Основные сведения о природных газах, их составе и условиях нахождения

07.11.2020

История изучения природных газов. Газы, выделяющиеся в природных условиях из недр Земли или скапливающиеся на глубине в пористых горных породах, называются природными или естественными.

Естественные выделения газов, особенно горючих газов, издавна привлекали к себе внимание человека и служили иногда даже предметом поклонения. Так, сведения о природных газах можно найти у писателей глубокой древности (Геродот, Плиний старший, Сенека Люций, Китайские летописи и др.). Почти также стары и первые сведения об использовании природных газов с самыми разнообразными целями, например для выпаривания соли из рассолов (Китай), для освещения (Генуя), для обжига извести (Сурахана — Апшеронский полуостров).

Однако природный газ как полезное ископаемое приобрел значение лишь со второй половины XIX столетия и в настоящее время в нашей стране и ряде других стран эксплуатация его играет первостепенную роль в промышленности и хозяйстве.

Нефтегазопроявления можно встретить и на суше и на воде, в безводной пустыне, на солончаках и на заливном лугу, в реках, озерах и на морских островах. Подавляющая часть естественных нефтегазопроявлений на земном шаре находится в горных странах — преимущественно в предгорьях и межгорных впадинах. Горные породы здесь изогнуты в складки и прорезаны глубокими ущельями и балками, в которых можно увидеть высачивание нефти и ее пленки на воде источников. Реже наблюдаются выходы жидкой нефти, выходы пропитанных нефтью пород и выделения горючего газа на поверхности равнин, строение недр которых скрыто мощным покровом горизонтально залегающих пород.

He все выходы газа легко обнаружить. По количеству выделяющегося газа выходы бывают самые различные — от едва заметных ничтожных пузырьков до бурных ключей. Особенно хорошо наблюдаются по пузырькам подводные выходы газа. При достаточно энергичном выделении поверхность воды производит впечатление кипящей. Примером таких подводных струй могут служить выходы газа в Каспийском море, близ острова Артема.

He всегда газ выделяется непрерывным потоком, часто выделения бывают прерывистыми — периодическими. Мощные периодические газовые выбросы особенно характерны для «грязевых вулканов». Часто выход газа на дневную поверхность сопровождается выделением воды и грязи. При густой консистенции грязи газ увлекает ее с собой, производя своеобразные извержения, в результате которых на поверхности образуются конусы высотой в несколько метров.

Физико-химические свойства природных газов. Природные газы представляют собой наиболее часто встречающиеся в природе газообразные соединения и элементы, либо смеси соединений или элементов. Они обладают определенными химическими и физическими свойствами, различны по формам их нахождения и проявления в природе, а также по условиям происхождения.

В образовании природных газов принимают участие главным образом следующие химические соединения и элементы: углеводородные соединения, углекислый газ, азот, кислород, сероводород, водород, окись углерода, сернистый газ, пары воды, редкие (инертные) газы: тяжелые — аргон, ксенон; легкие — криптон, неон, гелий. Среди газов угольных месторождений обычно преобладают метановые газы и реже тяжелые углеводороды и главным образом этан (C2H6).

Углеводородные газы образуют в горных породах крупные скопления или залежи, позволяющие извлекать миллионы кубометров газа в сутки, иногда в течение многих десятков лет. Поэтому в практике часто под природными, или естественными, газами понимают именно горючие газы.

По химическому составу горючие газы представляют собой смесь отдельных газообразных углеводородных соединений.

Некоторые физические свойства природных газов приведены в табл. 28.

Геохимия природных газов представляет исключительный научный и практический интерес в познании истории развития земной коры вообще и установления основных закономерностей образования различных полезных ископаемых.

В нашей стране основателем учения о газообразных минералах земной коры был академик В.И. Вернадский, который впервые указал на важность изучения природных газов, дал первую научную их классификацию и наметил основные проблемы геохимии газов земной коры. Его классификация основана на различии форм проявления газоносности и химического состава газов. По форме проявления природные газы были подразделены В.И. Вернадским на следующие группы: 1) газы свободные (атмосфера); 2) газы, содержащиеся в порах горных пород; 3) газовые струи; 4) газовые испарения; 5) жидкие растворы газов и газы океанов, морей, озер, рек, различных водных источников; 6) твердые растворы газов (газы, адсорбированные горными породами и минералами).

К свободным газам В.И. Вернадский относил газы атмосферы. Газы, содержащиеся в порах горных пород, выделены в отдельную группу.

Газовые струн или вихри, как их называл В.И. Вернадский, это газовыделения, идущие из земных недр. Они подразделены следующим образом:

1. Вулканические газы, выделяющиеся из глубоких недр земли из магматических очагов, из лав, через действующие, а также затухающие вулканы. Эти газы — результат химических реакций, протекающих при высоких температурах в глубоких зонах земной коры.

2. Тектонические газы, выделяющиеся на земную поверхность в виде различных газовых скоплений в связи с тектоническими процессами.

3. Поверхностные газы, которые образуются благодаря химическим и биохимическим процессам, происходящим в коре выветривания.

В отдельный морфологический тип природных газов В.И. Вернадский выделил «газовые испарения». Здесь имеются в виду те мельчайшие выделения газов, которые незаметны на глаз и которые поступают в атмосферу с земной поверхности, с поверхности морей, рек и различных водоемов, а также и из недр земли. В отдельные морфологические группы В.И. Вернадский выделяет газы, содержащиеся в растворенном состоянии в водах океанов, морей, рек, озер и различных источников.

К последней группе В. И. Вернадский относит твердые растворы, т. е. газы, находящиеся в адсорбированном состоянии в самих горных породах и минералах. По его мнению, изучение этой группы газов имеет большое значение для установления условий и обстановки образования тех или иных горных пород или минералов, а следовательно, и полезных ископаемых.

По химическому составу природные газы подразделяются В.И. Вернадским на следующие три группы:

1. Газы земной поверхности, входящие в состав атмосферы.

2. Газы, связанные с высокой температурой (газы магматических очагов, выбрасываемые на поверхность главным образом через вулканы).

3. Газы, проникающие через земную кору: а) газы атмосферы, проникшие в литосферу; б) газы тектонических струй, образовавшиеся в самой породе и выходящие на поверхность в виде струй по тектоническим нарушениям.

Па этой классификации газы нефтяных и чисто газовых месторождений относятся к подгруппе газов тектонических струй, В.П. Вернадский отметил, что водородные газовые струи, по-видимому, наиболее редкий тип струй.

Необходимо указать, что как приведенная классификация и примененная терминология «газы, проникающие в земную кору», «тектонические струи» и т. д., так и само название труда акад. В.И. Вернадского «Газовый обмен земной коры» свидетельствуют о том, что он рассматривал природные газы как вещества, мигрирующие в толще горных пород и вступающие в обмен с атмосферой. Позже рядом исследователей были предложены новые схемы классификации природных газов, которые так же, как и схема В.И. Вернадского, в настоящее время являются уже устаревшими. В рекомендуемых классификациях не учитываются генетические особенности природных газов, поэтому они и не могут дать достаточного представления о газах и закономерностях их распределения в земной коре.

Наиболее совершенная схема классификация природных газов была предложена В.В. Белоусовым. В основу этой схемы положено существо процесса газообразований.

А.Л. Козлов несколько расширил классификацию газов В.В. Белоусова. Предложенная им классификация содержит главным образом перечень основных причин возможного образования природных газов. М.И. Суббота предложил новую классификацию, основой которой послужили классификации В.В. Белоусова и А.Л. Козлова. В.А. Соколов в результате накопившегося большого фактического материала по составу природных газов предложил более детальную их классификацию. В ее основу положены условия нахождения природных газов и их химический состав.

В деле изучения закономерностей распределения газов в земной коре большое значение имеет количественная химическая характеристика состава различных природных газов (табл. 29).

Из табл. 29 видно, что для почв доминирующим компонентом является CO2. Болотные газы характеризуются наличием больших концентраций СН4 (58%), а также и N2 (36%), присутствует также и CO2(6%). Для газов нефтяных месторождений характерно значительное количество тяжелых углеводородов (17%). Газовые месторождения имеют большое содержание метана и малое содержание тяжелых углеводородов. Каменноугольные газы (метановая зона) характеризуются преобладающим содержанием CH4. Тяжелые углеводороды, как правило, отсутствуют, но в редких случаях их присутствие достигает значительных величин.

Однако и классификация В.А. Соколова имеет некоторые недостатки, свойственные всем предыдущим классификациям,

При выделении главнейших природных газов (табл. 30) нами в основу положены геологические и геохимические условия их образования и химический состав. Выделение в особую группу газовых микрокомпонентов, как и в классификации проф. Соколова В.А., имеет весьма важное геохимическое значение, так как они могут указывать на происхождение основных типов газов подобно тому, как наличие акцессорных минералов в горных породах указывает на происхождение горной породы, на присутствие в ней редких элементов и т. д.


Миграция газа. Изучение процессов миграции имеет большое значение в установлении условий аккумуляции газа и нефти и образования их залежей.

Миграция газа происходит либо по сообщающимся порам и трещинам, зонам тектонических нарушении (свободная миграция-фильтрация), или же через всю толщу, включая и кристаллические породы, благодаря передвижению молекул одного вещества сквозь другое (диффузия).

Помимо этого могут идти и другие процессы миграции, такие как увлечение газа движущейся жидкостью (водой, или нефтью), двухмерная молекулярная миграция по поверхности частиц породы и др. Для обозначения фильтрации газа в отличие от фильтрации жидкостей в некоторых работах ранее применялся термин эффузия. В природных условиях различные процессы миграции газа идут совместно и находятся в определенной связи с миграцией воды, нефти и содержащихся в них веществ.

Чем меньше будет диаметр пор, тем больше сопротивление будет оказывать порода движению газа или жидкости. В тех случаях, когда диаметр пор приближается к величине свободного пробега газовых молекул, возможность фильтрации газа становится ограниченной.

Объемная скорость фильтрации (или эффузии) определяете по формуле:
Основные сведения о природных газах, их составе и условиях нахождения

где Q — объемный расход газа;

К — коэффициент проницаемости;

S— площадь сечения;

P1 и P2 — давления на входе и выходе пористой среды;

u — абсолютная вязкость;

h — мощность пористой среды (рис. 19).

Свойство пород пропускать через себя жидкость и газы при существующем перепаде давления называется проницаемостью.

Измеряя Q в см3/сек, P1 и P2 — в ньютонах на квадратный метр, h — в сантиметрах, S — в квадратных сантиметрах, u — в сантипуазах, мы получим для коэффициента проницаемости величины, измеряемые в единицах, названных дарси, а именно;

Изучение проницаемости различных пород показало, что ее величина сильно колеблется для отдельных типов пород и отдельных образцов (табл. 31).

Эффузия (фильтрация) газа весьма распространенный процесс идущий от мест образования или скопления газа в недрах земли к поверхности. Проявление ее на поверхности земли наблюдается в виде сухих (не связанных с водными источниками) газовых источников, называемых иначе газовыми струями.

Для того чтобы можно было представить себе масштабы эффузии газа в горных породах, проиллюстрируем это на следующих подсчетах. Допустим, на глубине 100 м имеется скопление метана под давлением 11 атм (11*10в4 н/м2). Над газовой залежью залегает толща слабопроницаемых пород (проницаемостью 0,01 дарси), насыщенных газом. Вследствие разности давления газ из скопления метана эффундирует к поверхности. Нетрудно подсчитать по формуле Дарси, что в этом случае с 1 м2 поверхности за сутки в атмосферу будет уходить 4,2 м3 газа, а за геологические периоды это количество будет измеряться уже миллионами кубометров.


В связи с различной скоростью миграции и различной сорбцией отдельных компонентов газов происходит изменение его состава. При миграции газов по трещинам состав их изменяется мало, благодаря большой скорости передвижения. Миграция же газа через слабопористые и плотные (практически непроницаемые) породы происходит очень медленно. Газ находится в пути сотни тысяч и миллионы лет. Oн должен проникнуть через самые различные по своему составу горные породы. Поэтому и состав газа изменяется. Так, например, при миграции углеводородного газа часть его поглощается (сорбируется) горными породами, при этом тяжелые углеводороды сорбируются лучше, чем метан. Это приводит к тому, что мигрирующий газ будет обогащаться метаном за счет потери углеводородов. Проходя через водоносные горизонты, углеводородный газ растворяется в воде и в этом случае тяжелые углеводороды растворяются лучше, чем метан.

Диффузия газа в отличие от эффузии (фильтрации) представляет собой иное явление, обусловленное собственным движением молекул. Если два газа, имеющие одинаковое давление, будут приведены в соприкосновение, то постепенно молекулы одного газа будут проникать в среду молекул другого газа. В конце концов оба газа полностью будут перемешаны, хотя давление газов остается неизменным. Это перемешивание газов происходит благодаря собственному движению молекул газа и наличию больших промежутков между молекулами.

Подвижность молекул обусловливает ряд диффузионных явлений. Если в порах породы в отдельных ее участках имеются разные газы, то и при отсутствии перепада давления все эти газы с течением времени перемещаются и содержащийся в породе газ будет представлять собой однородную смесь.

Газ, растворяясь в жидкости, далее уже диффундирует в ней. Молекулы растворенного газа двигаются в жидкости. Поэтому газ, в контакте с жидкостью, даже если вся система находится в покое (жидкость и газ неподвижны, в жидкости нет конвекционных токов и т.д.). то с течением времени газ, растворяясь только на поверхности жидкости, насыщает ее всю. Таким образом он мигрирует в жидкости и может за счет диффузии пройти сквозь нее.

Аналогичным образом происходит диффузия газа и в твердом теле. Диффузия в направлении и обусловлена наличием градиента концентрации с данного вещества в этом направлении. Если в данном направлении концентрация вещества, в частности одного газа в другом, остается постоянной, то никакого изменения концентрации не произойдет, хотя будут иметь место движение молекул и их взаимное перемешивание. Если же концентрация одного вещества в другом по какому-либо направлению неодинакова, то взаимное движение молекул будет стремиться выравнять эту концентрацию, поскольку из места с более высокой концентрацией в место с более низкой концентрацией будет двигаться большее количество молекул, чем в обратном направлении.

Коэффициент диффузии D измеряется количеством вещества, диффундирующим в единицу времени через единицу поверхности при градиенте, равном 1. Коэффициент диффузии в абсолютной системе единиц измеряется в см2/сек.

В природных условиях встречаются прежде всего следующие виды диффузии газа:

1) диффузия газа в другой газе в порах породи (свободная диффузия);

2) диффузия газа в жидкости (воде или нефти);

3) диффузия газа в твердом теле (в веществе породы);

4) диффузия газа в песчаных и карбонатных породах, насыщенных водой;

5) диффузия газа во влажной глине.

Зная коэффициент диффузии какого-либо газа, можно определить количество газа, диффундирующее в единицу времени при определенных значениях S и h. Поэтому определение коэффициентов диффузии является основой яри любых расчетах в этой области. В табл. 32 даны коэффициенты для диффузии некоторых газов и паров в воздухе и в воде.

Коэффициент диффузии газов в воде намного меньше, чем в воздухе. Для углеводородных газов по мере увеличения молекулярного веса коэффициент диффузии уменьшается. Чем больше вес молекулы, тем меньшей скоростью она обладает при данной температуре и тем медленнее она будет диффундировать как в воде, так и в газе. Через сверхкапиллярные и капиллярные поры как фильтрация, так и диффузия газов происходит свободно. В порах субкапиллярных, имеющих диаметр меньше 10в-5 см, фильтрация и диффузия газа становятся затруднительными, скорость их снижается, представляя переходную область к диффузии газа через само твердое тело по имеющимся в нем междумолекулирным промежуткам.

Первостепенное значение для оценки величины диффузии газа через горные породы имеет определение коэффициентов диффузии через породы, поры которых нацело заполнены водой.

Коэффициент диффузии углеводородных газов в различных горных породах примерно в 5—20 раз меньше, чем в воде. Он уменьшается для влажных глин, содержащих много песка, что, по-видимому, объясняется тем, что в самих зернах кварца коэффициент диффузии на много меньше, чем в глинах. Аналогично фильтрации газа наиболее легкие углеводороды имеют при прочих равных условиях и большую величину диффузионного потока.

В природных условиях миграция газов (фильтрация и диффузия) тесно переплетаются друг с другом. Если говорить о значительных площадях или объемах горных пород, то мы всегда имеем дело со смешанным фильтрационно-диффузионным потоком, хотя на отдельных участках горных пород может превалировать или фильтрация, или диффузия газа.

По характеру и масштабу миграции газа выделяются следующие виды миграции:

1) фильтрация газа, происходящая по незанятым водой трещинам и сообщающимся порам при наличии перепада давления:

2) всплывание газа в трещинах и порах, занятых водой;

3) диффузия газа в породах, где все поры и трещины заполнены водой;

4) диффузия мигрирующего газа в газе, содержащемся в порах и трещинах;

5) перенос растворенного газа водой, двигающейся в порах горных пород.

Все эти виды миграции газа происходят в каждой газоносной структуре.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна