Лекция 7. Компоненты 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, или осадочной оболочки, как правило, является метан. Основными компонентами являются углекислый газ, сероводород и азот. Их содержание может достигать в залежах свободных газов 100 %. В малых концентрациях, в качестве примесей в природных газах присутствуют: гелий, аргон, водород и другие газы.

Метан (СН₄) представляет собой газ без цвета и запаха, 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 очень широко распространен в природе и, как правило, 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.

Метан обладает большим парниковым эффектом, на много превышающим эффект углекислого газа.

Тяжелые углеводородные газы (ТУВГ). К этим газам относятся газообразные гомологи метана: этан, пропан и бутан. Они 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 сильно растет с увеличением давления. При температуре 20 ºС и давлении 0,1 МПа в одном объеме воды растворяется 0,88 объема углекислого газа, а при давлении 30 МПа и температуре 100 ºС 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 нефти.

Содержание углекислого газа в газовых залежах изменяется от долей процента до 100 %. Углекислый газ имеет различное происхождение, включая мантийное. В земной коре он может образоваться при окислении ОВ, в том числе и УВ, а также при декарбоксилировании органических кислот и разложении бикарбонатов.

В ряде случаев углекислый газ имеет термокаталитическое, поствулканическое или метаморфическое происхождение. Например, углекислым газом обогащены газовые месторождения, расположенные вблизи вулканических областей, областей недавней тектонической активизации и метаморфизации карбонатных пород. Накопление углекислого газа в пластовых водах, а впоследствии и в залежах, может происходить в результате глубинного выщелачивания карбонатов при температуре превышающей 100 °С.

Сероводород (Н₂S). Это бесцветный горючий газ с характерным неприятным и резким запахом. Он имеет очень высокую растворимость 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 это 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.

Концентрация сероводорода в природных газах обычно составляет от 0,01 до 25 %, но иногда она достигает 100 %. 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 подземных вод сульфатредуцирующими бактериями. Присутствует сероводород и в вулканических газах.

На больших глубинах в жестких термобарических условиях сероводород образуется в результате термокаталитического преобразования сернистых компонентов нефтей и химического восстановления сульфатов УВ.

При температурах более 200 °С в присутствии воды возможно образование из метана углекислого газа и водорода. При наличии в породах сульфатов водород восстанавливается до сероводорода. В результате формируются залежи смешанного углекисло-сероводородно-углеводородного состава. Поэтому газы, находящиеся в толщах карбонатных пород, которые контактируют или чередуются с сульфатными породами часто обогащены сероводородом.

Часть сероводорода в газовых залежах, возможно, имеет глубинное происхождение.

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.

Содержание азота в природных газах увеличивается в целом с возрастом вмещающих пород, и колеблется от сотых долей процента до 90-99 %. Азот в залежах может иметь атмосферное и биогенное происхождение. Небольшое его количество имеет глубинное происхождение. Иногда высокие концентрации азота связаны с его хорошими миграционными свойствами. В таких случаях повышенные концентрации азота в газах отмечаются в месторождениях, которые находятся вдали от очагов генерации УВ, то есть на периферии областей газонакопления. Например, в России пояс азотных газовых залежей, в которых содержание биогенного азота превышает 99 %, протягивается по западной окраине Волго-Уральской нефтегазоносной провинции, по территории Татарстана и Удмуртии.

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 %. В залежах свободных газов гелий содержится от тысячных долей процента до 9 %. Залежи газов с концентрацией гелия выше 0,05 % относятся к промышленным месторождениям гелия, а залежи с содержанием гелия 1,0 % и более относятся к уникальным месторождениям гелия.

Гелий, содержащийся в свободных и нефтяных газах, имеет радиогенное и глубинное происхождение. Повышенное содержание гелия отмечается в зонах разломов.

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.

В залежах углеводородных газов аргон может иметь атмосферное или радиогенное происхождение. Его концентрации составляют от 0,003 до 0,5 %. Атмосферный или воздушный аргон попадает в газовые залежи посредством инфильтрационных вод. Доля аргона различного генезиса определяется по отношению разных изотопов.

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. В осадочный чехол нефтегазоносных провинций водород проникает из фундамента по разломам, поскольку он способен мигрировать через толщи, непроницаемые для углеводородных газов. Формирование залежей водорода возможно только при наличии очень надёжных низкопроницаемых покрышек. В составе залежей свободных газов водород обычно содержится в незначительном количестве: от 0,001 до 0,1 %. Повышенные его концентрации, достигающие 3,5 % отмечены во многих месторождениях Западного Предкавказья, которые связаны с зонами разрывных нарушений. Известны также немногочисленные залежи природных газов, содержащие от 13 до 28 % водорода.

Неон, криптон, ксенон. Содержание этих редких газов находится в пределах от n·10^-5 до n·10^-9 %.

Ртуть. Природные газы могут содержать пары ртути в концентрациях, представляющих промышленный интерес. В основном концентрация ртути лежит в незначительных пределах от 1·10^-8 до 3·10^-3 г/м³. Но иногда она может достигать очень высоких значений от 3 до 14 г/м³. Это сопоставимо с очень богатыми и уникальными месторождениями ртути по её содержанию в руде. Анализ размещения ртутьсодержащих газовых, газонефтяных и рудных месторождений дал основание Н.А. Озеровой (2002; 2012) считать, что эти месторождения приурочены к единым тектоническим структурам мантийного заложения. Другой важной закономерностью ртутьсодержащих газовых месторождений является закономерное увеличение содержания ртути с глубиной залегания газовых залежей на многопластовых месторождениях, что согласуется с концепцией ртутной дегазации Земли. Кроме того, на Опошнянском (Украина) и Мирненском (Ставропольский край) месторождениях установлена, закономерная периодичность изменения концентраций ртути, связанная с геодинамическими явлениями (Н.А. Озерова; 2002).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Кратко охарактеризуйте следующие природные газы: а) метан, б) углекислый газ, в) азот, г) сероводород.

2. Кратко охарактеризуйте следующие природные газы: а) водород, б) гелий, в) аргон, г) неон, криптон, ксенон.

3. В какой форме в природных газах содержится ртуть, и каково её происхождение в газах?