Всичко за природния газ: състав и свойства, добив и приложение на природния газ

Благодарение на високата енергийна ефективност и екологичност, природният газ, наред с нефта, има първостепенно значение. Той се използва широко като гориво, а също така служи като ценна суровина за химическата промишленост.

И макар използването на газа да е станало ежедневно и обичайно, той все още остава сложен по състав и доста опасно вещество – за да попадне в горелката на газовия уред, той изминава дълъг и сложен път.

В статията ще разгледаме основните въпроси, свързани с природния горлив газ – ще поговорим за неговия състав и свойства, ще опишем етапите на добив, транспортиране и преработка на газа, сферите на неговото приложение. Ще разгледаме съвременните схващания за произхода на запасите от въглеводороди, интересни факти и хипотези.

Какво е природният горлив газ?

Съществува мнение, че газът лежи под земята в празнини и лесно се извлича оттам, за което е достатъчно да се пробие сондаж. Но в действителност всичко е много по-сложно: газът може да се намира във вътрешността на пореста скала, може да бъде разтворен във вода, течни въглеводороди, нефт.

За да разберем защо се случва това, е достатъчно да си спомним, че думата «газ» произлиза от гръцкото «хаос», което отразява принципа на поведение на веществото. В газообразно състояние молекулите се движат хаотично, стремейки се равномерно да запълнят целия възможен обем. Благодарение на това те са способни да проникват и да се разтварят в други вещества, включително и в по-плътни течности и минерали. Високото налягане и температура значително усилват процеса на дифузия. Често именно под формата на такъв «коктейл» природният газ се съдържа в недрата.

Но за начало нека поговорим от какво се състои газът и какво представлява той – ще разгледаме химичния състав и физичните свойства на природния горлив газ.

Особености на химичния състав

Газът, добиван от недрата, който наричат «природен», е смес от различни газове.

По състав той се дели на три групи компоненти:

• горими – въглеводороди;
• негорими (баласти) – азот, въглероден диоксид, кислород, хелий, водни пари;
• вредни примеси – сероводород и меркаптани.

Първата и основната група представлява набор от въглеводороди от метановия ред (хомолози) с брой въглеродни атоми от 1 до 5. Най-голям процент в сместа съставлява метанът (от 70 до 98 %), който има един въглероден атом. Съдържанието на останалите газове (етан, пропан, бутан, пентан) варира от единици до десети от процента.

За газа, добиван от находищата, е характерна висока концентрация на метан. В попътния, извличан от нефт, делът на метана е много по-нисък: 30 – 60%, а на хомолозите – по-висок: 10 – 20%.

Освен въглеводородите в сместа могат да присъстват незапалими вещества в малки количества: сероводород, азот, въглероден диоксид, въглероден оксид, водород и други. Но в зависимост от находището пропорциите на въглеводородите, както и съставът на другите газове, могат значително да варират.

Физични свойства на газа

По физични свойства метанът СН₄ няма цвят и мирис, много е горим. При концентрации във въздуха над 4,5% – взривоопасен. Това негово свойство, в съчетание с липсата на мирис, представлява голяма заплаха и проблем. Особено в мини, тъй като метанът се абсорбира от въглищата.

За причините за взрив на газ в битови условия писахме в този материал.

За придаване на мирис на газа, с цел откриване на негови изтичания, преди транспортиране в него се добавят специални вещества с неприятен мирис – одоранти. Най-често това са съдържащи сяра съединения – етантиол или етилмеркаптан. Делът на примеса се подбира така, че да се усети изтичане при концентрация на газа от 1%.

Основното предимство на синьото гориво е високата специфична топлина на изгаряне – 39 МДж/кг. При това се отделят безвредни вещества: вода и въглероден диоксид. Това също е немаловажен фактор, позволяващ използването на метан в бита.

Откъде идва газът в недрата на земята?

Въпреки че хората са се научили да използват газ преди повече от 200 години, до момента няма единно мнение откъде идва газът в недрата на земята.

Основни теории за произхода

Съществуват две основни теории за неговия произход:

• минерална, обясняваща образуването на газа чрез процеси на дегазация на въглеводороди от по-дълбоки и по-плътни слоеве на земята и издигането им в зони с по-ниско налягане;
• органична (биогенна), според която газът е продукт на разлагане на остатъци от живи организми в условия на повишено налягане, температура и липса на въздух.

В находището газът може да се намира под формата на отделно струпване, газова шапка, разтвор в нефт или вода, или газохидрати. В последния случай залежите се намират в порести скали между газонепроницаеми пластове глина. Най-често такива скали са уплътнен пясъчник, карбонати, варовици.

Делът на обикновените газови находища е едва 0,8%. Малко по-голям процент се пада на дълбинния, въглищния и шистовия газ – от 1,4 до 1,9%. Най-разпространените видове залежи са водноразтворените газове и хидратите – приблизително в равни пропорции (по 46,9%)

Тъй като газът е по-лек от нефта, а водата е по-тежка, положението на изкопаемите в пласта винаги е еднакво: газът отгоре на нефта, а водата подпира отдолу цялото нефтогазово находище.

Газът в пласта се намира под налягане. Колкото по-дълбоки са залежите, толкова то е по-високо. Средно, на всеки 10 метра, увеличението на налягането е 0,1 МПа. Съществуват пластове с аномално високо налягане. Например, на Ачимовските отложения на Уренгойското находище то достига 600 атмосфери и повече при дълбочина на залягане от 3800 до 4500 м.

Интересни факти и хипотези

Още не толкова отдавна се смяташе, че световните запаси на нефт и газ трябва да се изчерпят още в началото на XXI век. Например, за това писа през 1965 г. авторитетният американски геофизик Хабърт.

До настоящия момент много държави продължават да увеличават темповете на добив на газ. Никакви реални признаци, че запасите от въглеводороди се изчерпват, не се наблюдават.

Според мнението на доктора по геолого-минераложки науки В.В. Полеванов, подобни заблуждения са причинени от това, че теорията за органичния произход на нефта и газа все още е общоприета и владее умовете на повечето учени. Въпреки че още Д.И. Менделеев обоснова теорията за неорганичния дълбинен произход на нефта, а след това това беше доказано от Кудрявцев и В.Р. Ларин.

Но срещу органичния произход на въглеводородите говорят много факти.

Ето някои от тях:

• открити са находища на дълбочини до 11 км, в кристални фундаменти, където съществуването на органика не може да бъде дори теоретично;
• с помощта на органичната теория може да се обяснят само 10% от запасите на въглеводороди, останалите 90% са необясними;
• космическият сонда „Касини“ откри през 2000 г. на спътника на Сатурн Титан гигантски ресурси от въглеводород под формата на езера, с няколко порядъка надхвърлящи земните.

Издигнатата от Ларин хипотеза за първоначално хидридна Земя обяснява произхода на въглеводородите чрез реакция на водород с въглерод в дълбините на земята и последваща дегазация на метан.

Според нея, няма никакви древни залежи от юрския период. Целият нефт и газ са могли да се образуват в рамките от 1 до 15 хиляди години назад. Постепенно с извличането запасите могат постепенно да се попълват, което е забелязано на отдавна разработени и изоставени нефтени находища.

Как се извършва добивът и транспортирането?

Процесът на добив на природен горивен газ започва с изграждане на сондажи. В зависимост от залягането на газоносния пласт тяхната дълбочина може да достигне 7 км. По време на сондиране в сондажа се спуска тръба (обсадна колона). За предотвратяване на излизането на газа през пространството между тръбата и стените на сондажа се извършва тампонаж – запълване на пролуката с глина или цимент.

След завършване на строителството сондажната кула се премахва и на главата на обсадната колона се монтира фонтанна арматура. Тя представлява конструкция от шибъри и клапани и служи за извличане на газ от кладенеца.

Броят на кладенците може да бъде доста голям.

На фонтанната арматура се възлагат няколко функции: тя поддържа в окачено състояние в кладенеца помпено-компресорните тръби, управлява работните режими, измерва параметрите на външната и вътрешната част на кладенеца.

Целият цикъл на добив на природен горюч газ протича в три етапа:

1. Разработка на газово находище. В резултат на сондирането се създава разлика в наляганията. Поради това газът се движи по пласта към кладенците.
2. Експлоатация на газовите кладенци. На този етап газът преминава по обсадната колона.
3. Събиране и подготовка за транспортиране. Газът от всички фонтанни арматури постъпва в специални технологични комплекси УКПГ. В тях се извършва сушене на газа, пречистване от вредни примеси.

Дори незначителни концентрации на сероводород, водна пара или твърди частици водят до бърза корозия, образуване на хидрат и механични повреди на вътрешната повърхност на тръбопровода.

Окончателната подготовка за транспортиране се извършва на главните съоръжения. Тя включва доочистване и отстраняване на въглеводороден кондензат, охлаждане на газа за намаляване на неговия обем.

Основният вид транспортиране на газ на големи разстояния е магистралният газопровод. Той представлява система от сложни инженерни съоръжения от самите тръбопроводи до подземните хранилища.

В крайния пункт на магистралата се намират газоразпределителни станции (ГРС). Тук се извършва последно пречистване от примеси на прах и течности, понижаване на налягането до нивото, необходимо за потребителите, неговата стабилизация, отчитане на разхода на газ и добавяне на одорант.

Друг разпространен вид транспортиране на метан са морските превози със специални кораби – газовози.

Огромните сферични резервоари няма да позволят да се обърка газовозът с други типове кораби. Те представляват термоси, поддържащи постоянната необходима температура за течния метан -163 °C.

Превръщането на газа в течно състояние се извършва в специални заводи за СПГ. Процесът протича в два етапа: първо метанът се охлажда до -50 °C, а след това до -163 °C. При това неговият обем намалява 600 пъти.

Преработка и сфера на приложение

Високата горивност на природния газ определя неговото основно приложение. Той се използва като гориво в заводи, фабрики, ТЕЦ, котелни, учреждения, в жилищни къщи, селскостопански обекти и много други. Препоръчваме да се запознаете с правилата за използване на газа в бита.

Добивът и преработката на нефт винаги са съпътствани от отделяне на попътен газ. В някои случаи неговите количества могат да бъдат внушителни и да достигат до 300 кубични метра на един куб суров нефт.

Но съществуват голям брой находища, където природният попътен газ не се използва, а се изгаря в факли. Например, в цяла Русия по този начин се губят до 25% от полезната суровина.

Част от попътния газ постъпва в газопреработвателни заводи. От него се получава пречистен сух газ, който се използва за отопление. Друга ценна съставка е сместа от леки въглеводороди.

На схемата е показана общата картина на процеса на преработка на добивания газ. Ролята на крайните продукти за съвременната химическа промишленост трудно може да бъде надценена.

След това тя се разделя на фракции в специални инсталации. В резултат се получават такива въглеводороди като пропан, бутан, изобутан, пентан. За намаляване на обема, улеснение на транспортирането и съхранението ги втечняват.

Преоборудването на автомобили на газ бързо се изплаща и дава осезаема икономия на средства. Разширяването на мрежата от газови станции допринася за увеличаването на парка от автомобили с газова инсталация. Печелят не само шофьорите, но и пешеходците, които не трябва да дишат вредни изгорели газове.

Пропан и бутан се използват за отопление на домове с балонен газ или за автомобили. Но по-голямата част постъпва за по-нататъшна преработка в нефтохимически производства.

Чрез високотемпературно нагряване (пиролиза) от тях се получава основната суровина за всички синтетични материали – мономери: етилен, пропилен, бутадиен. Под действието на катализатори те се свързват в полимери. На изхода се получават такива ценни материали като каучук, ПВХ, полиетилен и много други.

Изводи и полезно видео по темата

В документалния филм достъпно и нагледно се разказва за газа:

Този учебен филм е посветен на магистралния транспорт на газ:

На нас все още не е известно всичко за природния газ – неговият произход все още крие много загадки. Остава да се надяваме, че синьото гориво е наистина неизчерпаем дар, който ще стигне и на нас, и на нашите потомци.

Имате ли въпроси след прочитането на изложения по-горе материал? Или искате да допълните статията с полезни забележки, интересни факти или снимки? Пишете своите коментари, задавайте въпроси, участвайте в дискусията – формата за обратна връзка е разположена по-долу.