§ 39. Природный и попутный нефтяные газы

Определения и обозначения

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, залегающая в земных недрах. Обычно её основную часть составляет метан, но в составе могут присутствовать и другие вещества. Это не одно чистое соединение, а природная смесь, которую используют как топливо и химическое сырьё.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над ней в месторождении. Его добывают вместе с нефтью, потому что газ и нефть расположены в одном пласте, а растворённый газ выходит из нефти при подъёме на поверхность. Поэтому его нужно собирать и направлять на переработку.

Газовый конденсат — смесь жидких углеводородов, которая выделяется из природного газа при изменении давления и температуры. Пока газ находится в недрах, эти вещества могут оставаться в газовой смеси. При добыче условия меняются, и часть углеводородов становится жидкой; её можно отделить и использовать.

Газопереработка — разделение природного и попутного газа на компоненты и получение из них топлива и сырья. Компоненты отличаются свойствами и применением, поэтому их не всегда выгодно использовать только в виде исходной смеси. Переработка позволяет извлечь ценные вещества и направить каждую часть на подходящее производство.

Как это устроено

Природный газ образовался в недрах Земли из органического вещества, преобразованного за длительное время при высоких температуре и давлении. Он скапливается в пористых горных породах и удерживается там плотными слоями, которые мешают ему подниматься дальше. Поэтому газ добывают из подземных залежей, нередко расположенных рядом с месторождениями нефти и других горючих полезных ископаемых. При этом у природного газа могут быть отдельные газовые залежи, не связанные с нефтяной добычей.

Попутный газ обнаруживают вместе с нефтью, потому что оба вещества образовались и скопились в нефтяном пласте. Газ может находиться над нефтью отдельной газовой частью или быть растворённым в ней. При добыче нефть поднимается из пласта, давление уменьшается, и растворённый газ отделяется от жидкости. Его собирают на промысле, а не считают ненужной примесью: он содержит горючие и ценные компоненты.

Состав природного и попутного газа определяется условиями образования и конкретным месторождением. В природном газе обычно преобладает метан, молекула которого легче, чем молекулы пропана и бутана. В попутном газе часто выше доля более тяжёлых углеводородов, поскольку он связан с нефтью, в которой такие вещества хорошо растворяются. Это характерная закономерность, но точный состав устанавливают анализом: он не одинаков для всех месторождений.

Газовые смеси разделяют на установках переработки, используя различия температур кипения и других физических свойств компонентов. Сначала отделяют примеси и жидкие продукты, например газовый конденсат, который выделяется при изменении давления и температуры. Затем смесь разделяют на фракции: лёгкий метан-содержащий газ и более тяжёлые углеводороды, в том числе сжиженные газы. Полученные продукты можно хранить, перевозить и использовать раздельно.

Природный газ сжигают для получения тепла и энергии, а метан и другие компоненты служат сырьём для химического производства. Из более тяжёлых углеводородов получают, например, топливо и вещества для дальнейшего органического синтеза. Попутный газ также можно использовать после сбора и переработки, а не только сжигать на месторождении. Его утилизация уменьшает потери ценного ресурса и помогает сократить ненужные выбросы продуктов сгорания.

Природный и попутный нефтяной газы

Сравнивая газы, сначала смотрите на их положение в месторождении и связь с добычей нефти: это основное различие. Состав в таблице указан как типичный, а не обязательный для каждого месторождения. Последние строки помогают увидеть, что переработка нужна для получения топлива и сырья из обеих смесей.

Разбор задач

Задача 1. В природном газе содержится 92% метана. Найдём объём метана в 100 м³ смеси при одинаковых условиях. Процентная доля показывает, какую часть общего объёма составляет компонент, поэтому 92% нужно выразить десятичной дробью.

1. Запишем объём смеси: Vсмеси = 100 м³, а объёмная доля метана φ = 92 / 100 = 0,92.
2. Умножим общий объём на долю: V(CH₄) = 100 м³ × 0,92 = 92 м³.
3. Проверим результат: метан составляет меньше всего объёма смеси, значит ответ должен быть меньше 100 м³.

Ответ: объём метана равен 92 м³.

Задача 2. При сжигании 2 м³ метана по уравнению CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O определим объём кислорода для полного сгорания. При одинаковых температуре и давлении объёмы газов относятся как коэффициенты в уравнении реакции. Значит, на каждый объём метана требуется два объёма кислорода.

1. Выберем коэффициенты перед газами: CH₄ — 1, O₂ — 2. Соотношение объёмов равно 1 : 2.
2. Умножим объём метана на отношение: V(O₂) = 2 м³ × 2 = 4 м³.
3. Проверим смысл результата: кислорода нужно вдвое больше, чем метана, как и следует из уравнения реакции.

Ответ: для полного сгорания требуется 4 м³ кислорода.

Задача 3. Из 500 м³ попутного нефтяного газа выделили 60 м³ пропана. Найдём объёмную долю пропана в исходной смеси. Затем объясним, в чём польза разделения компонентов газа.

1. Запишем известные величины: Vсмеси = 500 м³, V(пропана) = 60 м³. Доля равна отношению объёма компонента к объёму всей смеси.
2. Вычислим: φ = 60 / 500 = 0,12, или 0,12 × 100% = 12%.
3. Сделаем вывод: выделенный пропан можно использовать как топливо или химическое сырьё, а разделение помогает направить компоненты на подходящие цели.

Ответ: объёмная доля пропана в исходной смеси равна 12%; выделение компонентов позволяет получать полезное топливо и сырьё.

Типичные ошибки

Ошибка: считать природный газ чистым метаном. Так думают, потому что метан обычно составляет его основную часть, но в смеси могут быть другие углеводороды и примеси. Проверяйте формулировку: если речь идёт о газе из месторождения, это смесь, а не обязательно чистое вещество. Точное содержание компонентов устанавливают для конкретного месторождения.

Ошибка: путать природный и попутный нефтяной газ. Это происходит, если ориентироваться только на их общее свойство — горючесть, не учитывая положение в недрах. Проверьте себя вопросом, как газ связан с нефтью: попутный находится вместе с ней и выделяется при её добыче. Природный газ может добываться из самостоятельной газовой залежи.

Ошибка: считать, что газ из любого месторождения имеет одинаковый состав. Обычно к такому выводу подталкивает знакомство с усреднённым примером, где преобладает метан. Однако условия образования и состав залежей различаются, поэтому соотношение компонентов меняется. Проверяйте, указан ли состав в условии задачи или речь идёт только о типичной особенности.

Ошибка: полагать, что попутный газ можно только сжигать. Такое представление возникает, когда не учитывают возможность сбора и разделения смеси. Газ можно направить на переработку, чтобы получить топливо и химическое сырьё. Проверка проста: если газ содержит углеводороды, выясните, можно ли извлечь их как отдельные полезные компоненты.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся понятия смеси, углеводорода и алкана, а также умение читать уравнения реакций горения. Знания о нефти и разделении углеводородного сырья помогают понять, почему газовые компоненты тоже перерабатывают на фракции. Далее эти сведения применяются при изучении топлива и органического синтеза, где углеводороды служат исходными веществами. Тема также связана с природными ресурсами и экологическими последствиями добычи, сжигания и потерь газа.

Что запомнить

• Природный газ — смесь газообразных углеводородов, обычно богатая метаном.
• Попутный нефтяной газ находится в месторождениях вместе с нефтью.
• Состав природного и попутного газов зависит от месторождения.
• В попутном нефтяном газе часто больше тяжёлых углеводородов, чем в природном.
• Переработка разделяет газ на компоненты и позволяет получать полезные продукты.
• Природный и попутный газы используют как топливо и химическое сырьё.