2 Состав и физико-химические свойства природных газов и нефти

2.1 Состав и физико-химические свойства природных газов

Природные газы – это вещества, которые при нормальных (стандартных) условиях находятся в газообразном состоянии и в зависимости от условий могут находиться в трёх состояниях: свободном, сорбированном, растворённом.

Углеводородные газы в пластовых условиях (в залежах) в зависимости от их состава, давления и температуры могут находиться в различных агрегатных состояниях – газообразном, жидком, в виде газожидкостных смесей.

Свободный газ обычно расположен в повышенной части пласта, в газовой шапке. Если газовая шапка в нефтяной залежи отсутствует, то весь газ залежи растворён в нефти. Это возможно при высоком пластовом давлении или особом строении залежи. Этот газ, по мере снижения давления при добыче, выделяется из нефти. Он называется попутным газом.

В пластовых условиях все нефти содержат растворённый газ. Чем выше давление в пласте, тем больше растворённого газа содержится в нефти. Давление, при котором весь имеющийся в залежи газ растворён в нефти, называется пластовым давлением насыщения. Давление насыщения нефти газом в пластовых условиях определяется составом нефти, газа и температурой в пласте.

2.1.1 Состав природных газов

Природные газы, добываемые из газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений, состоят из углеводородов (СН₄-С₄Н_10, и выше), а также неуглеводородных компонентов (H₂S, N₂, CO, CO₂, Ar, H₂, He и др.).

Составы сухого газа, жидких газов и газового бензина

Компоненты Название смеси

Метан, этилен, этан Сухой газ

Пропан, пропилен, изобутан, нормальный бутан, бутилен Жидкий газ

Изопентан, нормальный пентан, амилены, гексан и др. Бензин

Природные газы, добываемые из чисто газовых, нефтяных и газоконденсатных месторождений, состоят из углеводородов гомологического ряда метана с общей формулой С_nH_2n+2, а также неуглеводородных компонентов: азота (N₂), углекислого газа (СО₂), сероводорода (H₂S), меркаптанов (RSH), редкозе­мельных (инертных) газов (гелия, аргона, криптона, ксенона), ртути. Число углеродных атомов в молекуле углеводородов п может достигать 18 и более.

Метан (СН₄), этан (С₂Н₆) и этилен (С₂Н₄) при обычных ус­ловиях давления (P = 0,1 МПа) и температуры (T=288—303 К) являются газами.

Пропан (С₃Н₈), пропилен (С₃Н₆), изобутан (i-C₄Hio), нор­мальный бутан (n = C₄H₁₀), бутилены (С₄Н₈) при атмосфер­ных условиях находятся в парообразном (газообразном) состо­янии, при повышенных давлениях — в жидком состоянии. Они входят в состав жидких углеводородных газов.

Углеводороды, начиная с изопентана (i-C₅Hi₂) и более тя­желые (17>n>5), при атмосферных условиях находятся в жидком состоянии. Они входят в состав бензиновой фракции.

Углеводороды, в молекулу которых входит 18 атомов угле­рода (от C₁₈H₃₈) и более расположенных в одну цепочку, при атмосферных условиях находятся в твердом состоянии.

В таблице 2.1 приведены составы сухого газа, жидких газов и газового бензина.

Природные газы подразделяются на три следующие группы:

– газы, добываемые из чисто газовых месторождений и представляющие собой сухой газ, свободный от тяжелых угле­водородов.

– газы, добываемые вместе с нефтью. Это физические смеси сухого газа, пропан-бутановой фракции (жидкого газа) и газо­вого бензина.

– газы, добываемые из газоконденсатных месторождений,— смесь сухого газа и жидкого углеводородного конденсата. Угле­водородный конденсат состоит из большого числа тяжелых углеводородов, из которых можно выделить бензиновые, лигроиновые, керосиновые, а иногда и более тяжелые масляные фракции.

Качественный состав газов нефтяного происхождения всегда одинаков, что нельзя сказать о газах вулканических извержений.

При нормальных и стандартных условиях в газообразном состоянии существуют только углеводороды С₁–С₄. Углеводороды С₅ и выше при нормальных условиях находятся в жидком состоянии. При высоких давлениях жидкие углеводороды растворяются в газовой фазе (газовые растворы, газоконденсаты). Поэтому при высоких давлениях плотность газа может приближаться к плотности легких углеводородных жидкостей.

Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, содержат более 95 % метана (табл. 2.1) и представляют собой группу сухих газов.

Таблица 2.1 – Химический состав газа газовых месторождений, об. %

Месторож- дение	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2	СО2	Относит. плотность
Северо–Став-ропольское	98,9	0,29	0,16	0,05	–	0,4	0,2	0,56
Уренгойское	98,84	0,1	0,03	0,02	0,01	1,7	0,3	0,56
Шатлыкское	95,58	1,99	0,35	0,1	0,05	0,78	1,15	0,58
Медвежье	98,78	0,1	0,02	–	–	1,0	0,1	0,56
Заполярное	98,6	0,07	0,02	0,013	0,01	1,1	0,18	0,56

Содержание метана в газах газоконденсатных месторождений колеблется от 75–95 % (табл. 2.2).

Таблица 2.2 – Химический состав газа газоконденсатных

месторождений, об. %

Месторож- дение	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2	СО2	Относит. плотность
Вуктыльское	74,80	8,70	3,90	1,80	6,40	4,30	0,10	0,882
Оренбургское	84,00	5,00	1,60	0,70	1,80	3,5	0,5	0,680
Ямбургское	89,67	4,39	1,64	0,74	2,36	0,26	0,94	0,713
Уренгойское	88,28	5,29	2,42	1,00	2,52	0,48	0,01	0,707

Газы, добываемые вместе с нефтью (попутный газ) представляют собой смесь метана, этана, пропан-бутановой фракции (сжиженного газа) и газового бензина. Содержание метана изменяется от 35–85 %. Содержание тяжёлых углеводородов (С₂ и выше) в попутном газе варьируется в диапазоне 20–40 %, реже доходит до 60 % (табл. 2.3).

Таблица 2.3 - Химический состав попутного газа нефтяных

месторождений, об. %

Месторож- дение	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2	СО2	Относит. плотность
Бавлинское	35,0	20,7	19,9	9,8	5,8	8,4	0,4	1,181
Ромашкинское	3838	19,1	17,8	8,0	6,8	8,0	1,5	1,125
Самотлорское	53,4	7,2	15,1	8,3	6,3	9,6	0,1	1,010
Узеньское	50,2	20,2	16,8	7,7	3,0	2,3	–	1,010
Трехозерное	48,0	12,2	24,0	11,1	2,6	2,1	–	1,288

Как правило, тяжёлым нефтям свойственны сухие попутные газы с преобладанием метана в их составе. Коэффициент сухости (k_сух) пропорционален содержанию метана:

. (2.1)

Под тяжелыми УВ понимается суммарное содержание углеводородов от этана (С₂Н₆) и выше.

Например, содержание метана в составе попутного газа Русского месторождения Западной Сибири (плотность нефти более 0,92 кг/м³) аналогично содержанию метана в составе газа Уренгойского месторождения, около 98,8 объёмных %.

Лёгким нефтям свойственны жирные попутные газы. Коэффициент жирности (k_жирн) пропорционален содержанию тяжелых углеводородов:

(2.2)

Попутный газ газоконденсатных систем и легких нефтей достаточно жирный.