Природные горючие (углеводородные) газы

К наиболее распространенным в природе газам относятся метан, азот и углекислый газ. Эти газы, образующиеся при разнородных биохимических и химических процессах, встречаются в том или ином количестве в составе всех природных газов и нередко в виде значительных скоплений. Другие газы играют подчиненную роль, занимают лишь небольшой объем и редко образуют скопления. К числу последних относятся водород и сероводород, а также УВ газы – этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀), отмечаются следы С₅ – С₈, а также другие газы, сопутствующие метану (СН₄ ) (табл. 3).

Таблица 3. Типы природных газов земной коры [47]

Природные газы находятся на Земле в различном состоянии: свободные в атмосфере и газовых залежах, растворенные в водах, сорбированные, окклюдированные, в виде твердых растворов – газогидратов. Газы, растворенные в нефти и выделяющиеся при разработке и самоизлиянии, называются попутными. Высокое энергосодержание, способность к химическим превращениям, низкое загрязнение биосферы обусловливают использование углеводородных газов в качестве наиболее удобного топлива и ценного химического сырья. Главным компонентом природных горючих газов является метан.

Природный газ считаетсясухим, если он состоит главным образом из метана (85 – 95%), с низкими содержанием этана (10 – 5% и менее), практическим отсутствием пропана и бутана, с содержанием менее 10 см³/м³ способных конденсироваться жидкостей. Газтощий– пластовый газ метанового состава с низким содержанием этана, пропана и бутана; количество конденсата - 10-30см³/м³. Газ жирный – пластовый газ с содержанием конденсата от 30 до 90 см³/м³ [47].

Природные газы бесцветные, легко смешиваются с воздухом, растворимость их в воде и нефти различна. Свойства газов на поверхности и в пластовых условиях отличаются, они во многом определяются термобарическими условиями и физико-химическими параметрами среды. На растворимость природного газа влияют температура, давление, состав газа и нефти. Растворимость газа в нефти повышается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры; она растет в ряду С₁ – С₄. Растворимость газа уменьшается с увеличением плотности нефти. Давление, при котором данная нефть полностью насыщена газом, называется давлением насыщения; если давление в залежи падает, то газ выделяется в свободную фазу [47]. Химический состав природных газов неоднороден и зависит от условий их образования и нахождения в осадочной толще. Согласно классификации В.А.Соколова (1956-1967 г.г.), природные газы могут быть подразделены на газы: атмосферы, земной поверхности, осадочной толщи и изверженных пород. Каждый из этих типов газов имеет свои специфические особенности и может находиться в свободном, сорбированном и растворенном состоянии.

Свободныегазы содержатся в порах горных пород и встречаются как в рассеянном виде, так и в виде скоплений. Рассеянные газы повсеместно пронизывают горные породы и содержатся в замкнутых и сообщающихся порах. Более или менее значительные концентрации газов возможны лишь в сообщающихся порах, в зонах повышенной кавернозности и трещиноватости и при определенных условиях приводят к формированию скоплений газов, имеющих промышленное значение.

Сорбированный газ удерживается на поверхности частиц породы (адсорбция) либо пронизывает всю массу плотных участков каждой частицы и минерала (абсорбция), нередко вступая при этом в химическое взаимодействие с последним (хемосорбция).

Растворенные газы – газы жидких растворов; включают газы, повсеместно распространенные в водных растворах и нефтях, пропитывающие горные породы и выделяющиеся из недр земной коры в виде минеральных и термальных источников [47].

Отличительной особенностью атмосферных газов является наличие свободного кислорода. Главными компонентами атмосферного газа являются азот, на долю которого приходится 78.09%, кислород, составляющий 20,95%, аргон – 0.93% и двуокись углерода – 0,03%, а также присутствуют неон (0,0018%), гелий (0,00052%), криптон (0,0001%), водород (0,00005%).

На земной поверхности процессы газообразования интенсивно протекают в условиях заболоченных площадей и в илистых отложениях на дне различных водоемов в результате анаэробного микробиального разложения органических остатков. Характерными компонентами этих газов являются метан, углекислый газ, сероводород. Нередко в них содержится и значительное количество азота, на долю которого приходится до 90% всех газов. В составе газов, образующихся в почвенных слоях, в результате процессов разложения органических остатков при свободном доступе кислорода обнаружены углекислый газ, метан, закись азота, окись углерода, водород, аммиак.

Среди природных газов осадочной толщи, образующих промышленные скопления, следует выделять: сухие газы, попутные нефтяные газы, газы конденсатных месторождений, газы каменноугольных месторождений [11, 14, 47, 49].

Попутные нефтяные газы - смесь предельных УВ состава С_n Н_2n+2, в которой кроме метана содержатся значительные количеств ТУВ: этан, пропан, изо-бутан, н-бутан. Наряду с этими УВ в них содержатся пары более ТУВ: н-пентана, изо-пентана, н-гексана, изо-гексана и другие. Суммарное содержание ТУВ в попутном газе достигает более 10 - 50%. В различных количествах в нем присутствуют углекислый газ, азот, сероводород, водород, гелий аргон и другие.

Газы газоконденсатных месторождений содержат ТУВ (свыше 10%); наличие тяжелых газообразных УВ является отличительной особенностью газов нефтяных и газоконденсатных месторождений.

Газы каменноугольных месторождений обычно содержат много метана и в различной степени обогащены углекислым газом и азотом. Содержание двух последних компонентов в смеси газов обусловлено газообменом с атмосферой и увеличивается по мере приближения к поверхности земли. ТУВ, как правило, отсутствуют в газах угольных месторождений.

Природные горючие газы либо находятся в виде самостоятельных залежей в угольных, чисто газовых и нефтяных месторождениях, либо образуют так называемую газовую шапку над нефтяной залежью, либо содержатся в растворенном состоянии в нефти (попутные газы).

Основной характеристикой УВ – состава газов является количественное соотношение метана и ТУВ – показатель «сухости» газа обратная величина, характеризующая жирность газа (Черепенникова, 1955).

В настоящее время установлено, что гелий, содержащийся в природных горючих газах, образуется за счет радиоактивного распада урана и тория в породах различного состава. Принимая, что аргон преимущественно космического происхождения, по соотношению гелия и аргона устанавливается относительный возраст газа (Савченко, 1935).

Воздушный азот и азот, образующийся в процессе биохимического преобразования ОВ, составляют азот природных газов. Учитывая постоянство аргоново-азотного соотношения в воздушном газе, по соотношению аргона и азота в составе смеси природных газов к их отношению в воздухе устанавливается доля биогенного азота в природном газе (Савченко, 1935).

Основные физические свойства газов:растворимость (коэффициент растворимости УВ–газов в нефтях колеблется от 0,25 до 2). Количество газа, растворенного в 1 т пластовой нефти, называется растворимостью газа в нефти или газосодержанием, а количество добытого газа, приходящегося на 1 т добытой нефти, называется газовым фактором. Сорбция, фильтрация, вязкость, диффузия и другие [14].

Решающую роль во всех процессах играют температура и давление, определяющие состав и состояние газовой смеси на поверхности и на различных глубинах в недрах земной коры. Увеличение температуры и давления может привести к полному растворению газов в нефти (и водах), то есть к образованию однофазной жидкой системы (с растворенным газом). Одновременно увеличение температуры и давления способствует растворению жидкой фазы в газе, и при достаточном количестве газов в условиях критических температур и давлений возможен переход смеси жидких и газообразных УВ в однофазное газовое состояние – газоконденсатное. Соответственно, в процессе миграции по мере снижения давления и температуры, происходит дифференциация состава нефтей и газов.

Конденсат– жидкий продукт сепарации подземных газов. Конденсат пластовых газов представлен в основном жидкими в нормальных условиях УВ. В высокотемпературных газовых струях зон активного вулканизма в составе конденсата преобладает вода. В промысловой практике имеют дело с конденсатом УВ состава. В него обычно входят преимущественно пентан и ТУВ алканового, цикланового и аренового состава. Плотность конденсата, как правило, не превышает 0.785 г/см³, хотя известны разности с плотностью до 0.820 г/см³. Конец кипения от 200 до 350 ⁰С. Различают конденсат сырой (полученный при сепарации) и стабильный( полученный путем глубокой дегазации сырого конденсата) Сырой конденсат содержит много газовых компонентов, особенно бутана. Стабильный конденсат практически содержит пентан и более тяжелые УВ. Количество конденсата в пластовых газах выражается либо отношением его объема к объему сепарированного газа (см³/м³), либо величиной газового фактора. Количество конденсата, отнесенное к 1 м³ сепарированного (свободного) газа, достигает 700 см³ [47].