Теоретичний матеріал Склад і структура гідратів

Гідрати природних газів є з'єднанням води з вуглеводнями, яке з підвищенням температури або при пониженні тиску розкладається на газ і воду. На вигляд це біла кристалічна маса, схожа на лід або сніг.

Газові гідрати – це тверді кристалічні з’єднання, що утворюються при певних термобаричних умовах із води (водного розчину, льоду, водяних парів) і низькомолекулярних газів (метану, этану, пропану, вуглекислого газу та ін.).За зовнішнім виглядом схожі на сніг чи лід. Газові гідрати відносяться до клатратних| з'єднань|сполук| або з'єднань|сполук| включення|приєднання| [1], оскільки молекули газів ("гості") вбудовуються|впроваджують| в молекулярні порожнини льодоподібного| каркаса ("господаря|хазяїна|"), утвореного молекулами води за допомогою водневих зв'язків. Молекули - гості пов'язані з каркасом - господарем|хазяїном| |ван-дер-|вальсовими| силами взаємодії. При помірних тисках (1 – 3 МПа), які є характерними при видобуванні природного газу, газогідрати знаходяться в стабільному стані аж до температури плюс 20-25 ^оС. Відомо шість структур кристалічної решітки газогідратів, однак на практиці в газових і газоконденсатних системах реалізуються структури КС І і КС ІІ. Елементарна ячейка кубічної структури І (КС І) складається із 46 молекул води, утворюючи дві малі порожнини (D) і шість великих (Т). В гідратах кубічної структури ІІ (КС ІІ) елементарна ячейка складається із 136 молекул води, утворюючи 16 малих (D) і вісім великих (Н) порожнин. Ступінь заповнення порожнин визначається особливостями взаємодії гостьових молекул з молекулами води й термодинамічними умовами. Суміші вуглеводневих газів утворюють гідрати, які головним чином відносяться до структури КС ІІ. Так, наприклад, суміш метану і пропану вже при концентрації останнього 0,3 – 0,6% утворює гідрат КС ІІ, тоді як чистий метан утворює гідрат КС І.

При заповненні восьми порожнин грат гідрата склад гідратів структуриI виражається формулою 8M46Н₂О або М5,75Н₂О, де М  гідратоутворювач. Якщо заповнюються тільки великі порожнини, формула матиме вигляд 6М  46Н₂О або М  7,67Н₂О. При заповненні восьми порожнин грат гідрата склад гідратів структури II виражається формулою 8М136Н₂О або М17Н₂О.

Формули гідратів компонентів природних газів: СН₄*6Н₂О; С₂Н₆*8Н₂О; С₃Н₈*17Н₂О; i - С₄Н₁₀*17Н₂О; Н₂S*6Н₂О; N₂*6Н₂О; СО₂*6Н₂О. Ці формули гідратів газів відповідають ідеальним умовам, тобто таким умовам, при яких всі великі і малі порожнини грат гідрата заповнюються на 100%. На практиці зустрічаються змішані гідрати, що складаються з 1, II структур.

а - структура I; б - структура II

Рисунок 1.1. Структура утворення гідратів

У 1 м³ газогідрату може міститися|утримуватися| 160 м³ метану за нормальних умов, при цьому об'єм|обсяг| зайнятий|позичати| газом в гідраті не перевищує 20% [2]. Тому з 1 м³ газогідрату додатково можна отримати близько 0,87 м³ талої структурованої води. Питомий об'єм|обсяг| води при переході в |стан| гідратну форму збільшується на 26-32%||порядки|. Молекули газу захоплюються в структуру гідрата вибірково: відбувається|походить| фракціонування, і залишкова газова фаза стає збагаченою молекулами газів, що погано входять в решітку через свої розміри. Вода в природі завжди містить|утримує| в собі деяку кількість розчинених солей|соль| і має ту або іншу мінералізацію, проте|однак| кристалічна решітка газового гідрата будується лише|тільки| з|із| молекул H₂О|. Тому, як і в разі|у разі| утворення льоду|криги|, незамерзла вода, що залишилася, завжди стає більш мінералізованою|.