СОСТАВ И СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

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 С₆Н_14,, 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

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.