Газы природные горючие

ГАЗЫ ПРИРОДНЫЕ ГОРЮЧИЕ (а. соmbustible natural gases; н. naturliche Brenngase; ф. gaz naturels соmbustibles; и. gases соmbustibles naturales) — смеси углеводородов метанового ряда и неуглеводородных компонентов, встречающиеся в осадочном чехле земной коры в виде свободных скоплений, а также в растворённом (в нефти и пластовых водах), рассеянном (сорбированные породами) и твёрдом (в газогидратных залежах) состояниях.

Состав и свойства газов природных горючих. Углеводороды метанового ряда представлены метаном (содержание которого часто превышает 85-90%), этаном, пропаном, бутанами и реже пентаном (содержание которых колеблется от 0,1% в газах газовых месторождений до 20 и более в газах нефтяных попутных и увеличивается с глубиной залегания). Углеводороды тяжелее пентана присутствуют в основном в газах нефтяных и газоконденсатных месторождений. Неуглеводородные компоненты представлены главным образом азотом, углекислым газом, водяными парами, кроме того, некоторые газы обогащены соединениями серы (сероводород, меркаптаны, сероокись углерода и др.), гелием, аргоном, встречаются водород, ртуть, пары летучих жирных кислот. Содержание углекислого газа меняется от долей процента до 10-15%, иногда более, например в Астраханском месторождении концентрация CO₂ 22%. Концентрация азота в газах природных горючих обычно не превышает 10% (часто 2-3%), в газах отдельных нефтегазоносных бассейнов его содержание может достигать 30-50% (например, в Волго-Уральском) и более; известны месторождения с преимущественным содержанием азота (Чу-Сарысуйская газоносная область: Амангельдинское месторождение — 80% N₂ и 16% CH₄; Учаральское месторождение — 99% N₂). Количество сероводорода обычно не превышает 2-3%; как исключение известны газовые залежи с содержанием сероводорода 15-20% и более (Астраханское месторождение — 22,5%). Концентрации гелия в большинстве случаев составляют сотые и тысячные доли процента; в США и Канаде имеются месторождения с содержанием гелия 5-8% (Ратлснейк — 7,6%, Модл-Дом — 7,2%).

Факторами, определяющими влажность газа, являются давление, температура, состав, а также количество солей, растворённых в воде, контактирующей с данным газом. Чем больше в газах природных горючих тяжёлых углеводородов и азота, тем ниже его влажность. Наличие сероводорода и углекислого газа увеличивает его влажность. При промысловой обработке, транспортировке и переработке газов природных горючих наличие паров воды в них приводит к образованию конденсата водяных паров и ледяных пробок, что осложняет эксплуатацию газопроводов и аппаратов. Наличие влаги в газах при повышенном давлении и пониженных температурах вызывает образование и отложение в газопроводах и технологических аппаратах гидратов углеводородных газов. Для удаления влаги из газов используют различные физические и физико-химические методы осушки газов. Основные физические свойства газов природных горючих приведены в табл. 1. Теплота сгорания газов природных горючих 32,7 МДж/м³.

Методы анализа газов природных горючих. Для оценки товарных характеристик, выбора направлений рационального использования добываемого газа и выбора технологических процессов промысловой обработки и заводской переработки природных газов производится их анализ, который включает определение: компонентного состава газа (содержание метана, этана, пропана, бутанов, пентанов, гексанов, ароматических углеводородов, двуокиси углерода, азота, гелия, неона, водорода); содержания сероводорода, меркаптанов и других соединений серы; теплоты сгорания газа; плотности газа; влажности газа; содержания примесей, вносимых в газ в процессе его добычи и обработки, таких, как пары метанола, гликолей.

Компонентный состав газов определяется хроматографическим методом. Для разделения углеводородов и двуокиси углерода используют способ газожидкостной хроматографии. Для выявления азота, кислорода, гелия, водорода, неона и легких углеводородов (метан, этан) применяют адсорбционную хроматографию. Разделение производят на цеолитах, активированном угле, алюмогеле и др. При хроматографическом анализе природных газов используют детекторы по теплопроводности, а углеводородных компонентов, содержащихся в малых количествах, — детекторы ионизации в водородном пламени. Содержание сероводорода и меркаптанов определяется химическим методом: сероводород поглощается из газа раствором подкисленного хлористого кадмия, а меркаптаны — раствором подщелоченного хлористого кадмия с последующим йодометрическим анализом образовавшихся сульфида и меркаптида кадмия в поглотительных растворах. Общая органическая сера определяется ламповым анализом, теплота сгорания газов — сжиганием газа в проточных калориметрах, в калориметрической бомбе или расчетом по химическому составу газа. В проточных калориметрах теплоту сгорания устанавливают измерением выделяемого тепла при полном сгорании определенного количества газа, поглощаемого непрерывно протекающим потоком воды; в калориметрической бомбе — путем сжигания в кислороде определенного объема газа, определения количества тепла, выделяющегося при сгорании газа, измерением приращения температуры воды. Оценка теплоты сгорания по химическому составу газа производится по величинам теплот сгорания чистых компонентов газовой смеси и их процентного содержания в газе. Плотность газа устанавливается весовым пикнометрическим анализом, методом расчёта по химическому составу газа и автоматическими приборами — плотномерами различных типов.

Для определения влажности газа применяют метод измерения температуры точки росы, электролитический и абсорбционный методы. Содержание паров метанола и гликолей в газе устанавливают хроматографическим методом.

Происхождение газов природных горючих. Большинство исследователей придерживается органической теории происхождения углеводородов, по которой нефть и газ — продукты преобразования рассеянного в осадочных породах органического вещества. Газообразные углеводороды генерируются, согласно этой теории, главным образом в процессе переработки т.н. гумусового и сапропелевого органического вещества, накопление которого происходит преимущественно в прибрежно-морских и озёрных условиях в песчано-алевролитовых осадках в слабовосстановительных и окислительных обстановках. В связи с этим угленосные и континентально-субугленосные формации, характеризующиеся наиболее высокими содержаниями в породах органического вещества гумусовой природы, являются газопроизводящими отложениями. Такими преимущественно газоносными отложениями являются, например, сеноманские отложения на севере Западной Сибири, угленосные толщи карбона Днепровско-Донецкой впадины, пермские отложения Северного моря, угленосные пенсильванские породы бассейна Аркола (США), субугленосные отложения свиты морроу (пенсильваний) во впадине Анадарко (США) и др. Образование газов природных горючих у земной поверхности и в недрах Земли происходит в результате биохимических и химических процессов. На самых ранних стадиях биохимического превращения захороненного органического вещества различного типа на глубине 1,5-4 км образуется в основном метан. На этой глубине протекают процессы, связанные с химическим и термо-каталитическим изменением органического вещества. Ниже 5-6 км начинается газовая метановая зона, где газ генерируется в результате термокаталитического процесса из органического вещества сапропелевого и гумусового типов и из нефти.

Согласно неорганической или абиогенной теории, нефть и газ образуются в результате синтеза углерода и водорода в условиях высоких температур и давлений глубинных зон земной коры. Формирование газовых залежей происходит в результате миграции газа из материнских толщ и аккумуляции их в природных резервуарах. Подавляющее число залежей газов природных горючих связано с осадочными породами и приурочено к природным резервуарам, состоящим из коллектора и ограничивающих его пород-покрышек. К коллекторам относятся горные породы, обладающие способностью вмещать жидкость или газ (пески, песчаники, алевролиты, трещиноватые известняки и доломиты и др.). Экранирующими породами являются глины, аргиллиты, соленосные отложения, реже плотные карбонатные породы. Залежи газов природных горючих чаще всего образуются в ловушках структурного типа, имеющих форму свода, а также могут быть связаны с ловушками литологических, стратиграфических типов и приурочены к рифам. Сводовые залежи приурочены к антиклинальным складкам, литологической залежи — к областям изменения физических свойств пород, выклинивания вверх по восстанию пласта-коллектора или линзовидного его залегания. Стратиграфические залежи образуются в результате срезания и несогласного перекрытия коллектора слабо проницаемыми отложениями.

Газы природные горючие в газовых залежах находятся под пластовым давлением, которое создаётся давлением вышележащих горных пород и напором пластовых вод. В большинстве случаев пластовое давление соответствует гидростатическому, т.е. давлению столба воды высотой, равной глубине залегания пласта. Известны также газовые залежи, в которых пластовое давление выше или ниже гидростатического. Залежи с аномально высокими пластовыми давлениями наиболее часто приурочены к глубоким горизонтам, а также к толщам, сложенным пластичными глинами.

Поисково-разведочные работы на газах природных горючих включают выявление залежей, подсчёт запасов и подготовку их к разработке. Задачами разведки чисто газовых залежей являются определение формы и размеров залежи, параметров коллекторов, вмещающих газов природных горючих, эксплуатационных характеристик. Задачей разведки газовых залежей с нефтяной оторочкой является также установление промышленного значения как газовой, так и нефтяной части. Методы разведки предусматривают определение положения контактов залежей, их наклона, смещения, применение опытно-промышленной эксплуатации, подсчёт запасов газа объёмным методом и по методу падения пластового давления и др. (см. разведка газовых месторождений).

Подавляющая часть разведанных запасов природного газа (более 90%) заключена в чисто газовых или газоконденсатных месторождениях. В распределении залежей газа, так же как и нефти, наблюдается пространственная обособленность, или зональность (см. карту).

Разведанные запасы газа в мире (начале 1981, оценка) более 70 трлн. м³. Из недр добыто около 25 трлн. м³ (распределение добычи и запасов по странам см. в ст. газовая промышленность). Всего в мире известно более 10 тысяч газовых месторождений, однако основные запасы газа сосредоточены в небольшом числе уникальных (более 1 трлн. м³) и крупнейших (0,1-1,0 трлн. м³) газовых и газоконденсатных месторождений (табл. 2 и табл. 3, продолжение табл. 3).

Уникальные и крупнейшие газовые месторождения в промышленно развитых капиталистических и развивающихся странах известны в США, Канаде, Алжире, Иране, Австралии, Великобритании, Нидерландах и др. табл. 3). В США наиболее значительные по запасам газа месторождения открыты на Аляске (Прадхо-Бей), во впадине Анадарко (Панхандл-Хьюготон, Мокейн-Лаверн), в Пермском бассейне (Пакетт, Гомес), Мексиканском бассейне (Монро). Крупные месторождения газов природных горючих расположены в акваториях Северного моря и на прилегающей суше (Лимен, Индефатигейбл, Гронинген, Фригг и др.), в Персидском заливе (Парс, Кенган и др.), у побережья Австралии (Норт-Ранкин), на Арктических островах Канады (Кинг-Кристиан, Дрейк-Пойнт и др.), более мелкие — в Средиземном море, а также в Черном, Каспийском, Охотском морях.

Анализ распределения начала запасов газа по 180 наиболее крупным (более 30 млрд. м3) месторождениям мира показывает, что в кайнозойских отложениях сосредоточено 11 %, в мезозойских — 65,5% и палеозойских 23,5%. На глубине до 1000 м заключено 13,6% запасов газа, в интервале 1000-3000 м — 73,4%, 3000-5000 м — 12,9% и ниже 5000 м — 1,1%. Из общей суммы начала запасов газа этих месторождений с песчаными коллекторами связано 76,3% запасов, с карбонатными — 23,7%. Глинистыми покрышками контролируется 65,7% запасов газа, соленосными — 34,3%. Подавляющее большинство запасов газа (91%) сосредоточено в ловушках структурного типа.

В CCCP разведанные запасы газа (начале 1978) 28,8 трлн. м³, из которых на европейские районы приходится 4,1 трлн. м³, или 14,1%, на районы Сибири и Дальнего Востока 21,5 трлн. м³, или 74,6%, на районы Средней Азии и Казахстана 3,2 трлн. м³, или 11,3%. Открыто более 800 газовых, газонефтяных и газоконденсатных месторождений, из которых 6 месторождений — Уренгойское, Ямбургское, Бованенковское, Заполярное, Медвежье и Оренбургское — имеют запасы газа более 1 трлн. м³ каждое и содержат половину запасов страны, 34 месторождения — от 100 млрд м³ до 1 трлн м³ и 50 месторождений — от 30 млрд. м³ до 100 млрд м³, что в сумме составляет 92% разведанных запасов газа газов природных горючих, содержащие более 3% этана и являющиеся сырьем для газохимической промышленности, широко распространены на территории CCCP (65% ресурсов газов природных горючих). Наиболее крупные ресурсы таких газов сосредоточены в Тимано-Печорском регионе, Урало-Поволжье, Западной Сибири, восточной Сибири, Западном Узбекистане, Днепровско-Донецкой впадине.

Добыча газов природных горючих включает извлечение газов из недр, сбор газа, учет и подготовку газа к транспортировке (см. разработка газовых месторождений), а также эксплуатацию скважин и наземного оборудования. Разработку газового месторождения осуществляет газовый промысел, который представляет собой сложное, размещенное на большой территории, производственные предприятие. Особенность добычи газов природных горючих из недр по сравнению с добычей твердых полезных ископаемых состоит в том, что весь сложный путь газа от пласта до потребителя герметизирован. Перед транспортировкой газов природных горючих к местам потребления их подвергают переработке (см. очистка газа, осушка газов).

Транспорт газов природных горючих осуществляется по магистральным трубопроводам, либо водным транспортом на специальных танкерах. Газопроводы CCCP объединены в Единую систему газоснабжения, которая обеспечивает высокую надежность подачи газа народному хозяйству (см. газотранспортная система).

Применение. Газы природные горючие — высокоэффективный энергоноситель и ценное химические сырье. В CCCP применяются в чёрной и цветной металлургии (13,9%), в промышленности строительных материалов (8%), машиностроении (8,7%), химической (9,1%) и других отраслях промышленности, на электростанциях (24%), для коммунально-бытовых нужд (12%), в сельском хозяйстве (1,2%) и др. Эффективность использования газов природных горючих максимальна (из расчёта на 1000 м³) при использовании в качестве сырья в химической промышленности (74-95 руб.) и в технологических процессах нагрева и обжига различных материалов (9-64 руб.), минимальна для энергетических целей (3,6 руб. в электростанциях и 6,4-8,7 руб. в котельных). В 70-х гг. значительно увеличилась доля газов природных горючих в структуре потребления первичных топливно-энергетических ресурсов страны (24%). Преимущества газов природных горючих перед другими видами топлива: высокая теплота сгорания; отсутствие вредных примесей; простота распределения потребителям и отдельным агрегатам; лёгкость управления режимом горения; возможность обеспечения при их применении более гигиеничных условий труда и снижения вредных выбросов в атмосферу.

Во многих технологических процессах весьма эффективна замена электроэнергии и пара продуктами сгорания газов природных горючих. Так, при замене электроэнергии коэффициент использования первичного топлива возрастает с 0,35 до 0,6-0,7. Применение газов природных горючих сокращает удельный расход топлива в доменном производстве на 10% (с повышением производительности на 2-4%), в мартеновском производстве на 5-7% (с повышением производительности на 7-10%), в процессах нагрева металла на 2-5%, при производстве метанола на 8-10%. Газы природные горючие позволяют осуществить принципиально новые технологические процессы — скоростной конвективный и радиационный нагрев, сжигание непосредственно в жидкостях и расплавах, безокислительный нагрев металлов и т.д.

Газы природные горючие — ценное химические сырьё для производства метанола, формальдегида, уксусной кислоты, ацетона и других органических соединений. Конверсией кислородом или водяным паром из метана (основного компонента газов природных горючих) получают синтез-газ (CO + Н₂), широко применяемый для получения аммиака, спиртов и других органических продуктов; пиролизом и дегидрогенизацией (см. гидрогенизация) метана — ацетилен, сажу и водород.

Газы природные горючие применяют также для получения олефиновых углеводородов, прежде всего этилена и пропилена, которые в свою очередь являются сырьём для дальнейшего органического синтеза. Из них производят пластические массы, синтетические каучуки, искусственные волокна и др. Сероводородсодержащие газы используют для получения элементарной серы.