Все о природном газе: его состав, свойства, способы добычи и применения

Природный газ занимает важное место в энергетическом секторе наряду с нефтью благодаря своей высокой энергоэффективности и экологической безопасности. Он повсеместно используется как топливо и является ценным сырьем для производства в химической промышленности.

Несмотря на то, что газ стал неотъемлемой частью нашей жизни, его состав остается сложным, и он может представлять определенную опасность. Чтобы газ мог быть использован в газовых приборах, ему необходимо пройти множество этапов обработки и подготовки.

Природный газ в основном состоит из метана (CH4), который составляет 70-90% его состава. Кроме метана, в газе могут присутствовать этан, пропан, бутан, водяной пар, углекислый газ, сероводород и другие соединения. Каждый из этих компонентов оказывает влияние на энергетическую ценность и теплотворную способность газа.

Физические свойства природного газа включают в себя его низкую плотность по сравнению с воздухом, что делает его легким и подвижным. Газ легко сжижается при низких температурах и высоком давлении, что упрощает его транспортировку и хранение. Также он имеет высокую теплотворную способность, что делает его эффективным источником энергии.

Процесс добычи природного газа включает в себя геологоразведку, бурение скважин и последующую обработку. Первоначально проводятся исследования на наличие газовых месторождений, затем бурятся скважины для извлечения газа. После добычи газ очищается от примесей и подготавливается для транспортировки по трубопроводам или в сжиженном виде. Эта обработка включает в себя удаление воды, углекислого газа и сероводорода.

Применение природного газа разнообразно: он используется для отопления жилых и коммерческих помещений, в производстве электроэнергии, в автомобилестроении (как сжиженный природный газ) и в химической промышленности для производства удобрений, пластмасс и других товаров. Кроме того, природный газ может служить сырьем для производства водорода, который все чаще рассматривается как чистое топливо для будущего.

Современные исследования происхождения углеводородов предполагают, что они могут образовываться как в результате геологических процессов, так и в процессе биологической переработки органических веществ. Существуют различные гипотезы об их месторождениях, включая теории о глубинном и спутниковом происхождении газа.

Таким образом, природный газ представляет собой ключевой ресурс, который не только обеспечивает нас энергией, но и играет важную роль в развитии технологий и охране окружающей среды. Практическое использование природного газа требует строгого соблюдения норм безопасности и охраны природы, поскольку при неправильной эксплуатации он способен причинять вред экосистемам и людям.

Что представляет собой природный газ?

Многие считают, что газ скапливается в пустотах под землей и его легко можно добыть, просто пробурив скважину. Однако на практике всё гораздо сложнее: газ обнаруживается не только в полостях породы, но также может находиться в растворенном состоянии в воде или жидких углеводородах.

Чтобы лучше понять данный вопрос, обратим внимание на происхождение термина «газ», который происходит от греческого слова «хаос», описывающего беспорядочное движение молекул. В газообразной форме молекулы двигаются хаотично, стремясь заполнить доступный объем, поэтому они могут проникать и растворяться в других веществах. Этот процесс значительно усиливается при высоком давлении и температуре. Чаще всего природный газ встречается в виде смеси таких компонентов.

Начнем с рассмотрения состава и свойств природного газа, чтобы понять, из чего он состоит.

Состав газа

Природный газ, добываемый из недр, представляет собой смесь различных газов.

По своему составу он делится на три группы компонентов:

• горючие — углеводороды;
• негорючие (балласты) — азот, углекислый газ, кислород, гелий, водяные пары;
• вредные примеси — сероводород и меркаптаны.

Первая категория включает углеводороды метанового ряда с количеством углеродных атомов от одного до пяти. Наиболее значительную долю смеси занимает метан (от 70% до 98%), который состоит из одного углеродного атома. Остальные компоненты (этан, пропан, бутан, пентан) присутствуют в небольших количествах.

При добыче газа из месторождений преобладает высокая концентрация метана, тогда как в сопутствующем газе, извлекаемом из нефти, его доля значительно ниже — 30–60%. В то же время доля углеводородов в этом газе составляет 10–20%.

Помимо углеводородов, в газовой смеси могут содержаться и негорючие вещества в минимальных объемах, такие как сероводород, азот, углекислый газ, водород и др. При этом состав и пропорции углеводородов могут значительно варьироваться в зависимости от источника.

Физические свойства газа

Метан (СН₄) обладает бесцветностью и отсутствием запаха и является высокоэффективным топливом. При концентрации в воздухе выше 4,5% он может быть взрывоопасным. Это сочетание особенностей создает серьезные риски, особенно в закрытых пространствах, таких как шахты.

Наша статья также затрагивает вопросы причин взрывов в жилых помещениях.

Для того чтобы газ можно было легче обнаружить при утечке, ему добавляют одоранты — вещества с неприятным запахом. Наиболее распространенными являются соединения, содержащие серу, такие как этантиол или этилмеркаптан. Концентрация одоранта подбирается так, чтобы утечка стала заметной при уровне газа в 1%.

Основным качеством голубого топлива является высокая удельная теплота сгорания — 39 МДж/кг. При его сгорании образуются лишь безвредные продукты: углекислый газ и вода, что делает метан удобным для использования в быту.

Важно отметить, что природный газ широко используется не только в домашнем хозяйстве, но также является основным топливом для электростанций и промышленных предприятий. Его сжигание приводит к меньшим выбросам углекислого газа по сравнению с углем, что делает природный газ более чистым источником энергии. Кроме того, его применение в автомобилестроении становится всё более популярным, благодаря доступности и относительно низким ценам на газовые топлива.

В то же время с развитием технологий углубленной переработки природного газа, таких как сжижение (ЛНГ) и газификация, открываются новые горизонты для его применения в различных отраслях. Это позволяет увеличить эффективность использования ресурса и снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Как образуется газ в недрах земли?

Несмотря на то что газ начали использовать более двухсот лет назад, существует множество обсуждений о его происхождении. На сегодняшний день существует две основные теории о формировании газа в земных недрах:

Основные теории

• Минеральная. Эта теория объясняет образование газа через дегазацию углеводородов из более глубоких и плотных слоев с подъемом в области с более низким давлением;
• Органическая (биогенная). Сообщает, что газ появляется в результате разложения остатков живых организмов при высоких температурах, давлении и отсутствии кислорода.

Газ в месторождениях может находиться в виде отдельных скоплений, газовых шапок, растворов в нефти или воде и даже в форме газогидратов. В последнем случае залежи находятся в пористых породах между водонепроницаемыми слоями глины. Наиболее распространёнными породами, где могут содержаться газогидраты, являются уплотнённый песчаник и известняк.

Обычные газовые месторождения составляют около 0,8%, чуть больше приходится на угольный и сланцевый газ (от 1,4% до 1,9%). Большая часть газовых запасов — это водорастворённые газы и гидраты, которые присутствуют в практически равных пропорциях (по 46,9%).

Поскольку газ легче нефти, а вода, наоборот, тяжелее, его расположение в месторождении всегда одинаковое: газ находится сверху нефти, а вода — снизу, образуя всю структуру нефтегазового пласта.

В газовых пластах присутствует определенное давление. Чем глубже находится залежь, тем выше это давление. В среднем, на каждые 10 метров глубины давление увеличивается на 0,1 МПа. Однако существуют и более высоконапорные зоны, например, в Ачимовских отложениях Уренгойского месторождения давление достигает 600 атмосфер и выше при глубине 3800–4500 метров.

Интересные факты и гипотезы

Совсем недавно высказывалось мнение, что запасы нефти и газа на планете заканчиваются, все должно исчерпаться уже в начале XXI века. Этот вопрос поднимал известный американский геофизик Хабберт в 1965 году.

Тем не менее, многие страны продолжают активно наращивать объемы добычи газа, не наблюдается никаких явных признаков истощения углеводородных запасов.

По мнению ученых, таких, как доктор геолого-минералогических наук В.В. Полеванов, аналогичные заблуждения связаны с доминированием органической теории происхождения нефти и газа, которая остается общепринятой. Однако еще Д.И. Менделеев выдвинул гипотезу об их неорганическом образовании, что было впоследствии подтверждено исследованиями Кудрявцева и В.Р. Ларина.

Множество фактов свидетельствуют против доминирования органического происхождения углеводородов:

• Месторождения углеводородов были обнаружены на глубинах до 11 км, в кристаллических формациях, где органические остатки не могли сохраниться;
• Органическая теория объясняет лишь 10% углеводородных запасов, остальные запасы остаются необъясненными;
• В 2000 году космический зонд «Кассини» зафиксировал на спутнике Сатурна Титане огромные запасы углеводородов в виде озер, значительно превосходящих земные.

Гипотеза, предложенная Лариным, базируется на концепции гидридов Земли, объясняющей генезис углеводородов реакцией водорода с углеродом на больших глубинах и эффектом дегазации метана.

Согласно этой теории, старые месторождения юрского периода не существуют. Вся нефть и газ могут были образованы в интервале от 1 до 15 тысяч лет назад. В процессе добычи запасы могут постепенно восстанавливаться, что было замечено на ранее эксплуатируемых месторождениях.

Как осуществляется добыча и транспортировка газа?

Процесс добычи природного газа начинается с бурения скважин. Глубина этих скважин может достигать 7 км, в зависимости от расположения газоносного пласта. Во время бурения скважину обрубают обсадной трубой. Чтобы предотвратить утечку газа между трубой и стенками скважины, пространство заполняется глиной или цементом.

После завершения бурения буровая установка демонтируется, и на верхнюю часть обсадной колонны устанавливается фонтанная арматура. Это конструкция из различных клапанов и задвижек, предназначенная для отбора газа.

Количество пробуренных скважин может быть весьма значительным.

Фонтанная арматура выполняет несколько функций: она поддерживает насосно-компрессорные трубы, управляет эксплуатационными режимами и фиксирует параметры как внешней, так и внутренней части скважины.

Полный процесс добычи природного газа включает три основные стадии:

1. Разработка газового месторождения. Здесь создается разница давлений в результате бурения, что способствует движению газа к скважинам.
2. Эксплуатация газовых скважин. На данном этапе газ проходит по обсадной колонне.
3. Сбор и подготовка к транспортировке. Газ из фонтанных арматур направляется на специализированные комплексы УКПГ, где он подвергается сушке и очистке от загрязняющих веществ.

Даже низкие концентрации сероводорода, водяного пара или твердых частиц могут вызвать стремительное коррозионное воздействие, образование гидратов и серьезные повреждения внутренней поверхности труб.

Проблемы окончательной подготовки газа к транспортировке решаются на головных объектах, к которым относится доочистка, удаление углеводородного конденсата и охлаждение газа для снижения его объема.

Основным способом транспортировки газа на дальние расстояния служат магистральные газопроводы, представляющие собой сложные инженерные сооружения, включающие как сами трубопроводы, так и подземные хранилища.

В завершающем пункте газопроводной системы располагаются газораспределительные станции (ГРС). На этих станциях осуществляется финальная очистка газа от загрязняющих частиц и жидкостей, понижение давления до нужного для потребителей уровня, его стабилизация, учет расхода газа и добавление одоранта для обеспечения безопасности.

Еще одним популярным методом транспортировки метана являются морские грузоперевозки с использованием специализированных судов – газовозов.

Гигантские шаровидные резервуары делают газовозы легко узнаваемыми и не позволяют путать их с другими типами судов. Эти конструкции представляют собой термосы, поддерживающие оптимальную температуру для сжатого метана, которая составляет -163 °С.

Процесс превращения газа в жидкость проходит на специализированных заводах по производству сжатого природного газа (СПГ). Это включает в себя два этапа: сначала метан охлаждается до -50 °С, а затем до -163 °С. В результате такого охлаждения его объем уменьшается в 600 раз.

Переработка и область применения

Высокая воспламеняемость природного газа определяет его основные сферы применения. Он используется в качестве топлива на производственных предприятиях, тепловых электростанциях, котельных и в жилых помещениях, а также в сельском хозяйстве. Рекомендуется ознакомиться с правилами безопасного использования газа в быту.

Добыча и переработка нефти неизменно связаны с выделением сопутствующего газа. В некоторых случаях объем этого газа может достигать 300 кубометров на 1 кубический метр сырой нефти.

Тем не менее, множество месторождений, где природный попутный газ не утилизируется, просто сжигается в факелах. Например, в России таким образом теряется до 25% ценного сырья.

Часть попутного газа направляется на газоперерабатывающие заводы, где его перерабатывают в очищенный газ, который можно использовать для отопления. Также из него получается ценная смесь легких углеводородов.

На изображении представлена общая схема процесса переработки добытого газа. Важность конечных продуктов для современных химических технологий трудно переоценить.

После этого полученный газ разделяется на фракции в специальных установках. В результате появляются такие углеводороды, как пропан, бутан, изобутан и пентан. Для упрощения транспортировки и хранения их переоборудуют в сжиженное состояние.

Конверсия автомобилей на газ оказывается выгодной и обеспечивает ощутимую экономию. Расширение сети газовых заправок способствует росту числа автомобилей с газобаллонным оборудованием (ГБО). Это приносит пользу как водителям, так и пешеходам, которым не нужно дышать вредными выхлопами.

Пропан и бутан используются для отопления домов с помощью баллонного газа или в качестве топлива для автомобилей. Однако большая часть этих углеводородов идет на дальнейшую переработку на нефтехимических заводах.

С помощью высокотемпературного нагрева (пиролиза) из них добываются важнейшие мономеры для производства всех видов синтетических материалов: этилен, пропилен и бутадиен. Под воздействием катализаторов они соединяются, в результате чего получаются полимеры. В итоге создаются такие ценные материалы, как каучук, ПВХ, полиэтилен и многие другие.

Выводы и образовательное видео по теме

В документальном фильме наглядно рассказывается о газе:

Этот учебный фильм освещает вопросы магистрального транспорта газа:

Мы еще не знаем всего о природном газе, его происхождение таит множество загадок. Остается надеяться, что голубое топливо – это действительно бесконечный дар, которого хватит как нам, так и нашим потомкам.

Если после прочтения у вас остались вопросы или вы хотите дополнить статью интересными фактами, замечаниями или фотографиями, пожалуйста, оставляйте свои комментарии и участвуйте в обсуждении – форма обратной связи расположена ниже.