1.3. Природные газы


Природные горючие газы, добываемые из недр Земли, в основном состоят из предельных углеводородов метанового ряда с небольшим количеством негорючих и вредных примесей. Согласно теории академика И.А. Губ кина природные газы образовались в процессе биохимического и термического разложения органических остатков растительного и животного мира, погребенных вместе с осадочными породами в толще земной коры. Углеводороды и сопутствующие им небольшие количества других газов, образовавшиеся в процессе указанного разложения, скапливались в порах таких пород, как пески, песчаники, галечники и др.

В зависимости от геологических условий в одних случаях образовывались тяжелые углеводороды в виде нефти, в других - легкие углеводороды в виде чисто газовой залежи; в ряде случаев образовывались совместные скопления нефти и газа (рис. 1.1).

Нередко на одном газовом месторождении имеется несколько газовых залежей, расположенных одна над другой. Такое месторождение называется многопластовым. Извлечение газа из залежей осуществляется через газовые скважины.



Рис. 1.1. Схема газо-нефтяной залежи:

1 - газовая скважина (стрелками показан отбор газа); 2 - газ; 3 - нефть; 4 - вода; 5 - газоупорные породы (сверху кровля, снизу - подошва)


Природные газы в зависимости от условий образования и состава подразделяют на три группы: чисто газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений. Также принято условно считать газы с содержанием тяжелых углеводородов (от пропана и выше) менее 50 г/м 3 сухими, а газы с большим содержанием тяжелых углеводородов - жирными.

Горючая часть газов чисто газовых месторождений состоит в основном из метана и небольшого количества этана и более тяжелых углеводородов. Основным балластным компонентом в них является азот. Содержание сероводорода, аммиака и других вредных примесей в сухих газах большинства месторождений незначительно. Все сухие газы легче воздуха. Низшая теплота сгорания их 34000-40000 кДж/м 3 . Состав и свойства газов чисто газовых месторождений довольно постоянны.

Физические характеристики и теплота сгорания некоторых газов приведены в табл. 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Физические характеристики газов


Газ Хими-ческая формула Молекулярная масса Молекулярный объем при 0°С 101,3 кПа, м 3 /кмоль Плотность при 0°С 101,3 кПа, кг/м 3 Относительная плотность по воздуху
Азот N 2 28,016 22,4 1,2505 0,9673
Ацетилен С 2 Н 2 26,038 22,24 1,1707 0,9055
Водород н 2,016 22,43 0,08999 0,0695
Водяной пар н 2 о 18,016 (23,45) (0,768) 0,5941
Воздух (без СО 2 ) - 28,96 22,4 1,2928 1
Диоксид серы so 2 64,066 21,89 2,9263 2,2635
Диоксид углерода со 2 44,011 22,26 1,9768 1,5291
Кислород о 2 32 22,39 1,429 1,1053
Оксид углерода со 28,011 22,41 1,25 0,9669
Сероводород H 2 S 34,082 22,14 1,5392 1,1906
Метан сн 4 16,043 22,38 0,7168 0,5545
Этан с 2 н 6 30,07 22,18 1,3566 1,049
Пропан C 3 H 8 44,097 21,84 2,019 1,562
Н-бутан С 4 Н 10 58,124 21,5 2,703 2,091
Изобутан С 4 Н 10 58,124 21,78 2,668 2,064
Пентан С 5 Н 12 72,151 - 3,221 2,491


Таблица 1.2

Теплота сгорания горючих газов


Газ Теплота сгорания
высшая низшая высшая низшая высшая низшая
кДж/кмоль кДж/кг кДж/м 3 при 0°С и 101,3 кПа
Ацетилен 1308560 1264600 50240 48570 58910 56900
Водород 286060 242940 141900 120080 12770 10800
Оксид углерода 283170 283170 10090 10090 12640 12640
Сероводород 553780 519820 16540 15240 25460 23490
Метан 890990 803020 55560 50080 39860 3584 0
Этан 1560960 1429020 51920 47520 70420 63730
Пропан 2221500 2045600 50370 46390 101740 93370
Н-Бутан 2880400 2660540 49570 45760 133980 123770
Изобутан 2873580 2653720 49450 45680 131890 121840
Пентан 3549610 3277750 49200 45430 158480 146340


В газах газоконденсатных месторождений при высоких давлениях наряду с легкими углеводородами содержится значительное количество паров тяжелых углеводородов, которые способны при понижении давления и температуры конденсироваться. Поэтому перед подачей потребителям тяжелые углеводороды извлекаются и используются для производства сжиженного газа и моторного топлива. Содержание тяжелых углеводородов в газах конденсатных месторождений более 100-150 г/м 3 , и поэтому их относят к категории жирных газов. Низшая теплота сгорания таких газов достигает 37620-41800 кДж/м 3 .

Для газоснабжения населенных пунктов сухие природные газы подают без существенной обработки, а жирные чаще всего предварительно освобождают от тяжелых углеводородов или подвергают отбензиниванию. Физико-химические свойства сухих и отбензиненных газов примерно одинаковы: низшая теплота сгорания около 35530 кДж/м 3 , легче воздуха, не имеют цвета и запаха, не токсичны, но при скоплениях в помещении за счет вытеснения воздуха могут вызвать удушье. В определенных соотношениях с воздухом они образуют взрывчатую смесь. В табл. 1.3 приведены некоторые характеристики природных газов и их составы.

Сжиженные газы имеют более высокую, чем обычные природные газы, объемную теплоту сгорания. В газообразном виде они тяжелее воздуха, а в жидком - тяжелее воды. Помимо этого сжиженные газы весьма восприимчивы к изменениям окружающих условий: при повышении температуры значительно увеличивается объем их жидкой фазы и давление паровой фазы, а при понижении температуры до точки росы и повышении давления возможна конденсация паровой фазы, в том числе и в газопроводах. Сжиженные газы не токсичны, но имеют низкие пределы взрываемости в воздухе и медленную диффузию в атмосферу. Это в сочетании с отсутствием у них запаха, цвета и вкуса как в жидком, так и в газообразном виде диктует необходимость тщательной их одоризации.

Как топливо сжиженные газы обладают всеми достоинствами природных газов. Кроме того, они позволяют создать у потребителей необходимый запас газа в жидком виде и их можно транспортировать не только по трубопроводам, но и перевозить в баллонах, цистернах (автомобильных и железнодорожных) и танкерах.

Согласно ГОСТ 5542-78 установлены следующие основные требования к газовому топливу для населенных пунктов.


Допускаемые отклонения от номинальной низшей теплоты

сгорания, % .............................................................. ±5

Максимальное содержание, г/100 м З :

сероводорода .............................................................. 2

аммиака .............................................................. 2

смолы и пыли .. ............................................................ 0,1

нафталина летом ............................................................ 10

нафталина зимой ............................................................... 5

цианистых соединений в пересчете на HCN .. ..................................... 5

кислорода (% по объему) ................................................ не более 1


Таблица 1.3

Характеристика природных газов некоторых месторождений стран СНГ и их составы


Месторождение газа Государство (страна) Характеристика месторождения Состав газа, % по объему Плотность, кг/м 3 при t = 0°C, р = 101,3 кПа Теплота сгорания, кДж/м 3 при t = 0°C, р = 101,3 кПа
сн 4 с 2 н 6 С 3 Н 8 с 4 н 10 С 5 Н 12 СО 2 h 2 s N 2 + редкие газы
высшая низшая
Тенгизское Казахстан Газовое 89,4 6 2 0,7 0,4 1 нет 0,5 0,82 40778,2 36722,7
Степановское Саратовская обл. (Россия) Газоконденсатное 95,1 2,3 0,7 0,4 0,8 0,2 то же 0,5 0,772 41886,8 37821,9
Оренбургское Оренбургская обл. (Россия) то же 85 4,9 1,6 0,75 0,55 0,6 1,3 5 0,84 40670,7 36664,7
Угерское Украина Газовое 98,3 0,45 0,25 0,3 нет 0,1 нет 0,6 0,732 39990,3 36070,0
Шебелинское Украина Газоконденсатное 93,3 4 0,6 0,4 0,3 0,1 то же 1,3 0,772 41449,8 37404,9
Газлинское Узбекистан Газовое 93 3,1 0,7 0,6 нет 0,1 » 2,5 0,771 40615,8 36654,3
Карадагское Азербайджан Газовое 93,2 2,1 1,2 1 1,2 0,8 » 0,5 0,807 42867,6 38739,3
Ачакское Туркменистан Газоконденсатное 93 3,6 0,95 0,25 0,31 0,4 » 1,3 0,776 41230,1 37124,8

Запах природных газов должен ощущаться при содержании их в воздухе в количестве не более 1/5 от нижнего предела воспламеняемости. Для этого в газ вводят резко пахучее вещество - одорант. В качестве одоранта используется этилмеркаптан C 2 H 5 SH, который вводится в газ в количестве 16 г на 1000 м 3 природного газа или 60-90 г на 1 т сжиженного газа.

Смесь пропана и бутана для зимнего времени составляют с повышенным содержанием пропана, для летнего - с повышенным содержанием бутана. Соотношение пропана и бутана в смеси устанавливается договоренностью между поставщиком и потребителями с учетом местных климатических условий.