Природный газ, так же как и нефть, играет ключевую роль благодаря своей высокой энергоэффективности и экологичности. Он широко используется не только как топливо, но и как важное сырьё для химической отрасли.
Несмотря на то что использование газа стало для нас рутинным явлением, это вещество с усложнённой структурой по-прежнему представляет собой опасность — прежде чем достичь горелки газового устройства, газ проходит долгий и сложный путь.
В данной статье будет рассмотрено множество аспектов, касающихся природного газа: его состав, характеристики, этапы добычи, транспортировки и переработки, а также области применения. Мы также обсудим современные власти о происхождении запасов углеводородов и интересные факты о этой теме.
Состав природного газа в основном включает метан (CH4), который составляет от 70% до 90%, а также небольшой объём этана, пропана, бутана и углекислого газа. Кроме того, в газе могут находиться следовые количества различных газов, таких как водород сульфид и аргон.
Свойства природного газа делают его одним из наиболее безопасных и чистых видов топлива. Он не имеет запаха, однако для безопасности в него добавляют одорант — обычно это этилмеркаптан, который придаёт газу характерный запах. Природный газ также имеет низкую теплотворную способность по сравнению с углем и нефтью, что делает его предпочтительным вариантом для отопления и генерации электроэнергии.
Добыча природного газа осуществляется как на земле, так и подводным способом. Основные методы добычи включают бурение вертикальных и горизонтальных скважин. После этого газ поднимается на поверхность и очищается от примесей. Далее он транспортируется по трубопроводам или сжимаемом в жидком виде для морских перевозок.
В промышленности природный газ применяют для производства аммиака, метанола и других химических продуктов. В быту он используется для отопления, приготовления пищи и в газовых плитах. Кроме того, удалённые районы могут использовать сжиженный природный газ (СПГ) для своих нужд.
Интересный факт: природный газ считается одним из наиболее эффективных источников энергии. Сравнительно с углем он вырабатывает на 30% меньше углекислого газа на единицу энергии, что делает его более экологически чистым выбором. В последние годы наблюдается растущий интерес к экологически чистым технологиям, что способствует увеличению доли природного газа в общем энергетическом балансе.
Краткое содержание статьи
Что такое природный горючий газ?
Существует мнение, что газ находится в пустотах под землёй и легко извлекается, достаточно лишь пробурить скважину. На самом же деле ситуация значительно более сложная: газ может быть заключён в пористых горных породах или находиться в растворе с водой, нефтью и другими углеводородами.
Чтобы понять, почему это так, стоит отметить, что слово «газ» происходит от греческого «хаос», что отражает его поведение. В газообразной форме молекулы движутся беспорядочно, стремясь занять весь возможный объём. Это позволяет им проникают и растворяться в других веществах, включая более плотные жидкости и минералы. Подвышенное давление и температура значительно ускоряют процесс диффузии, и часто именно в форме такого «смешанного состояния» природный газ находится в недрах Земли.
Но прежде, чем углубляться в тонкости, давайте рассмотрим, что представляет собой газ, а также его химическую формулу и физические свойства.
Уникальные черты химического состава
Природный газ — это смесь различных газов, которая добывается из недр земли.
Он состоит из трёх категорий:
- горючие вещества — углеводороды;
- негорючие компоненты (балласты) — азот, углекислый газ, кислород, гелий и водяные пары;
- вредные добавки — сероводород и меркаптаны.
Первая и самая значительная группа состоит из углеводородов метанового ряда (гомологов) с количеством атомов углерода от 1 до 5. Метан, имеющий один атом углерода, составляет наибольшую долю в смеси (от 70% до 98%), в то время как содержание других газов (этана, пропана, бутана, пентана) варьируется от долей до нескольких процентов.
Для газа, добываемого из месторождений, характерна высокая доля метана, а в попутном газе, извлекаемом совместно с нефтью, его содержание значительно ниже: от 30% до 60%, в то время как доля других углеводородов возрастает до 10-20%.
Помимо углеводородов, в газе могут присутствовать негорючие вещества: сероводород, азот, углекислый газ, угарный газ, водород и другие. Однако, в зависимости от конкретного месторождения, пропорции углеводородов и состав всех оставшихся газов могут значительно варьироваться.
Физические свойства газа
Метан СН4 в своей физической природе бесцветен и без запаха, а также является весьма горючим. При концентрации в воздухе более 4,5% он становится взрывоопасным. Это свойство, совместно с отсутствием запаха, представляет собой серьёзную угрозу — особенно в шахтах, где метан может поглощаться углём.
Причины взрывов газа в быту также описаны в этой статье.
Для обнаружения утечек газа в него добавляются специальные вещества с характерным неприятным запахом, называемые одорантами. Наиболее распространённые из них — серосодержащие соединения, такие как этантиол или этилмеркаптан. Концентрация примесей подбирается так, чтобы утечка была ощутима при 1% содержании газа.
Основным достоинством голубого топлива считается высокая удельная теплота сгорания — 39 МДж/кг, при этом в ходе горения выделяются безопасные вещества: водяные пары и углекислый газ, что имеет огромное значение для его использования в быту.
Ещё одной важной характеристикой природного газа является его низкая теплоотдача по сравнению с другими углеводородами, такими как уголь или нефть, что делает его более экологически чистым источником энергии. Использование природного газа в качестве топлива для автомобилей становится всё более популярным, что связано не только с его доступностью, но и с меньшим уровнем выбросов углерода по сравнению с бензином и дизельным топливом.
Природный газ также является важным компонентом в производстве электроэнергии и тепла, а также в химической промышленности, где он используется для синтеза различных химических веществ и удобрений. Экономическое значение природного газа продолжает расти на фоне глобальных усилий по сокращению выбросов парниковых газов и переходу к более устойчивым энергетическим системам.
Откуда берется газ в недрах земли?
Хотя человечество обрело возможность использовать газ свыше 200 лет назад, до сих пор нет единого мнения о его происхождении в недрах земли.
Главные теории происхождения
Существует две главные теории на этот счёт:
- минеральная, утверждающая, что газ образуется в результате дегазации углеводородов из глубоких и плотных слоёв земли и их подъёма в области с пониженным давлением;
- органическая (биогенная), предполагающая, что газ является продуктом разложения остатков живых организмов при высоком давлении, температуре и отсутствии кислорода.
В месторождениях газ может находиться в виде изолированных объёмов, газовых шапок, растворов в нефти или воде, или газогидратов. В последнем случае залежи располагаются среди пористых пород, находящихся между непроницаемыми слоями глины, чаще всего в уплотнённых песчаниках, карбонатах и известняках.
Обычные газовые месторождения составляют лишь 0,8%. Немного больше относится к глубинному, угольному и сланцевому газу — от 1,4% до 1,9%. Наиболее частыми являются водорастворённые газы и гидраты, примерно в равных долях (по 46,9%).
Газ, обладая меньшей плотностью по сравнению с нефтью и будучи легче воды, всегда располагается на верхних слоях, а вода поджимает его снизу, образуя нефтегазовое месторождение.
Газ в месторождении находится под давлением, которое увеличивается с глубиной. В среднем, на каждые 10 метров глубины давление возрастает на 0,1 МПа. Некоторые пласты обладают аномально высоким давлением. Например, на Ачимовских отложениях Уренгойского месторождения оно достигает 600 атмосфер и более при глубине 3800-4500 м.
Увлекательные факты и гипотезы
Совсем недавно была распространена точка зрения, что запасы нефти и газа в мире иссякнут уже в начале XXI века. Об этом, например, в 1965 году говорил известный американский геофизик Хабберт.
Тем не менее, многие страны до сих пор активно увеличивают объёмы добычи газа. И, не наблюдая никаких реальных признаков истощения запасов углеводородов.
Доктор геолого-минералогических наук В.В. Полеванов считает, что подобные заблуждения произошли из-за того, что теория органического происхождения углеводородов до сих пор доминирует и плещется в умах большинства учёных. Хотя ещё Д.И. Менделеев обосновал неорганическую теорию происхождения нефти, а впоследствии это было подтверждено Кудрявцевым и В.Р. Лариным.
Однако многие факты ставят под сомнение органическую гипотезу происхождения углеводородов.
Вот некоторые из них:
- месторождения были открыты на глубинах до 11 км, где существование органических остатков невозможно даже теоретически;
- органическая теория позволяет объяснить лишь 10% запасов углеводородов, в то время как остальные 90% являются необъяснимыми;
- космический зонд «Кассини» в 2000 году зафиксировал на спутнике Сатурна Титане гигантские запасы углеводородов в виде озёр, превышающих земные в несколько раз.
Гипотеза, предложенная Лариным, изначально гидридной Земли, объясняет происхождение углеводородов как реакцию водорода с углеродом в глубоких земных недрах и последующей дегазацией метана.
Согласно этой гипотезе, не существует древних залежей юрского периода. Вся нефть и газ могли формироваться в временных рамках от 1 до 15 тысяч лет назад. При отборе запасы могут постепенно восполняться, что замечается на давно выработанных и заброшенных нефтяных месторождениях.
Как происходит добыча и транспортировка?
Добыча природного горючего газа начинается с создания буровых скважин. В зависимости от глубины газоносного пласта, она может достигать 7 км. Во время бурения в скважину опускается обсадная колонна. Чтобы избежать утечек газа через пространство между трубами и стенками скважины, выполняется тампонаж — заполнение пустот глиной или цементом.
Когда бурение завершено, буровая установка демонтируется, а на верхнюю часть обсадной колонны устанавливается фонтанная арматура, представляющая собой систему задвижек и клапанов для отбора газа из скважин.
Количество скважин может быть достаточно большим.
На фонтанную арматуру накладываются функции: она поддерживает насосно-компрессорные трубы в подвешенном состоянии, управляет рабочими процессами и измеряет параметры как внутренней, так и внешней части скважины.
Весь процесс добычи природного горючего газа включает три этапа:
- Разработка газового месторождения. В процессе бурения создаётся разница давлений, благодаря чему газ начинает движение к скважинам.
- Эксплуатация газовых скважин. На этом этапе газ проходит по обсадной колонне.
- Сбор и подготовка к транспортировке. Газ поступает из фонтанных арматур на специальные технологические комплексы — УКПГ, где происходит его осушка и очистка от вредных примесей.
Даже малейшие концентрации сероводорода, водяного пара или твёрдых частиц способны вызвать быструю коррозию и механические повреждения внутренней поверхности трубопровода.
В окончательном этапе подготовки к транспортировке на головных сооружениях удаляются углеводородные конденсат и загрязнения, а также происходит охлаждение газа для уменьшения его объёма.
Основным способом транспортировки газа на большие расстояния служит магистральный газопровод — система сложных инженерных конструкций, включая трубопроводы и подземные хранилища.
На конечной станции магистрали расположены газораспределительные станции (ГРС), где происходит финальная очистка от загрязняющих частиц и жидкостей, снижение давления до необходимого уровня для потребителей, его стабилизация и учет расхода газа, а также добавление одоранта.
Одним из популярных способов транспортировки метана являются морские грузоперевозки с помощью специализированных судов, известных как газовозы.
Эти огромные резервуары в форме шара явно выделяются среди других видов судов, так как представляют собой термосы, обеспечивающие поддержание низкой температуры для хранения жидкого метана, равной -163 °C.
Процесс превращения метана из газообразного состояния в жидкое осуществляется на специализированных заводах по производству сжиженного природного газа (СПГ) и проходит в два этапа: сначала газ охлаждается до -50 °C, а затем до -163 °C. В результате этого объём метана уменьшается примерно в 600 раз.
Переработка и сфера применения
Природный газ отличается высокой горючестью, что делает его основным топливом для различных производств. Он используется в качестве энергетического ресурса на заводах, фабриках, тепловых электростанциях, котельных, в общественных и жилых зданиях, а также в сельскохозяйственной отрасли. Рекомендуем изучить правила безопасного использования газа в быту.
Процесс добычи нефти всегда связан с выделением сопутствующего газа. В некоторых случаях его объем может быть значительным, достигая до 300 кубометров на каждую тонну извлекаемой сырой нефти.
Тем не менее, во многих местах, например, по всей России, попутный газ часто сжигается в факелах, что приводит к потерям до 25% этого важного ресурса.
Часть попутного газа поставляется на газоперерабатывающие заводы, где из него получают очищенный и сухой газ для отопления. Также извлекаются ценные легкие углеводороды.
На схеме отражается общий процесс переработки добытого газа. Значение конечных продуктов этого процесса для современной химической промышленности трудно переоценить.
Далее получаемый газ разделяется на фракции при помощи специализированных установок. Таким образом извлекаются углеводороды – пропан, бутан, изобутан, пентан. Для удобства транспортировки и хранения они подвергаются сжижению.
Переоборудование автомобилей на газ эффективно оправдывает себя, обеспечивая значительную экономию. Расширение сети газозаправок способствует увеличению количества автомобилей с газовым оборудованием. В итоге выгоду получают не только водители, но и пешеходы, которым не приходится дышать загрязненными выхлопами.
Пропан и бутан используются для отопления помещений в баллонах или как топливо в автомобилях. Однако большая их часть направляется на дальнейшую переработку в нефтехимической отрасли.
С помощью высокотемпературного нагрева (пиролиза) из этих углеводородов получают важные мономеры, такие как этилен, пропилен и бутадиен, которые являются основным сырьем для синтетических материалов. Под действием катализаторов мономеры соединяются, образуя полимеры. В результате получаются ценные материалы, включая каучук, ПВХ, полиэтилен и другие.
Выводы и полезное видео по теме
В документальном фильме доступно и наглядно раскрываются аспекты использования газа:
Этот учебный фильм посвящен магистральному транспорту газа:
Тем не менее, нам еще далеко не все известно о природном газе; его происхождение до сих пор окружено множеством тайн. Остается надеяться, что голубое топливо – это действительно невиданное и даруемое богатство, которого хватит и нам, и нашим потомкам.
У вас остались вопросы после прочтения материала? Или вы хотели бы дополнить статью интересными наблюдениями, фактами или фотографиями? Оставляйте свои комментарии, задавайте вопросы, участвуйте в обсуждении – форма обратной связи находится ниже.
