Все о природном газе: состав и свойства, добыча и применение природного газа

Неуглеводородные компоненты попутного нефтяного газа: Ar, H₂, He, N₂, H₂S, водяные пары – H₂O, CO, CO₂ и пр. серосодержащие соединения и инертные газы.

От обычного природного газа ПНГ отличается большим разнообразием и большой долей содержащихся в нем тяжелых углеводородов.

Примерный состав попутного нефтяного газа, извлекаемого из нефтяного месторождения, приведен ниже в таблице.

Состав	% объема*
Метан	45,6
Этан	16,6
Пропан	21,1
Бутан	7,8
Пентан	3,7
Гексан	1,1
Гептан	0,4
Прочие тяжелые углеводороды	3,2
Прочие примеси	0,5

* В таблице приведен один из примеров. Реальный состав добываемого ПНГ из конкретного нефтяного месторождения может существенно отличаться от приведенного примера.

Таким образом, получается, что ПНГ, извлекаемый из нефтяного месторождения в представленном примере, – это жирный (сырой) природный газ.

В газонефтяных и нефтегазоконденсатных месторождениях доля метана значительно больше, а доля тяжелых углеводородов соответственно меньше.

Природный газ — технологичное моторное топливо

Природный газ не образует отложений в топливной системе, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, тем самым снижая трение и уменьшая
износ двигателя.

При сгорании природного газа не образуется твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя

Таким образом использование природного газа в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5-2 раза.

  В таблице ниже приведено несколько фактов о КПГ и СПГ:

«Зеленая химия» побеждает

Химическая индустрия питается нефтью, и с этим связаны ее проблемы.

Во-первых, скачки цен на нефть болезненно отражаются на химической отрасли, во-вторых, химические производства повышают концентрацию углекислого газа в атмосфере, способствуя парниковому эффекту. Возможная альтернатива — замена нефти биомассой, которую биотехнологическими методами превращают в спирт и в другие нужные вещества, например сахара и молочную кислоту

Белки из нефти

Белок — это органическое соединение, ежесекундно образующееся в наших клетках.

Белок производят в том числе и дрожжи, если им дать хорошее питание — ведь для синтеза белка нужны строительные материалы. Обычно дрожжам предлагают углеводы, чтобы наработать кормовой белок для животноводства. А можно ли кормить дрожжи углеводородами — то есть нефтью? В статье рассказано об успешных экспериментах французских исследователей под руководством А.Шампанья. Им впервые в мире удалось реализовать этот процесс на опытной полупромышленной установке и доказать возможность использования полученной дрожжевой биомассы в качестве корма для животных.

Белок из нефти

Биомасса живущих на Земле микроорганизмов значительно больше биомассы всех вместе взятых сельскохозяйственный культур и животных.

Дрожжи, бактерии, водоросли — это практически неисчерпаемый источник белка, который необходим любому живому организму. За сутки микробная клетка, стремительно растущая и размножающаяся, перерабатывает массу питательных веществ, в 30-40 раз превышающую ее собственный вес. Надо толь обеспечить ее питанием. Оказывается, таким питанием могут быть «несъедобные» углеводороды нефти.

Значит, из нефти можно получать белок!

Владимир Григорьевич Шухов

Выдающийся русский инженер-изобретатель, математик в XIX-XX вв.разработал множество самых необходимых в нефтедобыче и нефтепереработке установок и приборов. Его кипучая энергия и талант легли в основу таких оригинальных сооружений, как первая сетчатая гиперболоидная башня-радиомачта и др. Он был первым конструктором, применившим в строительстве зданий металлические каркасы, автором проекта водоснабжения Москвы.

Водородные картриджи

В Институте физической химии РАН придумали химическую основу для картриджа, который заправляется водородом и потом выделяет его, чтобы он давал энергию двигателю. Вещество, содержащее водород — борогидрид натрия, связанный с краун-эфирами; борогидридный анион отдает водород в присутствии спирта, а затем его можно регенерировать.

Вопрос не праздный, ибо запасы природных углеводородов в виде нефти постепенно заканчиваются. А нефть нужна нам не только как топливо, но и как сырье для химической промышленности. Одна из возможных замен — горючие сланцы, содержащие минеральную и органическую фазу. Их запасы на Земле огромны.

Спор ученых

Относительно происхождения природного газа (как, впрочем, и нефти) среди ученых до сих пор не существует единого мнения. Две основные концепции — биогенная и минеральная — утверждают разные причины образования углеводородных полезных ископаемых в недрах Земли.

Минеральная теория

Образование полезных ископаемых в пластах горных пород — часть процесса дегазации Земли. Из-за внутренней динамики Земли углеводороды, находящиеся на больших глубинах, поднимаются в зону наименьшего давления, образуя в результате газовые и нефтяные залежи.

Биогенная теория

Живые организмы, погибшие и опустившиеся на дно водоемов, разлагались в безвоздушном пространстве. Опускаясь все глубже из-за геологических движений, остатки разложившейся органики превратились под воздействием термобарических факторов (температуры и давления) в углеводородные полезные ископаемые, в том числе — в природный газ.

Невидимые поры

Довольно распространено ложное представление о том, что газ находится под землей в неких пустотах, из которых легко полностью извлекается. На самом деле газ может находиться внутри горной породы, имеющей пористую структуру настолько мелкую, что человеческим глазом ее увидеть нельзя. Держа в руках кусок песчаника, извлеченного с огромной глубины, достаточно сложно представить, что внутри заключен природный газ.

Поклонение газу

Человечество знает о существовании природного газа давно. И, хотя уже в IV веке до н. э. в Китае его научились использовать для отопления и освещения, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов. Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, служения в котором проходили вплоть до XIX века.

Кстати, недалеко от храма Атешгях в 1859 году была совершена первая в России попытка (довольно кратковременная) использовать природный газ в промышленных целях — на нефтеперегонном заводе в Баку.

Русская смекалка

Однако до XX века в России природный газ являлся побочным продуктом при добыче нефти и назывался попутным газом. Не существовало даже самих понятий газового или газоконденсатного месторождений. Обнаруживались они случайно, например при бурении артезианских скважин. Однако известен случай, когда во время бурения такой скважины находчивый саратовский купец, увидев вместо воды пламя, построил на этом месте стекольный и кирпичный заводы. Промышленники постепенно начали осознавать, что природный газ может быть крайне полезен.

История российской газовой промышленности начинается в 1811 году. Тогда изобретатель Петр Соболевский создал первую установку для получения искусственного газа — термоламп. Выступив с докладом об этом на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств, по указу Александра I Соболевский был награжден орденом за свое изобретение. А несколькими годами позже, в 1819 году, на Аптекарском острове в Санкт-Петербурге зажглись первые газовые фонари. Таким образом, история газовой промышленности в России началась почти 200 лет назад — в 2011 году у нее был юбилей.

В середине 20-х годов XX века во всем СССР было добыто 227,7 млн кубометров газа. В 2010 году Группой «Газпром» было добыто 508,6 млрд кубометров газа.

Россия занимает первое место в мире по объему запасов природного газа. Доля «Газпрома» в этих запасах составляет около 70%. Таким образом, «Газпром» располагает самыми богатыми в мире запасами природного газа.

С наступлением XX века началось активное развитие российской газовой промышленности: впервые разрабатывались газовые месторождения, утилизировался попутный (нефтяной) газ.

Источники

• https://www.syl.ru/article/468416/fizicheskie-svoystva-prirodnogo-gaza-ispolzovanie-prirodnogo-gaza
• https://sovet-ingenera.com/gaz/standart/prirodnyy-gaz.html
• http://www.gazprominfo.ru/articles/natural-gas/
• https://svarkaipayka.ru/material/zashhitnyie-gazyi/prirodnyiy-gaz-smes-ili-chistoe-veshhestvo.html
• https://petrodigest.ru/info/terms/p-ru-terms/prirodnyj-gaz

Происхождение

Существует две теории происхождения природного газа: биогенная (органическая) теория и абиогенная (неорганическая, минеральная) теория.

Впервые биогенную теорию происхождения природного газа в 1759 году высказал М.В. Ломоносов. В далеком геологическом прошлом Земли погибшие живые организмы (растения и животные) опускались на дно водоемов, образуя илистые осадки. В результате различных химических процессов они разлагались в безвоздушном пространстве.

Высокомолекулярные углеводороды – нефть – при меньших. Углеводороды, проникая в пустоты земной коры, образовывали залежи месторождений нефти и газа. Со временем эти органические отложения и залежи углеводородов уходили глубоко вниз на глубину от одного километра до нескольких километров – их покрывали слои осадочных пород либо под действием геологических движений земной коры.

Минеральную теорию происхождения природного газаи нефти сформулировал в 1877 году Д.И. Менделеев. Он исходил из того, что углеводороды могут образовываться в недрах земли в условиях высоких температур и давлений в результате взаимодействия перегретого пара и расплавленных карбидов тяжелых металлов (в первую очередь железа).

В результате химических реакций образуются окислы железа и других металлов, а также различные углеводороды в газообразном состоянии. При этом вода попадает глубоко в недра Земли по трещинам-разломам в земной коре. Образовавшиеся углеводороды, находясь в газообразном состоянии, в свою очередь по тем же трещинам и разломам поднимаются наверх в зону наименьшего давления, образуя в конечном итоге газовые и нефтяные залежи.

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.

Несмотря на продолжающиеся споры относительно происхождения углеводородов, в научном сообществе выигрывает биогенная теория.

Качество газа как топлива, как энергоносителя зависит от содержания в нем метана. По содержанию в добываемом газе метана и тяжёлых углеводородов различают сухие (бедные, тощие) и жирные (сырые, богатые) газы.

Жирный или сырой газ – природный горючий газ из группы углеводородных, характеризующийся повышенным содержанием (свыше 15 %) тяжелых углеводородов, начиная от пропана C3H8 и выше. Такой состав газов характерен для газоконденсатных и нефтяныхместорождений.

В качестве примера для наглядности ниже в таблице приведен состав сухого и сырого газа.

Состав	Сухой газ*, % объема	Сырой газ*, % объема
Метан	86,3	36,8
Этан	9,6	32,6
Пропан	3,0	21,1
Бутан	1,1	5,8
Пентан	–	3,7

* В таблице приведен один из примеров. Реальный состав газов в добываемом природном газе из конкретного месторождения может существенно отличаться от приведенного примера.

Поэтому для углеводородного состава газов применяется понятие «коэффициент сухости», которое представляет собой отношение процентного содержания метана СН4 к сумме его гомологов (этану С2Н6 и выше).

Классификации залежей газа

Предполагается что полезные ископаемые, в том числе природный газ, образовались в меловую эру. В то время на планете обитали крупные животные, сейчас вымершие. Приверженцы биогенного происхождения считают, что именно с этим связано образование природного газа.

Классифицируются залежи в зависимости от глубины их залегания и времени образования.

Наиболее глубоко расположенные ярусы именуются согласно местности нахождения. Они носят название:

• Сеноманского.
• Валанжинского.
• Туронского.
• Ачимовского.

Залежи газа по ярусам

Туронский слой относительно недавнего происхождения, глубина его залегания около 800 м. Он характеризуется неоднородным составом с большим количеством примесей, снижающих качество сырья.

Россия обладает огромными запасами газа Сеноманского яруса. Глубина месторождений составляет от 1 до 1,8 км. Эта разновидность свободного газа почти не содержит примесей, по большей части, включая метан. Добыча газа в данных условиях не требует его последующей очистки, поэтому наиболее целесообразно, с экономической точки зрения.

Классификация природных газов

Ачимовский слой в настоящее время до конца не изучен. Он отмечается значительным уровнем содержания парафинов. Эти пласты характеризуются высоким внутренним давлением. Добыча газа этой разновидности у нас также осуществляется достаточно широко.

Валанжинский ярус находится на глубине до 3 км и является наиболее глубоким, по сравнению с остальными. Эти запасы сейчас уже истощаются.

Транспортировка газа

В настоящее время основным видом транспорта является трубопровод. Диаметр трубы может достигать 1,4 метра, а давление в системе 75 Атмосфер. Однако в ходе продвижения по магистрали давление теряется, а продукт нагревается. По этой простой причине через определенные промежутки сооружают компрессорные станции. Там повышают давление газа до 55-120 атм и охлаждают. Несмотря на то, что проложить газовую магистраль стоит очень дорого, сегодня – это самый целесообразный метод подачи природного ископаемого на средние и небольшие расстояния. В некоторых случаях применяются газовозы, их еще очень часто называют танкерами. Газ находится в специальных емкостях в сжиженном состоянии. Температура при транспортировке должна быть в диапазоне 150-160 градусов по Цельсию. Данный метод обладает существенным преимуществом, таким как безопасность сжиженного газа.

Хранение добытого природного газа

Для того чтобы хранить добытый природный газ нужны специальные газонепроницаемые, герметичные резервуары. А чтобы газ занимал при хранении и перевозке меньше места, то его сжижают, для этого охлаждают до температуры — 160° С. Такой сжиженный газ хранится в емкостях из специальной стали и прочных алюминиевых сплавов. Стенки делаются двойными, а между стенками устанавливают материал, который плохо проводит тепло, для того чтобы газ не нагревался.

Но наибольшие хранилища природного газа дешевле и удобнее создавать под землей. В таких подземных газохранилищах стенками будут служить непроницаемые пласты горных пород. Для того чтобы такие породы не могли вывалиться и обрушиться, их бетонируют. Есть несколько основных способов хранения под землей сжиженных газов. Хранилище может представлять собой полость — горную выработку, которая расположена очень глубоко. Также хранилищем может быть котлован или яма, закрытая герметичной крышкой из металла.

Подземные газовые хранилища бывают двух видов: в полостях горных пород и в пористых породах. К первому виду относятся такие хранилища, которые созданы в старых туннелях, заброшенных шахтах, в пещерах, в специальных горных выработках, сооруженных в плотных горных породах (гранитах, известняках, каменной соли, глине). В полостях горных пород хранятся газы, в основном, в сжиженном состоянии. Чаще всего это бутан, пропан и их смеси. Ко второму виду относятся хранилища в истощённых газовых и нефтяных месторождениях, в водоносных пластах. В них обычно природный газ хранится в газообразном состоянии.

Самыми удобными и дешевыми газохранилищами являются такие, которые созданы в истощённых газовых и нефтяных залежах. Чтобы использовать такие ёмкости под хранилища, необходимо устанавливать дополнительное оборудование, прокладывать необходимые коммуникации, ремонтировать скважины. В тех местах, где необходимы резервы газа, а таких истощённых газовых и нефтяных залежей нет, газохранилища сооружают в водоносных пластах. Газохранилище в водоносном пласте – это искусственно созданная газовая залежь, используемая циклически.

Добыча природного газа — это важнейшая отрасль добывающей промышленности, и это основная отрасль формирующая профицит государственногог бюджета.

Природный газ

Ключевые слова конспекта: Углеводородное сырьё. Природный газ. Конверсия метана. Пиролиз. Синтез-газ.

Состав природного газа

Бюджет Российской Федерации в немалой степени зависит от добычи и экспорта природных ископаемых, которые называют углеводородным сырьём. К таким подземным богатствам относят природный газ, попутный нефтяной газ, нефть, каменный уголь, горючие сланцы.

Владение природными источниками углеводородов и контроль над ними играют немаловажную роль в мировой политике: служат основой интеграции экономик различных стран или причиной военных конфликтов.

В недрах нашей планеты под большим давлением содержится одно из важнейших полезных ископаемых — природный газ. Он представляет собой смесь предельных углеводородов и неорганических газов, образовавшихся в результате бактериального разложения органических останков без доступа воздуха. Содержание отдельных компонентов природного газа зависит от месторождения. Однако в любом случае в природном газе преобладает метан, количество других предельных углеводородов резко сокращается с уменьшением их относительной молекулярной массы.

Использование природного газа и его переработка

Природный газ — важнейший вид топлива, поскольку он обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими энергоресурсами:

• 1) дешевизна (это самый экономичный вид топлива);
• 2) высокая теплотворная способность;
• 3) лёгкость транспортировки (по газопроводам);
• 4) экологичность (минимальное количество вредных выбросов при сгорании). В последнем преимуществе легко убедиться, ещё раз проанализировав уравнение реакции горения метана. При полном сгорании этого углеводорода воздух практически не загрязняется вредными выбросами, поскольку продукты горения углеводородов — это углекислый газ и водяной пар:

СН₄ + 2O₂  →  СO₂ + 2Н₂O

Метан горит бесцветным пламенем, а пропан и бутан, сжиженной смесью которых заполняют резервуар газовой зажигалки, — светящимся пламенем. Различие в характере пламени объясняется разной массовой долей углерода в указанных алканах.

Россия обладает огромными запасами природного газа, занимая по этому показателю первое место в мире. Наиболее крупным является Уренгойское месторождение, расположенное на севере нашей страны, в Ямало-Ненецком автономном округе. Богаты природным газом Иран, страны Персидского залива, США, Канада. Государства Европы, напротив, — крупнейшие потребители голубого топлива, поскольку собственные запасы этого природного ископаемого там довольно скудны.

Природный газ используют для обеспечения работы тепловых электростанций, котельных установок, доменных и стекловаренных печей. Бытовой газ — это тот же природный газ, только с добавкой специальных компонентов, позволяющих по запаху определить его утечку из газовых труб или бытовых приборов.

Природный газ используют не только в качестве топлива, но и как важнейшее сырьё для химической промышленности.

Взаимодействие метана с перегретым водяным паром называют конверсией. В результате этой реакции образуется смесь газообразных продуктов — оксида углерода(II) и водорода в соотношении 1:3:

СН₄ + Н₂O  →  СО + 3Н₂

Такую смесь называют синтез-газом. Это название отражает назначение продукта конверсии: его используют для получения синтетического бензина (смеси предельных углеводородов, содержащих от 6 до 12 атомов углерода в молекуле), а также синтеза кислородсодержащего органического вещества (с которым вы познакомитесь в начале следующей главы нашего учебника) — метилового спирта: 

Пиролизом (нагреванием без доступа воздуха) природного газа в зависимости от условий проведения процесса получают углерод (сажу), водород и ацетилен. Уравнение реакции пиролиза метана вам уже известно.

Наряду с природным газом одним из самых ценных природных ископаемых считается нефть, которой будет посвящён следующий конспект.

Конспект урока по химии «Природный газ». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 10 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии

Откуда берется газ в недрах земли?

Хотя люди научились применять газ более 200 лет назад, до настоящего времени нет единого мнения, откуда берется газ в недрах земли.

Основные теории происхождения

Существуют две основные теории его происхождения:

• минеральная, объясняющая образование газа процессами дегазации углеводородов из более глубоких и плотных слоев земли и поднятием их в зоны с меньшим давлением;
• органическая (биогенная), согласно которой газ – это продукт разложения остатков живых организмов в условиях повышенного давления, температуры и отсутствия воздуха.

В месторождении газ может находиться в виде отдельного скопления, газовой шапки, раствора в нефти или воде, либо газогидратов. В последнем случае залежи находятся в пористых породах между газонепроницаемыми пластами глины. Чаще всего такими породами являются уплотненный песчаник, карбонаты, известняки.

Доля обычных газовых месторождений составляет всего 0,8%. Немного больший процент приходится на глубинный, угольный и сланцевый газ – от 1, 4 до 1,9 %. Наиболее распространенными видами залежей являются водорастворенные газы и гидраты – приблизительно в равных пропорциях (по 46,9%)

Поскольку газ легче нефти, а вода тяжелее, положение ископаемых в пласте всегда одинаковое: газ сверху нефти, а вода подпирает снизу все нефтегазовое месторождение.

Газ в пласте находится под давлением. Чем глубже залежи, тем оно выше. В среднем, на каждые 10 метров, прирост давления составляет 0,1 МПа. Существуют пласты с аномально высоким давлением. Например, на Ачимовских отложениях Уренгойского месторождения оно достигает 600 атмосфер и выше при глубине залегания от 3800 до 4500 м.

Интересные факты и гипотезы

Еще не так давно считалось, что мировые запасы нефти и газа должны исчерпаться уже в начале XXI века. Например, об этом писал в 1965 году авторитетный американский геофизик Хабберт.

До настоящего времени многие страны продолжают наращивать темпы добычи газа. Никаких реальных признаков, что запасы углеводородов заканчиваются, не наблюдается

По мнению доктора геолого-минералогических наук В.В. Полеванова, подобные заблуждения вызваны тем, что теория органического происхождения нефти и газа до сих пор общепринята и владеет умами большинства ученых. Хотя еще Д.И. Менделеев обосновал теорию о неорганическом глубинном происхождении нефти, а затем это было доказано Кудрявцевым и В.Р. Лариным.

Но против органического происхождения углеводородов говорят многие факты.

Вот некоторые из них:

• открыты месторождения на глубинах до 11 км, в кристаллических фундаментах, где существование органики не может быть даже теоретически;
• с помощью органической теории можно объяснить только 10 % запасов углеводородов, остальные 90% необъяснимы;
• космический зонд «Кассини» обнаружил в 2000 году на спутнике Сатурна Титане гигантские ресурсы углеводорода в виде озер, на несколько порядков превышающих земные.

Выдвинутая Лариным гипотеза изначально гидридной Земли объясняет происхождение углеводородов путем реакции водорода с углеродом в глубинах земли и последующей дегазацией метана.

Согласно ей, нет никаких древних залежей юрского периода. Вся нефть и газ могли образоваться в пределах от 1 до 15 тысяч лет назад. По мере отбора запасы могут постепенно пополнятся, что замечено на давно выработанных и заброшенных нефтяных месторождениях.