Классификация газов. 
Топливно-энергетический потенциал нефти и газа

Вопрос классификации природных газов очень сложен, так как они имеют разнообразный состав, различное происхождение, разные условия нахождения и физическое состояние в природе. Кроме того, газы обладают большой эмиграционной способностью, создают различные смеси и редко бывают однородными по химическому составу. Одновременно с процессами образования газов идут процессы их разрушения. Например, при действии кислорода на сероводород образуется свободная сера и вода.

По способу получения и физико-химическим свойствам газы подразделяют на природные и искусственные. К природным (добываемым из недр земли) относятся: газы чисто газовых месторождений (сухой газ), газы газоконденсатных месторождений (смесь сухого газа и конденсата) и попутные газы, добываемые вместе с нефтью из нефтяных месторождений (сухой газ с пропа-нобутановой фракцией и газовым бензином). Природные газы представляют химическую смесь отдельных газов (компонентов), химически инертных между собой (т.е. не действующих друг на друга) и состоят преимущественно из предельных углеводородов (алканов). Основная часть природного газа метан (~98%), остальная часть смеси состоит из предельных углеводородов, этана С2H4, пропана С3H8, бутана С2H10 и пентана С5H12. Кроме того, в состав природных газов в небольших количествах входит азот N2, углекислый газ СО2, иногда сероводород H2S, водород Н2 и другие. В зависимости от содержания тяжелых углеводородов (от пропана и выше) природные газы делятся на сухие газы (тощие), промежуточной категории и жирные. Сухие содержат тяжелые углеводороды в количестве менее 50 г/мі; газы промежуточной категории 50−150 г/мі и жирные — более 150 г/мі. Искусственные горючие газы подразделяются на две группы. К первой относятся газы, получаемые в результате нагревания твердого или жидкого топлива без доступа воздуха, при температуре перегонки 500−1000 °С, например, на коксохимических заводах (в виде смеси водорода, метана и углерода) и на НПЗ (в виде смеси алканов, олефинов и диолефинов). Ко второй группе относятся газы без остаточной газификации, получаемые при частичном сжигании топлива в токе воздуха, кислорода или их смесей с водяным паром, а также путем подземной газификации углей.

Эти газы состоят преимущественно из окиси углерода, водорода и азота. Сжиженные углеводородные газы представляют собой смесь углеводородов — пропана, пропилена, бутана, бутилена и небольших количеств метана, этана, этилена и пентана. Эта смесь при нормальных атмосферных условиях (0,1 МПа~760 мм рт. ст. и 0 °С) находится в газообразном состоянии, а при повышенном давлении и пониженной температуре превращается в жидкость. Свойства газов зависят от свойств отдельных компонентов, входящих в данный газ.

К основным параметрам газа относятся: молекулярная масса, плотность, сжимаемость, вязкость, а также упругость насыщенных паров. Газ является наиболее совершенным видом топлива. Он обладает высокой теплотой сгорания. Устройство топок для сжигания газа сравнительно простое. Воздух не загрязняется дымом и копотью.

Первую классификацию природных газов составил В. И. Вернадский (1912), где он указал, что при изучении газов необходимо знать три следующие фактора: форму или условия нахождения газов в природе, источники их происхождения или генезис и химический состав. Согласно этим факторам В. И. Вернадский выделил три группы газов.

I. По форме нахождения:

А. Свободные газы: 1) атмосферные, 2) газовые скопления, содержащиеся в порах горных пород и окклюзии, 3) газовые струи или вихри (вулканические, тектонические, поверхностные), 4) газовые испарения.

Б. Жидкие растворы газов: 1) газы океанов и морей, 2) газы озер, прудов и рек, 3) газы различных водных источников (вулканических, тектонических, поверхностных).

В. Твердые растворы газов (газы адсорбированные горными породами и минералами).

II. По источникам происхождения: 1) газы земной поверхности, 2) газы, связанные с высокотемпературными очагами литосферы,.

3) газы глубинные, проникающие в земную кору из мантии.

III. По составу (разделение для тектонических газов): 1) азотные, 2) углекислые, 3) метановые, 4) водородные, 5) сероводородные, 6) водяные пары.

Позже, в развитие этой классификации был создан целый ряд классификационных схем природных газов по условиям нахождения и физическому состоянию в природе, по химическому составу, генезису и по их практической ценности и содержанию полезных компонентов. В отечественной литературе опубликовано более 20 классификаций природных газов только по химическому составу.

Рисунок 1 — Графики зависимости коэффициента сверхсжимаемости Z углеводородного газа от приведенных псевдокритических давления рпр. и температуры Тпр. (по Г. Брауну).

Ряд классификационных схем разработали М. И. Суббота и А. Ф. Романюк, которые приведены ниже.

Классификация по условиям нахождения газа в природе.

I. Газы земной поверхности:

• 1) тропосферы;
• 2) стратосферы и мезосферы;
• 3) атмосферных осадков;
• 4) пещер и карстовых полостей.

II. Газы поверхностной гидросферы:

• 1) океанов и морей;
• 2) рек, озер и прудов;
• 3) поверхностных льдов;
• 4) болот.

III. Газы, рассеянные в горных породах:

• 1) в порах и трещинах осадочных пород;
• 2) сорбированные породами;
• 3) поровых растворов;
• 4) магматогенных пород;
• 5) газово-жидкие включения в минералах;
• 6) илов;
• 7) газогидратов илов;
• 8) почв.

IV. Газы подземной гидросферы:

• 1) грунтовых вод;
• 2) вод зоны свободного водообмена;
• 3) вод зоны затрудненного водообмена;
• 4) мерзлых вод и газогидратов.

V. Свободные газы залежей:

• 1) газовых залежей;
• 2) газовых шапок нефтяных залежей;
• 3) газоконденсатных залежей;

VI. Газы, растворенные и сорбированные в биогенных ископаемых:

• 1) растворенные в нефти;
• 2) сорбированные углями;
• 3) в горючих сланцах.

VII. Газы грязевых вулканов:

• 1) грязевых извержений;
• 2) грязевых грифонов.

VIII. Газы магматических очагов и поствулканических процессов:

• 1) вулканических извержений;
• 2) фумарольные;
• 3) пневматогенных внедрений;
• 4) гидротермальных растворов.

IX. Газы живых организмов:

• 1) животных;
• 2) высших растений;
• 3) микроорганизмов.

Классификация по генезису газов.

I. Газы биохимического генезиса:

• 1) микробиологического преобразования ОВ илов и почв — СО2, СН4, N2, CO, N2O, NO2, H2, NH3, H2S и др.;
• 2) микробиологического преобразования торфа — СО2, N2, СН4, CO, H2S, NH3 и др.;
• 3) микробиологического преобразования углей — СО2, СН4, N2, CO, H2 и др.;
• 4) микробиологического преобразования нефти — СН4, СО2 и др.;
• 5) Фотосинтеза зеленых растений — О2;
• 6) жизнедеятельности высших растений — СО2, CO, С2Н4, летучих ОВ и др.;
• 7) жизнедеятельности животных — СО2, CO, H2S, СН4, летучих ОВ и др.;
• 8) микробиологического разложения растений и животных — СО2, CO, СН4, H2S, N2, NH3 и др.

II. Газы химического генезиса:

• 1) химического генезиса в нормальных условиях земной поверхности — СО2 и др.;
• 2) термических реакций — СН4, CO, СО2 и др. (150−300 оС);
• 3) термокаталитических реакций — СН4, CnH2n, H2, CO и др.

III. Газы дегазации мантии:

• 1) дегазации мантии — СН4, H2, NH3, N2, СО2, SO2, H2S, СО, H2O и др.;
• 2) остаточные первичной атмосферы Земли — Ar, N2 и др.

IV. Газы радиоактивного распада и радиохимического генезиса, генерирующиеся на участках распространения радиоактивных элементов — Не, Ar, Rn, H2, O2 и др.

V. Газы, образующиеся под воздействием космических лучей, генерирующиеся в верхних слоях атмосферы: атомарные — Н, Не и др.; изотопы — Н2, О2, N2, О3, NО и другие.

Классификация газов по их практической ценности.

I. Горючие газы (энергетическое и химическое сырье):

• 1) чисто метановых залежей;
• 2) метановых, обогащенных тяжелыми углеводородами;
• 3) газоконденсатных залежей;
• 4) нефтяных месторождений;
• 5) метановых и угольных месторождений;
• 6) метановых водорастворимых.

II. Газы, обогащенные инертными компонентами:

• 1) гелий в углеводородных газовых залежах и водах;
• 2) гелий в азотных залежах;
• 3) азотных залежей.

III. Газы, обогащенные сероводородом:

• 1) сероводород в метановых залежах;
• 2) сероводород в углеводородных газовых залежах.

IV. Углекислые газы минеральных вод.

Классификация и индексация В. И. Старосельского, классификация В. А. Соколова Существует классификация и индексация природных газов по содержанию полезных компонентов В. И. Старосельского, которая основана на требованиях промышленности по минимальной концентрации компонентов, являющихся ценным химическим сырьем. Среди неуглеводородных компонентов газа в ней учитывается азот (А), углекислый газ (У), сероводород (Св), а среди углеводородных компонентов — метан (Н), этан (Э), тяжелые углеводороды (Т) и конденсат (К). В зависимости от пределов процентного содержания какого-либо компонента в газе, около его буквенного индекса ставится цифра от 1 до 4. Состав газа обозначается суммой индексов. Например, состав газов Астраханского газоконденсатного месторождения будет выражен следующим индексом: М2Э1Т2У4А1Св4К4. Он означает, что газ содержит метана от 30 до 70%, этана менее 3%, тяжелых углеводородов 5−10%, углекислого газа более 15%, азота менее 3%, сероводорода более 1% и конденсата более 200 г/м3.

Природные газы подразделяются в этой классификации по содержанию этана, который является ценным химическим сырьем, а также — по содержанию тяжелых УВ на метановые, этановые, этан-пропановые и пропан-бутановые. Метановые газы характерны для газовых скоплений. Они содержат метана от 90 до100%, этана до 3% и тяжелых УВ до 5%. Этановые газы содержат этана от 3 до 6%, тяжелых УВ от 5 до 10%, а этан-пропановые газы — этана от 6 до 9%, тяжелых УВ — от 10 до 30%. Эти газы характерны, в основном, для газоконденсатных и нефтегазоконденсатных залежей. В пропан-бутановых газах концентрация тяжелых УВ составляет более 30% и этана более 9%. Они характерны для нефтяных залежей.

Широко известна классификация природных газов по условиям нахождения, химическому составу и генезису, составленная В. А. Соколовым (таблица 5).

Таблица 5 — Классификация природных газов по В. А. Соколову (1966).