Что такое природный газ и как его добывают
Природный газ: свойства, состав, технология добычи и применение
Природный газ — это ресурс, который пользуется большим спросом, в результате чего его запасы быстро уменьшаются. Страны-лидеры по наличию его залежей — Россия и США. По оценкам ученых, интенсивная добыча этого исчерпываемого ресурса приведет к тому, что его запасы будут истощены через 50–70 лет.
Происхождение
У ученых до сих пор нет единого мнения по поводу возникновения природного газа. Есть 2 теории, объясняющие его появление:
Сторонники первой, минеральной, теории считают, что химические элементы, присутствующие в составе ископаемого, были заложены в мантии Земли. По мнению ученых, эти соединения располагаются в глубоких слоях горных пород и представляют собой часть процесса дегазации нашей планеты.
Внутренние движения Земли вызывают поднятие углеводородов, которые образовались в ее глубоких слоях в результате действия высоких температур и давления, ближе к поверхности, где давление наименьшее. Результат таких изменений — появление газовых и нефтяных залежей.
Сторонники минеральной теории подчеркивают, что описанный процесс постоянный, поэтому беспокоиться об истощении запасов природного газа не стоит.
Суть органической теории выражается в следующем: газ образовался из остатков животных и растительных организмов, которые под влиянием высоких температур, а также давления и бактерий, превратились в соединение газообразных углеродов. Последние проникали в пустоты земной коры, формируя пласты газа и нефти. Таким образом, биогенная теория подчеркивает, что природный газ — исчерпываемый природный ресурс.
Состав
Химический состав природного газа представлен метаном (CH4) — его содержание достигает 98 %. Допускается присутствие более тяжелых углеводородов, к которым относятся:
Физические свойства вещества:
Природный газ, находящийся в виде пластовых залежей в недрах Земли, имеет газовое состояние в виде отдельных скоплений. В нефти или воде пребывает в растворенном состоянии.
Месторождения
В зависимости от количества запасов, пласты этого природного ресурса классифицируют на:
Крупнейшие месторождения природного газа находятся в территориальных водах Катара и Ирана, России, Туркмении и США.
Выделяют несколько разновидностей природного газа.
Сухой
Бедный
Бедный газ получают на каждой стадии гидрогенизации. Его очищают от сероводорода и углекислого газа. В нем содержится около 55 % водорода, 30 % метана, до 6 % этана.
Полученная фракция отправляется на установку глубокого охлаждения и разделения газа.
Тощий
Жирный
Это нефтерастворенный газ, в составе которого присутствует большое количество гомологов метана и тяжелых углеводородов (от С3 и выше). Жирный газ в естественном виде не подходит в качестве топлива: он подлежит переработке на заводах.
Сырой
Сырой газ — природное горючее вещество, относящееся к группе углеводородных. Отличительная особенность — повышенное содержание тяжелых углеводородов (более 15 %). К сырым газам относятся попутные газы нефтяных залежей, а также газоконденсатных.
Сырой газ подлежит осушке, отбензиниванию и последующей очистке на газоперерабатывающих заводах.
Компоненты
В составе природного газа присутствуют:
Химический состав природного газа зависит от того, на каком месторождении он был добыт.
Добыча природного газа
Прежде чем приступить к добыче газа, выполняют геологоразведочные работы, которые позволяют оценить объемы и характер залежей.
Основные способы добычи природного газа:
После добычи газ отправляют на предприятия по очистке и переработке, чтобы избавиться от различных примесей в его составе.
Применение и использование природного газа
Природный газ обеспечивает потребности государства в обеспечении отопления, производства электроэнергии и бытовых нужд населения.
Природный газ используется в следующих отраслях:
На основе газа изготавливают:
Используемый как топливо, природный газ намного дешевле и безопаснее для экологии, чем нефтепродукты.
Хранение и способы транспортировки добытого топлива
Распространенный и относительно недорогой способ транспортировки добытого природного газа — перемещение по трубам. Предварительно его обязательно очищают от различных примесей, которые отрицательно влияют на оборудование. Также газ освобождают от влаги, которая в процессе транспортировки переходит в состояние кристаллогидратов и становится причиной закупорки труб.
Современные трубопроводы выдерживают давление в 75 атмосфер и более. Крупные магистрали транспортируют газ даже в отдаленные регионы страны.
Преимущества данного способа:
Трубопроводы современной конструкции способны перекачивать около 45 миллиардов м3 газа в год.
Также газ перевозят с помощью автоцистерн. Для этого он должен быть в сжиженном состоянии. Этот способ транспортировки требует особой внимательности и осторожности, и оправдан только в том случае, если газ нужно переместить на небольшое расстояние.
Еще один способ перемещения газа — перевозка танкерами (специальными суднами). Вещество в них также транспортируют в сжиженном виде. Его температура должна находиться в пределах 160 градусов. Это безопасный и относительно недорогой, но медленный способ транспортировки.
Природный газ может храниться как в сжиженном состоянии, так и в форме гидратов. Практикуется подземное хранение газа в емкостях и газгольдерах низкого, среднего и высокого давления.
Влияние на экологию
Природный газ относится к наиболее чистым веществам по сравнению с остальными видами углеводородного топлива. Его сгорание не сопровождается образованием золы и копоти с последующим выбросом в атмосферу, что характерно для нефтепродуктов.
Но и полностью безопасным для экологии это вещество назвать нельзя. При сгорании природного газа образуется углекислый газ, который в больших объемах вреден и при выбрасывании в атмосферу может стать причиной парникового эффекта и изменения климата.
Газодобывающая промышленность России
Газодобывающая промышленность является самой молодой отраслью топливно-энергетической промышленности России. Ее основные составляющие – это добыча, хранение и транспортировка природного газа. На территории страны сосредоточены самые большие запасы этого топлива – 1/3 мировых запасов.
Что представляет собой природный газ
В природе газ встречается в пластах горных пород, часто его месторождения близки к нефтяным. Залежи газа могут быть в виде шапки над нефтью, а также в растворенной и кристаллической форме. Интересный факт – газ не имеет запаха и цвета.
Тот характерный и неприятный запах, который присущий бытовому топливу получается после обогащения сырья – одорации – это процесс насыщения газа серосодержащими соединениями, чаще всего используют этантиол. Одна часть этого вещества способна раствориться в 50 миллионах частей воздуха. Делается такое обогащение для того, чтобы предотвратить утечку газа.
Учеными до сих пор решается спор о природе появления газовых залежей в земной коре. Не сегодня существуют две основные теории:
В России газ долгое время считался побочным продуктом при нефтедобыче, понятий о месторождениях этого топлива не существовало. Постепенно, когда промышленники стали обращать внимание на полезные свойства этого сырья, стали разделять добычу нефти и газа, и осваивать новые месторождения голубого топлива. Газовой промышленности в России чуть более 200 лет.
Основные классификации залежей газа
Считается, что практически все полезные ископаемые, в том числе и природный газ, были образованы в меловом периоде, именно тогда на земле жили крупнейшие животные, которые вымерли по непонятным до сих пор причинам. На этом основываются сторонники биогенной теории происхождения газа. В зависимости от того на какой глубине залегает природное топливо, его относят и классифицируют по временным периодам. Самые нижние ярусы мелового периода, они получили названия замков и населенных пунктов, вблизи которых были обнаружены:
Туронский ярус считается самым молодым, залежи в земной коре обнаружены на глубине 800 м, его состав неоднороден, в нем много примесей, которые снижают качество.
Залежи Валанжинского газа более глубокие, до 3000 метров, в составе в значительной мере присутствует пропан, этан и газовый конденсат. В мире прослеживается тенденция к постепенному истощению залежей этого яруса.
Ачимовские залежи до сих пор являются предметом глубокого изучения, их состав характеризуется высоким содержанием парафинов, а строение яруса – высоким давлением внутри пласта. В России месторождения этого яруса также разрабатываются в промышленных масштабах.
Богатые месторождения газа в России
Самые значимые залежи природного газа – 84,4% территориально расположены в восточной части страны, преимущественно в Ямало-Ненецком автономном округе. Здесь разведаны и активно используются такие месторождения, как:
Освоение и промышленная добыча газа здесь началась в 1978 году. С 1984 года добытое сырье начинает уходить на экспорт в страны Западной Европы. С 2008 года здесь стали добывать газ из ачимовских ярусов, а в дальнейшем планируется разрабатывать ярусы юрского периода, которые располагаются ниже 4000 метров.
Месторождения Заполярное и Ямбург расположены на Тазовском полуострове. Это Заполярная часть Западносибирской равнины. Здесь достаточно суровые погодные условия, температура иногда опускается ниже 55 о С, а толщина земного пласта вечной мерзлоты 400 метров.
Природные запасы газа в Западной Сибири составляют 60% общероссийских залежей. Среди прочих месторождений можно выделить особо значимые:
Как осуществляется добыча голубого топлива
Процессу добычи природного топлива предшествуют геолого-разведывательные работы, в ходе которых точно устанавливаются залежи. На сегодняшний день используют следующие способы геологической разведки местности:
Добыча природного газаПосле определения месторождения и оценки его объемов начинается добыча природного газа. Для этого бурятся скважины, глубина которых должна достигать яруса залегания природного топлива. Для обеспечения распределения давления поднимающегося газа, скважину делают лесенкой или по типу подзорной трубы.
Стенки укрепляются обсадными трубами и цементируются. На одном месторождении располагаются несколько скважин. Таким образом, снижается давление, и процесс добычи значительно ускоряется. По скважине газ поднимается за счет собственной энергии – стремится в зону с меньшим давлением.
Далее, добытое топливо необходимо очистить от примесей и органических веществ. Для этих целей вблизи месторождений строятся газоперерабатывающие заводы или устанавливаются комплексы по обработке природного газа.
Особенность подводной добычи
Месторождения обнаружены не только на суше, добыча газа и нефти осуществляется и в акватории океанов и морей. В России на шельфе Баренцева, Охотского и Карского морей. Активно идет добыча в месторождениях Лунское, Сахалин-2, в близлежащей перспективе – Сахалин-3.
Здесь расположены самые сложные и тяжеловесные платформы гравитационного типа. Такие платформы имеют устойчивое бетонное основание, которое достигает дна. Именно в это основание встроены колонны, которые осуществляют бурение скважин, а также имеют резервуары для добытого топлива, от них на сушу ведет трубопровод. Над поверхностью воды располагаются буровые вышки.
Такие платформы полностью оборудованы для длительного пребывания на борту обслуживающего персонала, часто их численность достигает 100 человек. Платформы имеют собственную электростанцию, вертолетную площадку, жилые помещения.
Если месторождение расположено недалеко от берега, то для бурения используют наклонные скважины, основание которых погружено вглубь шельфа, а выход осуществляется на сушу. Дальнейшая обработка добытого топлива осуществляется на суше по стандартной схеме.
Как происходит доставка газа потребителям
Из районов добычи голубое топливо транспортируется в районы потребления по магистральному трубопроводу. Это основной элемент газотранспортной системы страны. Он состоит из стальных труб, диаметр которых в пределах 700 – 1420 мм, в нем создается высокое давление, благодаря которому и осуществляется движение.
Давление может достигать 11,8 МПа, а пропускная способность до 35 млрд м 3 топлива в год. Магистральный трубопровод может быть подземный, наземный и подводный. Глубина залегания зависит от рельефа местности, но в большинстве случаев не превышает одного метра.
Следующим звеном в транспортной системе являются распределительные станции ГРС. Их основное предназначение снизить давление и провести одоризацию, а в некоторых случаях провести дополнительную очистку и осушку топлива.
Далее, топливо направляется к конечным потребителям. Здесь происходит дальнейшее снижение давления, в зависимости от конкретного потребителя:
Многоэтажные жилые дома и крупные промышленные предприятия оборудованы внутренним газопроводом, который осуществляет подачу топлива непосредственно к газоиспользующему оборудованию.
Видео: Газ России
Природный газ: свойства, способы добычи и производства
Природный газ представляет собой газообразную смесь углеводородов естественного происхождения, находящую широкое применение в качестве горючего.
Способы добычи
Так как природный газ (очень часто его также называют голубым топливом) залегает на достаточно большой глубине под землёй: 1-6 км, то для его добычи требуется выполнение целого ряда инженерно-технических мероприятий.
Под естественным давлением
В земных недрах, газ располагается в пустотах, соединённых между собой трещинам. Причём находится он там под очень высоким давлением, значительно превышающим давление атмосферы на поверхности земли.
В результате бурения скважины (для выравнивания давления и увеличения потока, обычно бурят несколько равномерно расположенных скважин на территории месторождения), выкладываемой затем обсадными трубами, залитыми снаружи цементом, возникает естественная тяга. Тем самым ценнейшее природное топливо выходит наружу, где подвергается очистке и дальнейшей поставке потребителям.
Из угледобывающих шахт
С развитием прогресса, специалисты ищут возможности не только нейтрализовать некоторые опасные вредные производственные факторы, но и употреблять их для практической пользы.
Однако столь ценное топливо гораздо лучше утилизировать и применять по прямому назначению, что и было осуществлено двумя следующими способами:
Метод добычи метана из угольных шахт нашёл широкое применение в США.
Гидроразрыв
Способ, с помощью которого добытчики голубого топлива пытаются в значительной степени увеличить производительность скважин. Путём открытия доступа к неосвоенным или недостаточно освоенным участкам залежей в месте уже организованной добычи. Внутрь существующей скважины под высоким давлением поступает вода, песок, химикалии. Это приводит к гидравлическому разрыву пласта, сопровождающемуся бурным выходом природного газа.
Несмотря на свою высокую эффективность, данный метод вызывает сейсмическую активность, сильнейшее загрязнение почвенных вод, выход из-под земли вредных газов, повышение радиоактивности. Неудивительно, поэтому его запрещение на территории ряда государств мира.
Под водой
Огромные запасы голубого топлива расположены в прибрежных зонах морей и океанов. Хотя данный метод и требует строительства очень дорогих гравитационных платформ с развитой инфраструктурой, тем не менее, способ находит всё более широкое распространение.
Более того, осваивается добыча газа вообще без строительства надводных сооружений: напрямую от подводных установок к береговому комплексу. Примером может служить Киринское месторождение на шельфе острова Сахалин, запущенное несколько лет назад в эксплуатацию. Столь удачная уникальная разработка даёт возможность освоения подводных месторождений находящихся под толщей льда.
Если же залежи природного газа располагаются вблизи берегов, то уместным становится наклонное бурение, начатое на суше.
Газ, получаемый промышленными методами
Помимо естественных способов получения газообразного топлива, существуют и искусственные. В основе газов, получаемых промышленными методами, лежат природные углеводороды. Не удивительно, что свои названия они получили от исходных материалов, представляющих собой жидкое или твёрдое топливо:
Процессы переработки
Вспомогательные
Сепарация
Первоначальное нахождение природного газа в естественной природной среде приводит к загрязнению его разнообразными жидкостями и твёрдыми механическими образованиями. Понятно, что в таком виде он не пригоден для транспортировки и дальнейшего использования.
Для очистки голубого топлива используется сепарация, то есть разделение исходной массы на газообразную, жидкую и твёрдую составляющие с последующим удалением жидкости и твёрдых частиц. В основе физики этого процесса лежит силовое воздействие гравитации или инерции на движущиеся среды, обладающие различным удельным весом.
Абсорбционная сушка
Суть абсорбционной осушки природного газа заключается в использовании некоторых жидкостей (сорбентов) для поглощения находящейся в нём влаги. В качестве таких поглотителей используют гликоли (в России наибольшее распространение получил диэтиленгликоль – ДЭГ). Как правило, гликоли не токсичны, стабильны в своём использовании, не отказывают какого-либо вредного воздействия на само очищаемое вещество и обладают возможностью достаточного простой технологической схемы восстановления.
Внутри сосуда-абсорбера происходит противоток газа (движется вверх) и абсорбента (стекает вниз), в результате которого голубое топливо осушается, а впитавший в себя влагу абсорбент выходит из цилиндра и отправляется на регенерацию.
Основные
Выделения кислых компонентов
Находящийся в естественном состоянии природный газ подвержен всякого рода загрязнениям. В их числе: углекислый газ, сероводород, угарный газ, сернистый газ. Эти примеси провоцируют коррозию, а также снижают энергетические качества углеводородного топлива.
Для выделения кислых компонентов применяют сухие и мокрые способы. В первом способе используются:
Во втором случае применяются:
Принцип очистки основывается на различной степени растворимости веществ в составе природного газа.
Разделение углеводородных газов на фракции
Разделение газов производится с целью получения целого набора компонентов: редких газов, лёгких углеводородов, топливных газов, сырья для изготовления продукции химической отрасли. Осуществляют данный процесс в местах добычи или на промышленных предприятиях. В основу технологии разделения положены следующие физико-химические процессы:
Современные газофракционирующие установки позволяют полностью автоматизировать процессы разделения с целью получения точного сырья должной степени концентрации.
Хранение и транспортировка
Хранение природного газа производится:
Транспортировку газа осуществляют в основном газопроводами, а также автотранспортом в цистернах или баллонах. В случае наличия удобных водных путей – пользуются танкерами.
Сфера применения
В основе всемирного глобального использования природного газа лежат две уникальные особенности этого набора углеводородов: выделение значительного количества тепла при сгорании – голубое топливо, возможность транспортировки на значительные расстояния гигантских объёмов при незначительных текущих затратах. Он также применяется в качестве сырья для получения целого набора веществ, употребляемых в химической отрасли.
Месторождения в России и мире
Пятёрку «супергигантских» мировых месторождений возглавляют:
Также крупнейшие месторождения (до 5 трлн. м 3 ) имеются на территориях Алжира, Нидерландов, Казахстана и Азербайджана.
Мировые запасы
Страны, добывающие газ
Крупнейшими странами по добыче природного газа на начало 2020 года являлись:
Выход в последние годы на первое место Соединённых Штатов можно объяснить политической конъюнктурой современности и сланцевой революцией. Однако сколь долго продлится такое соотношение объёмов газодобычи, покажет самое ближайшее будущее.
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:
Доказано, что большое количество углеводородов находится в мантии Земли, но в настоящее время, ввиду технической недоступности, они не представляют практического интереса.
Химический состав природного газа
Помимо углеводородной составляющей, природный газ может содержать неорганические газообразные соединения:
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.
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.
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.
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.