Происхождение газов в газовых месторождениях нефти и газа

Министерство образования  и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского»

Кафедра нефтехимии и  техногенной безопасности

КУРСОВАЯ  РАБОТА

По дисциплине «Химия нефти и газа»

Формирование  химического состава газов

 в  газовых и нефтяных залежах

студента 4 курса Института  химии

Яфаровой Лилии Валериевны

Научный руководитель

К.х.н., доцент __________ Аниськова  Т.В.

Зав. кафедрой, д.х.н., профессор __________ Кузьмина Р.И.

Саратов 2012

Содержание 

Введение

 Углеводородные газы, в зависимости от их состава,  давления и температуры могут находиться в залежи в различных состояниях – газообразном, жидком или в виде газожидкостных смесей. Газ обычно расположен в газовой шапке в повышенной части пласта. Если газовая шапка в нефтяной залежи отсутствует (это возможно при высоком пластовом давлении или особом строении залежи), то весь газ залежи растворён в нефти. Этот газ будет, по мере снижения давления, выделятся из нефти при разработке месторождения и будет называться попутным газом. В пластовых условиях все нефти содержат растворённый газ. Чем выше давление в пласте, тем больше растворённого газа в нефти [1].

Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания 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. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C)природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов [2].

Попутный нефтяной газ (ПНГ) — смесь различных газообразных углеводородов, растворенных в нефти; они выделяются в процессе добычи и перегонки [3].

Природный газ

Образование природного газа.

Природный газ распространен  в природе гораздо шире, чем  нефть. Его формирование может происходить  различными способами. Рассмотрим наиболее распространенные теории образования.

1. Считается, что 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).

2. 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.

3. 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.

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

5. 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» [4].

Состав газа локального подземного месторождения зависит от расположения, глубины залегания, геологической  характеристики местности. Однако, основную часть природного газа составляет метан ( ) — от 92 до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метана:

этан ( ),

пропан ( ),

бутан ( ).

А также другие неуглеводородные вещества:

водород ( ),

сероводород ( ),

диоксид углерода ( ),

азот ( ),

гелий (Не) [2].

Данные газы образуют разнообразные смеси: углеводородные, углеводородно-азотные, углеводородно-углекислые, азотно-углекислые, углеводородно-азотно-углекислые и другие.

Биогенные (биохимические) газы ( и др.) образуются в результате жизнедеятельности микро-и макроорганизмов в биосфере, включая нелитифицированную часть литосферы, в которой идут диагенетические процессы. Органолитогенные газы ( , тяжелые углеводородные газы от , , и другие) образуются из углеводородов на этапах его катагенной и метагенной эволюции в результате высокотемпературных реакций. Литогенные газы ( , , ,Ne, Ar, Xe, CO, HCI,  HF, ) появляются в результате физико-химических, в том числе и радиоактивных процессов, происходящих в минеральном скелете водонасыщенных пород на этапах категенезиса, метагенезиса и метаморфизма в осадочных толщах и в магматических породах земной коры и в мантии. Содержание азота и кислых газов ( , , которые дают при растворении в воде слабые кислоты- угольную ( и сероводородную ( , может составлять десятки процентов и более, а иногда и превышать содержание углеводородных газов. Иногда выделяют генетическую группу космогенных (космических) газов. Газы этой группы являются реликтовыми. Они остались от протопланетного облака, из которого образовалась Земля. В настоящее время, из них, очевидно, сохранились только инертные газы.

Содержание диоксида углерода в  газах изменяется от долей процента до 10 и более процентов. Предполагается, что основным источником в природных газах является окисление углеводородов и отчасти ОВ. В ряде случаев имеет явно термокаталитическое, поствулканическое или метаморфическое происхождение. Примером может служить Межовское газовое месторождение, открытое в Западной Сибири. Оно находится в породах фундамента и состоит на 95%  из диоксида углерода. Результатом метаморфического разложения карбонатов объясняется большое содержание диоксида углерода  газах Астраханского газоконденсатного месторождения и его большое содержание в попутных газах газонефтяных залежей, залегающих в палеозойских отложениях на Юге Западной Сибири [5].

Основная масса метана образуется при биохимической и термокаталитической  деструкции рассеянного органического  вещества, углей и нефтей. В процессе погружения осадка, а затем породы образование метана происходит непрерывно, но с разной интенсивностью и заканчивается при полной метаморфизации пород. На ранних стадиях преобразования отложений (диагенез) генерация метана связана с деятельностью анаэробных микроорганизмов, завершают процесс метанообразующие бактерии. В общем случае биохимическая зона образования метана ограничивается глубиной (температурой) существования бактерий. Наиболее активна их деятельность при 25-45°С, некоторые из них могут существовать при 100°С. С погружением пород на большие глубины главная преобразующая роль отводится термокаталитическим реакциям, в результате которых вместе с метаном образуется большое количество жидких углеводородов (главная зона нефтеобразования). Ниже этой зоны генерируется преимущественно метан. Часть его имеет термометаморфическое, радиохимическое и космическое происхождение [6].

Метан вполне может быть получен  абиогенным способом. Естественное выделение  метана установлено в рифтовых долинах  Мирового океана через так называемые черные курильщики – глубинные гидротермальные источники, расположенные на срединно-океанических хребтах в земной коре. Особенность их состоит в том, что вокруг этих источников отсутствуют осадочные породы. А значит, скорее всего, метан образуется здесь минеральным путем за счет гидратации железосодержащих основных пород морскими водами с растворенным углекислым газом. В результате взаимодействия сульфатов железа с такой водой образуется метан, оксид железа и гидросиликат магния и выделяется энергия. Это и приводит к тому, что с океанских глубин выбрасывается темная, горячая, насыщенная минералами и метаном вода. Кажется, будто некое гигантское животное решило покурить в глубине океана. И масштаб этого явления оценивается в 10 млн. т метана в год!

 Между тем, хотя «черные курильщики» подтверждают абиогенную теорию для метана, делать подобные выводы в отношении нефти слишком рано. Нигде в рифтовых долинах Мирового океана не было обнаружено нефтяных источников. Да и слишком сомнительно, что «нежные» углеводородные соединения, из которых состоит нефть, выдерживают нагревание в недрах Земли до температур выше 500 без изменения структуры [7].

В 1877 году выдающийся русский химик Дмитрий Иванович Менделеев в своем докладе на съезде Русского химического общества выдвинул теорию о том, что природный газ мог образоваться в ходе подземных реакций между двуокисью углерода и водородом. Проверкой этого предположения занялись ученые Вашингтонского университета, которые разделили неверие великого химика в органическое происхождение нефти и газа. Они собрали комбинацию из неорганических ингредиентов, которые им удалось превратить в метан – основной компонент природного газа.

Для получения реакции исследователи  применили аппарат DAC (Diamond-anvil cell – алмазный пресс), могущий создавать в ограниченном пространстве давление три миллиона атмосфер. Одновременно с этим ученые повышали и температуру смеси. В таких условиях началась химическая реакция, в результате которой выделился метан. Особенностью DAC является возможность вести наблюдения за процессом, происходящим внутри, – алмазы обладают высокой прозрачностью, что позволяет смотреть сквозь них при помощи оптических приборов, просвечивать содержимое рентгеновским излучением и фиксировать разнообразные дифракции света. Поэтому можно сказать, что вся химическая реакция происходила прямо на глазах ученых.

Результат опыта наглядно продемонстрировал, что традиционная модель образования нефти и газа не может считаться единственно верной. Давление и температура внутри DAC соответствуют аналогичным параметрам глубоко под поверхностью Земли, а значит, образование метана из неорганических компонентов могло происходить и там [8].

Азот, содержащийся в  газовых и газоконденсатных залежах, также может иметь различное  происхождение: атмосферное, биогенное  и небольшое его количество - глубинное. В целом, содержание азота увеличивается  с возрастом отложений. Оно колеблется от десятых долей процента до 50-70%. Иногда высокие концентрации азота могут быть связаны  с его хорошими миграционными свойствами [5].

Аргон в залежах углеводородных газов может иметь атмосферное  или радиогенное происхождение. Атмосферный или воздушный аргон попадает в газовые залежи посредством инфильтрационных вод. Доля аргона различного генезиса определяется по отношению различных изотопов. Аргон представлен тремя . резко преобладает и имеет радиогенное происхождение. Он образуется . Высокие концентрации радиогенного аргона отмечаются для месторождений, расположенных в приразломных зонах. Происхождение аргона тесно связано с генезисом азота [5].

Сероводород чаще всего  образуется в результате биологического восстановления сульфатов, растворенных в водах. Это подтверждается изучением изотопного состава серы. Однако, начиная с глубины 2-3 км., бактериальная генерация сероводорода невозможна. Здесь он образуется в результате термокаталитического преобразования сернистых компонентов нефтей и химического восстановления сульфатов. Часть сероводорода, возможно, имеет глубинное происхождение. Нередко сероводородом обогащены газы, находящиеся в толщах карбонатных пород, которые контактируют или чередуются с сульфатными породами. Концентрация сероводорода в природных газах составляет от 0,01 до 25%, но иногда она достигает 100%. В России большое количество сероводорода (20-24%) содержится в газах Астраханского газоконденсатного месторождения. Сероводород является ценным компонентом природного газа и служит сырьем для производства серы [5].  В результате применения для заводнения пластов морской, озерной, речной и сточной воды происходит заражение продуктивных пластов сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ) и (в эксплуатационных скважинах) появляется сероводород. За последние годы появление сероводорода в продукции эксплуатационных скважин отмечается на промыслах Мангышлака, Башкирии, Западной Сибири, где ранее он отсутствовал. Наиболее активная сульфатредукция наблюдается в призабойной зоне нагнетательных скважин, где имеются благоприятные условия для развития СВБ. Протекание микробиологических процессов значительно осложняет эксплуатацию нефтепромыслового оборудования по причине коррозии и ухудшает качество нефти и газа [9].

Водород считался раньше редким компонентом в составе природных горючих газов. Впоследствии десятилетия ХХ века появилось большое количество данных об обнаружении его различных концентраций в газовых залежах. Во многих месторождениях углеводородов Западного Предкавказья в составе газов присутствует до 3,5 % водорода [5]. Основным источником свободного водорода в земной коре является вода, при взаимодействии которой с окислами металлов при высоких температурах образуется водород. Водород также - типичный компонент вулканических фумарольных и прочих глубинных газов [10].

Гелий, содержащийся в  свободных и нефтяных газах, имеет  радиогенное происхождение. Это  легкий и миграционно-способный  газ, поэтому его наибольшие концентрации отмечены в древних палеозойских отложениях [5].

Попутный газ

Попутный нефтяной газ  – смесь углеводородный и неуглеводородных газов и паров, добываемых совместно  с нефтью через нефтяные скважины и выделяющие из сырой нефти в  процессе ее добычи и подготовки [11]. Попутные газы в месторождениях нефти находятся в растворенном состоянии, но в процессе добычи они выделяются по мере снижения давления. При добыче 1 т нефти выделяется 30 — 300 газа. Эти газы составляют около 30 % валовой добычи горючих газов в мире. Однако более 25 % этого количества сжигается в факелах из-за отсутствия оборудования по сбору и переработке газов [12].

Таблица 1.

Приблизительный состав попутного нефтяного газа [3]

Попутный газ может  находиться в растворенном виде (тяжелые  углеводороды) или находится над  залежами нефтью, образуя газовую  «шапку». Состав нефтяного попутного  газа выделяющегося при добыче нефти, значительно отличается от состава природного газа из газового пласта этого же месторождения. Химический и физический состав попутного газа очень сильно зависит от условий отбора проб газа, от давления в скважине. В связи с этим содержание углеводородов в пробах газа, отобранных с одной и той же площади, может значительно варьироваться.

При бурении пласта, сначала  из скважины начинает выделяться газ  из газовой «шапки», а уже потом  выделяется газ растворённый в нефти [13].

Газы, растворенные в  нефти, называются нефтяными. Обычно они содержат от 30 80% гомологов метана, а также азот, диоксид углерода, сероводород, гелий, аргон и другие компоненты. Поэтому содержание метана может составлять в нефтяных газах всего 20-30% от состава газовой смеси. Состав углеводородной части газов тесно связан с составом нефти. Легкие метановые нефти содержат газы, состоящие на 20-30% из тяжелых углеводородов. Тяжелые нефти наоборот, содержат преимущественно метан. Соотношение метана и его гомологов меняется в нефтяных газах и с увеличением возраста пород. Газы древних отложений в среднем более обогащены тяжелыми УВ и азотом, чем молодые.

Состав газов в залежах  постоянно меняется за счет действия многих факторов. Одним из них является растворимость индивидуальных газовых  компонентов в водах и нефтях. Например, растворимость метана метана в нефтях в пять раз меньше, чем растворимость этана и в 21 раз меньше, чем пропана. Азот обладает растворимостью в 15 раз меньше, чем метан. Поэтому газы в газовых шапках обогащены метаном и азотом. В то же время растворимость газообразных гомологов метана растет с увеличением в нефтях легких фракций УВ [5].

При любом генезисе водород  в момент своего рождения "in statu nascendi" является атомарным. Практически постоянным поставщиком атомарного водорода в масштабах геологического времени является радиогенный механизм. Широко распространен процесс образования атомарного водорода водородгенерирующими бактериями в артезианских бассейнах в зонах формирования месторождений урана осадочно-генетического типа [14]. Бактерии, разлагающие ОВ с образованием водорода, найдены в подземных водах Грозненской НГО, Терско-Каспийского НГБ, в Восточной Грузии и Западной Туркмении. Установлена возможность образования атомарного водорода в процессе сульфатредукции, осуществляемой сульфатредуцирующими бактериями. Активатором процесса сульфатредукции служит производимая бактериями гидрогеназа, активирующая молекулярный водород по схеме: Н2 = 2Н (Stephenson M., Stickland R., 1931). Сульфатредуцирующие бактерии отличаются большой приспособляемостью к экологическим условиям и могут развиваться в широком диапазоне температур от 0 до 85°С и даже выше (Лобье Л., 1990). При высоких давлениях их термотолерантность резко повышается. В нефтегазоносных формациях развитие сульфатредуцирующих бактерий установлено при температурах 91-100 °С (Розанова Е.П., Кузнецова С.И., 1974). Экологическая приспособленность сульфатредуцирующих бактерий лежит в основе их широкого распространения в сульфатсодержащих нефтяных пластовых водах, за исключением высокоминерализованных хлор-кальциевых и хлормагниевых вод [15].

Заключение

В данной работе изложены различные способы образования  газов присутствующих в нефти  и природном газе.

Формирование химического  состава газов в газовых и  нефтяных месторождениях зависит от многих факторов. Основную часть газов присутствующих в нефти и природном газе составляет метан и его гомологи, углекислый газ, сероводород.

Список использованных источников

1. http://neftplast.ru/page15.htm
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Природный_газ
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Попутный_нефтяной_газ
4. http://www.gubkin.ru/faculty/magister_training/magistrantu/posobia/UCH/1(8).htm
5. Доценко В.В. Геология газа. Происхождение нефти и газа: Учебное пособие/ Под ред. А.Н. Резникова.-Ростов-на-Дону: Из-во Ростовского университета,2001. -39с.
6. http://www.mining-enc.ru/m/metan/
7. http://www.popmech.ru/article/1878-neft-zhivaya-i-mertvaya/
8. http://www.sunhome.ru/journal/121744
9. Материалы VI конференции молодых специалистов министерства нефтяной промышленности 1979. 116с.
10. Геология нефти и газа: учебное пособие / А.Е. Кошевников; Томский политехнический университет. – Томск: Из-во Томского политехнического университета, 2011. – 168 с.
11. ГОСТ Р 1.0-2004 « Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»
12. http://prom-ecologi.ru/?p=1104
13. http://termopower.ru/gazoobraznoe_toplivo/41-poputnyy-gaz.html
14. Соколов В.А. Геохимия газов земной коры и атмосферы. - М.: Недра, 1966.
15. С.П. Левшунова О необходимости внешних источников  водорода для образования углеводородов в осадочных породах // ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА 1995 №12