Газ природный

2023-04-03 10:24:36 Время чтения 13 мин 734

Природный — смесь газов, образовавшихся в недрах Земли

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:

  1. в газообразном состоянии - он широко распространен и содержится в пластах горных пород в недрах земли:
  2. в виде газовых залежей (отдельных скоплений, заключенных в «ловушке» между осадочными породами),
  3. в виде газовых шапок в нефтяных месторждениях;
  4. в растворенном состоянии -  в нефти и воде;
  5. 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:

  1. гидростатическое давление (до 250 атм);
  2. сравнительно низкая температура (до 295°К), 
  3. 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:

  1. этан (C2H6),
  2. пропан (C3H8),
  3. бутан (C4H10).

а также другие неуглеводородные вещества:

  1. водород (H2),
  2. сероводород (H2S),
  3. диоксид углерода (СО2),
  4. азот (N2),
  5. гелий (Не).

В зависимости от содержания метана выделяются 2 основные группы природного газа: 

  1. группы H (высококалорийный газ) - с высоким содержанием метана (от 87% до 99%), самый высококачественный. 
  2. 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 и азота H2S. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ - Одорантов.  Одорант  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:

  1. от 0,68 до 0,85 кг/м³ относительно воздуха (сухой газообразный);
  2. 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:

  1. обособленных скоплений, не связанных с каким-либо др. полезным ископаемым;
  2. 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;
  3. 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:

  1. пластовые - где скопления газа приурочены к определенным пластам-коллекторам;
  2. массивные - не подчиняются в своей локализации определенным пластам

Среди пластовых наиболее распространены сводовые залежи, сохраняемые мощной глинистой или галогенной покрышкой.Подземными природными резервуарами служат:

  1. для 85% газовых месторождений и ГКМ - песчаные, песчано-алевритовые и алевритовые породы, нередко переслоенные глинами; 
  2. 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:

  1. статической или динамической нагрузки горных пород, выжимающих газ, 
  2. при свободной диффузии газа из областей высокого давления в зоны меньшего давления.

Различают миграции:

  1. внерезервуарная региональная - сквозь мощные толщи пород различной проницаемости по капиллярам, порам, разломам и трещинам,
  2. 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:

  1. куполовидные и брахиантиклинальные поднятия, 
  2. эрозионные и рифовые массивы,
  3. моноклинали, 
  4. 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:

  1. приуроченные к внутриплатформенным прогибам (например, Мичиганский и Иллинойсский бассейн США, Волго-Уральская НГП РФ); 
  2. приуроченные к прогнутым краевым частям платформ (например, Зап.-Сибирский в РФ); 
  3. контролируемые впадинами возрожденных гор (бассейны Скалистых гор в США, бассейны Ферганской и Таджикской впадин в Таджикистане); 
  4. 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:

  1. Уренгойское- 4 трлн м3, Заполярное- 1,5 трлн м3, приуроченные к меловым отложениям Западно-Сибирского бассейна,
  2. Вуктылское  - 750 млрд  м3, Оренбургское- 650 млрд м3 -в Волго-Уральской НГП, 
  3. 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  -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 добываетсяна нефтегазопромыслах.Осушка - 1я стадия обработки природного газа:

  1. абсорбция специальными жидкостями (гликолями);
  2. адсорбция твердыми поглотителями;
  3. 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:

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

Применение

Энергоноситель

  1. газы природные горючие - высокоэкономичное энергетическое фоссильное топливо, теплота сгорания 32,7 Мдж/м3 (7800 ккал/м3) и выше;
  2. применяется как топливо на тепловых электростанциях, 

Преимущества природного газа перед нефтью и углем:

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

Недостатки газа, как энергоносителя:

  1. наличие соединений серы, которые при горении превращаются в диоксид серы (SO2);
  2. горение газа также приводит к образованию СО2 - парникового газа, который способствует повышению температуры атмосферы;
  3. 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

  1. в чёрной и цветной металлургии, 
  2. цементной и стекольной промышленности,
  3. при производстве стройматериалов и для коммунально-бытовых нужд,
  4. для производства метилового спирта, формальдегида, ацетальдегида, уксусной кислоты, ацетона и др. органических соединений,
  5. конверсией кислородом или водяным паром из метана получают синтез-газ (CO+H2) - сырье для получения аммиака, спиртов и др. органических продуктов,
  6. пиролизом и дегидрогенизацией метана получают ацетилен, сажу и водород - сырье для синтеза аммиака,
  7. для получения олефиновых углеводородов: этилена и пропилена - сырья для дальнейшего органического синтеза. Из них производят пластические массы, синтетические каучуки, искусственные волокна и др. продукты.