Totul despre gazul natural: compoziție și proprietăți, extracția și utilizarea gazului natural

Datorită eficienței energetice ridicate și ecologicității, gazul natural, alături de petrol, are o importanță primordială. Este utilizat pe scară largă ca și combustibil, și servește, de asemenea, ca materie primă valoroasă pentru industria chimică.

Și deși utilizarea gazului a devenit cotidiană și obișnuită, el rămâne totuși unul complex ca compoziție și destul de periculos – pentru a ajunge în arzătorul aparatului de gaz, acesta parcurge un drum lung și complicat.

În articol vom analiza principalele întrebări legate de gazul natural combustibil – vom vorbi despre compoziția și proprietățile sale, vom descrie etapele de extracție, transport și prelucrare a gazului, domeniile de aplicare ale acestuia. Vom examina concepțiile moderne despre originea rezervelor de hidrocarburi, fapte interesante și ipoteze.

Ce este gazul natural combustibil?

Există opinia că gazul se află în subteran în goluri și se extrage ușor de acolo, pentru care este suficient să forați o sondă. Dar în realitate totul este mult mai complicat: gazul poate fi găsit în interiorul rocii poroase, poate fi dizolvat în apă, hidrocarburi lichide, petrol.

Pentru a înțelege de ce se întâmplă acest lucru, este suficient să ne amintim că cuvântul «gaz» provine din grecescul «haos», care reflectă principiul comportamentului substanței. În stare gazoasă, moleculele se mișcă haotic, încercând să umple uniform tot volumul posibil. Datorită acestui fapt, ele sunt capabile să pătrundă și să se dizolve în alte substanțe, inclusiv în lichide și minerale mai dense. Presiunea ridicată și temperatura intensifică semnificativ procesul de difuzie. Adesea, exact sub forma unui astfel de «cocktail» gazul natural se găsește în subsol.

Dar pentru început, să vorbim despre ce constă gazul și ce reprezintă el – să examinăm compoziția chimică și proprietățile fizice ale gazului natural combustibil.

Particularitățile compoziției chimice

Gazul extras din subsol, numit «natural», este un amestec de diferite gaze.

După compoziție, se împarte în trei grupe de componente:

• combustibili – hidrocarburi;
• necombustibili (balasturi) – azot, dioxid de carbon, oxigen, heliu, vapori de apă;
• impurități dăunătoare – hidrogen sulfurat și mercaptani.

Primul și cel mai important grup reprezintă un set de hidrocarburi din seria metanului (omologi) cu numărul de atomi de carbon de la 1 la 5. Cel mai mare procent din amestec este metanul (de la 70 la 98 %), care are un atom de carbon. Conținutul celorlalte gaze (etan, propan, butan, pentan) variază de la unități la zecimi de procent.

Pentru gazul extras din zăcăminte este caracteristică o concentrație ridicată de metan. În gazul asociat, extras din petrol, proporția de metan este mult mai mică: 30 – 60%, iar cea a omologilor este mai mare: 10 – 20 %.

Pe lângă hidrocarburi, în amestec pot fi prezente cantități mici de substanțe necombustibile: hidrogen sulfurat, azot, dioxid de carbon, monoxid de carbon, hidrogen și altele. Dar, în funcție de zăcământ, proporțiile de hidrocarburi, precum și compoziția altor gaze, pot varia considerabil.

Proprietățile fizice ale gazului

În ceea ce privește proprietățile fizice, metanul CH₄ nu are culoare și miros, este foarte inflamabil. La concentrații în aer de peste 4,5% – este exploziv. Această proprietate, combinată cu lipsa mirosului, reprezintă o amenințare și o problemă majoră. Mai ales în mine, deoarece metanul este absorbit de cărbune.

Despre cauzele exploziei gazului în condiții casnice am scris în acest material.

Pentru a da gazului un miros, în scopul detectării scurgerilor, înainte de transport se adaugă substanțe speciale cu miros neplăcut – odoranți. Cel mai adesea, aceștia sunt compuși care conțin sulf – etantiol sau etilmercaptan. Proporția de impuritate este aleasă astfel încât scurgerea să fie perceptibilă la o concentrație de gaz de 1%.

Principalul avantaj al combustibilului albastru este puterea calorică specifică ridicată – 39 MJ/kg. În același timp, se eliberează substanțe inofensive: apă și dioxid de carbon. Acesta este, de asemenea, un factor important care permite utilizarea metanului în uz casnic.

De unde provine gazul din subsolul pământului?

Deși oamenii au învățat să utilizeze gazul acum peste 200 de ani, până în prezent nu există o opinie unică privind originea gazului în adâncurile pământului.

Teoriile principale privind originea

Există două teorii principale ale originii sale:

• minerală, care explică formarea gazului prin procese de degazare a hidrocarburilor din straturi mai adânci și mai dense ale pământului și ridicarea lor în zone cu presiune mai mică;
• organică (biogenă), conform căreia gazul este un produs al descompunerii resturilor de organisme vii în condiții de presiune ridicată, temperatură și lipsă de aer.

În zăcământ, gazul poate fi sub formă de acumulare separată, calotă de gaz, soluție în petrol sau apă, ori hidrați de gaz. În ultimul caz, zăcămintele se află în roci poroase între straturi impermeabile de argilă. Cel mai adesea, astfel de roci sunt gresii compactate, carbonați, calcare.

Ponderea zăcămintelor de gaze naturale obișnuite este de doar 0,8%. Un procent ușor mai mare revine gazelor de adâncime, de cărbune și de șist – între 1,4 și 1,9%. Cele mai răspândite tipuri de zăcăminte sunt gazele dizolvate în apă și hidrații – în proporții aproximativ egale (câte 46,9%)

Deoarece gazul este mai ușor decât petrolul, iar apa este mai grea, poziția fosilelor în strat este întotdeauna aceeași: gazul deasupra petrolului, iar apa susține de jos întregul zăcământ de petrol și gaze.

Gazul din strat se află sub presiune. Cu cât zăcămintele sunt mai adânci, cu atât presiunea este mai mare. În medie, la fiecare 10 metri, creșterea presiunii este de 0,1 MPa. Există straturi cu presiune anormal de ridicată. De exemplu, în depozitele Acimovskie ale zăcământului Urengoi, aceasta atinge 600 de atmosfere și mai mult la adâncimi de la 3800 la 4500 m.

Fapte interesante și ipoteze

Nu cu mult timp în urmă, se credea că rezervele mondiale de petrol și gaze urmau să se epuizeze deja la începutul secolului XXI. De exemplu, despre aceasta a scris în 1965 reputatul geofizician american Hubbert.

Până în prezent, multe țări continuă să accelereze ritmurile de extracție a gazelor. Nu se observă niciun semn real că rezervele de hidrocarburi se epuizează.

Potrivit opiniei doctorului în științe geologice și mineralogice V.V. Polevanov, astfel de concepții eronate sunt cauzate de faptul că teoria originii organice a petrolului și gazelor este încă general acceptată și domină mințile majorității oamenilor de știință. Deși D.I. Mendeleev a fundamentat teoria originii anorganice profunde a petrolului, iar ulterior aceasta a fost dovedită de Kudryavțev și V.R. Larin.

Dar împotriva originii organice a hidrocarburilor vorbesc multe fapte.

Iată câteva dintre ele:

• au fost descoperite zăcăminte la adâncimi de până la 11 km, în fundamentul cristalin, unde existența materiei organice nu poate fi nici măcar teoretic posibilă;
• cu ajutorul teoriei organice se pot explica doar 10% din rezervele de hidrocarburi, restul de 90% sunt inexplicabile;
• sonda spațială «Cassini» a descoperit în anul 2000 pe satelitul lui Saturn, Titan, resurse gigantice de hidrocarburi sub formă de lacuri, cu câteva ordine de mărime mai mari decât cele terestre.

Ipoteza lansată de Larin a Pământului inițial cu hidruri explică originea hidrocarburilor prin reacția hidrogenului cu carbonul în adâncurile pământului și degazarea ulterioară a metanului.

Conform acesteia, nu există zăcăminte vechi din perioada jurasică. Tot petrolul și gazele s-ar fi putut forma în intervalul de la 1 la 15 mii de ani în urmă. Pe măsură ce sunt extrase, rezervele se pot reîncărca treptat, ceea ce s-a observat în zăcămintele de petrol de mult epuizate și abandonate.

Cum are loc extracția și transportul?

Procesul de extracție a gazelor naturale combustibile începe cu construcția sondelor. În funcție de adâncimea stratului gazifer, adâncimea acestora poate ajunge la 7 km. Pe măsură ce se forează, în sondă se coboară o țeavă (coloană de tubaj). Pentru a preveni ieșirea gazului prin spațiul dintre țeavă și pereții sondei, se realizează cimentarea – umplerea interstițiului cu argilă sau ciment.

La finalizarea construcției, platforma de foraj este îndepărtată și pe capul coloanei de tubaj se instalează o armătură de erupție. Aceasta reprezintă o construcție formată din valve și robinete, servind la extragerea gazului din sondă.

Numărul de sonde poate fi suficient de mare.

Armăturii de erupție îi revin mai multe funcții: menține în stare suspendată în sondă țevile de pompare-compresie, gestionează regimurile de lucru, măsoară parametrii părții exterioare și interioare a sondei.

Întregul ciclu de extracție a gazului natural combustibil are loc în trei etape:

1. Dezvoltarea zăcământului de gaze. În urma forajului se creează o diferență de presiune. Datorită acesteia, gazul se deplasează prin strat spre sonde.
2. Exploatarea sondelor de gaze. În această etapă, gazul parcurge drumul prin coloana de tubaj.
3. Colectarea și pregătirea pentru transport. Gazul din toate armăturile de erupție ajunge la complexele tehnologice speciale de pregătire a gazului (UCPG). Aici are loc uscarea gazului, curățarea de impurități dăunătoare.

Chiar și concentrații minore de hidrogen sulfurat, vapori de apă sau particule solide duc la coroziune rapidă, formarea de hidrat și deteriorări mecanice ale suprafeței interioare a conductei.

Pregătirea finală pentru transport are loc la instalațiile cap de linie. Aceasta include curățarea suplimentară și îndepărtarea condensatului de hidrocarburi, răcirea gazului pentru a-i reduce volumul.

Principalul mod de transport al gazului pe distanțe lungi este gazoductul magistral. Acesta reprezintă un sistem de construcții inginerești complexe, de la conducte până la depozite subterane.

La punctul final al magistralei se află stațiile de distribuție a gazului (GRS). Aici are loc ultima curățare de impuritățile de praf și lichide, reducerea presiunii la nivelul necesar consumatorilor, stabilizarea acesteia, contorizarea consumului de gaz și adăugarea odorantului.

Un alt mod frecvent de transport al metanului sunt transporturile maritime cu nave speciale – gaziere.

Rezervoarele sferice enorme nu vor permite confundarea gazierei cu alte tipuri de nave. Acestea reprezintă termose care mențin temperatura constantă necesară pentru metanul lichid de -163 °C.

Transformarea gazului în stare lichidă se realizează în fabrici speciale de GNL (gaz natural lichefiat). Procesul are loc în două etape: mai întâi metanul se răcește la -50 °C, apoi la -163 °C. În acest timp, volumul său se reduce de 600 de ori.

Prelucrarea și domeniul de aplicare

Inflamabilitatea ridicată a gazului natural determină principala sa utilizare. Acesta este folosit ca combustibil în fabrici, uzine, centrale termoelectrice, cazangerii, instituții, locuințe, obiective agricole și multe altele. Vă recomandăm să consultați regulile de utilizare a gazului în gospodărie.

Extracția și prelucrarea petrolului sunt întotdeauna însoțite de degajarea gazului asociat. În unele cazuri, volumele acestuia pot fi impresionante și pot ajunge până la 300 de metri cubi per metru cub de țiței.

Dar există un număr mare de zăcăminte unde gazele naturale asociate nu sunt utilizate, ci sunt arse în flare. De exemplu, în toată Rusia, se pierd astfel până la 25% din materia primă utilă.

O parte din gazele asociate ajung la fabricile de prelucrare a gazelor. Din ele se obține gaz uscat purificat, care este utilizat pentru încălzire. O altă componentă valoroasă este amestecul de hidrocarburi ușoare.

În schemă este prezentată imaginea generală a procesului de prelucrare a gazelor extrase. Rolul produselor finale pentru industria chimică modernă este greu de supraestimat.

Apoi, acesta este separat în fracții în instalații speciale. Ca rezultat, se obțin hidrocarburi precum propan, butan, izobutan, pentan. Pentru a reduce volumul, a facilita transportul și depozitarea, acestea sunt lichifiate.

Reechiparea automobilelor pe gaz se amortizează rapid și oferă o economie considerabilă de fonduri. Extinderea rețelei de benzinării cu gaz contribuie la creșterea parcului auto cu echipament GPL. Nu numai șoferii câștigă, ci și pietonii, care nu mai sunt nevoiți să respire noxele dăunătoare.

Propanul și butanul se utilizează pentru încălzirea locuințelor cu gaz în butelii sau pentru automobile. Dar cea mai mare parte ajunge la prelucrarea ulterioară în instalații petrochimice.

Prin încălzire la temperatură înaltă (piroliză), din ele se obține materia primă principală pentru toate materialele sintetice – monomerii: etilenă, propilenă, butadienă. Sub acțiunea catalizatorilor, aceștia se combină în polimeri. La ieșire se obțin materiale de cea mai mare valoare, precum cauciuc, PVC, polietilenă și multe altele.

Concluzii și material video util pe această temă

În filmul documentar, este explicat în mod accesibil și clar despre gaz:

Acest film educațional este dedicat transportului magistral de gaze:

Încă nu știm totul despre gazele naturale – originea lor continuă să ascundă multe mistere. Rămâne să sperăm că combustibilul albastru este într-adevăr un dar inepuizabil, care va fi suficient atât pentru noi, cât și pentru urmașii noștri.

Ați rămas cu întrebări după ce ați citit materialul expus mai sus? Sau doriți să completați articolul cu observații utile, fapte interesante sau fotografii? Scrieți comentariile dumneavoastră, adresați întrebări, participați la discuție – formularul de feedback este situat mai jos.