Газы нефтяных и газовых месторождений – это горючие газы. Они состоят из углеводородов: метана СН4, этана С2Н6, пропана С3Н8, бутана С4Н10, пентана С5Н12 и гептана С7Н16. Это – ближайшие гомологи метана.
Кроме углеводородов встречаются азот N2, углекислый газ СО2, иногда сероводород Н2S. Довольно часто, но в очень небольших количествах в природном газе имеются сопутствующие инертные газы: гелий Не, аргон Ar, ксенон Хе и др.
Газ, состоящий преимущественно из метана и этана и содержащий мало пропана и бутана, называют сухим или бедным.
Газ, в котором кроме метана СН4 и этана С2Н6 имеются пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12, гексан С6Н14,, гептан С7Н16 и др., называют жирным или богатым. Точной границы между ними нет.
Для газов нефтяных месторождений характерно преобладание тяжелых углеводородов от 0,4 до 40-50%. Содержание метана обычно 30-90%. Тяжелые углеводороды в газах – это все углеводороды с удельным весом, превышающим удельный вес этана.
Удельный вес газа определяется отношением веса единицы объема газа по отношению к весу одинакового объема сухого атмосферного воздуха, удельный вес которого принимают 1,0 при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст.
Чем больше удельный вес газа, тем богаче газ тяжелыми углеводородами. Наоборот, небольшой удельный вес указывает на обилие в газе метана.
Плотность – масса вещества в единице объема в кг/м3
или г/см 3.
Плотность газа. 1 грамм-молекула любого газа при нормальных условиях (температура 0°С и давление 0,1 МПа) занимает 22,412 л, т.е. в 1 м3 любого газа содержится 44,6 моля. Обычно пользуются относительной плотностью газа по воздуху.
При температуре 0°С и давлении 0,1 МПа, масса 1 м3 воздуха составляет 1,293 кг.
Относительная плотность метана – 0,555; этана – 1,046; пропана – 1,547; бутана – 2,074; углекислого газа – СО2 – 1,519; сероводорода – 1,176 и т.д.
Для каждого газа существует определенная тепловая граница – наивысшая температура, выше которой газ не переходит в жидкое состояние, как бы велико ни было давление.
Точно так же для каждого газа существует предельное давление, ниже которого, как бы ни была низка температура, газ не переходит в жидкое состояние.
Эти предельные температуры и давления приводятся ниже и называются критическими.
Учитывая, что в условиях месторождений нефть и газ залегают обычно под давлением 20-14 атм. при температуре 30-90°С, можно сделать вывод, что из этих углеводородов только метан будет находиться в газообразном состоянии, остальные углеводороды будут представлены их парами.
Таблица
Газ |
Молекулярная масса |
Температура кипения при 760 мм рт ст. |
Температура критическая, °С |
Критиче-ское давление, мПа |
Плотность по воздуху |
Метан СН4 |
16,04 |
-161,5 |
-82,5 |
4,58 |
0,554 |
Этан С2Н6 |
30,07 |
-88,3 |
32 |
4,87 |
1,038 |
Пропан С3Н8 |
44,10 |
-42,2 |
96 |
4,24 |
1,522 |
Бутан С4Н10 |
58,12 |
-0,5 |
153 |
3,64 |
2,00 |
Пентан С5Н12 |
72,15 |
36,1 |
196 |
3,36 |
2,49 |
Гексан С6Н14 |
86,17 |
68,9 |
234,5 |
2,73 |
2,97 |
Гептан С7Н16 |
100,2 |
98,4 |
266,8 |
2,64 |
3,4 |
Октан С8Н18 |
114,2 |
125,6 |
295,7 |
2,42 |
– |
Теплота сгорания – это количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 м3 газа.
Наибольшая теплота сгорания свойственна более жирным газам. Так, для метана она равна 8000 кал/м3; этана – 15680; бутана – 29000 кал /м3.
Газы обладают способностью сокращаться на 1/273 часть своего объема при температуре 0°С при каждом понижении температуры на 1°С, если только давление остается постоянным.
Расширение газа будет в таком же соотношении при повышении температуры. Значит, при температуре -273°С газ не имел бы объема. Такая температура называется абсолютным нулем.
Однако, практически все газы превращаются в жидкости или твердые тела, прежде чем эта температура будет достигнута.
Растворимость газов в нефти зависит от температуры, давления и свойств растворителя, состава газа.
Растворимость газа в нефти измеряется количеством газа в кубических метрах на 1 м3 или 1 т товарной нефти при давлении 0,1 МПа и температуре 20°С.
Растворимость увеличивается при росте давления и снижается при повышении температуры и увеличении молекулярной массы и плотности нефти, а также с возрастанием доли нафтеновых и ареновых соединений.
Коэффициентом растворимости называют количество газа, растворяющегося в единице объема или массы нефти при увеличении давления на единицу.
В качестве критерия оценки фазового состояния пластовой системы можно условно принять, что в газовой залежи приходится свыше 1000 объемов газа на 1 объем жидкости, в нефтяной с растворенным газом – менее 1000 объемов.
Отношение объема газа к объему или массе добываемой с ним жидкости называется газовым фактором.
При глубине 2000 м, т.е. давлении 21-22 МПа, растворимость газа будет примерно 200 м3/м3, при глубине 1200 м – около
60 м3/м3. Это усредненное соотношение газа и нефти в пласте.
В реальных залежах оно может существенно отличаться в большую или меньшую сторону.
Нефть может быть предельно насыщена газом, т.е. количество газа в объеме нефти равно его растворимости при данных температурах и давлении, или недонасыщена им. В первом случае пластовое давление равно давлению насыщения нефти газом. При его снижении (например в результате разработки) часть газа выделится в свободную фазу, а в газонефтяном растворе установится равновесие при новом, более низком пластовом давлении (давлении насыщения) и новой более низкой газонасыщенности нефти.
Гидратообразование. Наличие в газе воды обуславливает при определенной температуре и давлении образование кристаллогидратов углеводородных газов. Гидраты газов представляют собой кристаллические соединения. Это твердые растворы, где растворителем является вода.
Гидраты имеют эмпирические формулы: для метана – СН4•7Н2О; этана – С2Н6•8Н2О ; пропана – С3Н8•18 Н2О и др. Для каждого углеводорода характерна максимальная температура (критическая температура гидратообразования), выше которой нельзя вызвать образование гидратов никаким повышением давления. Для метана она равна 21,5°С; этана – 14,5°С; пропана – 5,5°С; бутана – 1,4°С.
Чем тяжелее углеводородный газ, тем легче он образует гидраты, но начиная с пентана углеводороды гидратов не образуют.
Гидратообразование происходит не только в процессе эксплуатации и транспорта газа, но и в пористой среде осадочного чехла с формированием гидратных залежей. Гидратообразование приурочено к районам распространения многолетних мерзлых пород, где глубина промерзания горных пород достигает 500-700 м и более. Внешне газовые гидраты похожи на лёд или снег.