Природный газ

Природный газ (natural gas) представляет собой смесь углеводородных и неуглеводородных соединений и элементов, находящихся в пластовых условиях в газообразной фазе в виде отдельных скоплений либо в растворенном в нефти или воде состоянии, а в стандартных условиях - только в газообразной фазе.

К основным компонентам пластового газа относятся метан и его гомологи - этан, пропан, бутаны (в порядке уменьшения их содержания). Газ часто содержит сероводород, гелий, оксид углерода, азот и инертные газы, иногда ртуть. Этан при содержании в газе 3 % и более, гелий при концентрации в свободном газе 0,05 % и в растворенном в нефти газе 0,035 %, а также сероводород при содержании 0,5 % (по объему) имеют промышленное значение [30].

Природный газ не содержит свободного водорода, монооксида углерода, кислорода, олефинов или ацетилена, хотя во многих залежах имеются диоксид углерода (углекислый газ), азот и сероводород. Ряд месторождений природного газа, большинство из которых располагается в США, содержит промышленные концентрации гелия.

Природный газ называется «сухим», если он почти не содержит бензина (менее 1 л на 25 м3 газа). «Жирный» газ может содержать бензина в 10 раз больше. Смесь жидких углеродов может быть получена как путем сжатия и охлаждения газа, так и путем его абсорбции нефтью. Полученные жидкости называются сжиженным нефтяным газом (газоконденсатом) и имеют разнообразное применение.

Природный газ широко распространен в мире, главным образом как попутный нефтяной газ. Ведущими странами-производителями газа являются США, Россия и Канада. Большие перспективы открытия потенциально значительных месторождений дают поисково-разведочные работы в море, особенно у побережья Африки, Азии, Южной Америки, в Северном и Каспийском морях. Главное использование природного газа - в качестве топлива в промышленности и быту.

Промышленные месторождения горючего природного газа встречаются в виде обособленных скоплений, в виде газонефтяных месторождений, в которых газообразные углеводороды полностью или частично растворены в нефти или находятся в свободном состоянии и заполняют повышенную часть залежи (газовые шапки) или верхние части сообщающихся между собой горизонтов газонефтяной свиты; в виде газоконденсатных месторождений, в которых газ обогащен жидкими, преимущественно низкокипящими углеводородами.

Многие месторождения газа, залегающие на глубине не более 1,5 км, состоят почти из одного метана с небольшими примесями его гомологов (этана, пропана, бутана), азота, аргона, иногда углекислого газа и сероводорода. С глубиной содержание гомологов метана обычно растет. В газоконденсатных месторождениях содержание гомологов метана значительно выше, чем метана. Это же характерно для газов нефтяных попутных.

В отдельных газовых месторождениях наблюдается повышенное содержание углекислого газа, сероводорода и азота.

Встречаются горючие природные газы, в отложениях всех геологических систем начиная с конца протерозоя, на различных глубинах, но чаще всего до 3 км. Образуются - в основном в результате катагенетического преобразования ОВ осадочных горных пород. Залежи газа формируются в природных ловушках на путях миграции газа.

Газовые залежи по особенностям их строения разделяются на две группы: пластовые и массивные. В пластовых залежах скопления газа приурочены к определённым пластам-коллекторам. Массивные залежи не подчиняются в своей локализации определённым пластам. Наиболее распространены пластово-сводовые залежи, сохраняемые мощной глинистой или галогенной покрышкой.

Подземными природными резервуарами для 85 % общего числа газовых и газоконденсатных залежей служат песчаные, песчано-алевритовые и алевритовые породы, нередко переслоённые глинами; в остальных 15 % случаев коллекторами газа являются карбонатные породы. Серия залежей, подчиненных единой геологической структуре, составляет отдельные месторождения.

Структуры месторождений различны для складчатых и платформенных условий. В складчатых районах выделяются две группы структур, связанные с антиклиналями и моноклиналями. В платформенных районах намечаются четыре группы структур: куполовидных и брахиантиклинальных поднятий, эрозионных и рифовых массивов, моноклиналей, синклинальных прогибов.

Мировые геологические запасы горючих газов на континентах, в зоне шельфов и мелководных морей, по прогнозной оценке, достигают 1015 м3, что эквивалентно 1012 т нефти.

Россия обладает огромными ресурсами горючего газа. Наиболее крупными месторождениями являются: Уренгойское (4 триллиона м3) и Заполярное (1,5 триллиона м3), приуроченные к меловым отложениям Западно-Сибирского бассейна; Вуктыльское (750 млрд м3) и Оренбургское (650 млрд м3) в Волго-Уральской провинции. В Средней Азии - Газли (445 млрд м3). Шебелинское (390 млрд. м3) - на Украине, Ставропольское (220 млрд м3) на Сев. Кавказе [139].

Среди зарубежных стран наиболее крупными запасами горючего природного газа располагают (оценка общих запасов в триллионах м3): США (8,3), Алжир (4,0), Иран (3,1), Нидерланды (2,3). Крупнейшими месторождениями за рубежом являются (в триллионах м3): в США - Панхандл-Хьюготон (1,96); в Нидерландах - Слохтерен (Гронинген) (1,65); в Алжире - Хасси-Рмель (около 1) [9;104;107;132].

В природе существует несколько разновидностей газов

Газы воздушного происхождения представляют собой газы атмосферы, проникшие в глубь земной коры главным образом в форме водных растворов. Они состоят из азота, кислорода и инертных газов (аргон, криптон и ксенон).

Биохимические газы образуются при бактериальном разложении органических веществ и реже при восстановлении минеральных солей. К ним относятся метан и его гомологи (этан и др.), двуокись углерода, сероводород, азот, кислород, редко водород и др. Эта группа охватывает большую часть газов, выделяющихся в атмосферу или образующих скопления в самых верхних частях земной коры.

Газы земной коры — газы, встречающиеся в земной коре в свободном состоянии, в виде раствора в воде и нефти и в состоянии, сорбированном породами, особенно ископаемыми углями. Количество газов в геосферах Земли возрастает в глубь планеты. В зависимости от существа газообразующих процессов различают до 9 генетических групп газов земной коры, из которых важнейшими являются газы катагенетические, метаморфические, вулканические, биохимические, радиоактивного и воздушного происхождения; остальные группы газов (газы ядерных реакций, газы радиохимического происхождения и газы подкорковых глубин) имеют в условиях земной коры второстепенное значение.

Газы катагенетического происхождения возникают в результате преобразования органического вещества, заключенного в осадочных породах, при их погружении на глубины и одновременном увеличении давления от 10 до 200-250 мн./м2 (от 100 до 2000-2500 атм.) и температуры (от 25-30 °С до 250-300 °C). К катагенетическим газам относится основная масса горючих газов. При дальнейшем повышении температуры и давления породы дают начало газам метаморфизма, а при расплавлении пород - газам возрождения. Основной состав газов: пары воды, двуокись углерода, окись углерода, водород, сера, двуокись серы, метан, азот, редко инертные газы и летучие хлориды.

Вулканические газы идут из глубин Земли и связаны с дегазацией мантии.

Радиоактивные газы возникают в процессе распада радиоактивных элементов. К ним относятся гелий, недолговечные эманации радия, тория и др. Самостоятельных скоплений газы этой группы не образуют.

Газы нефтяные попутные — углеводородные газы, сопутствующие нефти и выделяющиеся из нее при сепарации. Количество газов (в м3), приходящееся на 1 т добытой нефти (т. н. газовый фактор), зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может изменяться от 1-2 до нескольких тыс. м3/т нефти. В отличие от газов природных горючих, состоящих в основном из метана, газы попутные содержат значительные количества этана, пропана, бутана и др. предельных углеводородов. Кроме того, в них присутствуют пары воды, а иногда и азот, углекислый газ, сероводород и редкие газы (гелий, аргон).

По химическому составу выделяются три основных группы горючих природных газов: углеводородные, азотные и углекислотные. Особые свойства газов - их большая способность мигрировать как в свободном, так и водорастворенном состоянии - обусловливают смешивание газов разного происхождения и вместе с тем их широкое распространение в природе. Огромная масса горючих (углеводородных) газов находится в растворённом состоянии в подземных водах. Значительное количество углеводородных газов связано с органическими веществами, как рассеянными в осадочных породах, так и образующими ископаемые угли, которые содержат много метана (до 50 и более м3/т).

Состав газов. Природные газы газовых месторождений состоят в основном из метана с примесью более тяжелых его гомологов: этана (С2Н6), пропана (С3Н8) и бутана (С4Н10). Иногда, в небольших количествах в газовых залежах, присутствуют пары пентана (С5Н12) и гексана (С6Н14), в газовых шапках могут присутствовать пары жидких УВ, более тяжелые, чем гексан, но их примесь бывает незначительной.

Все УВ, содержащиеся в залежах, начиная с этана, считают тяжелыми и относят к нефтяным газам. Они образуются при преобразовании рассеянного ОВ на стадиях диагенеза и катагенеза. Кроме метана и его гомологов в попутных газах присутствуют: диоксид углерода, азот и сероводород. Часть газов поступает из глубинных подкорковых зон Земли (N2, CO2, He, Аг, CH4). Часть их образуется при метаморфических процессах и окислительно-восстановительных процессах непосредственно в залежах.

Нефтяные газы могут проникать из залежей в вышележащие отложения в виде ретроградного раствора. Это явление используется в гидрогеохимии в качестве поискового признака на нефть. Доля тяжелых УВГ в газовых залежах колеблется от единиц до частей процента. Их содержание зависит от состава исходного ОВ, степени его катагенетической превращенности, а также от длины пути миграции газов.

Метан (СН4) - главный компонент природных горючих газов. Содержание его в нефтяных газах от 20-30 % до 80 % от состава газовой смеси. Легкие метановые нефти содержат газы, состоящие на 20-30 % из тяжелых углеводородов. Тяжелые нефти наоборот, содержат преимущественно метан. Соотношение метана и его гомологов меняется в нефтяных газах с увеличением возраста пород. Газы древних отложений более обогащены тяжелыми УВ и азотом, чем молодые.

Углеводородные газы, состоящие в основном из метана, называются сухими. При незначительном содержании тяжелых углеводородов они называются тощими, и газы со значительным содержанием тяжелых УВ называются жирными. Для характеристики УВ состава газов применяется понятие «коэффициент сухости» - отношение процентного содержания метана к сумме его гомологов: СН4 /С2Нlt;5 + высшие. Для этих целей используется и такой критерий как газовый фактор или его обратная величина - содержание стабильного конденсата в граммах или кубических сантиметрах в 1 м3 газа. Сухие газы содержат конденсата менее 10 г/м3, тощие - от 10 до 30 г/м3 и жирные газы - от 30 до 90 г/м3. Изменение коэффициента сухости газов является показателем направления их миграции.

В отличие от своих гомологов метан обладает наибольшей подвижностью и одновременно наименьшей растворимостью в воде и способностью к адсорбции, поэтому он опережает другие УВ газы при миграции. Устойчивость к химическим воздействиям обусловлена отсутствием у метана связей С-С, менее прочных, чем С-Н. Метан может иметь биохимическое, глубинное и радиохимическое происхождение. Поэтому он не является надежным геохимическим индикатором или поисковым признаком наличия скоплений УВ.

Гомологи метана - этан (СНб), пропан (С3Н8), бутан (C4H10) имеют большую, по сравнению с метаном сорбционную способность и низкий коэффициент диффузии, что позволяет им концентрироваться в газах закрытых пор. Наибольшая из всех УВ газов растворимость в воде у этана (0,047 м3/м3 при 20 °С). Смеси этих газов с воздухом взрывоопасны. Содержание каждого из гомологов в газах чисто газовых залежей обычно менее 0,5 %, в нефтяных попутных газах достигает 30 %.

Состав газов в залежах постоянно меняется за счет действия многих факторов. Одним из них является растворимость индивидуальных газовых компонентов в водах и нефтях. Например, растворимость метана в нефтях в пять раз меньше, чем растворимость этана и в 21 раз меньше, чем пропана. Азот обладает растворимостью в 15 раз меньшей, чем метан. Поэтому газы в газовых шапках обогащены метаном и азотом. В то же время растворимость газообразных гомологов метана растет с увеличением в нефтях легких фракций УВ.

Природные газы также содержат и неуглеводородные компоненты: углекислый газ, азот, сероводород, водород, инертные газы.

Двуокись (диоксид) углерода (углекислота) СО2 - в нормальных условиях - газ, в полтора раза тяжелее воздуха. Двуокись углерода хорошо растворяется в воде, растворимость возрастает с увеличением давления: при 20 °С и 0,1 МПа в 1 объеме воды растворяется около 1 объема СО2; при давлении 30 МПа и 100 °С растворимость СО2 увеличивается до 30 объемов. Содержание СО2 в газах и нефтях от 0 до 59 %. Двуокись углерода образуется: при окислении углеводородов и других органических соединений, при декарбоксилировании органических кислот, при разложении бикарбонатов, возможно мантийное происхождение СО2.

Азот - бесцветный, химически инертный газ без запаха, содержание его в нефтяных попутных газах - от 0 до 50-70 %. Высокие концентрации азота могут быть связаны с его хорошими миграционными свойствами: доля азота в попутных газах возрастает в месторождениях, находящихся вдали от зон генерации УВ. Азот газовых и газоконденсатных залежей имеет атмосферное, биохимическое и глубинное происхождение. У азота два стабильных изотопа 14N и 15N. Содержание азота увеличивается с возрастом отложений. Показатель ?УВ/№ - коэффициент химической закрытости недр - возрастает с увеличением глубины.

Аргон в залежах углеводородных газов имеет атмосферное (проникновение ин- фильтрационных вод) и радиогенное происхождение. Аргон представлен тремя изотопами 40Ar, 38Ar и 36Ar, из них преобладает радиогенный изотоп 40Ar, образованный из изотопа 40К; его высокие концентрации отмечаются для месторождений, расположенных в приразломных зонах.

Сероводород (H2S) - бесцветный горючий газ с характерным резким запахом, хорошо растворимый в воде. В свободных природных газах его концентрация редко превышает 1 %, в газах из карбонатно-сульфатных толщ до 10-20, редко до 50 %. Сероводород чаще всего образуется в результате биологического восстановления сульфатов, растворенных в водах, сульфатредуцирующими бактериями, а с глубины 2-3 км - термокаталитического преобразования сернистых компонентов нефтей и химического восстановления сульфатов. Часть сероводорода имеет глубинное происхождение.

Содержание азота и кислых газов (СО2 и Н2Б), которые дают при растворении в воде слабые кислоты - угольную (Н2СО3) и сероводородную (Н28), может составлять десятки процентов и более, а иногда и превышать содержание углеводородных газов.

Водород (Н2) - самый легкий газ в природе, бесцветный, не имеет запаха, в газах нефтегазоносных районов водород присутствует довольно редко, повышение его концентрации свойственно вулканическим и другим глубинным газам. Чаще всего водород ассоциируется с соленосными, угленосными и нефтеносными отложениями; он приурочен к наиболее погруженным частям депрессий. Во многих месторождениях углеводородов Западного Предкавказья в составе газов присутствует до 3,5 % водорода.

Гелий (He) - газ без цвета и запаха, химически инертный. Гелий, содержащийся в свободных и нефтяных газах, имеет радиогенное происхождение. Это легкий и миграционно-способный газ, поэтому его наибольшие концентрации отмечены в древних палеозойских отложениях. Содержание гелия в попутных газах 0,5 %. Повышенные концентрации гелия отмечаются в зонах нарушений.