Всичко за природния газ: състав и свойства, производство и използване на природния газ

Процес на производство на синьо гориво

Процесът на проучване предшества добива на газ. Това позволява да се определи точният обем и естеството на депозита. Понастоящем се използват няколко метода за проучване.

Гравитационни - основани на изчисляване на масата на скалите. Газоносните слоеве се характеризират с много по-ниска плътност.

Магнитна - отчита магнитната пропускливост на скалата. Аеромагнитното проучване може да се използва за получаване на пълна картина на находищата на дълбочина до 7 километра.

Цел на техниката

Сеизмични - използват се ехото, което се отразява обратно в земните недра. Специални уреди могат да уловят тези ехото.

Геохимични - изследва се съставът на подземните води, за да се определи съдържанието на веществата, съпътстващи газовите находища.

Сондажът е най-ефективният метод, но и най-скъпият от горепосочените. Поради това, преди да бъде използван, той изисква предварително проучване на скалите.

Методи за пробиване на кладенци за за добив на природен газ

След като находището бъде идентифицирано и бъдат оценени предварителните количества газ, започва процесът на добив. Сондажите се прокарват до дълбочината на находището. Кладенецът е изграден като стълба или телескоп (подобно на шпионка), за да се разпредели равномерно налягането на издигащото се синьо гориво.

Кладенецът се укрепва с помощта на обсадна тръба и се циментира. За да се понижи равномерно налягането и да се ускори процесът на добив на газ, в едно находище се пробиват няколко кладенеца едновременно. Газът се движи нагоре по кладенеца по естествен начин - газът се придвижва към зоната с по-ниско налягане.

Тъй като след извличането газът съдържа различни примеси, следващата стъпка е пречистване на газа. За да се осигури този процес, в близост до находищата се изграждат подходящи съоръжения за пречистване и обработка на промишлен газ.

Система за обработка на природен газ

Добив чрез въглищни мини

Въглищните пластове съдържат големи количества метан, чието извличане не само произвежда синьо гориво, но и осигурява безопасната експлоатация на съоръженията за добив на въглища. Този метод се използва в САЩ.

Основни области на използване и преработка на метан

Метод на фрактуриране

При този процес в кладенеца се вкарва вода или въздух. Това води до изместване на газа.

Тази техника може да предизвика сеизмична нестабилност в пукнатинни скални формации и поради това е забранена в някои страни.

Характеристики на подводното производство

За първи път в Русия от Киринското находище се добива газ с помощта на подводен производствен комплекс

Освен на сушата, запасите от газ са налични и под водата. Страната ни разполага с обширни подводни залежи. Подводният добив се извършва с помощта на тежки гравитационни платформи. Те се поставят върху основа, която лежи на морското дъно. Сондажите се пробиват с помощта на колони, поставени върху основата. В платформите се намират резервоари за съхранение на добития газ. След това се транспортира по тръбопровод до сушата.

Платформите осигуряват постоянно присъствие на хората, които поддържат комплекса. Броят на хората може да бъде до 100. Тези съоръжения са оборудвани с автономно електрозахранване, площадка за кацане на хеликоптери и помещения за персонала.

Когато находищата са разположени близо до брега, кладенците се правят косо. Те започват на сушата, а базата им е под морския шелф. Газът се извлича и транспортира в съответствие със стандартните процедури.

Произход на природния газ:

Съществуват две теории за произхода на природния газ: биогенна (органична) и абиогенна (неорганична, минерална).

Биогенната теория за произхода на природния газ е представена за първи път през 1759 г. от М.В. Ломоносов. В далечното геологично минало на Земята мъртвите живи организми (растения и животни) са потъвали на дъното на водохранилищата, образувайки кални утайки. В резултат на различни химични процеси те се разлагат в безвъздушна среда. Вследствие на движенията на земната кора тези остатъци потъват все по-дълбоко и по-дълбоко, където високите температури и високото налягане ги превръщат във въглеводороди: природен газ и нефт. Въглеводородите с ниско молекулно тегло (т.е. самият природен газ) се образуват при по-високи температури и налягания. Въглеводороди с високо молекулно тегло - масло - при по-ниски температури. Въглеводородите проникват в кухини в земната кора, за да образуват залежи от нефт и газ. С течение на времето тези органични седименти и въглеводородни залежи се спускат на дълбочина от един до няколко километра - те са покрити от слоеве седиментни скали или от геоложки движения на земната кора.

Минералната теория за произхода на природния газ и нефта е формулирана през 1877 г. от Д.И. Менделеев. Той изхожда от факта, че въглеводородите могат да се образуват в земните недра при високи температури и налягания в резултат на взаимодействието на прегрята пара и разтопени карбиди на тежки метали (предимно желязо). При химичните реакции се образуват оксиди на желязото и други метали, както и различни въглеводороди в газообразно състояние. В същото време водата навлиза дълбоко в земните недра през пукнатини и разломи в земната кора. Получените в резултат на това въглеводороди, които са в газообразно състояние, на свой ред се издигат през същите пукнатини и разломи до зоната с най-ниско налягане, като в крайна сметка образуват газови и нефтени резервоари. Според Д. И. Менделеев и поддръжниците на хипотезата този процес е постоянен. Следователно намаляването на запасите от въглеводороди под формата на нефт и газ не застрашава човечеството.

Метан

Освен това метанът се среща и във въглищните мини, където представлява сериозна заплаха за миньорите поради взривоопасността си. Метанът е познат и като метанов газ в блатата.

В зависимост от съдържанието на метан и други (тежки) въглеводородни газове от метановия диапазон, газовете се разделят на сухи (бедни) и мазни (богати).

• Сухите газове са предимно метан (до 95-96 %), в който съдържанието на други хомолози (етан, пропан, бутан и пентан) е незначително (части от процента). Те са по-характерни за чисти газови резервоари, където няма източници на обогатяване на тежки компоненти, които са част от нефта.
• Мазните газове са газове с високо съдържание на "тежки" газови съединения. Освен метан те съдържат десетки проценти етан, пропан и съединения с по-високо молекулно тегло до хексан. Мастните смеси са по-характерни за съпътстващите газове, които съпътстват нефтените резервоари.

Горивните газове са обичайни и естествени спътници на нефта в почти всички известни находища, т.е. нефтът и газът са неразделни поради сходния им химичен състав (въглеводород), общия им произход, условията за миграция и натрупване в естествени капани от различен тип.

Изключение прави така нареченото "мъртво" масло. Това са масла, намиращи се близо до повърхността, които са напълно дегазирани чрез изпаряване (изпаряване) не само на газове, но и на леки фракции на самото масло.

Такова масло е известно в Русия в Ухта. Това е тежко, вискозно, окислено, почти нетечащо масло, което се добива чрез неконвенционални методи на добив.

Находищата на чист газ, в които няма нефт, а газът е подложен на пластова вода, са широко разпространени в света. В Русия са открити супергигантски газови находища в Западен Сибир: Уренгойское със запаси от 5 трилиона m3, Ямбургское с 4,4 трилиона m3, Заполярное с 2,5 трилиона m3 и Медвежье с 1,5 трилиона m3.

Най-разпространени обаче са находищата на нефт, газ и нефт и газ. Заедно с нефта газът се среща или в газови шапки, т.е. над нефта, или разтворен в нефта. В този случай той се нарича разтворен газ. По същество нефтът с разтворен в него газ е като газирана напитка. При високо пластово налягане в нефта се разтварят значителни количества газ, а когато налягането спадне до атмосферното по време на добива, нефтът се дегазира, т.е. газът бързо се освобождава от сместа газ-нефт. Този газ се нарича асоцииран газ.

Естествени спътници на въглеводородите са въглеродният диоксид, сероводородът, азотът и инертните газове (хелий, аргон, криптон и ксенон), които присъстват като примеси.

Транспорт

Подготовка на газ за транспортиране

Въпреки че в някои находища газът е с много високо качество, като цяло природният газ не е готов продукт. В допълнение към съдържанието на целевите компоненти (а целевите компоненти могат да варират в зависимост от крайния потребител), газът съдържа примеси, които затрудняват транспортирането и са нежелателни за приложението.

Например водните пари могат да кондензират и да се натрупват в различни части на тръбопровода, най-често в завоите, като по този начин възпрепятстват движението на газа. Сероводородът е силен корозионен агент, който уврежда тръбопроводите, оборудването за съвместно разполагане и резервоарите за съхранение.

Поради това газът се обработва в газопреработвателно предприятие (ГПД), преди да бъде изпратен към магистралния газопровод или нефтохимическия завод.

Първият етап от обработката е отстраняване на нежеланите примеси и изсушаване. След това газът се компресира до необходимото за обработката налягане. Традиционно природният газ се компресира до 200-250 бара, което намалява обема му 200-250 пъти.

След това следва етапът на стрипинг: в специални инсталации газът се разделя на нестабилен бензин и стрипинг газ. Именно отделеният газ се изпраща към магистралните тръбопроводи и нефтохимическите заводи.

Нестабилният бензин се подава към инсталации за фракциониране на газ, където се превръща в леки въглеводороди: етан, пропан, бутан, пентан. Тези вещества са и ценни суровини, особено за производството на полимери. А сместа от бутан и пропан е краен продукт, който се използва по-специално като гориво за бита.

Газопровод

Основният начин за транспортиране на природен газ е чрез тръбопроводи.

Стандартният диаметър на газопровода е 1,42 метра. Газът в тръбопровода се изпомпва при налягане 75 атм. По време на движението си през тръбата газът, преодолявайки силите на триене, постепенно губи енергия, която се разсейва под формата на топлина. По тази причина на равни интервали по протежение на тръбопровода се изграждат специални компресорни станции. Тук газът се нагнетява и охлажда до необходимото налягане.

За доставка директно до потребителя от главния газопровод се отклоняват тръби с по-малък диаметър - газоразпределителни мрежи.

Газопроводът

Транспортиране на втечнен природен газ

Какво да кажем за труднодостъпните райони, които са отдалечени от главните газопроводи? До тези региони транспортираме газа в течно състояние (LNG) в специални криогенни цистерни по море и по суша.

По море втечненият газ се транспортира с танкери за втечнен природен газ (ВПГ) - кораби, оборудвани с изотермични резервоари.

Втечненият природен газ се транспортира и по суша, както с железопътен, така и с автомобилен транспорт. За тази цел се използват специални резервоари с двойни стени, които могат да поддържат необходимата температура за определен период от време.

Откъде идва газът в земята?

Въпреки че хората са се научили да използват газ преди повече от 200 години, досега няма консенсус за това откъде идва газът в земните недра.

Основните теории за неговия произход

Съществуват две основни теории за неговия произход:

• Минерал, който обяснява образуването на газ чрез процеси на дегазация на въглеводороди от по-дълбоки и плътни земни пластове и издигането им в зони с по-ниско налягане;
• Органичен (биогенен), според който газът е продукт от разлагането на останки от живи организми в условия на високо налягане, температура и липса на въздух.

В дадено находище газът може да бъде под формата на единично натрупване, газова шапка, разтвор в нефт или вода или газови хидрати. В последния случай находищата се намират в порести скали между газонепропускливи глинени слоеве. Тези скали обикновено са уплътнени пясъчници, карбонати или варовици.

Делът на конвенционалните газови находища е едва 0,8%. Малко по-висок е делът на дълбочинния, въглищния и шистовия газ - от 1,4 % до 1,9 %. Най-често срещаните видове резервоари са водоразтворими газове и хидрати - в приблизително еднакво съотношение (по 46,9 %).

Тъй като газът е по-лек от нефта, а водата е по-тежка, позицията на вкаменелостите в резервоара е винаги една и съща: газът е върху нефта, а водата поддържа цялото находище на нефт и газ на дъното.

Газът в резервоара е под налягане. Колкото по-дълбок е резервоарът, толкова по-висока е тя. На всеки 10 метра налягането се увеличава средно с 0,1 MPa. Съществуват слоеве с необичайно високо налягане. Например в Ачимовските залежи на Уренгойското находище тя достига 600 атмосфери или повече на дълбочина от 3800 до 4500 метра.

Интересни факти и хипотези

Неотдавна се смяташе, че световните запаси от нефт и газ ще бъдат изчерпани още в началото на XXI век. Така например авторитетният американски геофизик Хъбърт пише за това през 1965 г.

Досега много страни продължиха да увеличават темповете на добив на газ. Няма реални признаци за изчерпване на запасите от въглеводороди

По мнението на В.В. Полеванов, доктор на геолого-минералогичните науки. Полеванов, тези погрешни схващания се дължат на факта, че теорията за органичния произход на нефта и газа все още е общоприета и заема място в съзнанието на повечето учени. Въпреки че Д. И. Менделеев обосновава теорията за неорганичния дълбок произход на нефта, а след това тя е доказана от Кудрявцев и В. Р. Ларин.

Много факти обаче говорят против органичния произход на въглеводородите.

Ето някои от тях:

• Находища са открити на дълбочина до 11 км, в кристални основи, където съществуването на органични вещества не е възможно дори теоретично;
• само 10 % от запасите на въглеводороди могат да бъдат обяснени чрез органичната теория, а останалите 90 % не са обяснени;
• през 2000 г. космическата сонда "Касини" откри на спътника на Сатурн Титан гигантски въглеводородни ресурси под формата на езера, които са с няколко порядъка по-големи от тези на Земята.

Първоначалната хипотеза за хидридната Земя, издигната от Ларин, обяснява произхода на въглеводородите с реакцията на водорода с въглерода в дълбините на Земята и последващото изпарение на метан.

Според него няма древни юрски залежи. Всички нефт и газ може да са се образували преди 1000-15 000 години. Запасите могат постепенно да се попълват, докато се изземват, както се наблюдава в отдавна изчерпани и изоставени петролни находища.

Класификация и свойства

Природният газ се разделя на 3 основни категории. Те се описват със следните характеристики:

1. Изключва наличието на въглеводороди с повече от 2 въглеродни съединения. Те се наричат сух газ и се добиват само от места, които са предназначени за добив.
2. Добива се заедно с първична суровина, втечнен и сух газ и смесен газообразен бензин.
3. Налице е голямо количество тежки въглеводороди и сух газ. Съществува и малък процент примеси. Добива се от газокондензатни находища.

За природния газ се казва, че е със смесен състав, в който има няколко подвида на веществото. Това е причината да няма точна формула за компонента. Най-важният от тях е метанът, който съставлява повече от 90%. Той е най-устойчив на температура. Той е по-лек от въздуха и слабо разтворим във вода. При горене на открито се образува син пламък. Мощна експлозия се получава, когато метанът се комбинира с въздух в съотношение 1:10. Ако човек вдиша висока концентрация на този елемент, здравето му може да бъде увредено.

Използва се като суровина и като промишлено гориво. Той се използва активно и за производството на нитрометан, мравчена киселина, фреони и водород. При разлагането на въглеводородните връзки под въздействието на тока и температурата се получава ацетилен, който се използва в промишлеността. При окислението на амоняка с метан се получава циановодородна киселина.

Природният газ се състои от следните компоненти:

1. Етанът е газообразно вещество, което няма цвят. Когато се изгори, той излъчва малко светлина. Той е практически неразтворим във вода, но може да бъде разтворен в алкохол в съотношение 3:2. Той не се използва като гориво. Основната му употреба е за производство на етилен.
2. Пропанът е добре използвано гориво, което не се разтваря във вода. При горене тя отделя много топлина.
3. Бутан - със специфична миризма, ниска токсичност. Отрицателно въздействие върху човешкото здраве: може да засегне нервната система, да причини аритмия и асфиксия.
4. Азотът може да се използва за поддържане на подходящо налягане в сондажите. За да се получи този елемент, въздухът трябва да бъде втечнен и отделен чрез дестилация. Той се използва за производство на амоняк.
5. Въглеродният диоксид е съединение, което може да се превърне в газообразна форма от твърдо състояние при атмосферно налягане. Той се съдържа във въздуха и в минералните извори, а също така се отделя при дишането на живите същества. Той е хранителна добавка.
6. Сероводородът е доста токсичен елемент. Той може да има неблагоприятно въздействие върху нервната система. Мирише на развалени яйца, има сладък вкус и е безцветен. Той е силно разтворим в етанол. Той не реагира с вода. Той е необходим за производството на сулфити, сярна киселина и сяра.
7. Хелият се смята за уникален. Той може да се натрупва в земната кора. Получава се чрез замразяване на газовете, от които се състои. В газообразно състояние той не проявява никакви външни признаци, докато в течно състояние може да атакува жива тъкан. Той не може да експлодира и да се запали. Ако обаче във въздуха има голяма концентрация, тя може да доведе до задушаване. Използва се за пълнене на дирижабли и балони, както и при работа върху метални повърхности.
8. Аргонът е газ, който няма външни характеристики. Използва се при рязане и заваряване на метални части, както и за увеличаване на срока на годност на хранителни продукти (водата и въздухът се изтласкват благодарение на това вещество).

Физическите свойства на природния газ са следните: температура на самозапалване 650 градуса по Целзий, плътност на природния газ 0,68-0,85 (в газообразно състояние) и 400 kg/m3 (в течно състояние). При смесване с въздух концентрации от 4,4-17% се считат за експлозивни. Октановото число на изкопаемите горива е 120-130. Тя се изчислява въз основа на съотношението между запалимите и трудно окисляемите компоненти в компресията. Топлинната стойност е около 12 хил. калории на 1 кубичен метър. Топлопроводимостта на газа и нефта е еднаква.

Ако се добави въздух, природният източник може да се възпламени бързо. В домашни условия тя се издига до тавана. Оттук започва запалването. Това се дължи на лекотата на метана. От друга страна, въздухът е около два пъти по-тежък от елемента.

Начини за преработка на природен газ

Природният газ не трябва да се пречиства, преди да се подаде към главния тръбопровод, което е предимство в сравнение със суровия петрол (който трябва да се пречиства, преди да се подаде към тръбопровода), което води до значителни икономии на транспортни разходи.

Преди да се получи окончателният химически и производствен състав, газовата смес се преработва в предприятия на химическата промишленост, които в зависимост от използваната технология се разделят на основна и вторична преработка на газ.

Физическа обработка

Този метод се основава на физически и енергийни данни. Добитият изкопаем материал се подлага на дълбока компресия и се разделя на фракции чрез прилагане на високи температури.

По време на прехода от ниски към високи температури суровината се почиства интензивно от примеси. Използването на мощни компресори позволява обработката на газа на място. При изпомпването на газ от нефтоносния пласт се използват маслени помпи, които са сравнително евтини.

Свойства на природния газ

Използване на химични реакции

Химично-каталитичното рециклиране включва процеси, включващи превръщането на метана в синтезиран газ, последвано от рециклиране. Химическият процес включва два метода:

• преобразуване на пара и въглероден диоксид;
• частично окисление.

Последният метод е най-енергоспестяващ и удобен, тъй като скоростта на химичната реакция по време на частичното окисление е доста висока и не е необходимо да се използват допълнителни катализатори.

Използването на високи и ниски температури като инструмент за въздействие върху изкопаемите материали се нарича термохимичен метод за преработка на природен газ. Химически съединения като етилен, пропилен и др. се произвеждат чрез термична обработка на суровината. Трудността на този вид обработка се състои в използването на оборудване, способно да генерира топлина до 11 000 градуса по Целзий, като същевременно увеличава налягането до три атмосфери.

Съвременните технологии за преработка на природен газ използват допълнителен синтез на метан, за да удвоят количеството на произвеждания водород. Водородът е естествена суровина, от която се извлича амонякът, който е материал за производството на азотна киселина, амониеви компоненти, анилин и др.