Khí thiên nhiên là gì – tính chất, thành phần, phân loại chúng ra sao

Khí thiên nhiên là một thành phần cung cấp năng lượng không thể thiếu của thế giới. Nó là một trong những nguồn năng lượng sạch nhất, linh động nhất và hữu dụng nhất. Tuy nhiên, ngoài tính quan trọng của nó vẫn còn nhiều quan niệm sai về khí thiên nhiên. Ví dụ như bản thân khí gas trên thế giới có nhiều công dụng và giá trị khác nhau. Khi nạp nhiên liệu cho xe hơi, tức là chúng ta đã đưa khí gas vào đó. Khí gas dùng trong các cuộc liên hoan ngoài trời thông thường thực chất là propan, khí này thường hay gặp nhiều trong khí thiên nhiên, nhưng bản thân nó lại không phải là khí thiên nhiên. Măc dù được phân vào cùng nhóm với các nhiên liệu hoá thạch và các nguồn năng lượng khác nhưng khí gas vẫn có những đặc điểm khiến chúng trở nên đặc biệt. Dưới đây là một số kiến thức cơ bản về khí thiên nhiên, bản chất, thành phần, phân loại.

Khí thiên nhiên, bản thân nó, có thể được xem như một loại khí gas rất bình thường – không màu, không hình dạng và không mùi ở dạng nguyên chất. Tuy nhiên, không giống các nhiên liệu hoá thạch khác, khí thiên nhiên rất sạch khi đốt cháy và cho ra các sản phẩm thứ cấp ít khả năng gây ô nhiễm hơn vào trong không khí. Chúng ta cần năng lượng ổn định, để sưởi ấm những ngôi nhà, để nấu nướng, và để sản xuất ra điện năng. Chính nhu cầu sử dụng năng lượng này đã đưa khí thiên nhiên lên một vị trí rất quan trọng trong xã hội và đời sống của chúng ta.

Tính chất nguy hiểm của khí thiên nhiên

Đặc điểm gây nguy hiểm của khí hydrocacbon là độc tính nó, phụ thuộc vào thành phần khí và khả năng tạo hỗn hợp gây nổ với không khí, dễ bốc cháy do ngọn lửa điện và các nguồn gây cháy khác.

Khối lượng nguyên tử của hydrocacbon giới hạn tăng lên thì độc tính của nó tăng lên. Nồng độ giới hạn cho phép đối với metan là 10 mg/L còn đối với geptan chỉ là 2 mg/L.

Tiêu chuẩn vệ sinh khi thiết kế các xí nghiệp công nghiệp trong các phân xưởng làm việc của công nhân, thì nồng độ giới hạn cho phép hydrocacbon (hơi xăng) là 0,3 mg/L.

Trong các thành phần khí của khí thiên nhiên và khí đồng hành thì H₂S rất độc, đó là chất khí không màu. Mật độ so với không khí 1,19. Con người đã có thể có cảm nhận khí H₂S khi chỉ với hàm lượng trong không khí 0,0014-0,0023 mg/L .

Khí cacbonic – không màu và hoàn toàn không mùi. Đặc tính gây hại của nó tới con người là gây ngạt khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt thở) và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng.

Tinh thể hydrat

Một trong những tính chất lý thú nhất của khí là trong những điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định nó có khả năng liên kết với nước tạo thành một dung dịch rắn – hydrat.

Hydrat khi là hỗn hợp tinh thể (clatrat) cấu trúc nhất định. Gọi là clarat vì hợp chất này có thành phần thay đổi và ở trong trạng thái này nó tạo thành cái lồng.

Mạng tinh thể “chủ” được cấu tạo từ các phân tử nước, được giữ chặt bởi các hydro liên kết. Lần đầu tiên hydrat được các nhà khoa học phát hiện từ thế kỷ 18. Năm 40 của thế kỷ trước các nhà khoa học Liên xô-viết giả thiết các tầng hydrat khí năm trong các điều kiện băng vĩnh cứu. Năm 1960 ở vùng Bắc Liên Xô đã phát hiện các mỏ hydrat đầu tiên và được xem là nguồn nhiên liệu quan trọng có tiềm năng mới. Các phân tử tạo hydrat khí nằm trong khoang của mạng tinh thể. Bản thân mạng tinh thể “chủ” nếu như không lấp đầy lượng tối thiểu phân tử chất tạo hydrat, thì nó không thể tồn tại được ở dạng trong điều kiền giả bền nhiệt động lực. Tất cả các khí mà kích thước các phân tử của chúng trong khoảng (4÷6,9)A tạo thành hydrat. Khi nhiệt độ tăng lên thì hỗn hợp dễ tan thành khí và nước.

Vấn đề thành tạo hydrat khí có vị trí quan trọng trong việc nghiên cứu các vấn đề về điều kiện tồn tại của hydrat trong môi trường rỗng, trong lớp phủ trầm tích lục địa và trầm tích đáy đại dương.

Sự thành tạo hydrat trong môi trường rỗng của lớp trầm tích vỏ quả đất kèm theo những tích tụ lớn khí thiên nhiên và sự thành tạo các vỉa hydrat khí trên đất liền cũng như trong ranh giới đại dương. Đặc thù của các vỉa hydrat là trong những điều kiện nhiệt động lực học tương ứng chúng được tích tụ không có vỏ trầm tích. Các vỉa khí và dầu có thể hình thành do sự tích tụ của các hydrat. Một trong những đặc thù quan trọng hình thành vỉa hydrat khí là chúng có thể được tạo thành khi dòng khí phun trào từ dung dịch khí nước chưa đủ bão hòa, nghĩa là khi không có pha khí tự do.

Trong quá trình hydrat đã xuất hiện những vấn đề mới về nguyên tắc liên quan đến xác định vùng phân bố vỉa hydrat khí và các điều kiện thành tạo chúng trong vỏ quả đất, nhằm đề xuất các phương pháp tìm kiếm và thăm dò, thử nghiệm giếng khoan và khai thác khí.

Nghiên cứu cho thấy khí thiên nhiên trong vỏ quả đất dưới nhiệt độ và áp suất tương ứng liên kết với nước rỗng và chuyển thành trạng thái hydrat rắn, tạo thành tích tụ lớn – các vỉa hydrat khí.

Các điều kiện nhiệt động lực tương ứng để thành tạo các vỉa hydrat khí thường là 25% trên đất liền và 95% trầm tích của đại dương trên thế giới.

Chiều sâu phân bố các vỉa hydrat khí dao động trong khoảng rộng và trên lục địa đạt đến 800__MCE_ITEM__ ÷2000 m. Chiều dày của vùng vỉa hydrat khí dưới trầm tích đáy biển đạt đến hàng trăm mét.

Một trong những đặc điểm của các vỉa hydrat khí là để hình thành chúng và duy trì không đòi hỏi lớp phủ trầm tích không thấm, bởi vì các tinh thể hydrat được thành tạo trong đá trầm tích không thấm khi khí di chuyển.

Đặc điểm này có ý nghĩa lớn để giải thích và phát hiện các tích tụ lớn khí thiên nhiên trong trạng thái tự do trong vùng tiếp giáp đại dương, dưới lớp phủ tạo thành bởi hydrat khí bít nhét đá trầm tích xốp rỗng.

Trạng thái pha của hệ hydrocacbon

Khí thiên nhiên là hỗn hợp của các khí riêng biệt. Mỗi một khí được gọi là thành phần, có nghĩa là khí thiên nhiên được khai thác lên là hệ nhiều thành phần.

Mỗi khí riêng biệt hoặc hệ nhiều thành phần có thể ở trong trạng thái một pha, hai pha và ba pha. Phụ thuộc vào các đặc tính điều kiện và tính chất của vật chất có thể ở dưới dạng khí, chất lỏng hoăc trạng thái rắn.

Trạng thái pha của vật chất với các thông số nhất định phụ thuộc vào số thành phần trong hệ.

Phân loại và thành phần khí

Khí thiên nhiên gồm các thành phần khác nhau có các tính chất rất riêng biệt. Thành phần nhỏ nhất đặc trưng cho vật thể là phân tử gồm một nguyên tử của một hoặc một số nguyên tố. Đơn vị đo khối lượng nguyên tử và phân tử bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử đồng vị cacbon.

Hydrocacbon trong các điều kiện bình thường phụ thuộc vào số nguyên tử và phân tử mà chúng ở trong ba trạng thái hợp thể:

khí – hydrocacbon, chứa trong phân tử dưới bốn nguyên tử cacbon (từ CH₄ đến C₄H₁₀);

Chất lỏng – hydrocacbon có từ 1 đến 17 nguyên tử cacbon (từ C₅H₁₂ đến C₁₇H₃₆);

Rắn – trong phân tử hydrocacbon chứa 18 và hơn các nguyên tử cacbon, nằm trong một mạch (từ C₁₈H₃₈).

Khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ tất nhiên bão hòa hơi nước, hàm lượng của chúng phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, thành phần khí và nước. Nitơ và khí cacbonic là các khí ổn định và thương thường có mặt trong tất cả khí thiên nhiên. Hàm lượng nitơ trong khí đôi khi đạt đến hàng chục phần trăm, và một vài khí thiên nhiên gần như gồm hoàn toàn nitơ (ví dụ mỏ khí thiên nhiên ở Texac) chứa 85 – 95% N₂. Một số khí mỏ 100% là nitơ. Hàm lượng khí cacbonic dao động từ rất bé đến vài phần trăm so với thể tích, cá biệt có một vài khí chứa tới 50% CO₂.

Dihydrosunfua là một thành phần của khí thiên nhiên rất độc và có tính ăn mòn. Hàm lượng H₂S trong khí đôi khi đạt đến hàng chục phần trăm theo thể tích. Ví dụ mỏ khí Lac (Pháp) chứa 15,5% H₂S.

Trong khi khí thiên nhiên về cơ bản được cấu tạo từ metan, nó vẫn có thể có chứa etan, propan, propan, butan và pentan. Cấu tạo của khí thiên nhiên có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng, nhưng trong bảng dưới đây chỉ thể hiện cấu tạo cơ bản thường gặp của khí khí mỏ trước khi được tinh chế.

thành phần khí thiên nhiên

Nguồn Trương Quang – Hải Yến (Viện Công Nghệ Khoan)