Хімія природних газів — розділ хімії, зокрема органічної хімії, в якому вивчаються склад, будова і властивості природного газу і його компонентів, залежність властивостей природного газу від його складу і будови, умови і шляхи його перетворення і переробки.

Загальний опис Природні гази — це гази, які утворюються в результаті природних процесів. В основному природні гази є горючими (вуглеводневими); вони утворюють у літосфері великі скупчення і є об'єктами видобування.

Вуглеводневі гази в залежності від родовищ, із яких їх видобувають, поділяють на природні, нафтові і гази газоконденсатних родовищ.

Природні гази видобувають із чисто газових родовищ.

Нафтові (стара не рекомендована назва — супутні) гази видобувають із нафтових родовищ разом із нафтою, із якої вони виділяються при зниженні тиску нижче від тиску насичення нафти газом.

Газ газоконденсатних родовищ — це газоподібні вуглеводні, із яких при зниженні тиску нижче від тиску конденсації виділяється вуглеводнева рідинна фаза — газоконденсат (або просто конденсат) — суміш пентану і вищих гомологів метану. Конденсат буває сирий і стабільний. Перший є рідиною, яку отримують безпосередньо на газоконденсатних промислах, вилучаючи його в промислових сепараторах при певних тиску і температурі. Він містить рідинні при нормальних умовах вуглеводні, в яких розчинена певна кількість газоподібних вуглеводнів. Стабільний конденсат отримують із сирого шляхом його дегазації. Вміст стабільного конденсату в газі різних газоконденсатних покладів змінюється в широких межах від 5–10 см³/м³ (Рудківське родовище) до 300–500 см³/м³ і навіть до 1000 см³/м³ (Талалаївське родовище).

За хімічним складом ці вуглеводневі гази є сумішшю парафінових вуглеводнів від СН4 до С5Н12 (алкани), азоту, вуглекислого газу, сірководню, кисню, водню, оксиду вуглецю, сірчистого газу, аргону, ксенону, неону, гелію, криптону, пари ртуті, летких жирних кислот та ін. (табл.). Газові компоненти представлені як окремими атомами, так і складними хімічними сполуками. У газах ряду газових родовищ є високим вміст азоту (до 80–90 %), сірководню (до 15–23 %), а також гелію.

+ Фізичні і термодинамічні властивості органічних і неорганічних газів — складових компонентів природного газуВластивостіСН4С2Н6С3Н8С4Н10С4Н10С5Н12С5Н12Н2N2О2СО2Н2SПовітря (сухе)Водяна параМолекулярна маса16,0430,0744,0958,1258,1272,1572,152,0156028,0232,0044,0134,0828,9618,02Густина по повітрю0,5551,0491,5422,0612,0892,6722,6720,06950,96731,10331,52911,19061,0000,593Густина за тиску 760 мм рт. ст. і 0 °С, кг/м³0,7171,3562,0042,6682,7033,7033,4573,4570,8991,25051,97681,53921,29280,768Критичні параметри:температура, °С -82,132,396,8135,0152,0187,7197,2 -239,9 -147,1 -118,831,1100,4 -140,7374,2тиск, кГ/см²45,848,242,036,037,532,933,012,833,549,775,391,837,2225,0густина, кг/м³16220322623422523823231311410468349310324об'єм, м³/кг0,0990,1470,1950,2480,2580,3080,3100,0650,0900,0740,0960,0970,0870,045Температура кипіння за тиску 760 мм рт. ст., °С -161,58 -88,63 -42,06 -11,72 -0,5027,8536,07 -252,78 -182,97 -78,48 -60,4 -193100Температура плавлення за тиску 760 мм рт. ст., °C -182,49 -182,81 -187,65 -159,60 -138,33 -159,89 -129,72 -259,20 -210,02 -218,83 -56,6 -85,6 -2130Октанове число за дослідницьким методом107,5107,1105,7101,193,692,361,7 - - - - - - -Критичний ступінь стискання151412106,463,8 - - - - - - -Коефіцієнт в'язкості при температурі 0 °С і тиску 760 мм рт. ст.:динамічний, 106 кГ·с/м²1,040,880,770,700,700,650,640,851,701,981,231,21,75 -кінематичний, 106 м²/с14,56,43,82,62,61,91,893,013,313,64,149,913,3 -Газова постійна, кГ∙м/(кг∙град.)52,9028,2119,2514,5914,5911,7011,70420,6030,2626,5019,2724,9029,2747,10Розчинність у воді за температури 0 °С і тиску 760 мм рт. ст., м³/м³0,0560,0990,0650,0130,032 -0,0360,0210,0230,0491,7134,6700,029 -Теплота випаровування за тиску 760 мм рт. ст. і температури кипіння, ккал/кг121,87116,97101,8097,6392,1379,385,38108,547,651,5137,0131,048,4 -Теплота згоряння вища:ккал/кг1328012410120401182011840 -1175031660 - - -3990 - -ккал/моль212800372820530610686300687900 -84716063317 - - -136000 - -ккал/м³922016820243203153032010 -377202750 - - -6140 - -нижча:ккал/кг1195011350110801089010920 -1084028670 - - -3680 - -ккал/моль191760341260488530632520634120 -78204057800 - - -126240 - -ккал/м³856015230223502905029510 -348902580 - - -5660 - -Теплоємність при температурі 0 °С і тиску 760 мм рт. ст.:ккал/(моль∙град)8,29611,8316,32 -22,10 -27,456,846,956,998,578,126,968,0ккал/(кг∙град)0,51720,39340,3701 -0,3802 -0,38053,39040,24820,21850,19460,23700,23970,4441ккал/(м³∙град)0,37020,52780,7281 -0,9860 -1,22460,30490,31020,31190,38210,36700,30980,3569ккал/(моль∙град)6,319,8414,3320,1125,464,854,975,016,586,1134,986,02Показник адіабати1,3141,2021,1381,1001,0801,4101,4021,3971,2721,3401,4001,280Кількість повітря, необхідного для спалювання 1 м³ газу, м³9,5216,6623,8630,9830,9838,1838,182,38 - - -7,17 - -Кількість продуктів згорання, що утворюються при згоранні 1 м³ газу, м³10,5218,1625,8033,5233,5241,1041,102,88 - - -7,64 - -Теплота утворення із елементів при температурі 25 °С, ккал/моль -17,889 -20,236 -24,820 -32,150 -30,150 -36,920 -35,000 - - - -94,052 -4,815 - -57,798Вільна енергія парів (ізобарний потенціал) при температурі 25 °С, ккал/моль -12,140 -7,860 -5,61 -5,00 -4,10 -3,50 -2,00 - - - -94,26 -7,89 - -54,64Ентропія при температурі 0 °С, ккал/(моль∙град)43,7653,7363,0070,4272,0982,122580,7730,6344,12148,4050,2648,4645,6544,395Ентальпія при температурі 0 °С, ккал/моль219025503080407049501850189719002016218018912160Коефіцієнт теплопровідності парів при температурі 0 °С і тиску 760 мм рт. ст., ккал/(м∙год∙град)0,02640,01630,01310,01140,01300,01020,01060,1480,02090,02120,00720,01130,02100,0139Межі вибуховості за температури 20 °С і тиску 760 мм рт. ст., %5,3-15,03,2-12,52,4-9,51,8-8,41,9-8,41,3-8,01,4-7,84,0-74,2 - - -4,3-45,5 - -

Закономірних змін концентрацій вуглеводнів при зміні глибини залягання газовмісних відкладів, зазвичай не спостерігається. Проте поклади з концентрацією вуглеводнів понад 90 % знайдені в інтервалі глибин 0–500 м у 55 % покладів, 500–1000 м у 71 %, 1000–2000 м у 73 % і 2000–4000 м у 89 %. Таким чином, поклади до глибини 2–3 км мають більш різноманітний склад, ніж на великих глибинах, де відбувається стабілізація концентрацій вуглеводнів. Якого-небудь зв'язку концентрацій вуглеводнів з віком газовмісних відкладів не спостерігається, оскільки у відкладах будь-якого віку зустрічається практично весь інтервал коливання концентрації вуглеводнів.

В більшості газових покладів концентрація метану знаходиться в межах 90–95 %, а максимальні концентрації досягають 99 %. Такі концентрації властиві, напр., газовим покладам Адріатичного басейну. Концентрації важких вуглеводнів в газових покладах коливаються від сотих часток до 30 %, їх пружність в переважній частині покладів становить 5–20 кгс/см². Частка важких вуглеводнів коливається в газах в широких межах (від 0,2 до 8 %). Найнижчі її значення характерні для зон прогинів, а найвищі властиві ділянкам піднятого фундаменту на стародавніх платформах.

Природні гази (або гази газових родовищ) в основному складаються із метану (93–98 %) з невеликою домішкою етану, пропану і у вигляді слідів бутанів, пентанів, а також невуглеводневих газів — азоту, діоксиду вуглецю, сірководню і рідких газів. Ці гази належать до групи сухих газів, тобто із слідами високомолекулярних вуглеводнів. Гази газоконденсатних родовищ містять велику кількість метану (88–98 %), а також високомолекулярних вуглеводнів (2–5 % і більше), які входять до складу бензинових, гасових, а іноді і дизельних фракцій нафти.

Вміст метану в нафтових газах є значно нижчим (30–60 %), а решту вуглеводневої частини становлять важчі вуглеводні: етан, пропан, бутани, пентани. Ці гази належать до групи жирних газів і є сировиною для вилучення із них легкого бензину — так званого газового бензину.

Вуглеводневі компоненти

Співвідношення вуглеводневих компонентів в попутних і у вільних газах різне. В попутних газах концентрація важких вуглеводнів не менше від концентрації метану, а в деяких випадках перевершує її. Фоновий вміст важких вуглеводнів в попутних газах становить 20–40 %. Серед гомологів метану звичайно переважає етан, а вміст пропану і бутану різко підвищений в порівнянні з вільними газами. Частка важких вуглеводнів в попутних газах коливається у широких межах (від 10 до 90 %).

Метан — основна складова природних горючих газів. Це безбарвний газ в чистому вигляді з ледве помітним часниковим запахом. Він набагато легший за повітря; при 15°С і нормальному тиску маса 1 м3 метану становить 0,677 кг. Метан має високу термічну стійкість. Він починає помітно розкладатися при температурі не менше 600°С. Ізотопний склад вуглецю метану характеризується відношенням 12С/13С = 89–92. Метан має нижчу теплоту згоряння (34,0—37,2 МДж/м³) приблизно в 2,0 рази більшу, ніж кам'яне вугілля. Прикладом знаходження в природі чистого метану є так званий болотяний газ. Процентна кількість метану в попутних газах дещо зменшується за рахунок появи більш важких вуглеводнів (наприклад, етану, пропану, бутану і ін.). Метан присутній також у вугільних покладах.

Етан — безбарвний газ, дещо важчий за повітря; маса 1 м³ етану за нормальних умов становить 1,270 кг. В чистому вигляді етан в природі не зустрічається, зазвичай він супроводжує метан. Нижча теплота згоряння його — від 60,3 до 66,2 МДж/м³.

Пропан — безбарвний газ, більш важкий, ніж повітря. Маса 1 м³ пропану за нормальних умов рівна 1,9659 кг. Як і етан пропан в чистому вигляді в природі не зустрічається, але є обов'язковим супутником газу нафтових покладів. Теплота згоряння пропану — від 86,5 до 93,9 МДж/м³.

Бутан (нормальний) має в 2 рази більшу густину, ніж повітря. Маса 1 м³ бутану при 15 °С і нормальному тиску становить 2,454 кг. В чистому вигляді в газоподібному стані бутан може знаходитись при температурі вище +0,6 °С. Також відомий ізобутан, який має той же хімічний склад, але відрізняється від нормального бутану внутрішньою будовою молекули. Його фізичні властивості дещо відрізняються від властивостей нормального бутану.

Бутан, як правило, зустрічається тільки в газах, пов'язаних з нафтовими покладами, що є ознакою, зв'язку газу з нафтою. Нижча теплота згоряння бутану — від 112,3 до 121,4 МДж/м³.

Пентан, як і бутан, має два різновиди: нормальний пентан та ізопентан. Останній є складовою частиною бензину. Пентан зустрічається у вигляді рідкісної домішки в природних вуглеводневих газах; кількість його звичайно не перевищує 2 об. %, за винятком газів, пов'язаних з нафтовими покладами, де кількість пентану може досягати 10 об. %.

Серед гомологів метану зазвичай переважає етан, далі — пропан. Вміст бутану і пентану (та їх ізомерів) різний, але зазвичай менший за вміст інших компонентів. Ізотопний склад гомологів метану характеризується такими середніми величинами 13Ссер: етан — 3,4 %, пропан — 2,9 %, бутан — 2,7 %.

Невуглеводневі компоненти

Крім вуглеводневих компонентів горючі природні гази зазвичай містять в різних, іноді значних, кількостях вуглекислий газ, азот і сірководень, в менших кількостях водень, кисень, оксид вуглецю і в малих концентраціях — гелій та інші рідкісні гази.