Научные дискуссии о происхождении природного газа (так же, как и нефти) продолжаются, и среди исследователей до сих пор не удалось прийти к единому мнению. Основные концепции — биогенная и минеральная — предлагают разные объяснения формирования углеводородов в недрах нашей планеты.
Все о природном газе: состав и свойства, добыча и применение природного газа
Природный газ, благодаря своей высокой энергоэффективности и экологической чистоте, наряду с нефтью, имеет огромное значение в современном мире. Он применяется как топливо и является ценным сырьем для легкохимической промышленности.
Несмотря на то что использование газа стало обыденным и привычным, его состав остаётся сложным, и само вещество довольно опасно. Чтобы попасть в горелку газового прибора, природный газ проходит длинный и сложный путь обработки и транспортировки.
В данной статье мы рассмотрим основные аспекты, касающиеся природного газового топлива: его состав и свойства, а также этапы добычи, транспортировки и переработки. Мы также обсудим различные сферы применения газа и современные взгляды на происхождение углеводородов, а также интересные факты и гипотезы.
Что такое природный горючий газ?
Существует распространенное заблуждение, что газ накапливается в подземных полостях и его легко извлечь, лишь пробурив скважину. Однако на практике всё гораздо сложнее: газ может находиться внутри пористой породы, растворяться в воде, жидких углеводородах или нефти.
Для лучшего понимания этого процесса стоит учесть, что слово «газ» имеет греческое происхождение от слова хаос, символизируя поведение вещества. В газообразном состоянии молекулы движутся неконтролируемо, стремясь заполнить весь доступный объем. Это позволяет им проникать и растворяться в других веществах, включая более плотные жидкости и минералы. Высокое давление и температура значительно ускоряют диффузию. Часто именно в таком виде природный газ содержится в недрах Земли.
Однако прежде чем углубляться в детали, давайте подробнее рассмотрим, из чего состоит природный газ, его химический состав и физические свойства.
Особенности химического состава
Природный газ, добываемый из глубин Земли, представляет собой смесь различных газов.
По составу он делится на три группы компонентов:
- горючие – это углеводороды;
- негорючие (балласты) – такие как азот, углекислый газ, кислород, гелий и пары воды;
- вредные примеси – которые включают сероводород и меркаптаны.
Для газа, извлекаемого из месторождений, характерна высокая концентрация метана. В попутном газе, который извлекается из нефти, доля метана значительно ниже и составляет от 30% до 60%, тогда как содержание гомологов может достигать 10–20%.
Кроме углеводородов, в составе смеси могут находиться небольшие количества негорючих веществ, включая сероводород, азот, углекислый газ, оксид углерода и водород. Однако, в зависимости от конкретного месторождения, пропорции углеводородов и состав прочих газов могут значительно варьироваться.
Физические свойства газа
С точки зрения физики, метан (СН4) не имеет цвета и запаха, но обладает высокой горючестью. При концентрациях в воздухе выше 4,5% – он становится взрывоопасным. Это свойство, в сочетании с отсутствием запаха, создает значительные риски, особенно в условиях шахт, где метан способен абсорбироваться углем.
О причинах взрывов газа в быту мы уже упоминали в других материалах.
Для обеспечения обнаружения утечек газа, в него добавляются специальные вещества с резким неприятным запахом – одоранты. Чаще всего используются соединения серы, такие как этантиол или этилмеркаптан. Концентрация этих примесей подбирается так, чтобы утечка была ощутима при уровне газа в 1%.
Ключевым преимуществом голубого топлива является высокая удельная теплота сгорания – 39 МДж/кг. При его сжигании образуются лишь безвредные продукты: вода и углекислый газ. Это делает метан более безопасным и предпочтительным для использования в быту.
Другие примеси
Помимо углеводородов, в природном газе могут содержаться и другие примеси, включая сероводород и углекислый газ. Они находятся в приповерхностных слоях и могут вступать в реакции с кислородом. На более глубоких уровнях природный газ взаимодействует с сульфатными пластовыми водами, что в свою очередь приводит к образованию чистой серы. Все три из этих примесей характерно присутствуют в составе природного газа.
В небольших объемах (от 0,01% до 0,15%) в газе могут содержаться также инертные газы, такие как азот, гелий и аргон.
Транспортировка газа — не все так просто
Необработанный природный газ не может быть сразу же транспортирован по трубопроводу. Перед транспортировкой необходимо произвести его подготовку, поскольку сырая форма газа может вызвать серьезные повреждения в системе. Он содержит механические примеси, которые под давлением действуют как абразивные частицы и могут повредить поверхности трубопроводов, арматуры и другого оборудования при транспортировке.
Кроме этого, все газы, тяжелее метана, конденсируются в трубопроводной системе и образуют осадки в нижних точках системы, что сокращает проходное сечение труб. Водяные пары, находящиеся в природном газе, могут способствовать коррозии трубопровода. Более того, могут образовываться гидраты — вещества, напоминающие снег, которые способны блокировать трубы. Особенно опасен сероводород, который, вступая в контакт с влагой, производит серную и сернистую кислоты, разрушающие систему и оборудование. Углекислый газ негативно влияет на химический состав природного газа, снижая его температуру сгорания и способствуя коррозии. Таким образом, необработанный газ непригоден для транспортировки сразу после добычи.
К тому же, не существует универсальных установок комплексной подготовки газа (УКПГ); все оборудование подбирается индивидуально под каждое месторождение с учетом способа очистки и химического состава газа, а также природных и климатических условий.
По требованиям ОСТ 51.40-83, в газопроводную систему должна поступать одинаковая смесь, несмотря на различные составы газа, добываемого на разных месторождениях.
Добыча
- Бурение: Это один из основных методов добычи природного газа, который включает создание скважины для доступа к газовому пласту. Бурение может быть как вертикальным, так и наклонным.
- Гидроразрыв пласта: Данный метод используется для увеличения проницаемости пласта и повышения объемов добычи газа. Гидроразрывы проводятся с использованием воды, песка и химикатов.
- Сжижение: Сжижение природного газа – это процесс, в ходе которого газ охлаждается до очень низких температур для снижения его объема и облегчения транспортировки. Сжиженный природный газ (СПГ) может перевозиться на большие расстояния, а затем регазифицироваться для использования.
- Подводные разработки: Добыча газа из подводных месторождений становится всё более актуальной из-за увеличения запасов газа в этих регионах. Для подводных разработок используются специальные технологии и оборудование.
Выбор метода добычи определяется множеством факторов, включая геологические условия, доступность ресурсов, требования к экологии и экономическую эффективность.
Состав
Состав природного газа может варьироваться в зависимости от месторождения и геологических условий, однако основными компонентами остаются метан, этан, пропан, изобутан, н-бутан и пентан.
Метан (СН4)
Основной компонент природного газа — метан, который составляет от 50% до 98% его объема. Метан обладает высокой теплопродуктивностью и считается экологически чистым топливом, так как его сгорание производит минимальное количество вредных веществ.
Этан (C2H6)
Этан присутствует в значительных количествах и составляет около 3-7% объема газа. Этот газ обладает высокой энергией сгорания и может использоваться как топливо или сырьё для химической промышленности.
Пропан (C3H8)
Пропан является третьим по распространенности компонентом, состав которого достигает 1-3% объема. Этот газ обладает высокой энергетической эффективностью и может быть использован в бытовых приборах, таких как газовые плиты или водонагреватели.
Изобутан (i-C4H10)
Изобутан также присутствует в природном газе и составляет менее 1% его объема. Он используется как компонент автомобильного топлива и как сырьё в химической промышленности.
Н-бутан (n-C4H10)
Н-бутан составляет менее 0,5% объема природного газа и также применяется в качестве компонента бензинов и хладагентов.
Пентан (C5H12)
Этот газ является редким компонентом, обычно составляя менее 0,1% объема. Он используется как растворитель и для создания компонентов моторного топлива.
Таким образом, состав природного газа может варьироваться в зависимости от месторождения, но его основные компоненты включают метан, этан, пропан, изобутан, н-бутан и пентан. Каждый из этих компонентов обладает индивидуальными свойствами и может быть использован в различных отраслях экономики, таких как энергетика, химическая промышленность и автомобильное производство.
Биогенная теория
Согласно биогенной теории, мертвые организмы, осевшие на дно водоемов, подвергались разложению в бескислородной среде. Под воздействием геологических процессов и под давлением требуемой температуры, остатки органических веществ, погружаясь всё глубже, трансформируются в углеводороды, включая природный газ.
Распространено ошибочное мнение о том, что газ находится в подземных пустотах, которые можно легко изъять. На самом деле газ может находиться внутри пористых горных пород с такой мелкой структурой, что человеческий глаз не в состоянии её увидеть. Учитывая это, во время работы с фрагментом песчаника, собираемого с большой глубины, трудно себе представить, что он может содержать природный газ.
Поклонение газу
Человечество давно знает о существовании природного газа. И хотя в Китае его начали использовать в IV веке до н. э. для отопления и освещения, долгое время яркое пламя, не производящее шлака, считалось объектом мистического и религиозного поклонения у различных народов. Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, богослужения в котором осуществлялись до XIX века.
Кстати, рядом с храмом Атешгях в 1859 году была совершена первая в России попытка применения природного газа для промышленных нужд на нефтеперерабатывающем заводе в Баку.
Добыча и использование
Перед началом добычи природного газа необходимо произвести его разведку: магнитную, гравитационную, геохимическую или сейсмическую. Тем не менее, на сегодняшний день единственным надёжным способом выявления наличия газовых запасов является бурение скважин.
Газ располагается на значительной глубине – не менее одного километра под поверхностью. Его извлечение осуществляется за счёт берущий на себя давления в скважине, которая, по сути, словно пылесос, всасывает газ.
Добытый газ подвергается подготовке к транспортировке, устраняя механические примеси и охлаждая его под повышенным давлением. При этом газ сжижается и транспортируется по газопроводам, железнодорожными цистернами, а также специализированными газовозами.
Природный газ имеет широкий спектр применения.
Он используется:
- как высокоэффективное топливо для электростанций;
- в качестве сырья для стекольной и цементной промышленности;
- в черной и цветной металлургии;
- для производства строительных материалов;
- для получения различных органических соединений.
Осторожно – газ!
Газ значительно упрощает жизнь, однако он также несет в себе существенные риски:
- при утечке он может скопиться на кухне и вызвать взрыв;
- есть риск отравления газом.
Чтобы избежать этих неблагоприятных последствий, крайне важно следовать правилам безопасного обращения с газовыми устройствами.
- Не оставляйте включенные конфорки без присмотра.
- Не стоит читать или учиться на кухне, когда включена газовая плита.
- Контролируйте, чтобы закипающая жидкость (суп, молоко, вода) не залила работающую конфорку.
Следует помнить, что совместное использование огня и газа может привести к трагическим последствиям. Газ, исходящий из открытого крана, может стать источником взрыва даже при включении света.
Если вы почувствовали резкий запах газа, в первую очередь проверьте, закрыты ли краны на плите. Затем откройте окна для проветривания и ни в коем случае не включайте свет или зажигайте спички, даже при недостаточном освещении. После этого необходимо позвонить в газовую службу по номеру 04 и позаботиться о том, чтобы покинуть помещение.
