Газ природный

Природный газ (Natural gas) - смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ - катагенетического преобразования органического вещества осадочных горных пород.

Он не имеет ни цвета, ни запаха.
Легче воздуха в 1,8 раза.
Горюч и взрывоопасен.
При утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Природный газ относится к полезным ископаемым.
Газ - это энергоресурс: 1 млрд м³ газа = 10,46 ТВт·час электроэнергии.
При сжигании 0,083 м³ - 0,125 м³ ( в среднем 0,1 м³) природного газа (в зависимости от состава природного газа и условий его сгорания) образуется 1 кВт·ч тепловой энергии.
Перевод единиц МВт*час в единицы объема для природного газа: 1 МВт·час = 95,3 м³.
Перевод Btu в единицы объема для природного газа: 1000 м³ = 35,8 млн Btu.
Обратный перевод 1 млн Btu = 27,9 м³.

Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится:

• в газообразном состоянии - он широко распространен и содержится в пластах горных пород в недрах земли:
• в виде газовых залежей (отдельных скоплений, заключенных в «ловушке» между осадочными породами),
• в виде газовых шапок в нефтяных месторождениях;
• в растворенном состоянии - в нефти и воде;
  
• в твердом состоянии - в виде газовых гидратов (т.н. «горючий лед») - кристаллических соединений природного газа и воды переменного состава. Газовые гидраты - перспективный источник топлива.

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);
• сравнительно низкая температура (до 295°К),
• соединяясь с пластовой водой, может переходить в земной коре в твердое ( кристаллическое ) состояние.

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.

1 нормальный кубический метр газа (Нм³) - внесистемная единица измерения газа, который в газообразном состоянии занимает 1 м³ при нормальных условиях (давление 760 мм ртутного столба, что соответствует 101325 Па, и температура 0 °С).
В ИЮПАК принято системное понятие «стандартных условий» (давление 105 Па,и 0 °С).

Состав природного газа

Основная 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 м^{3 -}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

Добыча и подготовка

Природный газ добывается на нефтегазопромыслах.
Осушка - 1^я стадия обработки природного газа:

• абсорбция специальными жидкостями (гликолями);
• адсорбция твердыми поглотителями;
  
• дросселирование.
  

Отбираемый газ уносится вместе с содержащейся в пластах водой.
Пары воды в газе усложняют техпроцесс его транспортировки по газопроводам.

Сероочистка

Для очистки природного газа от сероводорода чаще применяют процесс Клауса: SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O.
Сероводород и меркаптаны:

• вызывают коррозию газопроводов,
• обуславливают появление диоксида серы при сжигании газа,
• отравляют катализаторы газохимической переработки.

Применение

Энергоноситель

• 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),

Преимущества природного газа перед нефтью и углем:

• высокая теплотворная способность,
• возможность сетевой ( трубопроводной) или танкерной доставки к любому потребителю;
• отсутствие золы при горении.

Недостатки газа, как энергоносителя:

• наличие соединений серы, которые при горении превращаются в диоксид серы (SO₂);
• горение газа также приводит к образованию СО₂ - парникового газа, который способствует повышению температуры атмосферы;
• горение газа в топках котлов ТЭС при высокой температуре сопровождается окислением азота воздуха, поэтому в дымовых газах ТЭС есть токсичные оксиды азота.

Сырье для газохимии

• 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.