Allt om naturgas: sammansättning och egenskaper, utvinning och användning av naturgas

Tack vare hög energieffektivitet och miljövänlighet har naturgas, tillsammans med olja, en avgörande betydelse. Den används i stor utsträckning som bränsle och fungerar även som en värdefull råvara för den kemiska industrin.

Och även om användningen av gas har blivit vardaglig och vanlig, förblir den fortfarande en sammansatt och ganska farlig substans – för att nå brännaren i en gasapparat genomgår den en lång och komplicerad väg.

I artikeln kommer vi att gå igenom de viktigaste frågorna relaterade till naturlig brännbar gas – vi talar om dess sammansättning och egenskaper, beskriver stegen för utvinning, transport och bearbetning av gas, dess användningsområden. Vi kommer att titta på moderna uppfattningar om ursprunget av kolvätereserver, intressanta fakta och hypoteser.

Vad är naturlig brännbar gas?

Det finns en uppfattning att gas ligger under marken i håligheter och lätt kan utvinnas därifrån, för vilket det räcker att borra en brunn. Men i verkligheten är allt mycket mer komplicerat: gas kan finnas i poröst berg, kan vara löst i vatten, flytande kolväten, olja.

För att förstå varför detta händer räcker det att komma ihåg att ordet 'gas' kommer från grekiskans 'kaos', vilket återspeglar substansens beteendeprincip. I gasformigt tillstånd rör sig molekyler kaotiskt, och strävar efter att jämnt fylla all möjlig volym. Tack vare detta kan de tränga in i och lösas upp i andra ämnen, inklusive tätare vätskor och mineraler. Högt tryck och temperatur förstärker diffusionsprocessen avsevärt. Ofta finns naturgas i underjorden just i form av en sådan 'cocktail'.

Men för att börja, låt oss tala om vad gasen består av och vad den är – vi tittar på den kemiska sammansättningen och de fysikaliska egenskaperna hos naturlig brännbar gas.

Kemisk sammansättning

Gas som utvinns ur underjorden, vilken kallas 'naturgas', är en blandning av olika gaser.

Sammansättningsmässigt delas den in i tre grupper av komponenter:

• Brännbara – kolväten;
• Icke-brännbara (barlaster) – kväve, koldioxid, syre, helium, vattenånga;
• Skadliga föroreningar – svavelväte och merkaptaner.

Den första och huvudsakliga gruppen består av kolväten i metanserien (homologer) med antal kolatomer från 1 till 5. Den största andelen i blandningen är metan (från 70 till 98 %), som har en kolatom. Innehållet av övriga gaser (etan, propan, butan, pentan) varierar från enheter till tiondelar av en procent.

För gas som utvinns från fyndigheter är hög metankoncentration typisk. I tillhörande gas som utvinns ur olja är metanandelen mycket lägre: 30–60%, medan homologerna är högre: 10–20%.

Förutom kolväten kan obrännbara ämnen förekomma i små mängder: svavelväte, kväve, koldioxid, kolmonoxid, väte med flera. Men beroende på fyndigheten kan proportionerna av kolväten liksom sammansättningen av andra gaser variera avsevärt.

Gasens fysikaliska egenskaper

Metan CH₄ har enligt sina fysikaliska egenskaper ingen färg eller lukt och är mycket brännbar. Vid koncentrationer i luften över 4,5 % är den explosiv. Denna egenskap, i kombination med avsaknad av lukt, utgör ett stort hot och problem. Särskilt i gruvor, eftersom metan absorberas av kol.

Vi har skrivit om orsakerna till gasolyckor i hemmet i detta material.

För att ge gasen lukt, i syfte att upptäcka läckor, tillsätts före transport särskilda ämnen med obehaglig lukt – odoranter. Oftast rör det sig om svavelhaltiga föreningar – etantiol eller etylmerkaptan. Mängden tillsats väljs så att ett läckage känns vid en gaskoncentration på 1%.

Den största fördelen med blått bränsle är det höga specifika värmevärdet – 39 MJ/kg. Samtidigt frigörs ofarliga ämnen: vatten och koldioxid. Detta är också en viktig faktor som gör att metan kan användas i hushåll.

Varifrån kommer gasen i jordens inre?

Även om människor lärde sig att använda gas för mer än 200 år sedan, finns det än idag ingen enighet om var gasen i jordens inre kommer ifrån.

Huvudsakliga teorier om ursprung

Det finns två huvudsakliga teorier om dess ursprung:

• mineralisk, som förklarar gasbildning genom avgasning av kolväten från djupare och tätare jordlager och deras uppstigning till zoner med lägre tryck;
• organisk (biogen), enligt vilken gas är en produkt av nedbrytning av rester från levande organismer under förhållanden med högt tryck, hög temperatur och frånvaro av luft.

I en fyndighet kan gas förekomma som en separat ansamling, gashätta, lösning i olja eller vatten, eller som gashydrater. I det senare fallet finns avlagringarna i porösa bergarter mellan gasogenomsläppliga lerlager. Oftast består sådana bergarter av kompakt sandsten, karbonater, kalksten.

Andelen vanliga gasfält utgör endast 0,8%. En något större andel utgörs av djupgas, kolgas och skiffergas – från 1,4 till 1,9%. De vanligaste fyndighetstyperna är vattenlösta gaser och hydrater – i ungefär lika stora proportioner (vardera 46,9%).

Eftersom gas är lättare än olja och vatten är tyngre, är fossilernas läge i lagret alltid detsamma: gas ovanför olja, och vatten trycker underifrån på hela olje- och gasfältet.

Gasen i lagret står under tryck. Ju djupare fyndigheterna är, desto högre är trycket. I genomsnitt ökar trycket med 0,1 MPa per 10 meter. Det finns lager med abnormt högt tryck. Till exempel i Achimovskijeavlagringarna på Urengojfältet når trycket 600 atmosfärer eller mer på ett djup av 3800 till 4500 m.

Intressanta fakta och hypoteser

Ännu för inte så länge sedan ansågs det att världens olje- och gasreserver skulle vara uttömda redan i början av 2000-talet. Till exempel skrev den auktoritativa amerikanske geofysikern Habbert om detta 1965.

Fram till nu fortsätter många länder att öka takten i gasproduktionen. Inga verkliga tecken på att kolvätereserverna håller på att ta slut har observerats.

Enligt doktor i geologi och mineralogi V.V. Polevanov beror sådana missuppfattningar på att teorin om organiskt ursprung för olja och gas fortfarande är allmänt accepterad och dominerar de flesta forskares tänkande. Trots att D.I. Mendelejev redan tidigare lade grunden för teorin om oorganiskt djupt ursprung för olja, och detta senare bevisades av Kudrjavtsev och V.R. Larin.

Men många fakta talar emot det organiska ursprunget för kolväten.

Här är några av dem:

• fyndigheter har öppnats på djup upp till 11 km, i kristallina berggrunder, där organiskt material inte ens teoretiskt kan förekomma;
• med hjälp av den organiska teorin kan endast 10 % av kolvätereserverna förklaras, de återstående 90 % är oförklarliga;
• Rymdsonden Cassini upptäckte år 2000 på Saturnus måne Titan gigantiska kolväteresurser i form av sjöar, flera storleksordningar större än de jordiska.

Hypotesen som Larin framlade om en ursprungligt hydridjord förklarar kolvätenas ursprung genom reaktion mellan väte och kol i jordens djup och efterföljande avgasning av metan.

Enligt den finns inga gamla fyndigheter från juraperioden. All olja och gas kan ha bildats för mellan 1 och 15 tusen år sedan. I takt med uttag kan reserverna gradvis fyllas på, vilket har observerats på sedan länge uttömda och övergivna oljefält.

Hur går utvinning och transport till?

Processen för utvinning av naturlig brännbar gas börjar med byggandet av brunnar. Beroende på gasförande lagrets läge kan deras djup nå 7 km. Under borrningen sänks ett rör (foderrör) ner i brunnen. För att förhindra gasläckage genom utrymmet mellan röret och brunnsväggarna utförs cementering – fyllning av mellanrummet med lera eller cement.

Efter att konstruktionen är färdig tas borriggen bort och en fontänarmatur installeras på toppen av foderröret. Den består av en konstruktion med ventiler och manöverorgan och används för att utvinna gas från brunnen.

Antalet brunnar kan vara ganska stort.

Fontänarmaturen har flera funktioner: den håller produktionsrören upphängda i brunnen, styr driftlägena och mäter parametrar både inuti och utanför brunnen.

Hela cykeln för utvinning av naturgas sker i tre steg:

1. Utveckling av gasfältet. Genom borrning skapas en tryckskillnad. Detta gör att gasen rör sig genom formationsskiktet mot brunnarna.
2. Drift av gasbrunnar. I detta skede färdas gasen genom foderröret.
3. Insamling och förberedelse för transport. Gas från alla fontänarmaturer samlas in vid särskilda tekniska anläggningar (UGPG). Där torkas gasen och renas från skadliga föroreningar.

Även låga halter av vätesulfid, vattenånga eller fasta partiklar leder till snabb korrosion, hydratbildning och mekaniska skador på rörledningens insida.

Den slutliga förberedelsen för transport sker vid huvudanläggningarna. Den omfattar slutrening och avlägsnande av kolvätekondensat, samt kylning av gasen för att minska dess volym.

Det huvudsakliga transportsättet för gas över långa avstånd är huvudgasledningen. Den består av ett system av komplexa tekniska konstruktioner från själva rörledningarna till underjordiska lagringsanläggningar.

Vid huvudledningens slutpunkt finns gasdistributionsstationer (GDS). Här sker slutrengöring från damm och vätskor, tryckreducering till den nivå som kunderna behöver, tryckstabilisering, gasflödesmätning och tillsats av odorant.

En annan vanlig transportmetod för metan är sjötransport med specialfartyg – gastankfartyg.

De enorma sfäriska tankarna gör att man inte kan förväxla gastankfartyg med andra fartygstyper. De fungerar som termosar som håller en konstant nödvändig temperatur för flytande metan på -163 °C.

Omvandlingen av gas till flytande form sker vid särskilda LNG-anläggningar. Processen går i två steg: först kyls metan till -50 °C, sedan till -163 °C. Därmed minskas volymen 600 gånger.

Bearbetning och användningsområden

Naturgasens höga brännbarhet bestämmer dess huvudsakliga användning. Den används som bränsle i fabriker, industrianläggningar, kraftvärmeverk, panncentraler, institutioner, bostadshus, jordbruksanläggningar och många andra. Vi rekommenderar att du bekantar dig med reglerna för användning av gas i hemmet.

Utvinning och bearbetning av olja åtföljs alltid av utsläpp av associerad gas. I vissa fall kan volymerna vara imponerande och uppgå till upp till 300 kubikmeter per kubikmeter råolja.

Men det finns ett stort antal fält där naturlig associerad gas inte används utan facklas. Till exempel går upp till 25 % av den värdefulla råvaran förlorad på detta sätt i hela Ryssland.

En del av den associerade gasen går till gasbearbetningsanläggningar. Därifrån får man renad torr gas som används för uppvärmning. En annan värdefull beståndsdel är en blandning av lätta kolväten.

Diagrammet visar en översikt över processen för bearbetning av utvunnen gas. Det är svårt att överskatta de slutliga produkternas roll för den moderna kemiska industrin.

Därefter separeras den i fraktioner i speciella anläggningar. Resultatet blir kolväten som propan, butan, isobutan, pentan. För att minska volymen, underlätta transport och lagring kondenseras de.

Ombyggnad av bilar till gas lönar sig snabbt och ger betydande besparingar. Utbyggnaden av gasstationer bidrar till att öka antalet bilar med gasanläggning. Det är inte bara bilförare som vinner, utan även fotgängare som slipper andas in skadliga avgaser.

Propan och butan används för uppvärmning av hus med flaskgas eller för bilar. Men större delen går vidare till vidare bearbetning inom petrokemisk industri.

Genom högtemperaturuppvärmning (pyrolys) får man det viktigaste råmaterialet för alla syntetiska material – monomerer: eten, propen, butadien. Under inverkan av katalysatorer kombineras de till polymerer. Resultatet blir värdefulla material som gummi, PVC, polyeten och många andra.

Slutsatser och användbar video om ämnet

I dokumentärfilmen berättas det tillgängligt och tydligt om gas:

Denna utbildningsfilm handlar om gastransport på huvudledningar:

Vi vet fortfarande långt ifrån allt om naturgas – dess ursprung rymmer fortfarande många gåtor. Det återstår att hoppas att det blå bränslet verkligen är en outtömlig gåva som räcker både för oss och för våra efterkommande.

Har du frågor efter att ha läst materialet ovan? Eller vill du komplettera artikeln med användbara kommentarer, intressanta fakta eller fotografier? Skriv dina kommentarer, ställ frågor, delta i diskussionen – feedbackformuläret finns nedan.