Характеристика компонентов природных газов

Состав природных газов, находящихся в залежах может меняться за счет действия гидродинамических, биохимических, термобарических, неотектонических и других факторов.

Главным компонентом природных газов стратисферы, как правило, является метан. Основными компонентами являются углекислый газ, сероводород и азот. Их содержание может достигать в свободных газах 100 %. В малых концентрациях, в качестве примесей в природных газах присутствуют: гелий, аргон, водород и другие газы.

Метан (СН₄) – простейший насыщенный УВ. Представляет собой бесцветный газ, который легко загорается и горит бесцветным пламенем. Смеси метана с воздухом взрывоопасны уже при содержании метана в пределах 5 %. Метан не содержит связей между атомами углерода (С–С), которые менее прочные, чем связи между углеродом и водородом (С–Н), поэтому обладает значительной химической и термической устойчивостью.

Метан является основным компонентом газовых, газоконденсатных и нефтегазовых залежей, а также попутных нефтяных, рудничного и болотного газов. Он может иметь различное происхождение: биохимическое, термокаталитическое, глубинное, радиохимическое и космическое. В отличие от своих газообразных гомологов, метан имеет наибольшую подвижность, и одновременно наименьшую растворимость в воде и низкую способность к адсорбции. Поэтому при миграции он опережает другие углеводородные газы.

Тяжелые углеводородные газы(ТУВГ). К этим газам относятся газообразные гомологи метана: этан, пропан и бутан, которые появляются преимущественно в процессе образования нефти, поэтому считаются специфическими «нефтяными» газами.

Углекислый газ(диоксид углерода, СО₂). Это бесцветный газ, имеющий слабокислый запах и вкус. В составе атмосферы он содержится в объеме всего 0,03 %, но обладает сильным парниковым эффектом и при концентрации более 4 % токсичен. Углекислый газ хорошо растворяется в воде, образуя слабую угольную кислоту Н₂СО₃. Растворимость газа растет с увеличением давления. При температуре 20ºС и давлении 0,1 МПа в одном объеме воды растворяется 0,88 объема углекислого газа, а при давлении 30 МПа и температуре 100ºС может раствориться уже 30 объемов газа.

Природные воды, насыщенные углекислым газом, приобретают особую способность взаимодействовать с горными породами и образовывать стойкие эмульсии с ТУВГ. Такие эмульсии представляют собой воду, насыщенную мелкими пузырьками газа. При высоких давлениях углекислый газ способен растворять большие объемы УВ.

Углекислый газ может иметь различное происхождение, включая мантийное. В земной коре он образуется при окислении органических веществ, в том числе и УВ, при декарбоксилировании органических кислот и разложении бикарбонатов.

Сероводород (Н₂S). Это бесцветный горючий газ с характерным неприятным и резким запахом, и очень высокой растворимостью в воде, которая является наибольшей среди природных газов. При растворении газа образуется слабая сероводородная кислота Н₂S, поэтому сероводород, наряду с углекислым газом называют кислым газом.

Сероводород является сильным восстановителем и высокотоксичным газом, поражающим нервную систему. Поэтому рассматривается как вредная примесь к природным газам. Организм быстро привыкает к его запаху. Предельное допустимое содержание сероводорода в воздухе составляет 0,01 мг/л., а при концентрации более 0,1 % (0,1 мг/л) наступает мгновенная смерть, в связи с параличом дыхательного центра.

При концентрации в составе природных газов от 5 % и выше сероводород является ценным компонентом, поскольку служит сырьем для производства серы.

Сероводород может иметь различное происхождение. Он образуется при биохимическом окислении и термолизе ОВ, химическом и биохимическом восстановлении сульфатов сульфат-редуцирующими бактериями. Присутствует сероводород и в вулканических газах.

Азот(N₂). Это бесцветный газ без запаха и вкуса. Его содержание в воздухе составляет 78,09 % по объему или 75,6 % по массе. Азот занимает четвертое место в космосе вслед за водородом, гелием и кислородом. Вместе с аммиаком NН₃ и хлоридом аммония NН₄Сl азот присутствует в вулканических газах. Азот несколько легче воздуха, и плохо растворим в воде и нефти. В 100 объемах воды растворяется примерно два объема азота. В нормальных условиях молекулярный азот N₂ инертен. Непосредственно он соединяется только с литием.

Азот может иметь атмосферное, биохимическое и глубинное происхождение. В верхней части осадочного чехла он чаще всего имеет атмосферное происхождение.

Гелий (Не). Это инертный безвалентный благородный газ без цвета и запаха. По распространенности в космосе он занимает второе место после водорода. На Земле распространенность гелия ниже, примерно на 10 порядков, что объясняется его утратой вместе с другими летучими элементами ещё в начальном периоде формирования планеты.

Гелий является ценным компонентом природных газов. Его промышленные запасы в природных газах сосредоточены преимущественно в палеозойских породах древних платформ, где преобладают газы с концентрацией гелия от 0,05 до 0,2 %. Газы с содержанием гелия не менее 1,0 % относятся к уникальным месторождениям гелия.

Аргон (Аr). Это инертный благородный газ. Известно три стабильных изотопа аргона: ³⁶Аr, ³⁸Аr и ⁴⁰Аr. Резко преобладает изотоп ⁴⁰Аr, который имеет почти целиком радиогенное происхождение. Большая часть изотопов ³⁶Аr, ³⁸Аr имеет первичное (космическое) происхождение и ныне сконцентрирована главным образом в атмосфере. Генезис аргона тесно связан с генезисом азота.

Водород (Н₂). Это самый легкий газ без цвета и запаха. Он в 14,3 раза легче воздуха; температура кипения минус 252,6 ºС. Водород самый распространенный элемент космоса. Его содержание в литосфере и гидросфере Земли составляет 1 % по весу, в морской воде 10 %, а в атмосфере – всего 10^ˉ4 %.

В нормальных условиях молекулярный водород взаимодействует лишь с наиболее активными элементами – галогенами. При повышении температуры и давления вступает в реакцию с большинством металлов, с образованием гидридов. Железо и никель способны поглощать в одном объеме десятки и сотни объемов водорода, не образуя при этом гидридов.

Реагируя со щелочными металлами, водород выступает в качестве окислителя, во всех других случаях он является восстановителем. В условиях земной коры водород обладает высокой химической активностью и миграционной способностью, поэтому в природных газах его высокие концентрации, достигающие 20–28 %, обнаруживаются очень редко, а низкие концентрации от 0,001 до 0,1 % фиксируются постоянно. В осадочный чехол нефтегазоносных провинций водород проникает из фундамента по разломам.