Природный газ это полезное ископаемое или нет
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:
- Газовые залежи в пластах некоторых горных пород. Залежи газообразных углеводородов как правило сосредоточены на глубине от 1000 м. Вопреки распространенному мнению, газ в таких залежах находится не в объемных пустотах, а преимущественно в мелких трещинах, микроскопических порах и каналах горных пород, например, песчаника. В составе такого газа преобладают низшие алканы: метан и этан. Крупнейшие запасы природного газа сосредоточены в России (Уренгойское месторождение), большинстве стран Персидского залива, США и Канаде.
- Газовые шапки над нефтью и растворенный в нефти газ. Такие газообразные скопления называют Попутный нефтяной газ (ПНГ). В отличие «традиционного» природного газа, ПНГ в своем составе помимо метана и этана содержит значительное количество пропана, бутана и других более тяжелых углеводородов.
- Газогидратные залежи. Газовые гидраты – это кристаллические соединения, которые образованы путем растворения газообразных углевоородов в пластовой воде при определенных термодинамических условиях – высоких давлениях и относительно низких температурах. 1 объем воды при переходе в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа. Такая форма накопления природного газа была открыта во второй половине 20-го века. Газогидратные залежи находятся преимущественно в районах распространения многолетней мерзлоты, а также на относительно небольшой глубине под океанических дном.
Доказано, что большое количество углеводородов находится в мантии Земли, но в настоящее время, ввиду технической недоступности, они не представляют практического интереса.
Помимо залежей газа в недрах планеты, необходимо упомянуть, что углеводороды встречаются и в космосе. В частности, метан является третьим по распространенности газом во Вселенной после водорода и гелия. В форме метанового льда он входит в структуру планет и других космических тел. Однако такие образования не относят к залежам природного газа и при настоящем уровне развития технологий не могут быть извлечены.
Химический состав природного газа
Пространственная модель молекулы метана
Основным компонентом природного газа является метан (CH4) – его содержание варьируется в диапазоне 70 – 98%. Кроме него в состав могут входить более тяжелые насыщенные углеводороды – гомологи метана:
- этан
- пропан
- бутан
Помимо углеводородной составляющей, природный газ может содержать неорганические газообразные соединения:
- водород
- сероводород
- углекислый газ
- азот
- инертные газы (преимущественно гелий)
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.
Природный газ бесцветен и не имеет запаха, за исключением случаев повышенного содержания в его составе сероводорода. В связи с этим, для облегчения обнаружения утечек газа, к нему в небольших концентрациях добавляют специальные одоранты – вещества с резким неприятным запахом. В качестве одорантов преимущественно используются серосодержащие соединения, например, тиолы (меркаптаны). Стандартная концентрация таких добавок составляет 16 г на 1000 м3. Однако человек способен уловить присутствие одного из самых распространенных одорантов – этилмеркаптана, даже при его концентрации в воздухе 2*10-6 % по объему.
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.
Согласно отчету BP в 2017 год мировая добыча природного газа составила 3680 млрд м3. Лидером по добыче стала США – 734,5 млрд м3, или 20% от общего мирового показателя. Россия заняла вторую строчку с 635,6 млрд м3.
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.
Газопровод
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.
Конечно, сами по себе выбросы большого количества углекислого газа в атмосферу не безопасны. По мнению некоторых ученых, они могут привести к возникновению парникового эффекта, и как следствие, – к существенному потеплению климата. Однако стоит отметить, что и в этом отношении природный газ выигрывает – эмиссия CO2 при его сжигании существенно ниже, чем у нефтяного топлива.
Природный газ – полезное ископаемое группы осадочных горных пород, которое являет собой смесь газов.
Этот ресурс возник в результате разложения органических веществ в недрах Земли. Экологи признают природный газ самым чистым видом органического топлива.
Характеристики и виды природного газа
Характеристика природного газа зависит от его состава. Он легче воздуха в 1,8 раза, температура самовозгорания 650°C. Сухой газ имеет плотность от 0,68 кг/м3 до 0,85 кг/м3, а жидкий 400 кг/м3. Смесь газа с воздухом от 5% до 15% объёма – является взрывоопасной. Удельная теплота сгорания от 8-12 квт-ч/м3. При использовании природного газа в двигателях внутреннего сгорания октановое число равняется от 120 до 130.
Большая часть природного газа – это смесь газоподобных углеводородов. Основную часть составляет метан (СН4- до 98%), а также тяжелые углеводороды – этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10. В состав входят и другие неуглеродные вещества: водород Н2, сероводород Н2S, диоксид углерода СО2, азот N2, гелий Не.
В чистом виде природный газ не имеет ни цвета, ни запаха. Для облегчения определения места утечки, к нему подмешивают одоранты, вещества с неприятным запахом.
Виды природного газа:
- сжиженный (СУГ);
- болотный;
- нефтяной;
- угольный;
- газовые гидраты;
- сланцевый;
- светильный;
- коксовый;
- компримированный или сжатый (КПГ);
- попутный нефтяной;
- по ярусам и подъярусам земляного пласта мелового периода, откуда он добывается сегодня – туронский, сеноманский, валанжинский, ачимовский.
Месторождение природного газа
В основном, залежи природного газа находятся в осадочной оболочке земной коры. Огромными запасами природного газа владеет Россия (Уренгойское месторождение), в Европе – Норвегия, Нидерланды, большинство стран Персидского залива, Иран, Канада, США, большие залежи есть в Азербайджане, Узбекистане, Туркмении и Казахстане. Газовые гидраты в огромном количестве присутствуют на большой глубине под морским дном, также и под землей.
Добыча природного газа
Перед проведением добычи, сначала проводят разведку – гравитациоанную, магнитную, сейсмическую или геохимическую. Однако единственный достоверный способ выяснить, есть ли под вами запас газа, – бурение скважины. Природный газ находится на глубине от одного километра. В недрах Земли газ находится в микроскопических порах, которые соединены между собой каналами – трещинами, по них под высоким давлением этот важный ресурс проникает в поры более низкого давления до тех пор, пока не окажется внутри скважин. Все это осуществляется в соответствии с законом Дарси – фильтрации газов и жидкостей в пористой среде. Газ выходит из недр в результате того, что в скважинах он находится под давлением, что в несколько раз превышает атмосферное.
Газ добывают с помощью скважин, которые равномерно распределяют по всей площади месторождения. Это делается для равномерного падения пластового давления в залежи. Добытый газ подготавливают к транспортировке. Транспортируют газ трубопроводами, специальными танкерами-газовозами, железнодорожными цистернами.
Использование природного газа
Природный газ используют как высокоэкономичное топливо для электростанций, для цементной и стеклянной промышленности, черной и цветной металлургии, производства стройматериалов, получения различных органических соединений. Этот важный ресурс используется для и для коммунально-бытовых нужд. Источник энергии для мегаполисов, моторное топливо, краска, клей, уксус, аммиак – все это мы имеем благодаря природному газу.
Природный газ (Natural gas) – смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ – катагенетического преобразования органического вещества осадочных горных пород.
Природный газ относится к полезным ископаемым.
Газ – это энергоресурс: 1 млрд м3 газа = 10,46 ТВт*час электроэнергии.
Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится:
- в газообразном состоянии – в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений,
- в растворенном состоянии в нефти или воде.
При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии.
В определенных термодинамических условиях: гидростатическое давление (до 250 атм) и сравнительно низкая температура (до 295°К), соединяясь с пластовой водой, может переходить в земной коре в твердое ( кристаллическое ) состояние и образовывать естественные газогидратные залежи ( газовые гидраты).
Газогидратные залежи обладают более высокой концентрацией газа в единице объема пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как 1 объем воды при переходе ее в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа.
Состав природного газа
Основную часть – метан (CH4) – 92 – 98 %.
В состав природного газа могут также входить более тяжелые углеводороды – гомологи метана:
- этан (C2H6),
- пропан (C3H8),
- бутан (C4H10).
а также другие неуглеводородные вещества:
- водород (H2),
- сероводород (H2S),
- диоксид углерода (СО2),
- азот (N2),
- гелий (Не).
В зависимости от содержания метана выделяются 2 основные группы природного газа:
- группы H (высококалорийный газ) – с высоким содержанием метана (от 87% до 99%), самый высококачественный.
- группы L (низкокалорийный газ) – характеризуется менее высоким содержанием метана – от 80% до 87%. Чистый природный газ не имеет цвета и запаха.
Многие газовые месторождения, залегающие на глубине не более 1,5 км, состоят из метана с небольшими примесями его гомологов (этапа, пропана, бутана), азота, аргона, иногда углекислого газа и сероводорода, но с глубиной содержание гомологов метана обычно растет.
В газоконденсатных месторождениях (ГКМ) содержание гомологов метана значительно выше, чем метана.
Больше гомологов метана и у нефтяных попутных газов (ПНГ).
В отдельных газовых месторождениях наблюдается повышенное содержание углекислого газа CO2, сероводорода H2S и азота.
Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ – Одорантов.
Одорант (Odorant) специально выбирают с сильным неприятным запахом (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан (16 г / 1000 м3 природного газа).
Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.
Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано другое):
Плотность природного газа:
- от 0,68 до 0,85 кг/м³ относительно воздуха (сухой газообразный);
- 400 кг/м³ (жидкий).
Температура самовозгорания: 650 °C;
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 5 % до 15 % объёмных;
Удельная теплота сгорания: 28-46 МДж/м³ (6,7-11,0 Мкал/м³);
Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120-130.
Легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.
Месторождения
В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа.
Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов.
Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при бо́льших температурах и давлении, чем нефть.
С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.
Промышленные месторождения газов природных горючих встречаются в виде:
- обособленных скоплений, не связанных с каким-либо др. полезным ископаемым;
- в виде газонефтяных месторождений, в которых газообразные углеводороды полностью или частично растворены в нефти или находятся в свободном состоянии и заполняют повышенную часть залежи (газовые шапки) или верхние части сообщающихся между собой горизонтов газонефтяной свиты;
- в виде ГКМ, в которых газ обогащен жидкими, преимущественно низкокипящими углеводородами.
Природный газ находится в земле на глубине от 1000 метров до нескольких километров в отложениях всех геологических систем, начиная с конца протерозоя и на различных глубинах, но чаще всего до 3 км.
Газовые залежи по особенностям их строения разделяются на 2 группы:
- пластовые – где скопления газа приурочены к определенным пластам-коллекторам;
- массивные – не подчиняются в своей локализации определенным пластам
Среди пластовых наиболее распространены сводовые залежи, сохраняемые мощной глинистой или галогенной покрышкой.
Подземными природными резервуарами служат:
- для 85% газовых месторождений и ГКМ – песчаные, песчано-алевритовые и алевритовые породы, нередко переслоенные глинами;
- в 15% случаев – карбонатные породы.
Месторождение – это несколько залежей, подчиненных единой геологической структуре.
Залежи формируются в природных ловушках на путях миграции газа.
Миграция происходит в результате:
- статической или динамической нагрузки горных пород, выжимающих газ,
- при свободной диффузии газа из областей высокого давления в зоны меньшего давления.
Различают миграции:
- внерезервуарная региональная – сквозь мощные толщи пород различной проницаемости по капиллярам, порам, разломам и трещинам,
- внутрирезервуарная локальная – внутри хорошо проницаемых пластов – коллекторов.
Сверхглубокой скважиной недалеко от г. Новый Уренгой получен приток газа с глубины более 6000 метров.
В недрах газ находится в микроскопических пустотах (порах).
Поры соединены между собой микроскопическими каналами – трещинами, по этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением до тех пор, пока не окажется в скважине.
Движение газа в пласте подчиняется определенным законам.
Для разведки газа проводят геологоразведочные работы (ГРР).
Для добычи газа обустраивают нефтегазовый промысел.
Газ добывают из недр земли с помощью скважин.
Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения.
Это делается для равномерного падения пластового давления в залежи.
Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение скважин.
Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное.
Структура месторождений различны для складчатых и платформенных условий.
В складчатых районах выделяются 2 группы структур: связанные с антиклиналями и моноклиналями.
В платформенных районах – 4 группы структур:
- куполовидные и брахиантиклинальные поднятия,
- эрозионные и рифовые массивы,
- моноклинали,
- синклинальные прогибы.
Все газовые месторождения и ГКМ приурочены к определенному газонефтеносному осадочному (осадочно-породному) бассейну, представляющему собой автономные области крупного и длительного погружения в современной структуре земной коры.
Различают 4 группы:
- приуроченные к внутриплатформенным прогибам (например, Мичиганский и Иллинойсский бассейн США, Волго-Уральская НГП РФ);
- приуроченные к прогнутым краевым частям платформ (например, Зап.-Сибирский в РФ);
- контролируемые впадинами возрожденных гор (бассейны Скалистых гор в США, бассейны Ферганской и Таджикской впадин в Таджикистане);
- связанные с предгорными и внутренними впадинами молодых альпийских горных сооружений (Калифорнийский бассейн в США, сахалинский бассейн в РФ).
Огромными запасами природного газа обладают Россия, Иран, большинство стран Персидского залива, США, Канада.
Из европейских стран – Норвегия, Нидерланды.
Среди бывших республик СССР большими запасами газа владеет Туркмения, Азербайджан,Узбекистан а также Казахстан.
Наиболее крупными месторождениями в РФ являются:
- Уренгойское – 4 трлн м3, Заполярное – 1,5 трлн м3, приуроченные к меловым отложениям Западно-Сибирского бассейна,
- Вуктыльское – 750 млрд м3, Оренбургское – 650 млрд м3 -в Волго-Уральской НГП,
- Ставропольское – 220 млрд м3 на Северном Кавказе.
Газли – 445 млрд м3 в Средней Азии;
Шебелинское – 390 млрд м3 на Украине.
США – 8,3 трлн м3, Алжир – 4,0 трлн м3, Иран – 3,1 трлн м3, Нидерланды – 2,3трлн м3;
Крупнейшие месторождения (в трлн м3): в США – Панхандл-Хьюготон -1,96; в Нидерландах – Слохтерен (Гронинген) -1,65; в Алжире – Хасси-Рмель -около 1.
В 2011 г, согласно данным ЦДУ ТЭК РФ, добыча газа в России составила 670,5 млрд м³ /год
Применение.
Газы природные горючие – высокоэкономичное энергетическое фоссильное топливо, теплота сгорания 32,7 Мдж/м3 (7800 ккал/м3) и выше
- применяется как топливо на тепловых электростанциях (ТЭС),
- в чёрной и цветной металлургии,
- цементной и стекольной промышленности,
- при производстве стройматериалов и для коммунально-бытовых нужд,
- для производства метилового спирта, формальдегида, ацетальдегида, уксусной кислоты, ацетона и др. органических соединений,
- конверсией кислородом или водяным паром из метана получают синтез-газ (CO+H2) – сырье для получения аммиака, спиртов и др. органических продуктов,
- пиролизом и дегидрогенизацией метана получают ацетилен, сажу и водород – сырье для синтеза аммиака,
- для получения олефиновых углеводородов: этилена и пропилена – сырья для дальнейшего органического синтеза. Из них производят пластические массы, синтетические каучуки, искусственные волокна и др. продукты.