5.Схарактеризуйте фізичні властивості нафти, які визначають їхній характер і використовуються при підрахунку запасів і проектуванні розробки родовищ.

Нафта - це масляниста речовина різної консистенції - від дуже рухомої (рідкої) до густої (смолеподібної). Колір нафт - від чорного та темно-коричневого до жовтого та світло-жовтого (так звані "білі нафти"). Часто нафти мають зеленкуватий або синюватий відтінок. Колір нафт здебільшого залежить від вмісту смолисто-асфальтенових сполук.

Нафта характеризується цілою низкою фізичних параметрів, найголовнішими є: густина, в'язкість, поверхневий натяг, молекулярна вага, температура кипіння, теплотворна здатність, оптична активність, розчинність, люмінісценція та деякі інші.

Густина - це маса нафти в одиниці об'єму (кг/м³ ). Зручно виражати густину нафт через безрозмірну величину, тобто через відношення густини нафти до густини води при 4°С. У нашій країні густину нафт та нафтопродуктів визначають при стандартній температурі 20°С.

Абсолютна більшість нафт в поверхневих умовах має густину в межах 760-990 кг/м³.

Густина нафт залежить від: вмісту смолисто-асфальтенових сполук, фракційного складу нафт, молекулярної маси вуглеводнів та будови молекул, що складають основну частину нафт. В пластах за рахунок розчинення газу та температури густина нафт на 5 — 30 % менша за густину в стандартних умовах. Найбільший вплив на густину нафт мають смолисто-асфальтенові сполуки, наявність яких призводить до зростання густини. Наявність низькокиплячих сполук має зворотну дію і призводить до зниження густини нафт.

В'язкість. Однією з найбільш характерних особливостей рідин взагалі, і нафт зокрема, є здатність змінювати свою форму під дією зовнішніх сил. Ця властивість пояснюється легкою рухомістю молекул. В’язкістю або внутрішнім тертям називається властивість рідини чинити опір при взаємному переміщенні її частинок, яке викликане дією зовнішньої сили, що прикладена до рідини. Одна і та ж сила може викликати в різних рідинах неоднакові швидкості переміщення шарів, які рівновіддалені один від одного.

Більшість нафт належить до нормальних "ньютонівських" рідин,для яких в'язкість при даній температурі і тиску є постійною фізичною величиною. Зустрічаються також нафти, які відносяться до "неньютонівських'", тобто рідин, які мають певні структурно-механічні властивості. Рух цих рідин починається під дією сили, яка перевищує величину початкового напруження зсуву."Неньютонівськими" виступають нафти з великим вмістом парафіну, смол та асфальтенів і при невисоких температурах.

В'язкість визначають переважно за швидкістю витікання рідни через тонкі капілярні трубки. Розрізняють в'язкість динамічну, або абсолютну, кінематичну, а також в'язкість умовну.

Динамічна в'язкість (μ) в системі СІ мас розмірність Н*с/м², або Па*с. Ця одиниця досить велика, тому в практиці частіше використовується міліпаскаль-секунда (мПа*с), яка числово відповідає одному саптипуазу, що вживався раніше.

Кінематичною в'язкістю (ν) називають відношення динамічної в'язкості до густини нафти (ρ) при тій же температурі.

Кінематична в’язкість в системі СІ має розмірність м²/с. Ще іноді використовують в'язкість умовну, яка виражається в градусах. ВУ (в'язкість умовна) - це відношення часу втікання певною об'єму нафти до часу втікання того ж об'єму води через тонкий отвір стандартного приладу.

В'язкість нафт у поверхневих умовах коливається в дуже широких межах від 1-2 до кількох сот мПа*с. В пластових умовах вона коливається від десятих часток до сотень мПа*с.

В'язкість нафт залежить від хімічного складу, температури, тиску та кількості розчиненого газу. З ростом температури кипіння окремих фракцій нафт зростає також і в'язкість. Серед класів вуглеводневих сполук найвищу в'язкість мають нафтени, а відтак ідуть ароматичні та метанові сполуки. В'язкість нафт зменшується з ростом температури і кількості розчиненого в нафті вуглеводневого газу. Тільки при розчиненні азоту в нафті її в'язкість зростає. При невисоких температурах багато нафт взагалі не течуть. Тиск впливає на збільшення в'язкості, але незначно.

Поверхневий натяг - це сила, з якою рідина чинить опір збільшенню своєї поверхні, або це робота (енергія), яку потрібно затратити на збільшення поверхні рідини на одиницю площі. У Міжнародній системі СІ за одиницю поверхневою натягу прийнято 1 Н/м, або 1 Дж/м². Дня практичних цілей використовують величину в тисячу разів меншу, тобто 1 мН/м.

Поверхневий натяг існує тільки на границях фаз і має істотне значення при русі нафт і газів в пористому середовищі, оскільки умовою рівноваги рідин є мінімум вільної поверхневої енергії. За відсутності зовнішніх сил рідина має мінімальну поверхню і приймає сферичну форму. На її зміну необхідно затрачувати відповідну кількість енергії.

Вода змочує сильніше (більша висота капілярного підняття), тому вона відтискає нафту від стінок капіляра (пор) в гірській породі.

Поверхневий натяг нафт на межі з повітрям може коливатись в межах 17-35 мН/м. а для води становить 73 мН/м при температурі 20°С. При зростанні тиску і температури поверхневий натяг на межі нафти і газу поступово знижується і є нижчим за поверхневий натяг на межі з повітрям.

Поверхневий натяг нафти на межі з водою мало залежить від тиску і температури (окрім температур понад 300°С). На величину поверхневого натягу між нафтою та водою сильно впливає присутність в нафтах чи воді поверхнево-активних речовин. За наявності в нафті значної кількості нафтенових кислот, які є поверхнево-активними речовинами, та лужної води, поверхневий натяг між ними може бути незначним (в межах 1-5 мН/м).

Молекулярна маса - важлива характеристика нафт. Вона дає можливість судити про середнє значення молекулярної маси сполук, що входять до складу нафти. Переважно молекулярна маса нафт коливається в межах 200-300, хоч іноді може перевищувати навіть 600.

Температура кипіння. Окремі сполуки киплять при різних температурах. Для нафт завжди вказується початок кипіння, який здебільшого знаходиться в межах 60-120°С. При подальшому нагріванні нафта безперервно кипить. Чим більша молекулярна маса окремих сполук, тим вища їх температура кипіння. Циклічні вуглеводні киплять при вищій температурі, ніж метанові, при однаковій кількості атомів вуглецю. Розгонку нафти в нормальних умовах ведуть до температур 300-350°С, не дивлячись на те, що в нафтах присутні сполуки, які мають температуру кипіння понад 500-600°С.

Температура застигання і плавлення нафт. Це температура переходу від рідкої до твердої консистенції і навпаки. Індивідуальні хімічні сполуки переходять з рідкого стану в твердий і навпаки при визначеній та постійній температурах. Нафти, які завжди є сумішами різних сполук, що мають різну температуру плавлення, поводять себе зовсім інакше. При охолодженні парафіни утворюють кристалічну решітку у всій масі нафти, і вона втрачає рухомість, хоч більшість інших сполук перебувають у рідкому стані. З цими процесами утворення і руйнування кристалічних решіток пов'язана різниця у декілька градусів температури застигання і плавлення при однаковій методиці їх визначення. При високому вмісті смол і асфальтенів нафти перестають також бути рухомими при зниженні температури. Тому терміни застигання і плавлення носять дещо умовний характер, але мають важливе практичне значення. Температура застигання нафт коливається від мінусових температур до 50-40°С і вище.

Слід відрізняти явище застигання нафт від згущення. Згущення нафти відбувається за рахунок випаровування (втрати) легких фракцій, а не пониження температури.

Теплотворна здатність - це кількість тепла, що виділяється при повному згорянні 1 кг нафти. Вона становить 41000-46000 кДж/кг. За цією властивістю нафти значно перевищують всі сорти вугілля, торфу та деревини.

Оптична активність – це властивість нафти повертати площини поляризації світлового пучка майже завжди вправо до 1-2°. Оптична активність зумовлена асиметричною будовою окремих молекул.

Розчинність вуглеводневих газів у нафтах висока. Вона зростає з підвищенням їх молекулярної маси і залежить від складу нафт та термобаричних умов. Нафти легко розчиняються у всіх органічних розчинниках, бо вони мають з ними схожу міжмолекулярну взаємодію. Нафта сама є органічним розчинником. Зате розчинність нафт у воді і відповідно води у нафтах є дуже низькою. Тільки деякі складники нафти, такі як нафтенові кислоти та бензол, мають трохи кращу розчинність у воді. Підвищення температури і тиску призводить до зростання взаєморозчинності води і нафти. Це особливо стає помітним при температурах понад 100°С. Майже повна взаєморозчинність наступає при наближенні до критичної температури води (374,2°С). Розчинність нафт у вуглеводневих газах при високих температурах і тиску може досягти 1 кг і більше на 1 м³ газу. Практично нерозчинними у газах є такі складники нафт, як асфальтени.

Люмінесценція нафти - це світіння під дією ультрафіолетового проміння. Нафти світяться в блакитних, жовтих, жовто-бурих та бурих тонах з різною інтенсивністю. На основі люмінесценції базуються методи виявлення нафти і бітумів у гірських породах.

Електричні властивості Нафта є діелектриком.

Магнітні властивості. Нафти загалом належать до діамагнетиків. Найбільшими діамагнетиками в нафті є алкани. Найбільшу магнітну сприйнятливість мають важкі нафти.

Радіоактивність нафти - це властивість, яка виражається видом і концентрацією радіоактивних елементів. За величиною вона перебуває на рівні загального фону, але відчутна для реєстрації. Підвищену радіоактивність мають важкі нафти.

Коефіцієнт стиску нафти, або коефіцієнт пружності - це відносна зміна об'єму нафти при зміні тиску па одиницю. Дегазовані нафти мають коефіцієнт стиску в межах (4-7)*10^-10 Па^-1 . В пластових умовах, де розчинено в нафті багато газу, цей коефіцієнт може досягати величини 150*10^-10 Па^-1. Для води він становить (4-5) *10^-10 Па^-1.

Коефіцієнт термічного (теплового) розширення - це величина зміни об'єму нафти при зміні температури на 1°С і становить (10-18) *10^-4 1/°С, а при високому вмісті розчиненою газу може досягти 25-10^-4 1/°С. Для води він дорівнює (1.5-7.5) 10^-4 1/°С.

Теплопровідність нафт становить 0.1-0.14 Вт/м*гр. і вона в 4-5 разів менша за теплопровідність пластових вод.

Знання фізичних параметрів газу, нафти і води та їх порівняння дає підстави для пояснення багатьох явищ, що мають місце в надрах Землі.