Схарактеризуйте природний горючий газ: форми знаходження в земній корі, елементний, вуглеводневий і невуглеводневий склад, фізичні властивості

Природні горючі гази це суміші різних, переважно вуглеводневих газів, які здатні горіти. Як домішки зустрічаються сірководень, вуглекислий газ, азот, водень та інертні гази.

Гази в земній корі можуть знаходитись в таких станах: вільному, розчиненому (в нафті або воді), сорбованому породами і газогідратному (твердому). Компонентний склад газів може змінюватись в широких межах.

До вуглеводневих газів належать: метан (СН₄) етан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀) та пари легких рідких вуглеводнів, зокрема пентанів і гексанів. Головною їх складовою частиною є метан, вміст якого у суміші здебільшого перевищує 85-90 %. На частку важких вуглеводнів (етану, пропану, бутану) зрідка припадає більше 5 - 7%.

Розчинений в нафті газ (супутній, попутний) має значно більший вміст важких вуглеводнів (іноді навіть до 50 %). Етан та інші важкі вуглеводневі гази є важливою хімічною сировиною.

Зазвичай в газах газових і газоконденсатних родовищ вміст індивідуальних вуглеводнів зменшується із збільшенням їх молекулярної маси. Правда є випадки, коли така закономірність не справджується, особливо для розчинених в нафті газів, і спостерігається вища концентрація більш важких компонентів. Природні суміші вуглеводнів завжди репрезентовані цілим гомологічним рядом метану, що вказує на єдину природу цих газів.

Сірководень (Н₂S) не завжди присутній у природних газах та газах, розчинених у нафті. Вміст його коливається у широких межах від 0 до 98 %.

Високі вмісти зустрічаються дуже рідко. Здебільшого вміст сірководню, де він присутній у газах, знаходиться у межах 0, 3 -5%.

Сірководень добре розчиняється в нафтах і водах, особливо на великих глибинах. Він має високу хімічну активність і відіграє значну роль у геохімічних процесах, що протікають у надрах землі. Його висока активність вимагає специфічних умов, де б він міг виникнути і зберегтись. Тому сірководень зустрічається тільки на ділянках, де розвинуті потужні товщі карбонатно-евапортових порід, при обов'язковій присутності в них сульфатів.

Сірководень може мати різне походження: мантійне, за рахунок розкладу сіркоорганічних сполук захороненої органіки або нафт, відновлення вуглеводневими сполуками сульфатів порід і вод. Останній шлях, мабуть, є головним постачальником сірководню природних газів. На це вказують і ізотопні дослідження сірки газів. Особливо легко в реакції відновлення сульфатів вступають газоконденсати. Саме тому, мабуть, максимальні вмісти сірководню зустрічаються в газоконденсатних родовищах.

Сірководень раніше вважався шкідливою домішкою в природних газах. Тепер при високій концентрації він є сировиною дня одержання сірки. Гази, які йдуть споживачам, повинні бути очищені від сірководню з метою запобігання забруднення навколишнього середовища.

Вуглекислий газ (С0₂) майже завжди присутній в природних газах і в розчиненому стані - нафтах і водах.

Концентрації його переважно невеликі (від слідів до 3-5%), але інколи вміст СО₂ у газах може навіть перевищувати 40 - 60 %. Ще рідше зустрічаються родовища майже чистого вуглекислого газу. Вміст СО₂ в розчинених газах у нафті рідко перевищує 10 %. Шляхи поступлення СО₂ у вуглеводневі гази можуть бути різні: за рахунок розкладу розсіяних органічних речовин, окиснення нафти і газу, високотемпературного гідролізу карбонатів або поступлення із мантії. Важливими при вирішенні питань походження СО₂ є дані ізотопних досліджень.

Сірководень і вуглекислий газ є кислими компонентами природних газів.

Азот в природних газах присутній майже завжди в кількостях від 0, 5 до 12%, але інколи вміст його може перевищувати навіть 50%. Спостерігається в деяких районах збільшення середньою вмісту азоту в газах з ростом глибини і віку порід, в яких вони залягають, а в усіх формах похованих в породах органічних речовин, навпаки, зменшується.

Азот в гірські породи може потрапити з атмосфери, з органічних речовин і порід при їх катагенезі та з мантії. Аномально високі концентрації азоту, очевидно, пов'язані з надходженням його із глибинних джерел.

Водень зустрічається як у вільному, так і в розчиненому стані. Переважно вміст водню не перевищує 0.1 %, а деколи може досягти 5% і навіть більше. Підвищені концентрації характерні для районів активної неотектонічної діяльності.

Джерелом водню можуть бути органічна речовина, вода в умовах високих температур і механохімічних реакцій та мантійна речовина.

Інертні гази здебільшого репрезентовані гелієм і аргоном. Головним їх джерелом є радіоактивний розпад елементів земної кори. Гелій дуже часто присутній в газах в кількостях до 0.2 % і лише рідко досягає концентрації до 10%. Аргон завжди зустрічається поряд з гелієм, але в менших кількостях. Концентрації аргону, як правило, в 10 разів менші, ніж гелію і коливаються переважно в межах 0.001 - 1 %.

Найбільші концентрації інертних газів зустрічаються в давніх платформах поблизу кристалічного фундаменту. Природні гази з підвищеним вмістом гелію є цінною гелієносною сировиною.

Теплота згоряння (теплотворна здатність) - це кількість тепла. яке виділяється при повному згорянні 1 м³ газу. Величина її залежить від компонентного складу газу. Переважно теплота згоряння становить ЗЗООО - 44000 кДж.

Розчинність газів в нафті і воді залежить від температури, тиску, властивостей розчинника і складу газів. Розчинність характеризується кількістю газу, здатного розчинитися в даному розчиннику при певних термобаричних умовах.

В нафтах розчинність газів висока і особливо вуглеводневих, їх розчинність у нафті у пластових умовах може досягати 300-500 м³ /м³ і навіть вище, але для більшості нафт вона знаходиться в межах 40-150 м³ /м³. Зустрічаються нафти, які залягають близько до поверхні і практично не мають розчиненого газу (" мертві нафти"). Легкі нафти здатні більше розчинити газу, ніж важкі. Гази, багаті важкими вуглеводнями, краще розчинні в нафті, ніж гази, збагачені метаном. Кількість розчиненого газу в нафті прямо залежить від величини тиску. При зниженні тиску газ виділяється з нафти. Спочатку виділяється метан, а відтак його гомологи - етан, пропан і бутан. Найбільшу розчинність у воді має сірководень і вуглекислий газ. Розчинність вуглеводневих газів у десятки разів менша за розчинність сірководню. Розчинність усіх газів з підвищенням температури (мінімальна при 80-90°С) і мінералізації вод зменшується.

В пластових водах, не дивлячись на відносно невисоку розчинність, містяться величезні маси природних газів. В переважній більшості нафтогазоносних регіонів газонасиченість пластових вод становить 2-3 м³ /м³. іноді перевищує навіть 4-5 м³ /м³.

За певних умов гази самі можуть стати розчинниками нафти. Це відбувається при досить великому об'ємі газової фази вуглеводнів, що значно перевищує об'єм рідких вуглеводнів (нафти).При підвищенні тиску рідина може перейти в пароподібний стан, тобто розчинитись в газі (обернене випаровування). При зниженні тиску процес піде у зворотному напрямі, тобто буде мати місце конденсація (обернена конденсація). Такі явища називаються ретроградними. Вони неодноразово були перевірені експериментально. Суміші, в яких рідкі вуглеводні (нафти) перебувають в пароподібному стані в газах, називають газоконденсатними.

Конденсатність газів коливається в широких межах від 0 до 600 - 800 см³ /м³і рідко вище. До газоконденсатних газів відносять гази, в яких вміст конденсату понад 50 см³ /м³.

В'язкість газів залежить від температури, тиску і складу. З ростом тиску і температури (до певної межі) в'язкість дещо зростає. Вуглеводневі гази мають меншу в'язкість, ніж невуглеводневі. Розгалужені вуглеводні більш в'язкі, як нерозгалужені. В'язкість газів значно менша від в'язкості води і становить близько 1*10^-5 Па*с.

Гідратоутворення - це властивість газів разом з водою при певних температурах і тисках утворювати кристалогідрати. Гідрати газів - кристалічна речовина з зовнішнім виглядом снігу або льоду. Це тверді розчини, де розчинник - вода, молекули якої створюють об'ємний каркас (решітку), а молекули газів (розчинна речовина) заповнює пустотний простір цього каркасу. Газові гідрати утворюються при низьких температурах (до 10-15°С). Вони бувають природні і техногенні. Природні зустрічаються в осадових породах в районах і осадах на дні океанів, де є низькі температури. Техногенні виникають при експлуатації свердловин і при транспортуванні газу.

Адсорбція газів - це здатність твердих тіл притягати і утримувати певний час молекули газів на своїй поверхні. При адсорбції на поверхні твердого тіла утворюється еластична плівка з молекул газу, яка може складатися з декількох шарів.