят из замкнутых в цикл метиленовых групп СН2. Простейший циклоалкан – циклопpопан С3Н6 – представляет собой плоский трехчленный карбоцикл. Остальные циклы имеют неплоское строение вследствие стремления атомов углерода к образованию тетраэдрических валентных углов.

Молекулы циклоалканов содержат на два атома водорода меньше, чем соответствующие алканы. Напpимеp, бутан имеет фоpмулу С4Н10, а циклобутан – С4Н8. Поэтому общаяформула циклоалканов Сnh3n. Структурные формулы циклоалканов обычно изображаются сокращенно в виде правильных многоугольников с числом углов, соответствующих числу атомов углерода в цикле.

Нафтены имеют моноциклическое би-, три- и полициклическое строение. В моноциклической молекуле может быть от трех до шести метиленовых групп. Общая формула моноциклических нафтенов имеет вид: Cnh3n, а би- и трициклических структур: Cnh3n-2 и Cnh3n-4 соответственно. Нафтены С3-С4 являются газами, С5-С 7 жидкостями, С8 и выше – твердыми веществами.Содержание нафтенов в нефтях колеблется от 25 до 80 %.

Ароматические УВ или арены (Аr) – это класс УВ, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей. Одноядерные арены и многоядерные арены: нафталин С10Н8, антрацен С14Н10 и др. Термин "ароматические соединения" возник давно в связи с тем, что некоторые представители этого ряда веществ имеют приятный запах.

Бензол С6Н6 – родоначальник ароматических углеводородов. Все связи С — С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Современные представления свидетельствуют, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей: все они выровнены (делокализованы). Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника и кружка внутри него, обозначающего делокализованные Н-связи:

Арены бывают моноциклические, би-, три- и полициклические. Арены, по сравнению с алканами и нафтенами содержатся в нефти, как правило, в меньших количествах, в основном от 10 до 25 %. Иногда их содержание достигает 50 %. Ароматические УВ являются наиболее токсическими компонентами нефтей.

Гибридные УВ. В молекулах УВ гибридного (смешанного) строения находятся различные структурные элементы: ароматические кольца, нафтеновые циклы и алкильные цепи. Сочетание этих структурных элементов может быть самым разнообразным. Гибридное строение в нефтях имеет от 20 до 50 % высокомолекулярных УВ.

Этиленовые УВ или алкены, олефины: непредельные (ненасыщенные)УВ с открытой цепью, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна двойная связь. Как и предельные УВ, алкены образуют свой гомологический ряд с общей формулой Cnh3n. Простейшим представителем этого ряда и его родоначальником является этилен С2Н4 (Н2С=СН2).

Алкены образуются в результате радиолитического дегидрирования алканов при воздействии естественного радиоактивного излучения в недрах и обнаружены во многих образцах нефтей только в конце ХХ века в количестве до 8-10 %.

Неуглеводородные компоненты нефти являются производными углеводородов и разделяются на две группы: I – гетероорганические соединения, которые описываются точной химической формулой и представлены сернистыми, кислородными и азотистыми соединениями; II – высокомолекулярные соединения, структура которых сложна и представлена смолами и асфальтенами или смолисто-асфальтеновыми веществами (САВ).

Смолы и асфальтены: высокомолекулярные конденсированные циклические структуры, которые содержат гетероатомы и боковые алкильные цепи, состоящие из одновалентных радикалов: метила (СН3), этила (С2Н5), пропила (С3Н7) и других. Смолы имеют молекулярную массу от 500 до 2000 единиц и обладают хорошей растворимостью в органических растворителях и УВ. Асфальтены – продукты конденсации нескольких молекул смол. Они являются твердыми веществами с кристаллоподобной структурой и не растворяются в алканах. Молекулярная масса – от 1000–5000 до 10000 единиц (достигая сотен тысяч и даже миллионов единиц).

Сернистые соединения: более 250 индивидуальных органических и неорганических соединений, содержащих серу. Неорганические соединения представлены элементной серой – S и сероводородом – h3S. Основное количество серы, от 70 до 90 %, связано со смолами и асфальтенами. Пределы изменения концентраций серы в элементном составе нефтей от сотых долей процента до 6–8 %, и более.

Сернистые компоненты нефтей разделяются на агрессивные и неагрессивные соединения. Агрессивные соединения активно корродируют металлы, являются сильнейшими каталитическими ядами, экологически опасны и придают нефти неприятный запах. Агрессивная сера представлена органическими и неорганическими соединениями, которые обладают кислотными свойствами: элементная сера – S, сероводород – h3S, и меркаптаны – тиолы и тиофенолы. К неагрессивным сернистым соединениям относятся сульфиды, дисульфиды, тиофан, тиофен и тиопиран – С5Н10S.

Кислородные компоненты нефтей: 70 индивидуальных соединений кислого и нейтрального характера, содержащих кислород в виде различных функциональных групп: гидроксила (-ОН), карбоксила (-СООН), карбонила (>СО), метоксила (ОСН3), оксигрупы (=О), пероксигруппы (-О-О-) и других. Кислород содержится в нефти в элементном составе в количестве от 0,05 до 3,6 %, что соответствует примерно от 0,5 до 36 % кислородных соединений. Соединения кислого характера представлены кислотами и фенолами. Кислородные соединения нейтрального характера – спиртами, алифатическими и циклическими кетонами и пероксидами.

Азотистые компоненты нефтей: более 50 индивидуальных соединений, которые разделяются на три группы: I – азотистые основания, которые реагируют с кислотами, образуя органические соли, поэтому сравнительно легко выделяются из нефти. Представлены они ароматическими гетероциклами: пиридином (С5Н5N), анилином (С6Н5NН2), хинолином (С9Н7N), акридиномом (С13Н9N) и их гомологами; II – нейтральные соединения, которые представлены ароматическими гетероциклами: пирролом (С4Н4NН), индолом (С8Н6NН), карбазолом (С12Н8NН) бензокарбазолом (С16Н10NН), а также их гомологами и производными; III – порфирины, которые представляют собой сложные циклические металлоорганические азотсодержащие соединения. Содержание азотистых соединений в нефти обычно не превышает нескольких процентов, а концентрация азота в элементном составе нефти находится в пределах от 0,01 до 1,7 %.

Реликтовые соединения или хемофоссилии одновременно присутствуют в углеводородном и в неуглеводородном составе нефтей, а также в ОВ осадочных пород. Реликтовыехимические соединения по своей структуре близки к некоторым биологическим веществам или их фрагментам: стероидам, терпенам и терпеноидам, порфиринам (хлорофилл, гем крови), аминокислотам и другим.

Хемофоссилии являются устойчивыми соединениями, поэтому они почти в неизменном виде поступают из химических остатков организмов в осадки, сохраняются при литогенезе, переходят в состав нефтей и несут информацию об условиях образования и преобразования нефтематеринского ОВ и заключающих их осадков и горных пород. Из УВ к хемофоссилиям относятся высокомолекулярные нормальные и изопреноидные алканы, полициклические нафтены, а из неуглеводородных компонентов нефти – порфирины, амиды кислот.

refac.ru


Смотрите также