Природный газ

Природный газ представляет собой топливо, которое используется как в быту, так и в производстве. Рассмотрим свойства этого полезного ископаемого, а также вопрос, какую опасность оно может принести.

Основным элементом газа является метан. Его в нем насчитывается 98%. Помимо него в составе ископаемого есть следующие компоненты:

1. Бутан.
2. Этан.
3. Пропан.
4. Углекислый газ.
5. Оксид углерода.
6. Гелий.
7. Водород.

В составе можно выделить горючую и негорючую части. Чем больше горючая часть – тем больше тепла выдается. В составе каждого газа горючие и негорючие компоненты представлены в разном количестве, этим и определяется разница в свойствах газов. Также в каждом содержатся также вредные примеси.



К горючим составляющим относятся:

1. Водород. Это бесцветный, нетоксичный газ, который не имеет вкуса и запаха. Водород легковоспламеним и опасен.
2. Метан представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса. Он безопасен для человека. Так как при низких температурах метан сжимается, то он является отличным перспективным энергоносителем. Природный газ, в составе которого больше всего метана, является хорошим сырьем для промышленности. Свойства его во многом определяются именно наличием в его составе большого количества метана.
3. Оксид углерода – это бесцветный газ без запаха и вкуса, который имеет большую температуру возгорания. Если в составе слишком много оксида углерода –существенно возрастает удельная теплота сгорания, а также температура горения низкокалорийного газа. В высококалорийных увеличение количества углерода в его составе приводит к изменению свойств природного газа – удельная теплота сгорания сильно понижается. Оксид углерода, который есть во многих природных газах, является высокотоксичным веществом.
4. Сероводород. Очень токсичный газ с явно выраженным запахом тухлых яиц.

К негорючим можно отнести:

1. Азот –без запаха, цвета и вкуса. Азот не взаимодействует с кислородом и считается инертным.
2. Углекислый. Это бесцветный газ, имеющий кисловатый запах и вкус. Слишком сильная концентрация этого вещества в природном газе влияет на его основные свойства. В частности, слишком большая концентрация может привести к отравлению организма.
3. Кислород. Газ не имеет цвета, запаха и вкуса. Если он содержится в природном газе, то сильно снижает его удельную теплоту сгорания, а также делает его взрывоопасным.

Физико-химические свойства природного газа полностью определяются его составом. При этом физические свойства обычно для всех одинаковы:

• не имеет запаха, за исключением газов, в составе которых есть сероводород;
• не имеет цвета;
• он намного легче воздуха;
• взрывоопасен и горюч.

Опасные свойства природного газа

Природный газ обладает несколькими опасными свойствами:

1. Токсичность. Это самое опасное свойство. Она зависит от состава газа. Например, метан и этан в чистом виде не ядовиты, но при недостатке кислорода в воздухе приводят к удушью. Опасны для здоровья также газы, в составе которых слишком много оксида углерода и сероводорода. И если определить наличие сероводорода и спастись от негативных последствий просто, то почувствовать оксид углерода удается не всегда, поэтому риск отравления возрастает.
2. Взрываемость. Все природные газы, в составе которых есть кислород, образуют вещество, которое легко может взорваться при наличии источника огня. Каждый газ имеет определенную температуру воспламенения, которая зависит от его молярной массы. Природные газы взрываются не всегда, а только в том случае, если в их составе слишком много кислорода.

Природным газом называется смесь таких газов, которые образовались в земных недрах при разложении различных органических веществ. Конечно, состав природного газа стоит определять с поправкой на конкретные образцы. Однако у всех природных газов несомненно много общих веществ и химических элементов в строении, а также любой природный газ имеет приблизительно тот же физический состав и свойства, что и другие. Об этом мы с вами и поговорим.

Общие сведения

Природный газ - одно из важнейших полезных ископаемых, активно применяемых в промышленности и в быту. В условиях залегания (или, как говорят газовики, в пластовых условиях) природный газ находится исключительно в газообразном состоянии либо в виде так называемой «газовой шапки» в общих месторождениях нефти и газа, либо в виде газовых залежей (то есть, отдельных скоплений), либо в растворенном виде - в воде или в нефти. Правда, при определенных условиях природный газ может находиться не только в газообразном, но и в твердом состоянии в виде кристаллов.

Химический состав природного газа

Что касается основных веществ, входящих в состав природного газа, то ими являются метан (CH 4), углекислый газ (CO 2) и азот в виде молекул (N 2). Из этих веществ и элементов состоит практически любой природный газ, будь то рудничный или болотный. Что же касается состава природного газа в процентах, то основным веществом, входящим в состав природного газа безусловно является метан. Его доля составляет от 90 до 98% - в зависимости от месторождения газа. Также в состав природного газа входят такие вещества, как бутан, пропан, этан (углеводороды, называемые также гомологами метана, поскольку состоят из одних и тех же химических элементов, различаясь только по количеству атомов углерода и водорода и, соответственно, по структуре молекул). Из неуглеводородных составляющих природного газа отметим, помимо уже описанных азота и диоксида углерода (углекислого газа), водород (H 2), гелий (He) и сероводород (H 2 S).

Физические свойства природного газа

Прежде всего отметим, что природный газ, находящийся в чистом виде, бесцветен и не имеет запаха. Для того, чтобы определить утечку газа, в него в малых количествах добавляются так называемые одоранты или вещества, которые имеют резкий и достаточно неприятных запах: например, тиолы, среди которых ведущее место занимает этилмеркаптан. На 1000 кубометров природного газа добавляется обычно не более 15-16 г этилмеркаптана. Плотность природного газа в газообразном состоянии составляет в среднем 0,75 кг на кубический метр. В кристаллическом состоянии плотность достигает 400 кг на м 3 . Самовозгорается природный газ лишь при очень высокой температуре - около 650 градусов по шкале Цельсия. При определенной концентрации природного газа в воздухе (примерно 5-15%) могут происходить взрывы. Также известна и удельная теплота сгорания природного газа, составляющая в среднем 35 МДж/м? или 9 Мкал/м?. При использовании в различных двигателях внутреннего сгорания октановое число природного газа составляет от 120 до 130. Наконец, природный газ приблизительно в 1,8 раз легче воздуха, поэтому при утечке он поднимается вверх, а не собирается в низинах.

Применение природного газа

Прежде всего, природный газ в современном мире применяется в качестве горючего и топлива. Так, во многих многоквартирных и частных домах люди используют природный газ для приготовления пищи, подогрева воды, отопления. Что же касается другого применения природного газа в виде топлива, то в последнее время он активно используется не только в качестве топлива для различных ТЭЦ и котельных, но и как горючее для топливных систем некоторых автомобилей. Кроме того, современные инженеры и конструкторы наладили даже выпуск транспорта, работающего на природном газе - например, автобусов. В химической промышленности природный газ используется в качестве сырья для изготовления всевозможных веществ - например, различных пластиков и пластмасс. А на заре своей добычи во многих европейских и североамериканских городах природный газ использовался в качестве уличного освещения и применялся он даже в самых первых светофорах.

Горение природного газа

Природный газ – это полезное ископаемое в газообразном состоянии. Оно используется в очень широких пределах в качестве топлива . Но сам природный газ как таковой не используется как топливо, из него выделяют его составляющие для отдельного использования. Часто является попутным газом при добыче нефти . Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газовом состоянии в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений – это свободный газ ; либо в растворённом состоянии в нефти или воде (в пластовых условиях), а в стандартных условиях – только в газовом состоянии. Также природный газ может находиться в виде газогидратов.

Почти на 90% он состоит из углеводородов , главным образом метана (СН 4). Содержит и более тяжёлые углеводороды - этан , пропан , бутан , а так же меркаптаны и сероводород (обычно эти примеси вредны), азот и углекислый газ (они в принципе бесполезны, но и не вредны), пары воды, полезные примеси гелия и других инертных газов.

Химический состав

Основную часть природного газа составляет метан (CH 4) - до 98%. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды - гомологи метана:

• этан (C 2 H 6),
• пропан (C 3 H 8),
• бутан (C 4 H 10),
• и другие алканы – от С 5 и выше

А также другие неуглеводородные вещества:

• более тщательный анализ, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия (Не).

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава):

• Плотность :
  • от 0,7 до 1,0 кг/м 3 - сухой газообразный, при н. у.
  • 400 кг/м 3 -жидкий.
• Теплота сгорания одного м 3 природного газа в газообразном состоянии при н.у.: 28-46 МДж, или 6,7-11,0 Мкал.
• Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120-130.
• Концентрационные границы воспламенения (взрыва) природного газа (метана) находятся в диапазоне от 5 до 15 %. Вне этих границ газовоздушная смесь не способна к распространению пламени. При взрыве давление в замкнутом объеме повышается до 0,8... 1 МПа.
• Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество одорантов (чаще всего в качестве одоранта применяется этил-меркаптан), имеющих сильный неприятный запах, это - одоранты .
• Природный газ быстро улетучивается и рассеивается в атмосфере, что важно с точки зрения безопасности.

Запасы природного газа

Карта запасов природного газа в мире

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе. Метан - третий по распространённости газ вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило, не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического применения. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли, однако они тоже не представляют интереса.

Огромные залежи природного газа сосредоточены в осадочной оболочке земной коры. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при больших температурах и давлениях, чем нефть . С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.

Огромными запасами природного газа обладает Россия (Уренгойское месторождение), США, Канада. Из других европейских стран стоит отметить Норвегию, но её запасы невелики. Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеет Туркмения, а также Казахстан (Карачаганакское месторождение).

Во второй половине XX века в университете им. И. М. Губкина были открыты природные газогидраты (или гидраты метана). Позже выяснилось, что запасы природного газа в данном состоянии огромны. Они располагаются как под землёй, так и на незначительном углублении под морским дном.

Крупнейшие мировые газодобытчики

Страна	2010		2006
	Добыча, млрд куб.м	Доля мирового рынка (%)	Добыча, млрд куб.м	Доля мирового рынка (%)
Российская Федерация	647		673,46	18
Соединенные Штаты Америки	619		667	18
Канада	158
Иран	152		170	5
Норвегия	110		143	4
Китай	98
Нидерланды	89		77,67	2,1
Индонезия	82		88,1	2,4
Саудовская Аравия	77		85,7	2,3
Алжир	68		171,3	5
Узбекистан	65
Туркменистан			66,2	1,8
Египет	63
Великобритания	60
Малайзия	59		69,9	1,9
Индия	53
ОАЭ	52
Мексика	50
Азербайджан			41	1,1
Остальные страны			1440,17	38,4
Мировая добыча газа		100	3646	100

Добыча и обработка природного газа

Газовые месторождения

Залежь нефти или газа представляет собой скопление углеводородов , которые заполняют поры проницаемых пород. Если скопление велико и его эксплуатации экономически целесообразна, залежь считают промышленной. Залежи, занимающие значительные площади, образуют месторождения.

Осушка газа

Содержание влаги в газе при его транспортировании часто вызывает серьезные эксплуатационные затруднения. При определенных внешних условиях (температуре и давлении) влага может конденсироваться , образовывать ледяные пробки и кристаллогидраты , а в присутствии сероводорода и кислорода вызывать коррозию трубопроводов и оборудования. Во избежание перечисленных затруднений газ осушают, снижая температуру точки росы на 5...7 °С ниже рабочей температуры в газопроводе.

Очистка газа от сероводорода и углекислого газа

В горючих газах используемых для газоснабжения городов, содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м 3 газа. Содержание углекислого газа нормы не лимитируют, однако по технико-экономическим соображениям в транспортируемом газе оно не должно превышать 2%.

Одоризация газа

Природный газ не имеет запаха. Поэтому для своевременного выявления утечек газа ему придают запах - газ одорируют. В качестве одоранта применяют этил-меркаптан (С 2 Н 5 SН). По токсичности качественно и количественно он идентичен сероводороду, имеет резкий неприятный запах.

Траспортировка

Основным видом транспорта газа, в настоящее время, является трубопроводный . Газ движется по трубам большого диаметра под давлением 75 атмосфер (7,5 МПа). Продвигаясь по трубопроводу газ, теряет энергию, она тратится на преодоление силы трения как между стенкой трубы и газом, так и между слоями самого газа. Чтобы давление в трубопроводе поддерживалось на заданном уровне, на определённом расстоянии друг от друга необходимо наличие компрессорных станций (КС), которые должны поддерживать давление в трубопроводе на уровне 75 атмосфер. Обслуживание и сооружение трубопровода стоит не малых денег, но, тем не менее, трубопровод является наиболее дешёвым способом транспортировки нефти и газа.

Другим способом транспортировки газа является использование специальных танкеров – газовозов. Это специально оборудованные корабли, для перевозки газа в сжиженном состоянии при определённых условиях. Для транспортировки газа этим способом необходимо кроме самих танкеров провести ряд подготовительных мероприятий для возможности их использования. Нужно протянуть газопровод к берегу моря, построить порт для танкеров, завод для сжижения газа, и сами танкеры. Тем не менее, этот вид транспортировки газа является экономически обоснованным при отдалённости потребителя от мест добычи более 3000 км.

Синтез природного газа

Существуют множество способов получения природного газа из других органических веществ, например отходов сельскохозяйственной деятельности, деревообрабатывающей и пищевой промышленности и т. д.

Химические элементы и соединения в нефти

Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5 – 87,5 % и водорода – 11,0 – 14,5 % от массы нефти. Кроме них в нефти присутствуют еще три элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5 – 8 %. В незначительных концентрациях в нефти встречаются элементы: ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и др. Их общее содержание не превышает 0,02 – 0,03 % от массы нефти. Указанные элементы образуют органические и неорганические соединения, из которых состоят нефти. Кислород и азот находятся в нефти только в связанном состоянии. Сера может встречаться в свободном состоянии или входить в состав сероводорода.

Физические свойства нефтей

1. плотность нефти (800-900 кг/м^3)

2. вязкость нефти (0.8-50 мПА*с)

4. давление насыщения нефти и газов (при снижении пластового давления ниже давления насыщения, начинается бурное выделение газов из нефти)

5. обьемный коэффициент пластовой нефти в основном 1,2 – 1,8 (показывает во сколько раз изменяется обьем нефти поверхностных условиях относительно обьемов в пластовых условиях

6. теплота сгорания нефти – (43-46 кДж /кг)

7. Люминесценция нефти

4) Классификация нефтей:

В зависимости от группового состава выделяются следующие классы и промежуточные типы нефтей: 1. Метановые; 2. Метаново-нафтеновые; 3. Нафтеновые; 4. Нафтеново-ароматические; 5. Ароматические; Метаново-ароматических не существует.

Товарные и технологические свойства нефтей определяются содержанием парафина, серы, смолистых веществ и наличием примесей:

Безпарафиновые – содержание парафина менее 1%;

Слабопарафиновые – 1-2% парафина;

Парафинистые- более 2% парафина;

Малосернистые- не более 0,5% серы в нефти;

Сернистые- 0,5-2%;

Высокосернистые-более 2%;

Малосмолистые- меньше 5% смол в нефти;

Смолистые- 5-15%;

Высокосмолистые-более 15%;

Химический состав газа. Группы УВ газов и особенности их состава.

Природный газ- природные УВ смеси, представляющие собой многокомпонентные смеси предельных УВ(этан (C 2 H 6),пропан (C 3 H 8),бутан (C 4 H 10) и СH4) и другие неУВ соединения (водород (H 2),сероводород (H 2 S),диоксид углерода (СО 2),азот (N 2),гелий (Не)).К сухим УВ смесям относятся главным образом смесь метана(97-98%) с тяжёлыми гомологами:(этан (C 2 H 6),пропан (C 3 H 8),бутан (C 4 H 10) (2-3%)) .Попутные нефтяные газы представляют собой смесь УВ, которые кроме метана содержат в большом количестве тяжёлые УВ(этан (C 2 H 6),пропан (C 3 H 8),бутан (C 4 H 10)) , а также более тяжёлые УВ(пентана, гексана и др.)Суммарное содержание таких УВ в попутном газе-10-40%Присутствуют редкие газы: углерод, углеводород, сероводород

6) Физические свойства газа:

1. Показатель сухости или жирности газа;

2. Плотность газа- 0,73-1,2 (кг/м3);

3. Вязкость газа- 0,0001 (МПа*с);

4. Коэффициент сжимаемости газа- отношение объёмов равного числа молей,реального и идеального газов при одинаковых давлениях и температурах(0,8-1,2);

5. Теплота сгорания газа(37-40 кДж/м3);

6. Растворимость УВ газов в жидкостях;

7) Конденсат - природная смесь в основном легких углеводородных соединений, находящихся в газе в растворенном состоянии при определенных термобарических условиях и переходящих в жидкую фазу при снижении давления ниже давления конденсации. В стандартных условиях конденсат (стабильный) находится в жидком состоянии и не содержит газообразных УВ. В состав конденсата могут входить сера и парафин. Конденсаты различа­ются по групповому и фракционному составу. К основным параметрам пластового газа, содержащего конденсат, кроме перечисленных выше, относятся также конденсатно-газовый фактор и давление начала конденсации. Конденсат характеризуется плотностью и вязкостью в стандартных условиях.

Конденсатом называют жидкую углеводородную фазу, выделяющуюся из газа при снижении давления. В пластовых условиях конденсат обычно весь растворен в газе. Различают конденсат сырой и стабильный.

Сырой конденсат представляет собой жидкость, которая выпадает из газа непосредственно в промысловых сепараторах при давлении и температуре сепарации. Он состоит из жидких при стандартных условиях УВ. т.е. из пентанов и высших (C5+высш), в которых растворено некоторое количество газообразных УВ-бутанов, пропана и этана, а также H2S и других газов.

Важной характеристикой газоконденсатных залежей является конденсатно-газовый фактор, показывающий содержание сырого конденсата (см3) в 1 м3 отсепарированного газа.

На практике используется также характеристика, которая называется газоконденсатным фактором, - это количество газа (м3), из которого добывается 1 м3 конденсата. Значение газоконденсатного фактора колеблется для разных месторождений от 1500 до 25 000 м3/м3.

Стабильный конденсат состоит только из жидких УВ - пентана и высших (C6+высш) Его получают из сырого конденсата путем дегазации последнего. Температура выкипания основных компонентов конденсата находится в диапазоне 40-200°С. Молекулярная масса 90-160. Плотность стабильного конденсата в стандартных условиях изменяется от 0,6 до 0,82 г/см3 и находится в прямой зависимости от компонентного углеводородного состава.

Газы газоконденсатных месторождений делятся на газы:

С низким содержанием конденсата (до 150см3/м3),

Средним (150-300 см3/м3),

Высоким (300-600 см3/м3),

Очень высоким (более 600 см3/м3).

Большое значение имеет такая характеристика газа конденсатных залежей, как давление начала конденсации, т.е. давление, при котором конденсат выделяется в пласте из газа в виде жидкости. Если при разработке газоконденсатной залежи в ней не поддерживать давление, то оно с течением времени будет снижаться и может достигнуть величины меньше давления начала конденсации. При этом в пласте начнет выделяться конденсат, что приведет к потерям ценных УВ

в недрах.

8) Природные битумы - вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводов и их неметаллических производных. Природные битумы получились в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы.

Существуют два диаметрально противоположных пути формирования битумов: катагенный и гипергенный. Главным процессом образования твердых битумов является гипергенное преобразование нефтей. Окисление нефти приводит их в полутвердое (мальты) и твердое (асфальты, асфальтиты) состояния. По мере размыва и дальнейшего выветривания пород жильные и излившиеся формы битумов превращаются в окисленные гуминокериты

Свойства битумов:

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны; Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5–0,6 Вт/(м °С); теплоемкость - 1,8–1,97 кДж/кг °С. Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5 10–4 до 8 10–4°С1, причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения; при пониженных температурах - около 2 104°С-1. Устойчивость при нагревании характеризуется: 1) потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и 2) температурой вспышки (230–240°С - в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2–0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

9) По мнению современных сторонников органической гипотезы, образование нефти происходит следующим образом. Остатки растений и животных в огромном количестве выпадают на дно морей и озёр, где они накапливаются в илах. Затем илы перекрываются новыми слоями, уплотняются и превращаются в осадочную породу. При этом органические остатки разлагаются бактериями. Образуются большое количество метана, углекислый газ, вода и немного жидких и твёрдых углеводородов.

Лабораторными экспериментами установлено, что превращение органического вещества в нефть лучше всего протекает при температуре 100- 200° С. Такая температура характерна для глубин 4-6 км, которые некоторые исследователи называют главной зоной нефтеобразования. А глубины с большей температурой считаются главной зоной газообразования.

По мере погружения и уплотнения рассеянная нефть вместе с газом выжимается из илов в залегающие выше пористые породы. В новой пористой среде она приобретает свойства «настоящей» нефти. Далее нефть медленно перемещается по порам и трещинам вверх, где при благоприятных условиях формируются скопления - залежи нефти и газа.