Wszystko o gazie ziemnym: skład i właściwości, produkcja i wykorzystanie gazu ziemnego

Ze względu na wysoką efektywność energetyczną i przyjazność dla środowiska, gaz ziemny, podobnie jak ropa naftowa, ma ogromne znaczenie.Jest szeroko stosowany jako paliwo, a także stanowi cenny surowiec dla przemysłu chemicznego.

I choć używanie gazu stało się powszechne i znajome, to nadal pozostaje substancją złożoną i dość niebezpieczną – aby dostać się do palnika urządzenia gazowego, przechodzi długą i skomplikowaną drogę.

W artykule przeanalizujemy główne zagadnienia związane z gazem ziemnym palnym – porozmawiamy o jego składzie i właściwościach, opiszemy etapy produkcji, transportu i przetwarzania gazu oraz zakres jego zastosowania. Rozważmy współczesne pomysły na temat pochodzenia złóż węglowodorów, ciekawe fakty i hipotezy.

Co to jest naturalny gaz palny?

Istnieje opinia, że ​​​​gaz leży pod ziemią w pustkach i można go łatwo stamtąd wydobyć, do czego wystarczy wywiercić studnię. Ale w rzeczywistości wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane: gaz może znajdować się w porowatej skale, można go rozpuścić w wodzie, ciekłych węglowodorach i ropie.

Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, wystarczy pamiętać, że słowo „gaz” pochodzi od greckiego „chaos”, co odzwierciedla zasadę zachowania substancji. W stanie gazowym cząsteczki poruszają się chaotycznie, starając się równomiernie wypełnić całą możliwą objętość. Dzięki temu są w stanie przenikać i rozpuszczać się w innych substancjach, w tym w gęstszych cieczach i minerałach. Wysokie ciśnienie i temperatura znacząco usprawniają proces dyfuzji.Często gaz ziemny zawarty jest w podłożu w postaci takiego „koktajlu”.

Ale najpierw porozmawiajmy o tym, z czego składa się gaz i czym jest - spójrzmy na skład chemiczny i właściwości fizyczne naturalnego gazu palnego.

Cechy składu chemicznego

Gaz wydobywany z podłoża, zwany „naturalnym”, jest mieszaniną różnych gazów.

Ze względu na skład dzieli się go na trzy grupy składników:

• zapalny – węglowodory;
• nie palne (stateczniki) – azot, dwutlenek węgla, tlen, hel, para wodna;
• szkodliwy zanieczyszczenia – siarkowodór i merkaptany.

Pierwsza i główna grupa to zbiór węglowodorów metanu (homologów) o liczbie atomów węgla od 1 do 5. Największy procent w mieszaninie stanowi metan (od 70 do 98%), który ma jeden atom węgla. Zawartość pozostałych gazów (etan, propan, butan, pentan) waha się od jednostek do dziesiątych części procenta.

Gaz wydobywany ze złóż charakteryzuje się dużą zawartością metanu. W produkcie ubocznym ekstrahowanym z ropy naftowej udział metanu jest znacznie niższy: 30 – 60%, a homologów wyższy: 10 – 20%

Oprócz węglowodorów mieszanina może zawierać w małych ilościach substancje niepalne: siarkowodór, azot, dwutlenek węgla, tlenek węgla, wodór i inne. Jednak w zależności od pola proporcje węglowodorów, podobnie jak skład innych gazów, mogą się znacznie różnić.

Właściwości fizyczne gazu

Zgodnie z właściwościami fizycznymi metanu CH₄ bezbarwny i bezwonny, bardzo łatwopalny. Przy stężeniu w powietrzu większym niż 4,5% – materiał wybuchowy. Właściwość ta w połączeniu z brakiem odoru stwarza duże zagrożenie i problem. Zwłaszcza w kopalniach, ponieważ metan jest pochłaniany przez węgiel.

O przyczynach wybuchów gazu w warunkach domowych pisaliśmy w ten materiał.

Aby nadać gazowi zapach i wykryć jego wycieki, przed transportem dodaje się do niego specjalne substancje o nieprzyjemnym zapachu - substancje zapachowe. Najczęściej są to związki zawierające siarkę – etanotiol lub merkaptan etylowy. Proporcję zanieczyszczeń dobiera się tak, aby nieszczelność była zauważalna już przy stężeniu gazu wynoszącym 1%.

Główną zaletą niebieskiego paliwa jest jego wysokie ciepło właściwe spalania – 39 MJ/kg. W wyniku tego uwalniają się nieszkodliwe substancje: woda i dwutlenek węgla. Jest to również ważny czynnik pozwalający na wykorzystanie metanu w życiu codziennym

Skąd bierze się gaz w głębi ziemi?

Chociaż ludzie nauczyli się korzystać z gazu ponad 200 lat temu, nadal nie ma zgody co do tego, skąd bierze się gaz w wnętrznościach Ziemi.

Główne teorie pochodzenia

Istnieją dwie główne teorie jego pochodzenia:

• minerał, co wyjaśnia powstawanie gazów na skutek procesów odgazowania węglowodorów z głębszych i gęstszych warstw ziemi i ich unoszenia się do stref o niższym ciśnieniu;
• organiczny (biogenny), zgodnie z którym gaz jest produktem rozkładu szczątków organizmów żywych w warunkach wysokiego ciśnienia, temperatury i braku powietrza.

Na polu gaz może występować w postaci oddzielnego nagromadzenia, korka gazowego, roztworu w oleju lub wodzie lub hydratów gazu. W tym drugim przypadku złoża zlokalizowane są w skałach porowatych pomiędzy gazoszczelnymi warstwami gliny. Najczęściej są to skały zwarte, piaskowce, węglany i wapienie.

Udział konwencjonalnych złóż gazu wynosi zaledwie 0,8%. Nieco większy udział przypada na gaz głębinowy, węglowy i łupkowy – od 1,4 do 1,9%.Najczęstszym rodzajem osadów są rozpuszczone w wodzie gazy i hydraty – w mniej więcej równych proporcjach (po 46,9%)

Ponieważ gaz jest lżejszy od ropy, a woda jest cięższa, położenie minerałów w zbiorniku jest zawsze takie samo: gaz znajduje się na górze ropy, a woda podtrzymuje całe złoże naftowe i gazowe od dołu.

Gaz w formacji jest pod ciśnieniem. Im głębsze złoża, tym są one wyższe. Średnio na każde 10 metrów wzrost ciśnienia wynosi 0,1 MPa. Istnieją warstwy o nienormalnie wysokim ciśnieniu. Na przykład w złożach Achimov na polu Urengoy osiąga 600 atmosfer i więcej na głębokości od 3800 do 4500 m.

Ciekawe fakty i hipotezy

Jeszcze nie tak dawno panowało przekonanie, że światowe zasoby ropy i gazu powinny się wyczerpać z początkiem XXI wieku. Na przykład autorytatywny amerykański geofizyk Hubbert pisał o tym w 1965 roku.

Do chwili obecnej wiele krajów w dalszym ciągu zwiększa tempo wydobycia gazu. Nie ma żadnych realnych oznak wskazujących na wyczerpanie się zasobów węglowodorów

Według doktora nauk geologicznych i mineralogicznych V.V. Polevanowej takie błędne przekonania wynikają z faktu, że teoria organicznego pochodzenia ropy i gazu jest nadal powszechnie akceptowana i dominuje w umysłach większości naukowców. Chociaż nadal D.I. Mendelejew uzasadnił teorię nieorganicznego głębokiego pochodzenia ropy naftowej, co następnie udowodnili Kudryavtsev i V.R. Larin.

Jednak wiele faktów przemawia przeciwko organicznemu pochodzeniu węglowodorów.

Tutaj jest kilka z nich:

• złoża odkryto na głębokościach do 11 km, w podłożach krystalicznych, gdzie istnienie materii organicznej nie jest nawet teoretycznie możliwe;
• za pomocą teorii organicznej można wyjaśnić tylko 10% zasobów węglowodorów, pozostałe 90% jest niewytłumaczalne;
• Sonda kosmiczna Cassini odkryła w 2000 roku na księżycu Saturna Tytanie gigantyczne zasoby węglowodorów w postaci jezior, o kilka rzędów wielkości większe niż te na Ziemi.

Hipoteza początkowo wodorkowej Ziemi wysunięta przez Larina wyjaśnia pochodzenie węglowodorów poprzez reakcję wodoru z węglem w głębi ziemi i późniejsze odgazowanie metanu.

Według niego nie ma starożytnych osadów okresu jurajskiego. Cała ropa i gaz mogły powstać między 1 a 15 tysiącami lat temu. W miarę postępu selekcji rezerwy można stopniowo uzupełniać, co zaobserwowano w przypadku dawno wyczerpanych i opuszczonych złóż ropy.

W jaki sposób odbywa się wydobycie i transport?

Proces wydobycia gazu ziemnego palnego rozpoczyna się od budowy studni. W zależności od występowania formacji gazonośnych ich głębokość może dochodzić do 7 km. W miarę postępu wiercenia do studni opuszczana jest rura (obudowa). Aby zapobiec ulatnianiu się gazu przez przestrzeń między rurą a ścianami studni, wykonuje się zatykanie - wypełnianie szczeliny gliną lub cementem.

Po zakończeniu budowy żuraw jest usuwany, a na głowicy obudowy montowana jest choinka. Jest to konstrukcja zasuw i służy do wydobywania gazu ze odwiertu.

Liczba studni może być dość duża.

Choinka spełnia kilka funkcji: utrzymuje rury pompujące i kompresorowe zawieszone w studni, kontroluje tryby pracy oraz mierzy parametry zewnętrznej i wewnętrznej części studni.

Cały cykl produkcji naturalnego gazu palnego przebiega w trzech etapach:

1. Zagospodarowanie złóż gazu. W wyniku wiercenia powstaje różnica ciśnień. Z tego powodu gaz przedostaje się przez formację do odwiertów.
2. Eksploatacja odwiertów gazowych. Na tym etapie gaz przepływa przez obudowę.
3. Odbiór i przygotowanie do transportu. Gaz ze wszystkich choinek dostarczany jest do specjalnych kompleksów technologicznych oczyszczalni gazu. Suszą gaz, czyszczenie od szkodliwych zanieczyszczeń.

Nawet niewielkie stężenia siarkowodoru, pary wodnej czy cząstek stałych prowadzą do szybkiej korozji, powstawania hydratów i uszkodzeń mechanicznych wewnętrznej powierzchni rurociągu.

Końcowe przygotowanie do transportu odbywa się na stacji czołowej. Obejmuje obróbkę końcową i usuwanie kondensatu węglowodorów, chłodzenie gazu w celu zmniejszenia jego objętości.

Głównym rodzajem transportu gazu na duże odległości jest główny gazociąg. Jest to system złożonych konstrukcji inżynierskich od samych rurociągów po podziemne magazyny.

W końcowym punkcie gazociągu zlokalizowane są stacje dystrybucji gazu (GDS). Tutaj następuje końcowe oczyszczenie z pyłów i zanieczyszczeń płynnych, ciśnienie zostaje obniżone do poziomu wymaganego przez konsumentów, zostaje ustabilizowane, brane jest pod uwagę zużycie gazu i dodawany jest nawaniacz.

Innym powszechnym rodzajem transportu metanu jest transport morski specjalnymi statkami - gazowcami.

Ogromne kuliste zbiorniki nie pozwolą na pomylenie gazowca z innymi typami statków. Są to termosy utrzymujące stałą wymaganą temperaturę dla ciekłego metanu -163°C

Przekształcenie gazu w stan ciekły odbywa się w specjalnych instalacjach LNG. Proces przebiega dwuetapowo: najpierw metan schładza się do -50°C, a następnie do -163°C. Jednocześnie jego objętość zmniejsza się 600 razy.

Przetwarzanie i zakres stosowania

Wysoka palność gazu ziemnego determinuje jego główne zastosowanie. Znajduje zastosowanie jako paliwo w fabrykach, fabrykach, elektrociepłowniach, kotłowniach, instytucjach, budynkach mieszkalnych, obiektach rolniczych i wielu innych. Zalecamy zapoznanie się z regulaminem korzystanie z gazu w życiu codziennym.

Wydobyciu i rafinacji ropy naftowej zawsze towarzyszy uwalnianie towarzyszącego gazu. W niektórych przypadkach jego wolumeny potrafią być imponujące i sięgać nawet 300 metrów sześciennych na metr sześcienny ropy.

Istnieje jednak duża liczba pól, na których nie wykorzystuje się gazu ziemnego, lecz spala się go na pochodniach. Na przykład w całej Rosji w ten sposób traci się do 25% użytecznych surowców.

Część gazu towarzyszącego dostarczana jest do zakładów przetwórstwa gazu. Z niego uzyskuje się oczyszczony suchy gaz, który wykorzystuje się do ogrzewania. Kolejnym cennym składnikiem jest mieszanina lekkich węglowodorów.

Schemat przedstawia ogólny obraz procesu przetwarzania wytworzonego gazu. Rola produktów końcowych dla współczesnego przemysłu chemicznego jest nie do przecenienia

Następnie jest dzielony na frakcje w specjalnych instalacjach. Rezultatem są węglowodory, takie jak propan, butan, izobutan i pentan. Aby zmniejszyć objętość, ułatwić ich transport i przechowywanie stopić.

Przestawienie samochodu na gaz szybko się zwraca i zapewnia znaczne oszczędności. Rozbudowa sieci stacji benzynowych przyczynia się do wzrostu floty samochodów zasilanych LPG. Skorzystają nie tylko kierowcy, ale także piesi, którzy nie muszą wdychać szkodliwych spalin

Do ogrzewania domów wykorzystuje się propan i butan gaz w butlach lub do samochodów. Jednak większość trafia do dalszego przetwarzania w produkcji petrochemicznej.

Poprzez ogrzewanie w wysokiej temperaturze (piroliza) służą do otrzymania głównego surowca do wszystkich materiałów syntetycznych - monomerów: etylenu, propylenu, butadienu. Pod wpływem katalizatorów łączą się w polimery. Wyrobem są tak cenne materiały jak guma, PCV, polietylen i wiele innych.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Dokument w przystępny i wizualny sposób opowiada o gazie:

Ten film edukacyjny poświęcony jest głównemu transportowi gazu:

Wciąż nie wiemy wszystkiego o gazie ziemnym – jego pochodzenie wciąż kryje wiele tajemnic. Możemy mieć tylko nadzieję, że błękitne paliwo jest rzeczywiście niewyczerpanym darem, który wystarczy nam i naszym potomkom.

Czy po przeczytaniu powyższego materiału nadal masz pytania? A może chcesz uzupełnić artykuł przydatnymi komentarzami, ciekawostkami lub zdjęciami? Napisz swoje uwagi, zadawaj pytania, weź udział w dyskusji – formularz opinii znajduje się poniżej.