Происхождение нефти и газа. Физические свойства нефти и газа

В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей переработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.

Такая теория, учитывающая глобальную тектонику плит земной коры, оказалась весьма продуктивной и с практической точки зрения. В США, к примеру, ведется бурение в так называемых поднаддвиговых зонах Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам, их здесь не должно было быть.

В 1980 году в штате Вайоминг поисковая скважина на глубине 1888 метров вошла в докембрийский фундамент, сложенный из гранита. Затем в скальных породах геонефтеразведчики прошли еще 2700 метров и обнаружили осадочные отложения мелового периода. Необъяснимое, казалось бы, чередование пород разного геологического возраста объяснялось весьма просто: на осадочные породы в свое время была надвинута плита гранита.

Бурение было продолжено, и на глубинах 5,5 километров разведчики обнаружили промышленные залежи газа. К настоящему времени в Скалистых горах ведется промышленная разработка, а прогнозные запасы оцениваются в 2,8 миллиарда тонн условного топлива. Это уникальное месторождение.

 

3.  Образование природного газа

 

Природный газ распространен в природе гораздо шире, чем нефть. Его формирование может происходить различными способами.

При биохимическом процессе образование метана происходит в результате переработки органического вещества бактериями. (Иногда эти бактерии поселяются на нефти, которые перерабатывают ее в метан, азот и углекислый газ).

Термокатализ заключается в преобразовании в газ органического вещества под действием давлений и температур в присутствии катализаторов – глин. Наиболее интенсивно термокатализ происходит при температуре 150-200°С.

Если глины с повышенным содержанием органического вещества обогащены ураном, может запуститься радиационно-химический процесс образования газа, который заключается в воздействии радиоактивного излучения, на углеродные соединения. В результате органическое вещество распадается на метан, водород и окись углерода. Оксид углерода, в свою очередь, распадается на кислород и углерод, при соединении с водородом которого также образуется метан.

При механических воздействиях на угли на контактах зерен возникают напряжения, которые служат источниками энергии для механохимического образования метана.

Космогенный процесс описан при описании космической модели образования нефти В.Д.Соколова.

Главное значение в природе, вероятно, имеют термокаталический и биохимический способы образования метана. Возможно, определенную роль играет и «космический» (он же «мантийный») метан, наблюдаемый в «черных курильщиках».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Состав и физические свойства нефти и газа

 

1. Физические свойства нефти и газа

 

Нефть – это вязкая маслянистая жидкость, темно-коричневого или почти черного цвета с характерным запахом, обладающая слабой флюоресценцией, более легкая (плотность 0,73-0,97 г/см3), чем вода, почти нерастворимая в ней. По элементарному составу нефть содержит преимущественно углеводороды с подмесью небольшого количества кислородных, сернистых, азотистых и минеральных соединений, что видно не только по элементарному составу, но и по всем свойствам углеводородов.

Состоит она в основном из жидких углеводородов, которые образованы только углеродом и водородом. Причём в составе нефти углерод преобладает — его содержится 79—88%, а водорода всего 11—14%. Кроме жидких углеводородов нефть в небольших количествах (до 5%) содержит серу, кислород и азот. В очень незначительных концентрациях (до 0,03%) в нефти присутствуют металлы — ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, калий, натрий, цинк, кальций, серебро, галлий, а также бор, мышьяк, йод.

Нефть сильно варьирует по плотности (от легкой 0,65-0,70 г/см3, до тяжелой 0,98-1,05 г/см3). Нефть и ее производные обладают наивысшей среди всех видов топлив теплотой сгорания. Теплоемкость нефти 1,7-2,1 кДж/кг, теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг, бензина – 42 МДж/кг. Температура кипения зависит от строения входящих в состав нефти углеводородов и колеблется от 50 до 550°С.

Для специалистов важны и такие показатели, как температура начала кипения (выше 28°С), удельная теплота сгорания (43,7—46 МДж/кг) и температура вспышки (35—120°С).

Различные компоненты нефти переходят в газообразное состояние при различной температуре. Легкие нефти кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.

Различие температур кипения углеводородов используется для разделения нефти на температурные фракции. При нагревании нефти до 180-200°С выкипают углеводороды бензиновой фракции, при 200-250°С – лигроиновой, при 250-315°С – керосиново-газойлевой и при 315-350°С – масляной. Остаток представлен гудроном. В состав бензиновой и лигроиновой фракций входят углеводороды, содержащие 6-10 атомов углерода. Керосиновая фракция состоит из углеводородов с C11-C13, газойлевая – C14-C17.

Важным является свойство нефтей растворять углеводородные газы. В 1 м3 нефти может раствориться до 400 м3 горючих газов. Большое значение имеет выяснение условий растворения нефти и природных газов в воде. Нефтяные углеводороды растворяются в воде крайне незначительно.

Нефти различаются по плотности. Плотность – одна из важных характеристик нефти. От плотности зависит цвет нефти: светлые нефти обладают меньшей плотностью, чем темные. Чем больше в нефти смол и асфальтенов, тем выше ее плотность. Плотность нефти, измеренной при 20°С, отнесенной к плотности воды, измеренной при 4°С, называется относительной. Нефти с относительной плотностью 0,85 называются легкими, с относительной плотностью от 0,85 до 0,90 – средними, а с относительной плотностью свыше 0,90 – тяжелыми. В тяжелых нефтях содержатся в основном циклические углеводороды.

При добыче нефти важно знать ее вязкость. Вязкость — показатель текучести нефти — возрастает с увеличением её плотности. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамической вязкостью называется внутреннее сопротивление отдельных частиц жидкости движению общего потока. У легких нефтей вязкость меньше, чем у тяжелых. При добыче и дальнейшей транспортировке тяжелые нефти подогревают. Кинематической вязкостью называется отношение динамической вязкости к плотности среды.

Большое значение имеет знание поверхностного натяжения нефти. При соприкосновении нефти и воды между ними возникает поверхность типа упругой мембраны. Капиллярные явления используются при добыче нефти. Силы взаимодействия воды с горной породой больше, чем у нефти. Поэтому вода способна вытеснить нефть из мелких трещин в более крупные. Для увеличения нефтеотдачи пластов используются специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Нефти имеют неодинаковые оптические свойства. Под действием ультрафиолетовых лучей нефть способна светиться. При этом легкие нефти светятся голубым светом, тяжелые – бурым и желто-бурым. Это используется при поиске нефти.

Нефть является диэлектриком и имеет высокое удельное сопротивление. На этом основаны электрометрические методы установления в разрезе, вскрытом буровой скважиной, нефтеносных пластов.

Один из важнейших показателей качества нефти – фракционный состав. При перегонке нефти от нее путем постепенного повышения температуры отделяют различные составляющие — так называемые фракции. Так, петролиевая фракция выкипает при температурах до 100°C, бензиновая — до 180°C, лигроиновая — при температурах от 140 до 180°C, керосиновая — от 140 до 220°C и, наконец, при температуре от 180 до 350°C выкипает и дизельная фракция. Бензиновые фракции называют легкими, поскольку они выкипают раньше всех, керосиновые — средними, а дизельные — тяжелыми. Остаток, который не выкипает даже при температуре 350°C, называется мазутом. Разогнанный под вакуумом до температуры свыше 500°C мазут называют гудрон. Мазут является основным компонентом для производства различных масел.

Основу горючих газов составляет смесь газообразных углеводородов — метана, этана, пропана, бутана и пентана. Образуется в недрах земли при медленном анаэробном (без доступа воздуха) разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Часто является попутным газом при добыче нефти. Природный газ в пластовых условиях (залегание в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. Природный газ существует также в виде естественных газогидратов в океанах и зонах вечной мерзлоты материков.

Доля углерода в горючих газах составляет 42—78%, водорода — 14—24%. Обычно содержание азота в виде примеси не превышает 11%, но иногда достигает 30—50% и более. Кроме того, присутствуют углекислый газ, водяные пары. Содержание углекислого газа колеблется от долей процента до 2—4%, реже до 10—15% и более. В горючих газах содержатся также гелий, аргон, водород, ртуть. Концентрации гелия в большинстве случаев составляют сотые и тысячные доли процента, но имеются месторождения горючих газов с содержанием гелия 5—8%. Кислород находится в связанном состоянии в составе углекислого газа.

Природный горючий газ обычно бесцветный и, как правило, без запаха. Исключением является газ, в состав которого входит сероводород.

Горючие газы состоят в основном из метана (85—99,5%). В залежах газа иногда присутствуют газоконденсаты, представляющие собой природную смесь газообразных и легкокипящих жидких углеводородов. При больших давлениях и высоких температурах, господствующих в недрах, газоконденсаты находятся в парообразном состоянии. Но в условиях низких температур и обычного атмосферного давления из них выпадает жидкая составляющая — конденсат. Это — бесцветная или светло-коричневая жидкость. Природный газ помимо главного своего назначения — служить топливом используется в химической промышленности для производства синтетического каучука и полиэтилена.

Самовозгорается природный газ лишь при очень высокой температуре — около 650°C. При определенной концентрации природного газа в воздухе (примерно 4-16%) могут происходить взрывы. Также известна и удельная теплота сгорания природного газа, составляющая в среднем 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³). 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.

Газовые смеси характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Для характеристики газовой смеси необходимо знать ее среднюю молекулярную массу, среднюю плотность в килограммах на кубический метр или относительную плотность по воздуху.

Плотность в значительной степени зависит от давления и температуры, и поэтому для практического применения этот показатель неудобен. Чаще пользуются относительной плотностью газа по воздуху. Плотность природного газа в газообразном состоянии составляет в среднем от 0,7 до 1,0 кг/м³. В кристаллическом состоянии плотность достигает 400 кг/м³.

Еще одна характеристика газа – вязкость газа. Она характеризует силы взаимодействия между молекулами газа, которые преодолеваются при его движении. Она увеличивается при повышении температуры, давления и содержания углеводородных компонентов. Однако при давлениях выше 3МПа увеличение температуры вызывает понижение вязкости газа.

Уравнения состояния газов используются для определения многих физических свойств природных газов. Уравнением состояния называется аналитическая зависимость между параметрами газа, описывающая поведение газа. Такими параметрами являются давление, объем и температура.

Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.

Природный газ это лучший вид топлива. Он сгорает без выделения дыма и копоти, легко разжигается и процесс его сгорания легко поддается контролю. В наше время этот важнейший природный ресурс широко используется в качестве топлива и сырья для химической промышленности. Природный газ по своим энергетическим свойствам уступает только нефти, которая выделяет больше энергии при сгорании, но природный газ проще в использовании и практически не требует обработки перед использованием в отличии от нефти, которую для потребления сначала нужно переработать, а затем только уже пускать по ее непосредственному назначению. Хоть природный газ и имеет меньший КПД сгорания по сравнению с углем, зато он стоит на ступень выше угля по потребительским свойствам. Главной целью потребления газа является сохранение экологии планеты. Запасы природного газа на нашей планете огромны. Значительными запасами природного газа владеют Иран, Россия,США, Канада.

Наиболее ценное свойство нефти и горючего газа — то, что они выделяют при горении значительное количество тепла. Отношение количества теплоты, выделяющейся при горении, к массе сгоревшего до конца (т.е. до образования углекислоты и воды) вещества называется теплотой сгорания топлива. Нефть, природный горючий газ и их производные обладают наивысшей среди всех видов топлива теплотой сгорания. Теплота сгорания природных горючих газов в среднем равна 38—40 МДж/кг, а нефти — 42—47 МДж/кг.

 

 

2. Химический состав нефти и газа