Состав природных газов

Коэффициент сверхсжимаемости Z реальных газов - это отношение объемов равного числа молей реального V и идеального V_и газов при одинаковых термобарических условиях (т. е. при одинаковых давлении и температуре):

Значения коэффициентов  сверхсжимаемости наиболее надежно  могут быть определены на основе лабораторных исследований пластовых проб газов. При отсутствии таких исследований (как это чаще всего бывает на практике) прибегают к расчетному методу оценки Z по графику Г. Брауна. Для пользования графиком необходимо знать, так называемые, приведенные псевдокритическое давление и псевдокритическую температуру. Критической называется такая температура, выше которой газ не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Критическим давлением называется давление, соответствующее критической точке перехода газа в жидкое состояние.

С приближением значений давления и температуры к критическим свойства газовой и жидкой фаз становятся одинаковыми, поверхность раздела между ними исчезает и плотности их уравниваются.

С появлением в системе  двух и более компонентов в  закономерностях фазовых изменений  возникают особенности, отличающие их поведение от поведения однокомпонентного газа. Не останавливаясь на подробностях, следует отметить, что критическая температура смеси находится между критическими температурами компонентов, а критическое давление смеси всегда выше, чем критическое давление любого компонента.

Для определения коэффициента сверхсжимаемости Z реальных газов, представляющих собой многокомпонентную смесь, находят средние из значений критических давлений и температур каждого компонента. Эти средние называются псевдокритическим давлением p_п.кр. и псевдокритической температурой Т_п.кр. Они определяются из соотношений:

где р_кр. и Т_кр. - критические давления и температура i-го компонента;

x_i - доля i-го компонента в объеме смеси (в долях единицы).

Приведенные псевдокритические  давление и температура, необходимые  для пользования графиком Брауна, представляют собой псевдокритические  значения, приведенные к конкретным давлению и температуре (к пластовым, стандартным или каким-либо другим условиям):

где р и Т - конкретные давления и температура, для которых  определяется Z.

Коэффициент сверхсжимаемости Z обязательно используется при подсчете запасов газа для правильного определения изменения объема газа при переходе от пластовых условий к поверхностным, при прогнозировании изменения давления в газовой залежи и при решении других задач.

 

3. Классификация природных газов

Вопрос классификации  природных газов очень сложен, так как они имеют разнообразный  состав, различное происхождение, разные условия нахождения и физическое состояние в природе. Кроме того, газы обладают большой эмиграционной  способностью, создают различные смеси и редко бывают однородными по химическому составу. Одновременно с процессами образования газов идут процессы их разрушения. Например, при действии кислорода на сероводород образуется свободная сера и вода.

Первую классификацию  природных газов составил В.И. Вернадский (1912), где он указал, что при изучении газов необходимо знать три следующие фактора: форму или условия нахождения газов в природе, источники их происхождения или генезис и химический состав. Согласно этим факторам В.И. Вернадский выделил три группы газов.

I. По  форме нахождения:

А. Свободные  газы: 1) атмосферные, 2) газовые скопления, содержащиеся в порах горных пород  и окклюзии, 3) газовые струи или  вихри (вулканические, тектонические, поверхностные), 4) газовые испарения.

Б. Жидкие растворы газов: 1) газы океанов и морей, 2) газы озер, прудов и рек, 3) газы различных водных источников (вулканических, тектонических, поверхностных).

В. Твердые растворы газов (газы адсорбированные горными  породами и минералами).. По источникам происхождения: 1) газы земной поверхности, 2) газы, связанные с высокотемпературными очагами литосферы, 3) газы глубинные, проникающие в земную кору из мантии.

По составу (разделение для тектонических газов): 1) азотные, 2) углекислые, 3) метановые, 4) водородные, 5) сероводородные, 6) водяные пары.

Позже, в развитие этой классификации был создан целый  ряд классификационных схем природных  газов по условиям нахождения и физическому  состоянию в природе, по химическому  составу, генезису и по их практической ценности и содержанию полезных компонентов. В отечественной литературе опубликовано более 20 классификаций природных газов только по химическому составу.

II. Классификация по условиям нахождения газа в природе.

Газы земной поверхности:

• тропосферы;
• стратосферы и мезосферы;
• атмосферных осадков;
• пещер и карстовых полостей.

Газы поверхностной  гидросферы:

• океанов и морей;
• рек, озер и прудов;
• поверхностных льдов;
• болот.

Газы, рассеянные в горных породах:

• в порах и трещинах осадочных пород;
• сорбированные породами;
• поровых растворов;
• магматогенных пород;
• газово-жидкие включения в минералах;
• илов;
• газогидратов илов;
• почв.

 Газы подземной  гидросферы:

• грунтовых вод;
• вод зоны свободного водообмена;
• вод зоны затрудненного водообмена;
• мерзлых вод и газогидратов.

Свободные газы залежей:

• газовых залежей;
• газовых шапок нефтяных залежей;
• газоконденсатных залежей.

Газы, растворенные и сорбированные в биогенных  ископаемых:

• растворенные в нефти;
• сорбированные углями;
• в горючих сланцах.

Газы грязевых вулканов:

• грязевых извержений;
• грязевых грифонов.

 Газы магматических  очагов и поствулканических процессов:

• вулканических извержений;
• фумарольные;
• пневматогенных внедрений;
• гидротермальных растворов.

Газы живых  организмов:

• животных;
• высших растений;
• микроорганизмов.

 

III. Классификация по генезису газов.

Газы биохимического генезиса:

• микробиологического преобразования ОВ илов и почв - СО₂, СН₄, N₂, CO, N₂O, NO₂, H₂, NH₃, H₂S и др.;
• микробиологического преобразования торфа - СО₂, N₂, СН₄, CO, H₂S, NH₃ и др.;
• микробиологического преобразования углей - СО₂, СН₄, N₂, CO, H₂ и др.;
• микробиологического преобразования нефти - СН₄, СО₂ и др.;
• Фотосинтеза зеленых растений - О₂;
• жизнедеятельности высших растений - СО₂, CO, С₂Н₄, летучих ОВ и др.;
• жизнедеятельности животных - СО₂, CO, H₂S, СН₄, летучих ОВ и др.;
• микробиологического разложения растений и животных - СО₂, CO, СН₄, H₂S, N₂, NH₃ и др..

Газы химического  генезиса:

• химического генезиса в нормальных условиях земной поверхности - СО₂ и др.;
• термических реакций - СН₄, CO, СО₂ и др. (150-300 ^оС);
• термокаталитических реакций - СН₄, C_nH_2n, H₂, CO и др.. Газы дегазации мантии:
• дегазации мантии - СН₄, H₂, NH₃, N₂, СО₂, SO₂, H₂S, СО, H₂O и др.;

• остаточные первичной атмосферы Земли - Ar, N₂ и др.. Газы радиоактивного распада и радиохимического генезиса, генерирующиеся на участках распространения радиоактивных элементов - Не, Ar, Rn, H₂, O₂ и др.. Газы, образующиеся под воздействием космических лучей, генерирующиеся в верхних слоях атмосферы: атомарные - Н, Не и др.; изотопы - Н₂, О₂, N₂, О₃, NО и другие.

 

IV. Классификация газов по химическому составу.

Преимущественно метановый (СН₄ > 50 %):

• метановый (СН₄ > 75 %);
• метано-азотный (СН₄ > 50 %);
• метан-этан-пропановый (СН₄ > 50 %);
• метано-углекислый (СН₄ > 50 %).

Преимущественно углеводородный (тяжелее метана, ТУ >50 %):

• этан-пропановый (ТУ > 75 %);

• этан-пропан-метановый (ТУ > 50 %).

Преимущественно азотный (N₂ > 50 %):

• азотный (N₂ > 75 %);
• азотно-метановый (N₂ > 50 %);
• азотно-углекислый (N₂ >50 %);
• азотно-кислородный (N₂ > 75 %, О₂ > 10 %);
• азотно-кислородно-углекислый (N₂ > 50 %).

Преимущественно углекислый (СО₂ > 50 %):

• углекислый (СО₂ > 75 %);
• углекисло-азотный (СО₂ > 50 %);
• углекисло-метановый (СО₂ > 50 %);

• углекисло-сероводородный (СО₂ > 50 %).

Преимущественно водородный (Н₂ > 50 %):

• водородный (Н₂ > 75 %);
• водородно-азотный (Н₂ > 50 %).

 

V. Классификация газов по их практической ценности.

Горючие газы (энергетическое и химическое сырье):

• чисто метановых залежей;
• метановых, обогащенных тяжелыми углеводородами;
• газоконденсатных залежей;
• нефтяных месторождений;
• метановых и угольных месторождений;
• метановых водорастворимых.

Газы, обогащенные  инертными компонентами:

• гелий в углеводородных газовых залежах и водах;
• гелий в азотных залежах;
• азотных залежей.

Газы, обогащенные  сероводородом:

• сероводород в метановых залежах;
• сероводород в углеводородных газовых залежах.

 

VI. Классификация и индексация В.И. Старосельского, классификация В.А. Соколова

Существует  классификация и индексация природных  газов по содержанию полезных компонентов В.И. Старосельского, которая основана на требованиях промышленности по минимальной концентрации компонентов, являющихся ценным химическим сырьем. Среди неуглеводородных компонентов газа в ней учитывается азот (А), углекислый газ (У), сероводород (Св), а среди углеводородных компонентов - метан (Н), этан (Э), тяжелые углеводороды (Т) и конденсат (К). В зависимости от пределов процентного содержания какого-либо компонента в газе, около его буквенного индекса ставится цифра от 1 до 4. Состав газа обозначается суммой индексов. Например, состав газов Астраханского газоконденсатного месторождения будет выражен следующим индексом: М₂Э₁Т₂У₄А₁Св₄К₄. Он означает, что газ содержит метана от 30 до 70 %, этана менее 3 %, тяжелых углеводородов 5-10 %, углекислого газа более 15 %, азота менее 3 %, сероводорода более 1 % и конденсата более 200 г/м³.

Природные газы подразделяются в этой классификации  по содержанию этана, который является ценным химическим сырьем, а также - по содержанию тяжелых УВ на метановые, этановые, этан-пропановые и пропан-бутановые. Метановые газы характерны для газовых скоплений. Они содержат метана от 90 до100 %, этана до 3 % и тяжелых УВ до 5 %. Этановые газы содержат этана от 3 до 6 % , тяжелых УВ от 5 до 10 %, а этан-пропановые газы - этана от 6 до 9 %, тяжелых УВ - от 10 до 30 %. Эти газы характерны, в основном, для газоконденсатных и нефтегазоконденсатных залежей. В пропан-бутановых газах концентрация тяжелых УВ составляет более 30 % и этана более 9 %. Они характерны для нефтяных залежей.