Федеральное агентство по образованию 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕЛЯБИНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Институт  экономики отраслей, бизнеса и  администрирования 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

По дисциплине: «Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений»

На тему: «Состав и свойства нефти и  газа» 
 
 
 
 
 

                                                              выполнил:

                                                                                           студент гр.28 – ПЗ – 401

                                                                  Королева Н.

                                                              проверил:

                                                                        Колмакова Н.С. 
 
 
 

Копейск 2011

Содержание: 

Введение

1.Состав  нефти

1.1 Химический состав нефти

     Углеводороды  нефти и нефтепродукты

     Алканы

     Циклоалканы

     Арены и углеводороды смешанного строения

     Непредельные  углеводороды

     Гетероатомные соединения и минеральные компоненты нефти

     Кислородные соединения

     Сернистые соединения

     Азотистые соединения

     Смолисто-асфальтовые  вещества

     Минеральные компоненты

1.2 Групповой химический состав нефтей

1.3 Фракционный состав нефти

1.4 Элементный и изотопный состав нефтей

1.5 Определение содержания воды

2. Состав газа

2.1 Химический состав

Заключение

Список  литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение:

   Энергетические  ресурсы играют ведущую роль в  современной экономике. Уровень  развития производительных сил каждого  государства определяется в значительной степени масштабам», потребления энергоресурсов. О важной роли энергоресурсов свидетельствует то обстоятельство, что более 70 % добываемых в мире полезных ископаемых относится к источникам энергии. 
Основные виды энергоресурсов — уголь, нефть, природный газ, гидроэлектроэнергия и ядерная энергия.. 
В настоящее время нефть — основной  источник энергии в большинстве стран мира. На топливах, полученных из нефти, работают двигатели сухопутного, водного и воздушного транспорта, поднимаются космические ракеты, вырабатывается электроэнергия на тепловых электростанциях. 
Современный уровень цивилизации и технологии был бы немыслим без той дешевой и обильной энергии, которую предоставляет нам нефть. Сегодня она имеет несколько значений для народного хозяйства страны:

• сырье для нефтехимии в производстве синтетического каучука, спиртов, полиэтилена, полипропилена, широкой гаммы различных пластмасс и готовых изделий из них, искусственных тканей;
• источник для выработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных топлив), масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительных материалов (битумы, гудрон, асфальт);
• сырье для получения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок в корм скоту для стимуляции его роста.

     Природный газ, открытый тысячи лет назад, стал незаменимым энергоносителем в большей части промышленно развитого мира. В самом благоприятном положении находятся страны, имеющие хотя бы небольшие собственные запасы природного газа, в то время как некоторые страны, например Япония, должны импортировать практически весь требующийся газ. В районах, богатых нефтью, обычно имеются и значительные запасы природного газа. К таким регионам относятся Россия, США, Ближний Восток, Мексика, некоторые районы Южной Америки, а также европейские страны, прилегающие к Северному морю.

     Промышленное использование природного газа – в качестве различных видов технологического топлива – стимулируется возможностями более точного регулирования генерируемого теплового потока по сравнению с другими видами топлива. В силу этого природный газ находит все более широкое применение в тех отраслях промышленного, для которых строго регламентирована подача тепла, имеет важное практическое значение: в пищевой, стекольной, керамической и цементной промышленности, при производстве кирпича, фарфора и других хрупких материалов. Потребление природного газа приобретает все более широкие масштабы и в современной нефтехимии, использующей углеводородный газ в качестве сырья для получения аммиака, азотных удобрений и т.п.

Широкое использование газообразного топлива  в жилищно-коммунальном хозяйстве  и сфере услуг обусловлено  такими потребительскими свойствами, как высокая калорийность, удобство применения и чистота сгорания.

Все большее  распространение получает использования газа в качестве топлива на автомобильном и железнодорожном транспорте.

Говоря  о потреблении газообразного  топлива, следует подчеркнуть, что  наряду с природным газом, в качестве технологического и коммунально- бытового топлива, а также химического сырья, используются искусственные газы: заводской, нефтезаводской, коксовый, доменный и т.д.

В настоящее  время на долю различных видов  искусственного газа в целом приходится около 15% совокупного потребления  газообразных углеводородов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Состав нефти

     Нефть представляет собой взаимный сопряжённый раствор  углеводородов и гетероатомных  органических соединений. Надо подчеркнуть, что нефть – это не смесь  веществ, а раствор углеводородов  и гетероатомных органических соединений. Это означает, что при изучении нефти к ней надо подходить как к раствору.

     Нефть – не просто растворённое вещество в растворителе, а взаимный раствор ближайших  гомологов и иных соединений друг в друге. Наконец, сопряжённым раствор  назван в том смысле, что, растворяясь друг в друге, ближайшие по строению структуры образуют систему, представляющую нефть в целом.

     Если нарушается сопряжённое взаимное растворение  ближайших компонентов, то может  частично разрушиться и система  нефти. Например, если разгонкой убрать из нефти средние фракции, то при соединении головных фракций лёгкого бензина с остаточными тяжёлыми фракциями может и не произойти растворения, а часть смолистых веществ выпадет в осадок – система сопряжённого взаимодействия будет нарушена.

Собственно нефть  представляет собой жидкий ископаемый минерал, залегающий в пористых осадочных  породах земной коры, в трещинах, расселинах и других пустотах материнских  горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов  и т.п.)

     Нефть представляет собой тёмно-коричневую, иногда почти бесцветную, а иногда даже имеющую чёрный цвет жидкость.

Нефть является горючим  ископаемым наряду с каменным углем, бурым углем и сланцами, которые  получили название каустоболитов. В  отличие от других горючих ископаемых нефть состоит из готовой смеси различных углеводородов, тогда как для получения углеводородов из твёрдых горючих ископаемых требуется специальная термическая обработка. Поэтому нефть является ценнейшим сырьём как для получения разнообразных моторных топлив и смазочных масел, так и продуктов нефтехимического синтеза.

1.1 Химический состав нефти

   В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений. Главную часть нефтей составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые и ароматические. По углеводородному  составу все нефти подразделяются на: 1) метаново-нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3) ароматическо-нафтеновые, 4) нафтеново-ароматические, 5) ароматическо-метановые, 6) метаново-ароматические и 7) метаново-ароматическо-нафтеновые. Первым в этой классификации ставится название углеводорода, содержание которого в составе нефти меньше. 

   Углеводороды  нефти и нефтепродуктов 

     Углеводороды  – наиболее простые по составу  органические соединения. Их молекулы построены из атомов только двух элементов  – углерода и водорода. Общая формула C_nH_m. Они различаются по строению углеродного скелета и характеру связей между атомами углерода (схема 1).

     По  первому признаку их делят на ациклические (алифатические) углеводороды, молекулы которых построены из открытых углерод  – углеродных цепочек, например, гексан и изогексан:

                                                                             СН₃

   СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃            СН₃-СН-СН₂-СН₂-СН₃ ,

гексан                                                                    изогексан 

и циклические (карбоциклические) углеводороды.

     Карбоцикличекие углеводороды, обладающие особыми свойствами («ароматический характер»), получили название ароматических, например: 

     Другие  карбоциклические углеводороды, например, циклогексан, называются алициклическими: 

     По  характеру связей между углеродными  атомами углеводороды могут быть насыщенные, или предельные (алканы), и ненасыщенные (непредельные). Последние  могут содержать разное количество двойных (алкены, алкадиены, циклоалкены и др.), тройных (алкины, циклоалкины и др.) связей или те и другие одновременно: 
 

 Схема 1. Классификация  углеводородов

     Алканы

     Алканы  – алифатические углеводороды, в молекуле которых атомы углерода связаны между собой и с атомами водорода одинарной связью (σ-связь). Осюда и другое их название – предельные, или насыщенные, углеводороды. Родоначальник и простейший представитель алканов – метан СН₄. В молекуле метана, как и в молекулах других алканов, атом углерода находится в состоянии sp³- гибридизации. Общая формула соединений этого ряда С_nH_2n+2. Каждый последующий

     Алканы  занимают исключительно важное место  среди углеводородов нефти. Так, природные газы представлены почти исключительно алканами.

     Общее содержание алканов в нефтях составляет 40-50% (об.), а в некоторых нефтях оно достигает 50-70%. Однако есть нефти, в которых содержание алканов  составляет всего 10-15%.

     Лёгкие  фракции любых нефтей почти целиком состоят из алканов. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. В средних фракциях, выкипающих в пределах 200-300 ⁰С, их содержится обычно не более 55-61%, а к 500 ⁰С количество этих углеводородов снижается до 19-5% и менее.

     Жидкие  алканы. Содержание жидких алканов в зависимости от месторождения нефти колеблется от 10 до 70 %. Наиболее богаты ими мангышлакские, сибирские, татарские, башкирские нефти. При фракционной разгонке эти углеводороды попадают в бензиновый (С₅-С₁₀) и керосиновый (С₁₁-С₁₆) дистилляты. В настоящее время в нефтях найдены все возможные изомеры пентана, гексана и гептана.

     Обычно  нефть содержит, главным образом, два-четыре десятка индивидуальных нормальных и изомерных алканов, остальные присутствуют в незначительных количествах.

     Наиболее  характерно содержание алканов нормального  и слаборазветвлённого строения. Причём из последних наиболее часто  встречаются метилзамещённые.

     В табл. 5 приведены усреднённые данные о содержании индивидуальных алканов в бензиновых фракциях нефтей.

     Из 18 изомеров октана обнаружено 17. Из 35 возможных  изомеров нонана обнаружено 24.

     Декан и его десять изомеров выделены, а большая часть обнаружены спектроскопическим методом.

     Из  углеводородов С₁₁-С₁₆ найдены ундекан, додекан, три- и тетрадекан, пентадекан и гексадекан. 
 
 
 
 
 
 

     Таблица 5

     Относительное содержание алкановых углеводородов

     во  фракциях различных нефтей

     В некоторых нефтях обнаружены изопреноидные  углеводороды -разветвлённые алканы с правильным чередованием метильных заместителей в цепи через три метиленовые группы:

     Содержание  их в различных нефтях составляет до 9 %.

     Изопреноидные углеводороды представляют особенный  интерес для геохимии нефти, поскольку обладают специфической структурой, характерной для биохимических компонентов. Особенности их строения и высокая концентрация в различных нефтях свидетельствуют в пользу их биогенной природы.

     При изучении распределения в нефтях нормальных алканов и алканов изостроения обнаружены закономерности, связанные с типом нефти. В нефтях метанового типа преобладают нормальные алканы (до 50 %). В нефтях нафтенового типа содержатся преимущественно изоалканы (до 75 % и  более). Они могли образоваться в нефтях из фитола - ненасыщенного алифатического спирта растительного происхождения, который является составной частью хлорофилла.

     Так как нефти метанового типа относятся  к старым нефтям, преобладание в  них алканов нормального строения объясняют протеканием реакций отщепления боковых цепей у углеводородов изостроения. Преимущественное содержание изоалканов в  нафтеновых нефтях свидетельствует, что они относятся к молодым, не претерпевшим ещё значительных превращений.

     Жидкие  алканы имеют большое значение в жидких топливах. Установлено, что нормальные алканы являются носителями детонирующих свойств, в результате чего их присутствие в бензинах нежелательно.

     Напротив, они желательны в дизельном топливе, т. к. с увеличением длины цепи повышается так называемое цетановое число, которое характеризует способность дизельного топлива к воспламенению.

     Алканы  разветвлённого строения придают бензинам антидетонационные свойства, характеризуемые  октановым числом.

     Жидкие  алканы, входя в состав бензина, керосина и других продуктов переработки нефти, используют в первую очередь как топлива. Значительное количество нормальных алканов используют для получения синтетических жирных кислот, спиртов и поверхностно-активных веществ. Кроме того, они являются сырьём для микробиологической промышленности, производящей белково-витаминные концентраты.

     Твёрдые алканы. Твёрдые алканы присутствуют во всех нефтях. Для всех твёрдых алканов укрепилось техническое название “парафины”. Парафинов в нефтях содержится мало (0,1-5%). Однако встречаются высокопарафинистые нефти с содержанием 7-27% твёрдых парафинов.

     Основная  их масса содержится в мазуте, при  перегонке которого углеводороды с  числом углеродных атомов от 17 до 35 попадают в масляные дистилляты, а С₃₆-С₅₅ остаются в гудроне. По химическому составу углеводороды, выделенные из масляных фракций, составляют более 75% нормальных алканов и небольшие количества циклоалканов и разветвлённых углеводородов. Они имеют температуру плавления 45-54 ⁰С, температуру кипения до 550 ⁰С, плотность 0,860-0,940 и молекулярную массу 300-500. Твёрдые углеводороды с числом углеродных атомов от 36 до 55 носят название церезины. В состав церезинов входят алканы нормального и изостроения, которые могут содержать в молекуле циклоалкановые и ароматические структуры. Церезины имеют температуру плавления 65-88 ⁰С, температуру кипения выше 600 ⁰С, молекулярную массу 500-750. По внешнему виду похожи на воск.

     Парафины  легко кристаллизуются в виде пластинок и пластинчатых лент. Церезины же кристаллизуются в виде мелких игл, поэтому они не образуют прочных застывающих систем, как парафины.

     В нефти парафины находятся в растворённом и взвешенном состоянии. На холоде растворимость  их в нефти и нефтяных фракциях невелика, но при нагревании около 40 ⁰С парафины неограниченно растворяются в них. Так как в недрах Земли повышенная температура, то в нефтях парафины находятся в растворённом состоянии, выделяясь из них в виде твёрдой фазы при подъёме нефти на поверхность. Поэтому при содержании их в нефти в пределах 1,5-2 % парафины отлагаются в скважинах и промысловых нефтесборных трубопроводах, затрудняя эксплуатацию скважин и транспорт нефти.

     Парафины  и церезины имеют разнообразное  применение в химической промышленности, в производстве вазелина, в пропитке древесины, аппретировании тканей, в качестве изолирующего материала в электро- и радиотехнике.

     Парафины  применяют в качестве загустителя  в производстве пластических смазок. Особенно большое значение они имеют, также как и жидкие алканы, для  производства синтетических жирных кислот и спиртов. 

     Циклоалканы 

     Циклоалканы или цикланы – углеводороды, содержащие в молекуле циклы (кольца), построенные  из атомов углерода (карбоциклические соединения), связанные между собой  σ-связью. Из рассмотренной ранее  классификации следует, что цикланы входят в состав алициклических соединений. Общая формула циклоалканов C_nH_2n. Следовательно, молекулы цикланов, не имеющие заместителей, состоят из связанных между собой и замкнутых в кольца групп СН₂ (метиленовая группа); отсюда и другое их название – полиметиленовые соединения.

     В технической литературе (в том  числе и в нефтяной) циклоалканы  называют нафтенами. Последнее название им дал В.В. Марковников, впервые открывший эти углеводороды в 1833 году в бакинских нефтях.

Циклоалканы по числу циклов в молекуле подразделяются на моноцикланы (общая формула С_nН_2n), бицикланы (С_nН_2n-2) и полицикланы (С_nН_2n-4, С_nН_2n-6 и т.д.).

     Нефти содержат от 25 до 75 % (масс.) циклоалканов. Содержание и распределение структур циклоалканов по фракциям определяется типом нефти.

     Моноциклические циклоалканы являются преобладающими компонентами нефти. Они представлены преимущественно метилзамещёнными циклопентанами и циклогексанами. Преобладают  соединения, замещённые в положении 1,3 и 1,2,3. Циклогексановые гомологи более  распространены, чем циклопентановые. Аномально высокое содержание этих углеводородов связано с происхождением нефти. В небольшом количестве в нефтях найдены алкилциклогептаны.

Из бициклоалканов в нефтях найдены конденсированные

и их гомологи. Наиболее широко распространены имеющие практическое значение декалины. Кроме конденсированных бициклоалканы могут быть представлены в нефтях гомологами дициклопентила и циклогексила, циклопентилциклогексила и дициклогексилметана:

Из трициклических циклоалканов в нефтях обнаружен  лишь трицикло (3.3.1.1.^3,7)декан (адамантан) и его гомологи: 

Молекула  адамантана очень устойчивая. Кристаллическая  решётка у него такая же, как  у алмаза.

     В высших фракциях нефти содержатся полициклические  алканы, молекулы которых представляют системы конденсированных 4,5 и 6-ти циклов с короткими боковыми цепями (терпаны, стераны), происхождение которых  связывается со стероидами, широко распостранёнными в живой природе.

Моноциклические циклоалканы с длинными боковыми цепями, а также циклоалканы сложной  конденсированной структуры представляют собой при обычной температуре  твёрдые вещества. Они являются компонентами парафинов и церезинов.

     В настоящее время из нефтей выделяют лишь циклогексан, который используют в нефтехимическом синтезе, и производные адамантана, применяемые в различных областях (лекарственные вещества, полимеры и др.). Другие циклоалканы нефтей используют в качестве добавок к бензинам, либо перерабатывают с целью получения ароматических углеводородов.

     Чем больше циклоалканов содержат бензины  и керосины, тем более высококачественными  топливами  они являются. По отношению  к детонационной стойкости они  занимают среднее положение между  алканами нормального строения и аренами. Наиболее высокими антидетонационными свойствами обладают циклопентан и циклогексан.

В дизельных  топливах желательны моноциклоалканы  с длинными боковыми цепями. Для  реактивных топлив особенно желательны малоразветвлённые моноциклоалканы, поскольку при сгорании они выделяют много тепла и обладают низкой температурой застывания.

     Для смазочных масел предпочтительнее моно- и бициклические циклоалканы  с длинными боковыми цепями. Они  имеют хорошую вязкость, смазывающую  способность, низкую температуру застывания.

     Непредельными или ненасыщенными углеводородами называются соединения, содержащие двойные  или тройные связи. Непредельные углеводороды образуют несколько гомологических рядов, состав которых выражается одной  из следующих формул: С_nH_2n, C_nH_2n-2, C_nH_2n-4  и т. д. 
 
 

     Арены и углеводороды смешанного строения

     Арены, или ароматические углеводороды, - соединения, содержащие в молекуле особую циклическую группировку  из шести атомов углерода, которая  называется бензольной группировкой (бензольное ядро):

бензольное  ядро 

     Название  углеводородов этой группы «ароматические соединения» - случайное и сегодня  потеряло свой первоначальный смысл. Действительно, первые открытые соединения или обладали специфическим, иногда приятным запахом, или были выделены из природных сильно пахнущих продуктов. Но количество «ароматных» веществ среди многочисленных известных соединений этой группы невелико. В то же время наблюдается ряд особенностей в строении, физических свойствах и химическом поведении этих веществ, связанных с наличием в молекуле бензольных группировок.

     Различают одноядерные (одна бензольная группировка  в молекуле) и многоядерные ароматические  углеводороды, содержащие две или  более бензольные группировки. В молекулах аренов в качестве боковых цепей могут находиться углеводородные радикалы с неразветвлённой или разветвлённой углеродной цепочкой, а также содержащие двойные или тройные связи и циклические группировки: