Какие природные вещества содержатся в газе

Природный газ

Природный газ – полезное ископаемое, представляющее собой смесь газообразных углеводородов природного происхождения, состоящую главным образом из метана и примесей других алканов. Иногда в составе также присутствует некоторое количество углекислого газа, азота, сероводорода и гелия.

Вследствие своего состава природный газ представляет собой чрезвычайно ценное сырье, из которого выделяют отдельные компоненты или более простые смеси.

Месторождения природного газа

В природе газ может находиться в следующих формах:

Газовые залежи в пластах некоторых горных пород. Залежи газообразных углеводородов как правило сосредоточены на глубине от 1000 м. Вопреки распространенному мнению, газ в таких залежах находится не в объемных пустотах, а преимущественно в мелких трещинах, микроскопических порах и каналах горных пород, например, песчаника. В составе такого газа преобладают низшие алканы: метан и этан. Крупнейшие запасы природного газа сосредоточены в России (Уренгойское месторождение), большинстве стран Персидского залива, США и Канаде.
Газовые шапки над нефтью и растворенный в нефти газ. Такие газообразные скопления называют Попутный нефтяной газ (ПНГ). В отличие «традиционного» природного газа, ПНГ в своем составе помимо метана и этана содержит значительное количество пропана, бутана и других более тяжелых углеводородов.
Газогидратные залежи. Газовые гидраты – это кристаллические соединения, которые образованы путем растворения газообразных углевоородов в пластовой воде при определенных термодинамических условиях – высоких давлениях и относительно низких температурах. 1 объем воды при переходе в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа. Такая форма накопления природного газа была открыта во второй половине 20-го века. Газогидратные залежи находятся преимущественно в районах распространения многолетней мерзлоты, а также на относительно небольшой глубине под океанических дном.

Доказано, что большое количество углеводородов находится в мантии Земли, но в настоящее время, ввиду технической недоступности, они не представляют практического интереса.

Помимо залежей газа в недрах планеты, необходимо упомянуть, что углеводороды встречаются и в космосе. В частности, метан является третьим по распространенности газом во Вселенной после водорода и гелия. В форме метанового льда он входит в структуру планет и других космических тел. Однако такие образования не относят к залежам природного газа и при настоящем уровне развития технологий не могут быть извлечены.

Химический состав природного газа

Молекула метана

Пространственная модель молекулы метана

Основным компонентом природного газа является метан (CH4) – его содержание варьируется в диапазоне 70 – 98%. Кроме него в состав могут входить более тяжелые насыщенные углеводороды – гомологи метана:

этан
пропан
бутан

Помимо углеводородной составляющей, природный газ может содержать неорганические газообразные соединения:

водород
сероводород
углекислый газ
азот
инертные газы (преимущественно гелий)

Физические свойства природного газа

Вследствие своего состава природный газ горюч. Чистый газ горит голубым пламенем, поэтому его иногда называют «голубым топливом». Примеси же могут окрашивать пламя в различные цвета. Также пламя начинает желтить при недостатке кислорода, что приводит к неполному сгоранию газа и образованию копоти и угарного газа.

Смесь с воздухом в диапазоне концентраций от 4,4 до 17% взрывоопасна. Поэтому важно контролировать содержание газа в окружающей атмосфере, а также вовремя принимать соответствующие меры в случае его утечки.

Природный газ бесцветен и не имеет запаха, за исключением случаев повышенного содержания в его составе сероводорода. В связи с этим, для облегчения обнаружения утечек газа, к нему в небольших концентрациях добавляют специальные одоранты – вещества с резким неприятным запахом. В качестве одорантов преимущественно используются серосодержащие соединения, например, тиолы (меркаптаны). Стандартная концентрация таких добавок составляет 16 г на 1000 м3. Однако человек способен уловить присутствие одного из самых распространенных одорантов – этилмеркаптана, даже при его концентрации в воздухе 2*10-6 % по объему.

Физические свойства природного газа зависят от его компонентного состава, однако в большинстве случаев основные параметры укладываются в диапазоны, приведенные в таблице ниже.

		©PetroDigest.ru
Плотность	0,65…0,85 кг/м³ (сухой газообразный); 400…500 кг/м³ (сжиженный)
Температура самовоспламенения	Около 650 °C
Удельная теплота сгорания:	28…46 МДж/м³ (6,7…11,0 Мкал/м³ или 8…12 кВт·ч/м³)

Добыча природного газа

Методы добычи газообразных углеводородов схожи с добычей нефти – газ извлекают из недр с помощью скважин. Для того, чтобы пластовое давление залежи падало постепенно, скважины размещают равномерно по всей территории месторождения. Такой метод также препятствует возникновению перетоков газа между областями месторождения и преждевременному обводнению залежи.

Более подробнов статье: Добыча природного газа.

Согласно отчету BP в 2017 год мировая добыча природного газа составила 3680 млрд м3. Лидером по добыче стала США – 734,5 млрд м3, или 20% от общего мирового показателя. Россия заняла вторую строчку с 635,6 млрд м3.

Происхождение

Существует две теории происхождения природного газа: минеральная и биогенная.

По минеральной теории, углеводороды образуются в результате химической реакции глубоко в недрах нашей планеты из неорганических соединений под действием высоких давлений и температур. Далее вследствие внутренней динамики Земли, углеводороды поднимается в зону наименьшего давления, образуя залежи полезных ископаемых, в том числе газа.

Согласно биогенной теории, природный газ образовался в недрах Земли в результате анаэробного разложения органических веществ растительного и животного происхождения под действием высоких температур и давлений.

Несмотря на продолжающиеся споры относительно происхождения углеводородов, в научном сообществе выигрывает биогенная теория.

Транспортировка

Подготовка газа к транспортировке

Несмотря на то, что на некоторых месторождениях газ отличается исключительно качественным составом, в общем случае природный газ – это не готовый продукт. Помимо целевого содержания компонентов (при этом целевые компоненты могут различаться в зависимости от конечного пользователя), в газе содержаться примеси, которые затрудняют транспортировку и являются нежелательными при применении.

Например, пары воды могут конденсироваться и скапливаться в различных местах трубопровода, чаще всего, изгибах, мешая таким образом продвижению газа. Сероводород – сильный коррозионный агент, пагубно влияющий на трубопроводы, сопоуствуеющее оборудование и емкости для хранения.

В связи с этим, перед отправкой в магистральный нефтепровод или на нефтехимический завод газ проходит процедуру подготовки на газоперерабатывающем заводе (ГПЗ).

Первый этап подготовки – очистка от нежелательных примесей и осушка. После этого газ компримируют – сжимают до давления, необходимого для переработки. Традиционно природный газ сжимают до давления 200 — 250 бар, что приводит к уменьшению занимаемого объема в 200 — 250 раз.

Далее идет этап отбензинивания: на специальных установках газ разделяют на нестабильный газовый бензин и отбензиненный газ. Именно отбензиненный газ направляется в магистральные газопроводы и на нефтехимические производства.

Нестабильный газовый бензин подается на газофракционирующие установки, где из него выделяют легкий углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан. Данные вещества также являются ценным сырьем, в частности для производства полимеров. А смесь бутана и пропана – уже готовый продукт, используемый, в частности, в качестве бытового топлива.

Газопровод

Основным видом транспортировки природного газа является его прокачка по трубопроводу.

Стандартный диаметр трубы магистрального газопровода составляет 1,42 м. Газ в трубопроводе прокачивается под давлением 75 атм. По мере продвижения по трубе, газ, за счет преодоления сил трения, постепенно теряет энергию, которая рассеивается в виде тепла. В связи с этим, через определенные промежутки на газопроводе сооружаются специальные компрессорные станции подкачки. На них газ дожимается до необходимого давления и охлаждается.

Для доставки непосредственно до потребителя от магистрального газопровода отводят трубы меньшего диаметра — газораспределительные сети.

Газопровод

Транспортировка СПГ

Что делать с труднодоступными районами, находящимися вдали от основных магистральных газопроводов? В такие районы газ транспортируется в сжиженном состоянии (сжиженный природный газ, СПГ) в специальных криогенных емкостях по морю, и по суше.

По морю сжиженный газ перевозится на газовозах (СПГ-танкерах), судах оборудованных изотермическими емкостями.

СПГ перевозят также и сухопутным транспортом, как железнодорожным, так и автомобильными. Для этого используются специальных цистерны с двойными стенками, способными поддерживать необходимую температуру определенное время.

Применение природного газа

Главным образом природный газ используется для обеспечения отопления, производства электроэнергии, и для бытовых нужд населения. Например, в России около 50% поставок приходится на энергетические компании и коммунальное хозяйство. Кроме этого, он находит применение в качестве топлива для транспортных средств, сырья при производстве пластмасс и других органических веществ.

Более подробно: Что делают из природного газа?

Экология

Природный газ является самым чистым среди углеводородных ископаемых топлив. В идеале, при его сгорании образуется только вода и углекислый газ, в то время как сгорание нефтепродуктов сопровождается образованием копоти и золы.

Конечно, сами по себе выбросы большого количества углекислого газа в атмосферу не безопасны. По мнению некоторых ученых, они могут привести к возникновению парникового эффекта, и как следствие, – к существенному потеплению климата. Однако стоит отметить, что и в этом отношении природный газ выигрывает – эмиссия CO2 при его сжигании существенно ниже, чем у нефтяного топлива.

Источник

Благодаря высокой энергоэффективности и экологичности природный газ, наряду с нефтью, имеет первостепенное значение. Он широко используется в качестве топлива, а также служит ценным сырьем для химической промышленности.

И хотя использование газа стало повседневным и привычным, он все также остается непростым по составу и довольно опасным веществом – чтобы попасть в горелку газового прибора оно проходит длинный и сложный путь.

В статье мы разберем основные вопросы, связанные с природным горючим газом – поговорим о его составе и свойствах, опишем этапы добычи, транспортировки и переработки газа, сферы его применения. Рассмотрим современные представления о происхождении запасов углеводородов, интересные факты и гипотезы.

Что такое природный горючий газ?

Бытует мнение, что газ залегает под землей в пустотах и легко оттуда извлекается, для чего достаточно пробурить скважину. Но в реальности все намного сложнее: газ может находиться внутри пористой породы, может быть растворен в воде, жидких углеводородах, нефти.

Чтобы понять, почему это происходит, достаточно вспомнить, что слово «газ» происходит от греческого «хаос», которое отражает принцип поведения вещества. В газообразном состоянии молекулы движутся хаотически, стремясь равномерно заполнить весь возможный объем. За счет этого они способны проникать и растворяться в других веществах, в том числе и более плотных жидкостях и минералах. Высокое давление и температура значительно усиливают процесс диффузии. Часто именно в виде такого «коктейля» природный газ содержится в недрах.

Но для начала поговорим о том, из чего состоит газ и что он из себя представляет – рассмотрим химический состав и физические свойства природного горючего газа.

Особенности химического состава

Газ, добываемый из недр, который называют «природным», – это смесь различных газов.

По составу он делится на три группы компонентов:

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

Первая и главная группа представляет собой набор углеводородов метанового ряда (гомологов) с количеством атомов углерода от 1 до 5. Наибольший процент в смеси составляет метан (от 70 до 98 %), имеющий один атом углерода. Содержание остальных газов (этана, пропана, бутана, пентана) колеблется от единиц до десятых долей процента.

Для газа, добываемого из месторождений, характерна высокая концентрация метана. В попутном, извлекаемого из нефти, доля метана намного ниже: 30 – 60%, а гомологов выше: 10 – 20 %

Кроме углеводородов в смеси могут присутствовать негорючие вещества в небольших количествах: сероводород, азот, углекислый газ, оксид углерода, водород и другие. Но, в зависимости от месторождения, пропорции углеводородов, как и состав других газов, могут значительно колебаться.

Физические свойства газа

По физическим свойствам метан СН4не имеет цвета и запаха, очень горюч. При концентрациях в воздухе более 4,5% – взрывоопасен. Это его свойство, в сочетании с отсутствием запаха, представляет большую угрозу и проблему. Особенно в шахтах, так как метан абсорбируется углем.

О причинах взрыва газа в бытовых условиях мы писали в этом материале.

Для придания газу запаха, с целью обнаружения его утечек, перед транспортировкой в него добавляют специальные вещества с неприятным запахом – одоранты. Чаще всего, это серосодержащие соединения – этантиол или этилмеркаптан. Долю примеси подбирают таким образом, чтобы была ощутима утечка при концентрации газа в 1%.

Главным преимуществом голубого топлива является высокая удельная теплота сгорания – 39 МДж/кг. При этом выделяются безвредные вещества: вода и углекислый газ. Это также немаловажный фактор, позволяющий применять метан в быту

Откуда берется газ в недрах земли?

Хотя люди научились применять газ более 200 лет назад, до настоящего времени нет единого мнения, откуда берется газ в недрах земли.

Основные теории происхождения

Существуют две основные теории его происхождения:

минеральная, объясняющая образование газа процессами дегазации углеводородов из более глубоких и плотных слоев земли и поднятием их в зоны с меньшим давлением;
органическая (биогенная), согласно которой газ – это продукт разложения остатков живых организмов в условиях повышенного давления, температуры и отсутствия воздуха.

В месторождении газ может находиться в виде отдельного скопления, газовой шапки, раствора в нефти или воде, либо газогидратов. В последнем случае залежи находятся в пористых породах между газонепроницаемыми пластами глины. Чаще всего такими породами являются уплотненный песчаник, карбонаты, известняки.

Доля обычных газовых месторождений составляет всего 0,8%. Немного больший процент приходится на глубинный, угольный и сланцевый газ – от 1, 4 до 1,9 %. Наиболее распространенными видами залежей являются водорастворенные газы и гидраты – приблизительно в равных пропорциях (по 46,9%)

Поскольку газ легче нефти, а вода тяжелее, положение ископаемых в пласте всегда одинаковое: газ сверху нефти, а вода подпирает снизу все нефтегазовое месторождение.

Газ в пласте находится под давлением. Чем глубже залежи, тем оно выше. В среднем, на каждые 10 метров, прирост давления составляет 0,1 МПа. Существуют пласты с аномально высоким давлением. Например, на Ачимовских отложениях Уренгойского месторождения оно достигает 600 атмосфер и выше при глубине залегания от 3800 до 4500 м.

Интересные факты и гипотезы

Еще не так давно считалось, что мировые запасы нефти и газа должны исчерпаться уже в начале XXI века. Например, об этом писал в 1965 году авторитетный американский геофизик Хабберт.

До настоящего времени многие страны продолжают наращивать темпы добычи газа. Никаких реальных признаков, что запасы углеводородов заканчиваются, не наблюдается

По мнению доктора геолого-минералогических наук В.В. Полеванова, подобные заблуждения вызваны тем, что теория органического происхождения нефти и газа до сих пор общепринята и владеет умами большинства ученых. Хотя еще Д.И. Менделеев обосновал теорию о неорганическом глубинном происхождении нефти, а затем это было доказано Кудрявцевым и В.Р. Лариным.

Но против органического происхождения углеводородов говорят многие факты.

Вот некоторые из них:

открыты месторождения на глубинах до 11 км, в кристаллических фундаментах, где существование органики не может быть даже теоретически;
с помощью органической теории можно объяснить только 10 % запасов углеводородов, остальные 90% необъяснимы;
космический зонд «Кассини» обнаружил в 2000 году на спутнике Сатурна Титане гигантские ресурсы углеводорода в виде озер, на несколько порядков превышающих земные.

Выдвинутая Лариным гипотеза изначально гидридной Земли объясняет происхождение углеводородов путем реакции водорода с углеродом в глубинах земли и последующей дегазацией метана.

Согласно ей, нет никаких древних залежей юрского периода. Вся нефть и газ могли образоваться в пределах от 1 до 15 тысяч лет назад. По мере отбора запасы могут постепенно пополнятся, что замечено на давно выработанных и заброшенных нефтяных месторождениях.

Как происходит добыча и транспортировка?

Процесс добычи природного горючего газа начинается со строительства скважин. В зависимости от залегания газоносного пласта их глубина может достигать 7 км. По мере бурения в скважину опускается труба (обсадная колонна). Для предотвращения выхода газа через пространство между трубой и стенками скважины делается тампонаж – заполнение зазора глиной либо цементом.

По окончанию строительства буровая вышка убирается и на головку обсадной колонны устанавливается фонтанная арматура. Она представляет собой конструкцию из задвижек и клапанов, служит для отбора газа из скважины.

Количество скважин может быть достаточно большим.

На фонтанную арматуру возлагается несколько функций: она удерживает в подвешенном состоянии в скважине насосно-компрессорные трубы, управляет рабочими режимами, измеряет параметры внешней и внутренней части скважины

Весь цикл добычи природного горючего газа происходит в три этапа:

Разработка газового месторождения. В результате бурения создается разность давлений. За счет этого газ движется по пласту к скважинам.
Эксплуатация газовых скважин. На этом этапе газ проходит путь по обсадной колонне.
Сбор и подготовка к транспортировке. Газ из всех фонтанных арматур поступает на специальные технологические комплексы УКПГ. На них происходит осушка газа, очистка от вредных примесей.

Даже незначительные концентрации сероводорода, водяного пара или твердых частиц приводят к быстрой коррозии, образованию гидрата и механическим повреждениям внутренней поверхности трубопровода.

Окончательная подготовка к транспортировке происходит на головных сооружениях. Она включает в себя доочистку и удаление углеводородного конденсата, охлаждение газа для уменьшения его объема.

Основным видом транспортировки газа на большие расстояния является магистральный газопровод. Он представляет собой систему сложных инженерных сооружений от самих трубопроводов до подземных хранилищ.

В конечном пункте магистрали находятся газораспределительные станции (ГРС). Здесь происходит последняя очистка от примесей пыли и жидкостей, понижение давления до уровня, необходимого потребителям, его стабилизация, учет расхода газа и добавление одоранта.

Другим распространенным видом транспортировки метана являются морские перевозки специальными судами – газовозами.

Огромные шарообразные резервуары не позволят спутать газовоз с другими типами судов. Они представляют собой термосы поддерживающие постоянную необходимую температуру для жидкого метана -163 °С

Превращение газа в жидкое состояние производится на специальных заводах СПГ. Процесс происходит в два этапа: сначала метан охлаждается до -50 °С, а затем до -163 °С. При этом его объем уменьшается в 600 раз.

Переработка и сфера применения

Высокая горючесть природного газа определяет его основное применение. Он используется в виде топлива на заводах, фабриках, ТЭЦ, котельных, учреждениях, в жилых домах, сельскохозяйственных объектах и многих других. Рекомендуем ознакомиться с правилами использования газа в быту.

Добыча и переработка нефти всегда сопровождается выделением сопутствующего газа. В некоторых случаях его объемы могут быть внушительными и составлять до 300 кубометров на один куб сырой нефти.

Но существует большое количество месторождений, где природный попутный газ не используется, а сжигается в факелах. Например, по всей России таким образом теряется до 25% полезного сырья.

Часть попутного газа поступает на газоперерабатывающие заводы. Из него получают очищенный сухой газ, который используется для отопления. Другой ценной составляющей является смесь легких углеводородов.

На схеме показана общая картина процесса переработки добываемого газа. Роль конечных продуктов для современной химической промышленности трудно переоценить

Далее она разделяется на фракции в специальных установках. В результате получаются такие углеводороды как пропан, бутан, изобутан, пентан. Для уменьшения объема, удобства транспортировки и хранения их сжижают.

Переоборудование автомобилей на газ быстро окупается и дает ощутимую экономию средств. Расширение сети газовых заправок способствует увеличению парка авто с ГБО. Выигрывают не только водители, но и пешеходы, которым не приходится дышать вредными выхлопами

Пропан и бутан применяют для отопления домов баллонным газом либо для автомобилей. Но большая часть поступает на дальнейшую переработку на нефтехимические производства.

Путем высокотемпературного нагрева (пиролиза) из них получают главное сырье для всех синтетических материалов – мономеры: этилен, пропилен, бутадиен. Под действием катализаторов они соединяются в полимеры. На выходе получаются такие ценнейшие материалы как каучук, ПВХ, полиэтилен и многие другие.

Выводы и полезное видео по теме

В документальный фильме доступно и наглядно рассказано о газе:

Этот учебный фильм посвящен магистральному транспорту газа:

Нам еще далеко не все известно о природном газе – его происхождение по-прежнему таит много загадок. Остается надеяться, что голубое топливо – действительно неисчерпаемый дар, которого хватит и нам, и нашим потомкам.

У вас остались вопросы после прочтения изложенного выше материала? Или хотите дополнить статью полезными замечаниями, интересными фактами или фотоснимками? Пишите свои комментарии, задавайте вопросы, участвуйте в обсуждении – форма обратной связи расположена ниже.

Источник